DE69007067T2

DE69007067T2 - Verfahren zur Extraktion von gerösteten und vermahlenen Kaffeebohnen.

Info

Publication number: DE69007067T2
Application number: DE69007067T
Authority: DE
Inventors: Martin Gottesman; Richard August Pfluger; Ronald H Skiff
Original assignee: GEN FOODS Inc; Kraft General Foods Inc
Current assignee: GEN FOODS Inc; Mondelez International Inc
Priority date: 1990-01-25
Filing date: 1990-12-13
Publication date: 1994-06-23
Anticipated expiration: 2010-12-14
Also published as: JPH04211332A; HK46995A; ES2049933T3; DK0438888T3; AU6935191A; EP0438888B1; AU632198B2; ATE101971T1; DE69007067D1; IE61248B1; NZ236877A; EP0438888A2; SG19195G; EP0438888A3; JP3030099B2; IE910198A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Extraktion von geröstetem und gemahlenem Kaffee. Insbesondere betrifft die Erfindung das Einspeisen von Extraktionswasser an einem Ende eines Extraktionsgefäßes mit einem Gehalt an geröstetem und gemahlenem Kaffee, während am anderen Ende des Gefäßes Kaffeextrakt entnommen wird. Der Strom zum Gefäß hin und vom Gefäß weg kann periodisch unterbrochen werden. Nicht- extrahierter Kaffee wird intermittierend in das Extraktionsgefäß eingetragen, während gleichzeitig eine Portion des extrahierten Kaffees ausgetragen wird. Die Erfindung führt zu einem Extrakt von gerösteten und gemahlenem Kaffee mit verbesserter Aromaqualität. Das verbesserte Aroma fällt im Vergleich zu herkömmlichen Extraktionssystemen in höherer Konzentration oder höherer Ausbeute an oder es sind für eine gleiche Ausbeute oder gleiche Konzentration geringere Betriebsaufwendungen in Bezug auf Zeit und Temperatur erforderlich. Auf jeden Fall wird das Aroma erheblich verbessert.

Stand der Technik

Die Extraktion von geröstetem und gemahlenem Kaffee zur Herstellung von löslichen Kaffee wird sehr häufig in einer Festbett-Gegenstrom-Extraktionsbatterie mit 6 bis 8 Säulen durchgeführt. Heißes Extraktionswasser, das tvpischerweise eine Temperatur von mehr als 160ºc aufweist, wird in die Säule, die den am stärksten ausgelaugten Kaffee (d.h. den Kaffee, aus dem die meisten Feststofe extrahiert worden sind) enthält, eingespeist, um den Kaffee thermisch zu hydrolysieren. Die Extraktionsflüssigkeit läuft weiter durch die Säulen, die zunehmend weniger extrahierten Kaffee enthalten und wird mit einem höheren Gehalt an Kaffee-Feststoffen versehen. Die letzte Säule in der Extraktionskette, aus der der Kaffeextrakt entnommen wird, enthält den frischesten am wenigsten extrahierten) Kaffee, der sodann unter atmosphärischen Bedingungen extrahiert wird. In Abständen wird, nachdem sämtliche Feststoffe, die in der Praxis löslich und extrahierbar sind, aus dem verbrauchten Kaffee entfernt worden sind, die diesen Kaffee enthaltende Säule aus der Batterie abgetrennt, und eine neue Säule mit einen Gehalt an frischem Kaffee wird angeschlossen. Der Strom dem Extraktionsflüssigkeit wird so eingestellt, daß das heiße Extraktionswasser in die am stärksten verbrauchte Säule eingespeist wird, und dementsprechende Einstellungen werden in der gesamten Batterie gemacht. Somit arbeitet die Gegenstrom-Extraktionsbatterie nicht kontinuierlich. Ein derartiges System erfordert einen erheblichen Aufwand an Ventilen und Rohren (einen komplizierten Rohrverteiler), um die gewünschten Stromeinstellungen zu ermöglichen. Typische Gegenstrom-Extraktionsbatterien sind in US-A-2515730 und US-A-2915399 sowie in "Coffee Processing Technology", Sivetz und Foote, AVI Publishing, Westport, Conn., Bd. 1 (1963), S. 281-294 beschrieben.
FR-A-2213080 beschreibt ein Fest-Flüssig-Extraktionsverfahren mit einem gepackten Bett, das so betrieben wird, daß die Viskosität des Extraktionslösungsmittels über das Bett hinweg mit steigender Konzentration der gelösten Stoffe im Lösungsmittel abnimmt.
EP-A-0331852 beschreibt ein Verfahren zum Extraktion von Coffein aus grünen Kaffeebohnen mittels eines überkritischen Fluids, das kontinuierlich durch ein Extraktionsgefäß mit einem Gehalt an den Bohnen geleitet wird.
