DE4003483A1 - Verfahren zum entkoffeinieren von rohkaffee - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ent­ koffeinieren von Rohkaffee, bei welchem eine Extraktion mit feuchtem überkritischem CO₂ vorgenommen wird.

Aus der AT-PS 2 90 962 ist bekannt geworden, daß Koffein aus Rohkaffee mittels feuchtem CO₂ in überkritischem Zustand extrahiert werden kann. Wesentlich für die Durchführung einer derartigen Extraktion mit überkritischem CO₂ ist die Einstel­ lung eines definierten Wassergehaltes der Kaffeebohnen. Zu diesem Zweck ist es bekannt, die Kaffeebohnen mit gespanntem Wasserdampf bei erhöhter Temperatur aufzuschließen, wobei die Bohnen stark aufquellen. Auch beim Befeuchten der Kaffeeboh­ nen mit heißem Wasser findet ein starkes Quellen statt und für eine nachfolgende Extraktion mit überkritischem CO₂ muß auch hier für die Einhaltung bestimmter Wassergehalte Sorge getragen werden. Daraus resultiert, daß der Anfeuchtungs- bzw. Befeuchtungsschritt relativ genau gesteuert werden muß. Bei der Verwendung von feuchtem CO₂ in überkritischem Zu­ stand, wie dies durch die AT-PS 2 90 962 vorgeschlagen wird, ändern sich die Eigenschaften des überkritschen CO₂ dahin­ gehend, daß feuchtes überkritisches CO₂ nicht mehr die Eigenschaften eines unpolaren Fluides sondern die eines zunehmend polaren Gases aufweist. Die Verwendung von feuchtem CO₂ soll daher die Aufnahmefähigkeit für das gleichfalls polare Koffein verbessern. Die Feuchtigkeit des eingesetzten CO₂ entsteht bei diesem vorbekannten Verfahren durch die Kreislaufführung des CO₂, da CO₂ beim Extrahieren Feuchtig­ keit aus der zuvor angefeuchteten Beschickung aufnimmt. Aus der DE-PS 27 32 103 sind eine Reihe von Nachteilen dieses Verfahrens zu entnehmen und es wurde daher eine stationäre Behandlung vorgeschlagen um die beschriebenen Probleme beim Durchströmen des Kaffees in einem Druckbehälter zu beseiti­ gen.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die Feuchtig­ keitseinstellung vor der Extraktionsphase mit feuchtem, überkritischem CO₂ problemlos und ohne nennenswerte Kontrol­ len erfolgen kann und gegebenenfalls überhaupt entfallen kann. Weiters zielt das erfindungsgemäße Verfahren darauf ab, die Extraktion beim Durchströmen einer Schüttung in einem Druckbehälter zu verbessern und insbesondere sicherzustellen, daß die gesamte Schüttungshöhe im Behälter weitestgehend homogen entkoffeiniert wird. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemäße Verfahren im wesentlichen darin, daß die Extraktion mit fluidem, überkritischem CO₂, welches mit 0,5-5 Gew.-% H₂O übersättigt ist, vorgenommen wird, worauf gegebenenfalls mit Wasser, insbesondere mit natür­ lichen Kaffeearomastoffen angereichertem Wasser weiter­ behandelt wird. Dadurch, daß zu Beginn des Verfahrens eine bestimmte Übersättigung des überkritischen CO₂ mit Wasser im Bereich von 0,5-5 Gew.-% eingestellt wird, hat sich über­ raschenderweise gezeigt, daß unabhängig vom tatsächlichen Feuchtigkeitsgehalt des Rohkaffees und insbesondere unab­ hängig von der Frage ob zuvor ein bestimmter Feuchtigkeits­ gehalt für die Extraktion eingestellt wurde, bei der Behand­ lung mit derartigem übersättigem, überkritischem CO₂ sich in Strömungsrichtung Schicht für Schicht optimale Feuchtigkeits­ gehalte einstellen, so daß beim Durchströmen von Rohkaffee mit derartigem übersättigem, überkritischem CO₂ eine weit­ gehend quantitative und Schicht für Schicht sich homogen über die gesamte Beschickungshöhe ausbreitende Entkoffeinierung erfolgt. Es kann somit der zusätzliche Aufwand für die Befeuchtung von Kaffeebohnen vor dem eigentlichen Extrak­ tionsschritt wesentlich herabgesetzt werden und die eigent­ liche Extraktion erfolgt immer in der Schüttungsschicht bei für das erfindungsgemäße Verfahren optimalen Feuchtigkeitsgehalten von etwa 35 Gew.-%. Durch die schicht­ weise Extraktion wird hiebei die für die vollständige Ent­ koffeinierung benötigte Zeit wesentlich herabgesetzt, wodurch auch der Energiebedarf und die Energiekosten erheblich sinken. Auch der Verbrauch an CO₂ ist im Rahmen des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens geringer als bei herkömmlichen Extraktionsverfahren mit überkritischem CO₂. Da eine Vorein­ stellung der Feuchtigkeit auf relativ hohe Werte vor Ein­ leitung des erfindungsgemäßen Extraktionsverfahrens nicht stattfindet, findet auch kein übermäßiges Quellen der Kaffee­ bohnen statt und die Entleerung des Druckbehälters nach erfolgter Behandlung läßt sich problemlos bewerkstelligen. Da die Befeuchtung Zug um Zug während des Durchleitens mit übersättigtem, überkritischem CO₂ vom Extraktionsmittel selbst vorgenommen wird und daher langsam vor sich geht, werden die Kaffeebohnen keiner Schockwirkung ausgesetzt, was überraschenderweise dazu führt, daß bei der nachfolgenden Röstung eine verringerte Bruchanfälligkeit festgestellt wurde.