EP-A-0323699 beschreibt ein Extraktionsverfahren, das auf die selektive Extraktion vom Nikotin aus Tabak anwendbar ist. Das Verfahren soll sich auch für die Extraktion von Coffein und anderen Xanthinderivaten aus Kaffeebohnen eignen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, lösliche Feststoffe aus geröstetem und gemahlenem Kaffee in wirksamer Weise so zu extrahieren, daß die Aromaqualität der löslichen Feststoffe erhalten bleibt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein nahezu kontinuierliches Verfahren zur Extraktion von geröstetem und gemahlenem Kaffee bereitzustellen, da nicht den komplizierten Rohrverteiler, der bei einer herkömmlichen Gegenstrom- Extraktionsbatterie vorhanden ist, erfordert.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Extraktion von geröstetem und gemahlenem Kaffee bereitzustellen, das im Vergleich zur genannten Gegenstrom- Extraktionsbatterie einen höheren Wirkungsgrad besitzt, was auf die größere Anzahl an äquivalenten Extraktionsstufen zurückzuführen ist, die in der Praxis bei erfindungsgemäßen Verfahren erzielbar ist:

Zusammenfassende Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Extraktion von geröstetem und gemahlenem Kaffee bereit, das durch folgende Stufen gekennzeichnet ist:
(a) Extraktionswasser wird am Bodenende eines länglichen, vertikalen Säulenextraktionsgefäßes mit einem Gehalt an geröstetem und gemahlenem Kaffee eingespeist;
(b) das Extraktionswasser, das eine Oberflächengeschwindigkeit von 0,03 m min&supmin;¹ bis 0,3 m min&supmin;¹ aufweist, wird bei einer Temperatur von 70 bis 232ºC wobei die Temperatur über die Säule hinweg konstant gehalten wird oder während der Extraktion abnehmen kann, mit dem extrahierten gerösteten und gemahlenen Kaffee im Gegenstrom in einem nahezu kontinuierlichen Betrieb für eine ausreichende Zeitspanne in Kontakt gebracht, um eine endgültige Extraktkonzentration von 4 bis etwa 55 Gew.-% Kaffee-Feststoffen zu erreichen;
(c) ein Kaffeextrakt wird am Kopfende des Gefäßes entnommen;
(d) intermittierend werden 4 bis 20 Vol.-% des extrahierten gerösteten und gemahlenen Kaffees am Boden des Extraktionsgefäßes in eine Boden-Druckbirne ausgetragen, wobei der ausgetragene extrahierte Kaffee Einsatzwasser enthält; und
(e) gleichzeitig werden (i) eine volumetrische Portion eines nicht-extrahierten, getrockneten, gerösteten und gemahlenen Kaffees, in einer Menge, die beim Befeuchten in der Extraktionssäule quellen kann, oder (ii) eine etwa gleiche volumetrische Portion an vorbefeuchtetem geröstetem und gemahlenem Kaffee aus einer Kopf-Druckbirne in die Extraktionssäule eingetragen, wobei das Verfahren auf diese Weise in einem im wesentlichen kontinuierlichen Gegenstrombetrieb abläuft, wobei frischer Kaffee intermittierend am Kopf des Extraktors eingetragen wird und der am stärksten verbrauchte extrahierte Kaffee und Waschwasser intermittierend am Boden des Extraktors ausgetragen werden.
Somit werden die erfindungsgemäßen Aufgaben durch ein Verfahren zur Extraktion von geröstetem und gemahlenem Kaffee in einem einzelnen Extraktionsgefäß gelöst. Das Extraktionswasser wird an einem Ende des Extraktionsgefäßes eingespeist und der Kaffeextrakt am gegenüberliegenden Ende des Extraktionsgefäßes entnommen. Erfindungsgemäß werden lösliche Feststoffe aus dem gerösteten und gemahlenen Kaffee in wirksamer Weise entfernt, wobei die aromareiche Qualität der Kaffeefeststoffe erhalten bleibt. Ferner kann aufgrund des verbesserten Wirkungsgrads der Extraktion ein gerösteter und gemahlener Kaffeextrakt mit einer höheren Konzentration an löslichen Feststoffen hergestellt werden oder es kann bei Betriebsbedingungen mit einer niedrigeren Temperatur und kürzeren Verweilzeit ein Aromaprofil erreicht werden, das aufgebrühtem geröstetem und gemahlenem Kaffee ähnlicher ist. Somit wird auf jeden Fall ein Extrakt von geröstetem und gemahlenem Kaffee von hervorragender und wesentlich verbesserter Aromaqualität bereitgestellt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht eines Extraktionsgefäßes für die Extraktion von geröstetem und gemahlenem Kaffee.

Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindungen

Gerösteter und gemahlener Kaffee wird in einem Extraktionsgefäß extrahiert. Zu geeigneten Gefäßen gehören solche, die dem Kontakt des gerösteten und gemahlenen Kaffees mit der durch das Gefäß strömenden Extraktionsflüssigkeit sowie das intermittierende Eintragen von frischem Kaffee und das intermittierende Austragen von extrahiertem Kaffee ermöglichen. Beim bevorzugten Gefäß handelt es sich um eine längliche Säule, in der der geröstete und gemahlene Kaffee in Form eines Betts gehalten wird und die Extraktionsflüssigkeit durch das Bett läuft. Die längliche Säule weist vorzugsweise eine Länge von etwa 7,5 bis 23,0 m auf. Der Säulendurchmesser wird durch das gewünschte Fassungsvermögen und im Hinblick auf den nachstehend beschriebenen bevorzugten Bereich der Oberflächengeschwindikgeit festgelegt. Diese Säule ist vertikal angeordnet um einen besonders zweckmäßigen Gegenstrombetrieb von Extraktionsflüssigkeit und gerösteten und gemahlenem Kaffee zu ermöglichen.
Da die Säule in besonders zweckmäßiger Weise vertikal angeordnet ist, ist es auch bevorzugt, das Extraktionswasser am Boden der Säule einzuspeisen und den Kaffeextrakt am Kopf der Säule zu entnehmen, so daß die Extraktionsflüssigkeit nach oben durch das Bett aus geröstetem und gemahlenem Kaffee strömt und der Kaffee sich nach unten bewegt. Periodisch kann der Strom zum Gefäß hin und vom Gefäß weg angehalten werden. Dabei kann nicht-extrahierter Kaffee intermittierend in das Extraktionsgefäß eingetragen werden, wobei eine Portion an verbrauchtem Kaffee ausgetragen wird. Das Einspeisen von Extraktionswasser und die Entfernung von Extrakt aus dem Gefäß können sodann wieder aufgenommen werden. Der Kaffee bewegt sich selbstverständlich als Folge des intermittierenden Austragens von extrahiertem Kaffee und des anschliefenden Eintragens von frischem geröstetem und gemahlenem Kaffee. Sofern das Extraktionswasser am Boden des Gefäßes eingespeist wird, wird frischer Kaffee am Kopf des Gefäßes eingetragen und extrahierter Kaffee am Boden entnommen, um eine Gegenstrombewegung des Kaffees im Verhältnis zum Strom der extrahierenden Flüssigkeit zu gewährleisten. Somit ermöglicht das Anbringen einer länglichen Säule in vertikaler Ausrichtung die Bewegung des Kaffees durch die Säule vorwiegend aufgrund der Schwerkraftwirkung. Selbstverständlich kann der Strom der Extraktionsflüssigkeit und des gerösteten und gemahlenen Kaffees umgekehrt werden, so daß das Extraktionswasser am Kopf des Gefäßes eingespeist wird, jedoch ist dies nicht so zweckmäßig.
Wie nachstehend beschrieben, können nach einer vorbestimmten Zeitspanne in intermittierender Weise das Einspeisen von Extraktionswasser in das Extraktionsgefäß und die Entnahme von Kaffeextrakt aus dem Gefäß zeitweise angehalten werden. Eine Portion des extrahierten gerösteten und gemahlenen Kaffees wird an einem Ende des Gefäßes ausgetragen, während eine Portion von frischem, nicht-extrahiertem geröstetem und gemahlenem Kaffee am anderen Ende des Extraktionsgefäßes eingetragen wird. Im Fall einer länglichen Säule wird diese Portion im Verhältnis zum Volumen des Kaffeebetts in der Säule bemessen, wobei beispielsweise 10 % des Gesamtvolumens der Säule intermittierend ausgetragen werden. Die Portion des extrahierten gerösteten und gemahlenen Kaffees, die intermittierend ausgetragen wird, beträgt 4 bis 20 Vol.-% des in der länglichen Säule enthaltenen Kaffeebetts. Bevorzugt ist ein intermittierendes Austragen eines Volumens von 5 bis 15 %. Ein gleichem Volumen an nicht-extrahierten geröstetem und gemahlenem Kaffee kann in die Säule eingetragen werden, wenn der Kaffee trocken ist, wenngleich gerösteter und gemahlener Kaffee beim Benetzen auf nahezu das doppelte seines ursprünglichen Volumens quillt, wodurch auch das Volumen der extrahierenden Flüssigkeit eingeengt und vermindert wird. Ersetzt somit ein gleiches Volumen an trockenem, frischem geröstetem und gemahlenem Kaffee den ausgetragenen extrahierten Kaffee, so kann sich dieser Kaffee nur unter Schwierigkeiten in angemessener Weise ausdehnen und kann somit nicht ordnungsgemäß extrahiert werden. Jedoch stellt in Säulen mit einem Durchmesser von mehr als 1 Fuß (0,31 m ) die Ausdehnung offensichtlich kein Problem dar. Somit kann die Beschickung von trockenem Kaffee bei kleinen Säulen etwa die Hälfte des Volumens an extrahiertem Kaffee, der ausgetragen wird, betragen. Außerdem muß die Strömungsgeschwindigkeit der Extraktionsflüssigkeit so eingestellt werden, daß ein Ausgleich für das durch den gerösteten und gemahlenen Kaffee absorbierte Wasser geschaffen wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der nicht-extrahierte geröstete und gemahlene Kaffee vor dem Eintragen in die längliche Säule vorbefeuchtet, wobei in diesem Falle das Volumen des gleichzeitig eingetragenen und ausgetragenen Kaffees etwa gleich groß sein soll.
Nachdem das Eintragen des nicht-extrahierten gerösteten und gemahlenen Kaffees und das Austragen des extrahierten Kaffees beendet sind, werden der Strom des Extraktionswassers in das Gefäß und die Entnahme von Extrakt aus dem Extraktionsgefäß wieder aufgenommen (unter der Annahme, daß der Strom vorher angehalten worden ist). Der gesamte Vorgang kann in recht kurzer Zeit durchgeführt werden und benötigt im allgemeinen nicht mehr als einige Minuten (in Abhängigkeit von der Größe der ausgetragenen Portion), so daß das Verfahren im Vergleich zur herkömmlichen Gegenstrom-Festbettextraktion in einer stärkeren Annäherung zum kontinuierlichen Betrieb durchgeführt werden kann. Eine andere Möglichkeit besteht je nach der speziellen Konfiguration der Ausrüstung darin, daß der Strom der Flüssigkeit in und aus dem Extraktionsgefäß nicht angehalten werden muß, wodurch das erfindungsgemäße Verfahren im wesentlichen kontinuierlich ausgestaltet wird.