Mit Vorteil wird daher das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, daß der Wassergehalt für die Extraktion mit CO₂ mit dem der Übersättigung entsprechenden H₂O-Anteil des eingesetzten CO₂ eingestellt wird.

Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, die Übersättigung des CO₂ mit Wasser zwischen 1 und 2 Gew.-% zu wählen, wodurch eine besonders schonende Anfeuchtung und eine nahezu quantitative Extraktion des Koffeins erfolgt.

In besonders einfacher Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt werden, daß die Extraktion mit feuchtem, überkritischem, im ersten Extraktionsschritt wasserübersättigtem CO₂ bei einem Druck zwischen 200 und 350 bar, vorzugsweise bei ca. 235 bar erfolgt, wobei eine Tempe­ ratur zwischen 40 und 80°C, vorzugsweise ca. 60°C eingehalten wird, so daß vor allem bei gegenüber dem Stand der Technik vergleichsweise geringer Temperatur gearbeitet werden kann.

Um ein übermäßiges Auslaugen von Kaffeearomastoffen zu vermeiden und den Geschmack der Kaffeebohnen weitgehend zu erhalten, wird mit Vorteil das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, daß nach der Extraktion mit CO₂ eine solche mit natürlichen Kaffeearomastoffen angereichertem Wasser bei einer Temperatur zwischen 70 und 90°C, vorzugsweise zwischen 75 und 80°C erfolgt, wobei ein weitgehend vollständiger Erhalt der Geschmackseigenschaften noch dadurch verbessert werden kann, daß das fluide, sich im überkritischen Zustand befindliche CO₂ geringfügig mit Koffein beim Extraktionsbe­ ginn beladen ist und im Kreislauf geführt wird.