Das Eintragen von frischem Kaffee und das Austragen von extrahierten Kaffee kann nach verschiederen beliebigen Verfahren vorgenommen werden. Beispielsweise wird in dem Fall, In dem frischer gerösteter und gemahlener Kaffee am Kopf einer länglichen Säule eingetragen wird, ein Ventil am Boden der Säule kurz geöffnet, um die gewünschte Portion an extrahiertem geröstetem und gemahlenem Kaffee auszutragen. Gleichzeitig wird ein Ventil am Kopf der Säule geöffnet, un die geeignete Menge an nicht-extrahiertem geröstetem und gemahlenem Kaffee durch Schwerkrafteinwirkung einzutragen. Sodann werden beide Ventile geschlossen. Diese Technik ist ungeeignet, wenn das Extraktionsgefäß auf einem über Atmosphärendruck liegenden Druck gehalten wird.
Insbesondere wird das Extraktionsgefäß aus sogenannten Druckbirnen die sich unmittelbar oberhalb und unterhalb des Extraktionsgefäßes befinden und mit diesem in Verbindung stehen, gefüllt und entladen. Bei Druckbirnen handelt es sich um getrennte Gefäße, die etwa das gleiche Volumen wie der einzutragende nicht-extrahierte Kaffee und der auszutragende extrahierte geröstete und gemahlene Kafiee aufweisen, wobei die Druckbirnen einen Druck aushalten können, der dem im Extraktionsgefäß aufrechterhaltenen Druck entspricht oder geringfügig darüber liegt. Die Druckbirne oberhalb der Säule wird sodann mit der geeigneten Menge an frischem Kaffee gefüllt und mit Druckluft oder einer Portion an Flüssigkeit auf einen Druck, der geringfügig über dem in der Säule aufrechterhaltenen Druck liegt, gebracht. Ein Ventil am Boden der Säule wird geöffnet, um die Druckbirne mit der ausgetragenen Kaffeeportion zu füllen, wonach das Ventil geschlossen wird. Nahezu gleichzeitig wird ein Ventil am Kopf der Säule geöffnet und frischer gerösteter und gemahlener Kaffee wird unter Druck in die Säule eingedrückt. Die obere Druckbirne wird anschließend abgetrennt und der Strom in und aus der Säule wird wieder aufgenommen oder fortgesetzt. Die Verwendung dieser Druckbirnen ist relativ einfach, wirkungsvoll und nahezu ebenso schnell wie das Beschicken und Entleeren des Extraktionsgefäßes durch Schwerkraftwirkung.
Fig. 1 zeigi eine der bevorzugten Ausführungsformen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Unter stationären Bedingungen wird das Extraktionsgefäß 5 mit einem Bett aus geröstetem und gemahlenem Kaffee, der in unterschiedlichen Graden extrahiert worden ist, gefüllt. Einsatzwasser wird in das erste Ende des Extraktionsgefäßes 6 eingespeist, und Kaffeextrakt wird am zweiten Ende des Extraktionsgefäßes 4 entnommen. Nicht-extrahierter gerösteter und gemahlener Kaffee wird periodisch durch das Ventil 1 in die Druckbirne 2 eingeführt. Die Ventile 3 und 7 werden gleichzeitig intermittierend geöffnet, um den nicht- extrahierten gerösteten und gemahlenen Kaffee aus der Druckbirne 2 in das zweite Ende des Extraktionsgefäßes 4 einzutragen und eine Portion des extrahierten gerösteten und gemahlenen Kaffees aus dem ersten Ende des Extraktionsgefäßes 6 in die Druckbirne 8 auszutragen. Die Ventile 3 und 7 werden sodann geschlossen. Anschließend wird das Ventil 9 geöffnet, um den extrahierten gerösteten und gemahlenen Kaffee aus der Druckbirne 8 auszutragen. Weiterer nicht-extrahierter und gemahlener Kaffee wird durch das Ventil 1 in die Druckbirne 2 eingebracht und das Verfahren wird wiederholt.
Nachdem nun der erfindungsgemäße Betrieb beschrieben worden ist, werden nachstehend die erheblichen Verbesserungen in Bezug auf den Verarbeitungswirkungsgrad und die Qualität des Kaffeextrakts, die sich bei dieser Betriebsweise ergeben, erörtert. Das vorliegende Verfahren erweist sich im Vergleich zu einer herkömmlichen Festbett-Gegenstrom-Extraktionsbatterie von 6 oder 8 Säulen als wirksamer in Bezug auf die Extraktion von gerösteten und gemahlenen Kaffee-Feststoffen, da es effektiv mehr Stufen als dieses herkömmliche Verfahren aufweist. Der Ausdruck "Stufe" wird im herkömmlichen Sinn der chemischen Ingenieurtechnik verwendet, wie er von Perry, Chemical Engineers' Handbook, 3. Auflage, McGraw Mill, 1950, Seite 716 beschrieben worden ist. Dieser verbesserte Wirkungsgrad führt im Vergleich zu einer herkömmlichen Extraktionsbatterie mit gleichwertigen Betriebsparametern zu einer erhöhten Kaffee-Feststoffkonzentration im entnommenen Kaffeextrakt. Ferner wird im erfindungsgemäßen Kaffeextrakt bei gaschromatographischer Messung in Vergleich zu einer herkömmlichen Extraktionsbatterie ein höherer Anteil an Kaffee- Aromastoffen festgestellt, wobei auch hier wieder sämtliche Betriebsparameter konstant gehalten werden. Ferner ist der Anteil an Kaffee-Aromastoffen stärker ausgeglichen und kommt den Anteilen, die sich im als Ausgangsprodukt verwendeten gerösteten und gemahlenen Kaffee finden, nahe. Für Anwendungszwecke, wo der Kaffeextrakt sprühgetrocknet wird, ist eine erhöhte Kaffee-Feststoffkonzentration besonders wichtig, um geschmacklich hochwertige Kaffee-Aromastoffe im fertigen löslichen Kaffeeprodukt zu erhalten, da ein verdünnter Kaffeextrakt im allgemeinen vor dem Trocknen eine erhebliche Stromabwärts-Konzentrierung, beispielsweise durch Eindampfen, erfordert. Eine derartige Stromabwärts-Konzentrierung führt im allgemeinen zu einem erheblichen Verlust und/oder Abbau an geschmacklich wertvollen Kaffee-Aromastoffen, wobei ein derartiger Verlust und/oder Abbau bei dem Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im allgemeinen vermieden werden. Somit ist die erfindungsgemäß erzielte höhere Konzentration an Feststoffen sehr erwünscht und für den Aromaerhalt bei der Verarbeitung von löslichem Kaffee besonders bevorzugt. Es wurde festgestellt, daß man erfindungsgemäß ein lösliches Kaffeeprodukt von hervorragender organoleptischer Qualität erhält.