Um das Ausbringen der entkoffeinierten Bohnen nach Abschluß des Extraktionsverfahrens zu erleichtern und gege­ benenfalls nachteiligen Quelleffekten sicher entgegen zu wirken wird im Anschluß an die Extraktion mit CO₂ eine Weiterbehandlung mit angereichertem Wasser so durchgeführt, daß eine Weiterbehandlung mit mit Kaffeearomastoffen ange­ reichertem Wasser im Gegenstrom zur Extraktion vorgenommen wird. Diese Weiterbehandlung mit angereichertem Wasser führt dazu, daß der wasserlösliche Teil der an der Bohnenoberfläche anhaftenden Saccharide insbesondere Oligosaccharide abge­ waschen wird und das auf diese Weise beim Kaffeerösten ent­ stehende Reizstoffe, insbesondere karamelisierte Saccharide reduziert werden. Der Gesamtprozeß kann hierbei in zwei isobaren Prozeßstufen durchgeführt werden, wodurch sich die Gesamtextraktionszeit verkürzt. Hiedurch wird das Endprodukt weitestgehend geschont und die Wirtschaftlichkeit des Pro­ zesses erhöht. Extraktionen von 80 bis 97% des ursprünglich vorliegenden Koffeins lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren etwa in der gleichen Zeit durchführen, wie sie für die Extraktion von 80% bei herkömmlichen reinen CO₂ Hoch­ druckextraktionsverfahren benötigt wird. Auch die nachfol­ gende Wasserbehandlung kann im gleichen Hochdruckautoklaven vorgenommen werden, wie die Extraktion mit überkritischem und mit Wasser übersättigtem CO₂ und durch die schichtweise Entkoffeinierung läßt sich das Verfahren über die Prozeßparameter Strömungsgeschwindigkeit, Druck, Temperatur und Schüttdichte relativ einfach steuern bzw. regeln um einen optimalen Extraktionsgrad zu erhalten. In üblicher Weise kann das fluide im überkritischen Zustand befindliche CO₂ im Auto­ klaven von oben nach unten geführt werden, worauf eine gegebenenfalls vorgesehene Nach- bzw. Weiterbehandlung mit Wasser von unten nach oben erfolgt. Insbesondere diese Strömungsrichtungsumkehr von unten nach oben führt hiebei zu einer Auflockerung der Bohnenschüttung und einer besseren Umspülung der Einzelbohnen. Die Entfernung des extrahierten Koffeins aus dem fluiden CO₂ kann in bekannter Weise erfol­ gen, muß aber keineswegs vollständig sein. Wenn in zwei aufeinanderfolgenden Stufen gearbeitet wird, muß die erste Extraktionsstufe mit überkritischem CO₂ nämlich keinesfalls vollständig ablaufen, da der Rest des Koffeins in der Folge bei der Wasserbehandlung extrahiert wird. Aus dem Prozeß­ wasser kann das Koffein durch einen entsprechenden Wäscher ausgewaschen werden und gegebenenfalls kann zur vollständigen Entfernung von Koffeinresten ein Aktivkohlefilter zum Einsatz gelangen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer in der Zeichnung schematisch dargestellten Einrichtung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert.

In der Zeichnung ist mit 1 ein Extraktor dargestellt, welcher mit grünen unbefeuchteten Kaffeebohnen befüllt ist. In einem ersten Verfahrensschritt werden die grünen Kaffee­ bohnen in dem Extraktor 1 mit Wasser übersättigtem CO₂, welches mit Kaffeeölen und Kaffeearomastoffen angereichert wurde, angefeuchtet. Dieses mit Kaffeearomastoffen und Kaffeeölen angereicherte Wasser wird hiebei aus einem Lager­ tank 2 über die Rohrleitung 3, die Pumpe 4, einen Wärme­ tauscher 6, das Ventil 31 und über eine weitere Rohrleitung 5 in die CO₂ Zirkulationsleitung 14 zur Wasserübersättigung des CO₂, eingespeist, bevor es in den Extraktor 1 gelangt. Das mit Kaffeeölen und Kaffeearomastoffen beladene Wasser ent­ stammt dem aus der Koffeinaufbereitungsstufe 18 abgetrennten Raffinat, welcher über Leitung 20 in den Lagertank 2 gelangt. Bedingt durch diese Rückführung wird in bezug auf Kaffeeöle und Kaffeearomastoffe im Extraktor 1 sowie im Waschturm 12 ein Gleichgewichtszustand eingestellt, so daß ein Stoffüber­ gang für diese Komponenten auszuschließen ist.

Die Anfeuchtung der Kaffeebohnen erfolgt schichtweise in der CO₂ Strömungsrichtung von oben nach unten, so daß Extrak­ tion nur in dieser entsprechenden Schicht erfolgt.

Der isobare CO₂ Kreislauf erfolgt nach dem Austrag des beladenen CO₂ durch das geöffnete Ventil 23 und über Leitung 15 über Kreislaufpumpe 10 und Wärmetauscher 11 in die Wasch­ kolonne 12, in der im Gegenstrom Koffein aus dem CO₂ Strom mittels angereichertem Wasser aus dem Lagertank 2 ausge­ waschen wird, über den Aktivkohlefilter 13 zur Restkoffein­ entfernung und über Leitung 14 in den Extraktor 1 zur neuer­ lichen Beladung mit Koffein. Die Ventile 8 und 29 sind bei diesem Verfahrensschritt geschlossen.