In Situationen, wo ein verdünnter Extrakt verwendet werden kann, liegt der Geschmack des fertigen Extrakts im Vergleich zur Anwendung der herkömmlichen Mehrsäulen-Extraktion viel näher an dem als Ausgangsprodukt verwendeten gerösteten und gemahlenen Kaffee und das Aroma ist ebenso ausgeglichen, wie im Ausgangsmaterial. Es wird nicht nur die Ausbeute aufrechterhalten, sondern auch die Qualität des Kaffeextrakts erheblich verbessert.
Die Extraktionsausbeute, d.h. das Gewicht der löslichen Kaffeefeststoffe, die pro Gewichtseinheit des vorgelegten, frischen gerösteten und gemahlenen Kaffees extrahiert werden, gibt quantitativ den Grad der Kaffeextraktion an. Erfindungsgemäß ist die Extraktionsausbeute bei gleichwertigen Betriebsparametern besser als bei einer herkömmlichen Extraktionsbatterie. Die Ausbeute hängt im allgemeinen von der Oberflächengeschwindigkeit der Extraktionsflüssigkeit durch das Bett aus geröstetem und gemahlenem Kaffee, der Retentionszeit des Kaffees im Extraktionsgefäß, der Temperatur der Extraktionsflüssigkeit (wie nachstehend beschrieben) und dem Gesamtgewicht des Extraktionswassers pro Gewichtseinheit des vorgelegten gerösteten und gemahlenen Kaffees ab. Der Ausdruck "Extraktionsflüssigkeit" bezieht sich auf die Flüssigkeit, die durch das Gefäß strömt, die als Extraktionswasser eingespeist wird und die zunehmend an löslichen Kaffeefeststoffen angereichert wird, bis sie dem Gefäß als Kaffeextrakt entnommen wird. Die Oberflächengeschwindigkeit dieser Flüssigkeit und die Flüssigkeitsmenge, die durch den gerösteten und gemahlenen Kaffee in der länglichen Säule strömt, stehen in Beziehung zum Ausmaß der Extraktion und des Waschens, dem der Kaffee unterworfen wird. Eine geringere Oberflächengeschwindigkeit erhöht die Retentionszeit der Flüssigkeit in der Säule und begünstigt typischerweise eine stärkere Extraktion. Unter Bedingungen der atmosphärischen Extraktion, d.h. 70 bis 100ºC, erfordert eine höhere Oberflächengeschwindigkeit ein größeres Extraktionsgefäß, um den gleichen Extraktionsgrad zu erreichen, gewährleistet aber ein besseres Abwaschen (und Ausbeute) von den Kaffeeteilchen.
Unter Bedingungen, bei denen die Extraktion oberhalb von atmosphärischen Bedingungen (Hydrolysebedingungen) von 100- 180ºC durchgeführt wird, werden kürzere Flüssigkeits- Retentionszeiten begünstigt, um einen Aromaabbau zu verhindern. Daher werden höhere Oberflächengeschwindigkeiten bevorzugt.
Es wurde festgestellt, daß eine Oberflächengeschwindigkeit von 0,03 m/min bis 0,3 m/min für die Erfindung zweckmäßig ist, wobei eine Geschwindigkeit von 0,03 bis 0,15 bevorzugt und eine Geschwindigkeit von 0,06 bis 0,15 m/min besonders bevorzugt ist, um einen Extrakt herzustellen, der hauptsächlich aus atmosphärischen Feststoffen in hoher Konzentration besteht. Eine Oberflächengeschwindigkeit von 0,15 bis 0,30 m/min wird für Hydrolysebedingungen oder eine höhere Röstausbeute (23-50 % Röstausbeute) bevorzugt, wobei die höhere Geschwindigkeit das Aromagleichgewicht des Extrakts unter Bildung eines Produkts, dessen Aroma näher am ursprünglichen gerösteten und gemahlenen Kaffee ist, verbessert. Selbstverständlich kann eine Oberflächengeschwindigkeit außerhalb dieses Bereiches unter entsprechender Abnahme des Extraktionswirkungsgrads bei geringerer Geschwindigkeit oder einem stärker verdünnten Extrakt bei höherer Geschwindigkeit angewandt werden.
Das Gesamtgewicht des Extraktionswassers pro Gewichtseinheit des eingetragenen gerösteten und gemahlenen Kaffees wird zur Bildung zu im Vergleich zur herkömmlichen Extraktion höheren Extraktkonzentrationen auf dem Wert gehalten, wie er in etwa bei der herkömmlichen Extraktion vorliegt, d.h. zwischen etwa 15:1 und 40:1. Dies bedeutet, daß pro 1 kg geröstetem und gemahlenem Kaffee vorzugsweise etwas 15 bis 40 kg Extraktionsflüssigeit durch den im Extraktionsgefäß befindlichen Kaffee fließen. Zur Erzeugung eines hervorragenden Extraktaromas unter Hydrolysebedingungen bei Anwendungen von höheren Oberflächengeschwindigkeiten wird das Verhältnis von Extraktionswasser zum Gewicht dem eingetragenen gerösteten, gemahlenen Kaffees vorzugsweise auf 40:1 bis 90:1 gehalten.
Eine weitere Betriebsvariable, die die Ausbeute beeinflußt, ist die Retentionszeit des gerösteten und gemahlenen Kaffees im Extraktionsgefäß. Sie wird vorzugsweise die etwa bei einer herkömmlichen Extraktion auf etwa 75-240 Minuten und im allgemeinen auf 90 bis 240 Minuten eingestellt. Üblicherweise ergeben Retentionszeiten des gemahlenen Produkts von 90 bis 140 Minuten ein hervorragendes Aroma mit einem Profil in der Nähe des als Ausgangsmaterial verwendeten gerösteten und gemahlenen Kaffees. Zeiten von 140 bis 240 Minuten unterstützen die Bildung von aromareichen Extrakten mit höherer Konzentration. Nachdem somit die Retentionszeit und der Anteil des extrahierten, gerösteten und gemahlenen Kaffees, der gemäß den vorstehenden Angaben interinittierend ausgetragen wird, festgelegt worden ist, wird nunmehr die Frequenz des periodischen Eintragens und Austragens des gerösteten und gemahlenen Kaffees festgelegt. Dies deswegen, weil das Produkt aus Gesamtretentionszeit und dem Anteil des Extraktionsgefäßes, der intermittierend ausgetragen wird, notwendigerweise dem Zwischenraum zwischen dem Eintragen und dem Austragen entspricht. Wird beispielsweise eine Gesamtretentionszeit von 200 Minuten gewählt und werden etwa 12,5 % der Höhe der Säule intermittierend ausgetragen, so beträgt die Zeitspanne zwischen den periodischen Vorgängen 25 Minuten. Die Nettowirkung besteht darin, daß in einem einzigen Extraktionsgefäß eine entsprechende Wirkung wie bei einer Extraktionsbatterie mit 8 Gegenstromsäulen erzielt wird, wobei die komplexe Beschaffenheit einer derartigen Batterie entfällt.
Wie vorstehend beschrieben, findet die Hydrolyse des Kaffees in der Säule statt, in der bei einer herkömmlichen Batterie das Extraktionswasser eingespeist wird. Eine atmosphärische Extraktion findet in der Säule statt, die den frischen gerösteten und gemahlenen Kaffee enthält und aus der der Kaffeextrakt entnommen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Extraktion von geröstetem und gemahlenem Kaffee bietet eine erhöhte Flexibilität. Die erzielten Ergebnisse hängen von der Temperatur ab, mit der das Extraktionswasser in das Extraktionsgefäß eingespeist wird. In einer ersten Ausführungsform wird die atmosphärische Extraktion des gerösteten und gemahlenen Kaffees durchgeführt, indem man das Gefäß mit Extraktionswasser mit einer Temperatur von 70 bis 100ºC versorgt und diese Temperatur über die gesamte Höhe der Säule hinweg aufrechterhält. Der Druck im Extraktionsgefäß entspricht tvpischerweise dem Atmösphärendruck oder liegt geringfügig darüber. Der ausgetragene, extrahierte geröstete und gemahlene Kaffee kann sodann in ein witeres Extraktionsgefäß eingetragen werden, um den Kaffee zu hydrolysieren und auf diese Weise gebildete, verbleibende, verfügbare, lösliche Kaffee-Feststoffe zu extrahieren. Im zweiten Extraktionsgefäß wird die Hydrolyse durchgeführt, indem man das Extraktionswasser in das Extraktionsgefäß mit einer Temperatur von mehr als 100ºC und weniger als etwa 232ºC einspeist. Diese Temperatur kann über die gesamte Höhe des Gefäßes aufrechterhalten werden, beispielsweise durch Isolieren oder Ummanteln des Gefäßes. Man kann auch ein Absinken der Temperatur durch normalen Wärmeverlust oder durch Verringerung der Manteltemperatur des Gefäßes hinnehmen. Der Druck in der Säule liegt erheblich über atmosphärischem Druck, entsprechend zumindest dem Sättigungsdruck des Wassers bei der gewählten Temperatur. Druckbirnen oder andere geeignete Mittel zum Eintragen und Austragen des Kaffees unter dem entsprechenden Druck müssen selbstverständlich herangezogen werden.