Die Waschkolonne 12 wird mit Raffinat aus der Koffein­ aufbereitungsstufe 18 über den Lagertank 2, die Wasserkreis­ laufpumpe 4, die Rohrleitung 3, den Wärmetauscher 6 und das Ventil 16 im Gegenstrom zum CO₂ betrieben.

Mit Hilfe der Koffeinaufbereitungsstufe 18 wird haupt­ sächlich Koffein aus dem Wasserkreislauf über Leitung 17 abgetrennt, wobei Kaffeeöle und Kaffeearomastoffe überwiegend im Wasserkreislaufsystem verbleiben. Das in der Koffeinaufbe­ reitungsstufe abgetrennte Koffein wird hierbei über Leitung 19 ausgetragen. Das bei der Koffeinaufbereitung verbrauchte Wasser wird in dem Lagertank 2 durch Frischwasserzufuhr über Leitung 21 ergänzt.

Dieser erste Verfahrensschritt wird so lange fortge­ setzt, bis ca. 80% des Koffeins aus den grünen Kaffeebohnen extrahiert sind.

Nach Schließen der Ventile 22, 23 und 24 wird das mit Aroma und Kaffeeölen beladene Wasser über das Ventil 25 aus dem Behälter 2 angesaugt und mit der Pumpe 26 in den Extrak­ tor gefördert. In der Pumpe 26 wird das Wasser nunmehr auf denselben Druck gebracht, mit welchem das CO₂ die Pumpe 10 vor der ersten Extraktionsstufe verlassen hat. Das Wasser wird in der Folge über den Wärmetauscher 27 geleitet, wo es auf die für die zweite Extraktionsstufe erforderliche Tempe­ ratur gebracht wird und aus dem Wärmetauscher 27 über Leitung 28 und das geöffnete Ventil 8 in den Extraktor 1 eingepreßt. Nach Durchlaufen des Extraktors 1 wird das Wasser am Kopf des Extraktors über Ventil 29 und Leitung 30 wiederum der Koffe­ inaufbereitung zugeführt. Die Ventile 24 und 7 sind bei diesem Arbeitsschritt geschlossen. In der Koffeinaufbereitung 18 wird aus dem Wasser der zweiten Extraktionsstufe wiederum das Koffein abgetrennt und das Restwasser über Leitung 20 in den Wasserlagertank eingebracht. Die zweite Extraktionsstufe kann gegebenenfalls auch bei niedrigeren Drücken als im ersten Extraktionsschritt durchgeführt werden. Die nunmehr weitgehend von Koffein befreiten grünen Kaffeebohnen können in der Folge aus dem Extraktor 1 ausgebracht werden und in bekannter Weise weiterbehandelt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zum Entkoffeinieren von Rohkaffee, bei welchem eine Extraktion mit feuchtem, überkritischem CO₂ vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Extraktion mit fluidem, überkritischem CO₂, welches mit 0,5-5 Gew.-% H₂O übersättigt ist, vorgenommen wird, worauf gegebenenfalls mit Wasser, insbesondere mit natürlichen Kaffeearomastoffen angereichertem Wasser weiterbehandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassergehalt für die Extraktion mit CO₂ mit dem der Übersättigung entsprechenden H₂O-Anteil des eingesetzten CO₂ eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Übersättigung des CO₂ mit Wasser zwischen 1 und 2 Gew.-% gewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Extraktion mit feuchtem, überkritischem, im ersten Extraktionsschritt wasserübersättigtem CO₂ bei einem Druck zwischen 200 und 350 bar, vorzugsweise bei ca. 235 bar erfolgt, dabei eine Temperatur zwischen 40 und 80°C, vorzugs­ weise ca. 60°C eingehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Extraktion mit CO₂ eine solche mit natürlichen Kaffeearomastoffen angereichertem Wasser bei einer Temperatur zwischen 70 und 90°C, vorzugsweise zwischen 75 und 80°C erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das fluide, sich im überkritischen Zustand befindliche CO₂ geringfügig mit Koffein beim Extrak­ tionsbeginn beladen ist und im Kreislauf geführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Weiterbehandlung mit mit Kaffee­ aromastoffen angereichertem Wasser im Gegenstrom zur Extrak­ tion vorgenommen wird.