In einer zweiten Ausführungsform kann dar erfindungsgemäße Verfahren so variiert werden, daß sowohl für eine atmosphärische Extraktion als auch für eine Hydrolyse in einem einzigen Exiraktionsgefäß gesorgt wird. Das Extraktionswasser wird in das Gefäß mit einer Temperatur über 100ºC eingespeist, um eine gewisse milde Hydrolyse in dem weitgehend extrahierten, gerösteten und gemahlenen Kaffee, der zu Beginn in Kontakt mit dem Wasser kommt, durchzuführen. Die Temperatur im Gefäß wird sodann durch Kreislaufführung einer Kühlflüssigkeit durch den Gefäßmantel oder durch Wärmeverlust so verringert, daß die Temperatur dann, wenn die Extraktionsflüssigkeit den frischesten gerösteten und gemahlenen Kaffee am gegenüberliegenden Ende des Extraktionsgefäßes erreicht, etwa 70 bis 100ºC beträgt. Auf diese Weise wird der Kaffee, der bei der niedrigsten Temperatur extrahiert wird, unter atmosphärischen Bedingungen extrahiert und der am meisten ausgelaugte Kaffee wird bei der höchsten Temperatur extrahiert, weitgehend auf die gleiche Weise wie bei einem herkömmlichen Extraktionssystem. Obgleich der Betrieb auf diese Weise möglicherweise weniger kompliziert ist, zeigt die Erfahrung, daß eine genaue Temperatursteuerung innerhalb eines einzigen Extraktionsgefäßes häufig schwierig zu erreichen ist.
Eine atmosphärische Extraktion in einem Gefäß gefolgt von einer Hydrolyse in einem zweiten Extraktionsgemäß oder auch in einer Festbett-Gegenstrombatterie ist flexibler, insbesondere da ein Großteil des Kaffeegeschmacks und der Aromastoffe unter atmosphärischen Bedingungen extrahiert werden und auf diese Weise die Hydrolyse bei einer höheren Tenperatur betrieben wird und nicht durch eine Rücksichtnahme auf das Aroma beschränkt ist.
Das vorliegende Verfahren ist zwar nicht streng kontinuierlich, kommt jedoch einem kontinuierlichen Betrieb sicher näher als eine Gegenstrom-Extraktionsbatterie, wobei der Strom des Extrakts intermittierend unterbrochen wird und zwar nur für eine kurze Zeitspanne, vorzugsweise weniger als einige Minuten und, sofern es die Bedingungen erlauben, überhaupt nicht. Der nahezu kontinuierliche Betrieb ermöglicht eine wesentlich stärkere Annäherung an stationäre Bedingungen, so daß der entnommene Extrakt ein flacheres, gleichmäßigeres Konzentrationsprofil als der bei einer Gegenstrombatterie entnommene Extrakt aufweist. Dieses Konzentrationsprofil kann noch flacher sein, wenn man den gerösteten und gemahlenen Kaffee vor dem Eintragen in das Extraktionsgefäß befeuchtet. Trockener gerösteter und gemahlener Kaffee absorbiert typischerweise Feuchtigkeit in einer Menge, die seinem ursprünglichen Extraktgewicht in etwa enspricht. Wird ein derartiger Kaffee in das Extraktionsgefäß eingetragen, so adsorbiert er bevorzugt Wasser aus der zunächst damit in Kontakt kommenden Extraktionsflüssigkeit, wodurch die Flüssigkeit eingeengt und das Konzentrationsprofil gestört wird. Somit kann der geröstete und gemahlene Kaffee auf 35 bis 60 Gew.-% vorbefeuchtet werden, bevor er in das Extraktionsgefäß eingetragen wird. Die Vorbefeuchtung kann mit Wasser oder Kaffeextrakt mit einem Gehalt an etwa 10 bis 50 Gew.-% Kaffee-Feststoffen erfolgen. Die Verwendung von Extrakt zum Vorbefeuchten ist günstig, da der Extrakt den gerösteten und gemahlenen Kaffee mit Kaffee-Feststoffen versetzt, was zu einer wesentlichen Erhöhung der Gleichgewichtskonzentration des entnommenen Extrakts beiträgt. Unabhängig von der zum Vorbefeuchten verwendeten Flüssigkeit trägt diese Vorbefeuchtung auch dazu bei, den Anteil an nicht-extrahiertem, geröstetem und gemahlenem Kaffee, der intermittierend in das Extraktionsgefäß eingetragen wird, auf die vorstehend beschriebene Weise festzulegen.
Die erhöhte Konzentration des erfindungsgemäßen entnommenen Extrakts ist für eine Betriebsart der vorliegenden Erfindung wesentlich. In gleicher Weise wichtig ist die Möglichkeit zur Herstellung eines äußerst aromareichen Kaffeextrakts mit dem charakteristischen Aroma der ursprünglichen gerösteten und gemahlenen Bohnen bei gleicher oder höherer Konzentration oder Ausbeute, wobei sämtliche übrigen Verarbeitungsbedingungen gleich sind. Konzentrationsbereiche bis zu etwa 55 Gew.-% im das Extraktionsgefäß verlassenden Extrakt sind erzielbar, insbesondere wenn der geröstete und gemahlene Kaffee mit Kaffeextrakt gemäß den vorstehenden Angaben vorbefeuchtet wird.
In der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform, bei der nur eine atmosphärische Extraktion im Extraktionsgefäß vorgenommen wird oder höhere Konzentrationen unter Hydrolysebedingungen unter Anwendung von Oberflächengeschwindigkeiten von 0,03 bis 0,15 m/min erwünscht sind, beträgt die Auslaßkonzentration im allgemeinen mehr als etwa 10 Gew.-%, typischerweise mehr als etwa 20 Gew.-%, vorzugsweise mehr als etwa 30 Gew.-% und insbesondere mehr als etwa 40 Gew.-% Kaffee-Feststoffe. Höhere Auslaßkonzentrationen sind bei gleichen Verhältnissen von Wasser zu Kaffee, wie sie in unter identischen Bedingungen betriebenen herkömmlichen Extraktionsbatterien verwendet werden, eizielbar. In ähnlicher Weise ist in dem Fall, wo eine atomsphärische Extraktion und eine milde Hydrolyse bei hohen Verhältnissen von Wasser zu Kaffee und bei hohen Entnahmefaktoren (und im allgemeinen bei kurzen Retentionszeiten von 75-140 Minuten) im gleichen Extraktionsgefäß eingehalten werden, und bei Anwendungen, bei denen nur eine Hydrolyse durchgeführt wird, die Konzentration des austretenden Extrakts im allgemeinen größer als etwa 5 %, beispielsweise 4 % oder mehr, und erreicht typischerweise 10 % oder mehr.
Der Vorteil einer erhöhten Austrittskonzentration macht sich in Bezug auf den Stromabwärts-Verarbeitungswirkungsgrad, Kosteneinsparungen und eine Aromaverbesserung bemerkbar. Typischerweise werden Kaffeextrakte vor dem Trocknen erheblichen Konzentrationsstufen, im allgemeinen einer Eindampfung unterzogen. Diese Konzentrationsstufen sind energieaufwendig und führen im allgemeinen zu einem erheblichen Verlust an geschmacksreichen Kaffee-Aromastoffen zusammen mit der ausgetriebenen Wasserphase. Es sind Verfahren bekannt, um einen prozentualen Anteil dieser geschmacksreichen Aromastoffe zu gewinnen, beispielsweise durch Kondensation, Destillation und Absorption, jedoch sind diese Verfahren kapital- und energieaufwendig und zu weniger als 100 % erfolgreich.
Die vorliegende Erfindung ist gegenüber diesen herkömmlichen Systemen insofern stark bevorzugt, als Kaffeextrakte mit hohen Konzentrationen und mit so hohen und ausgewogenen Anteilen an Kaffee-Aromastoffen erzeugt werden, daß nur eine beschränkte oder vorzugsweise keine nachgeschaltete Konzentration für den Kaffeextrakt, der für eine wirksame Trocknung geeignet ist, erforderlich ist, sowohl im Hinblick auf die Energie als auch auf die Beibehaltung des Aromas.
Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die Beispiele sollen in keiner Weise eine Beschränkung der nachstehend beanspruchten Erfindung darstellen.

Beispiel 1

1. Zu Vergleichszwecken wurde eine Gegenstrom-Festbett- Extraktionsbatterie (Gegenstrom-Batterie) mit 6 Säulen von 0,25 m Durchmesser und 5,5 m Höhe, die jeweils mit 82 kg geröstetem und gemahlenem Kaffee beschickt waren, bjs zum Erreichen des Gleichgewichtszustands betrieben. Die Zykluszeit betrug etwa 35 Minuten pro Zyklus für eine Gesamtretentionszeit des Kaffees in der Batterie von etwa 175 min. Bei der 6. Säule handelte es sich um eine Wendesäule, in die Kaffee so ausgetragen und eingetragen wurde, daß 5 der 6 Säulen jeweils auf einmal extrahiert wurden. Das Extraktionswasser wurde in die Batterie mit etwa 130ºC eingespeist, wodurch eine gewisse milde thermische Hydrolyse, sowie eine atmosphärische Extraktion durchgeführt wurden. Das Gesamtgewichtsverhältnis von eingespeistem Wasser zum Gewicht des gerösteten und gemahlenem Kaffees betrug 29,6:1.
Der erhaltene Extrakt wies eine Konzentration an löslichen Kaffee-Feststoffen von etwa 6,7 Gew.-% auf. Die Gesamtausbeute des gerösteten und gemahlenen Kaffees, bezogen auf das Trockengewicht, betrug etwa 28 Gew.-%.
2. Eine vertikale, zylindrische, längliche Säule mit einem Durchmesser von 0,1 m, einer Höhe von 15,2 m und einem Inhalt von etwa 44 kg geröstetem und gemahlenem Kaffee wurde verwendet. Die Stahlsäule wies zwei an beiden Enden angebrachte 10 cm-Kugelventile zum Eintragen und Austragen des Kaffees auf. Ein Trichter wurde oberhalb der Säule befestigt, der durch das Kugelventil mit der Säule in Verbindung stand. Eine zusätzliche zylindrische Länge, die etwa 12,5 Vol.-% der Säule ausmachte, wurde vertikal unterhalb der Säule als Druckbirne befestigt, die mit dem Boden-Kugelventil mit der Säule in Verbindung stand. Ein drittes 10 cm-Kugelventil wurde am Boden der Druckbirne angebracht. Wasser wurde durch einen Wärmetauscher und in die Säule durch einen Strömungsverteiler, beispielsweise ein in der Säule angebrachtes Bajonett, das sich geringfügig oberhalb des Säulenbodens befand, gepumpt. Der Kaffeextrakt wurde durch ein in der Säule befestigtes Bajonett, das sich geringfügig unterhalb des Säulenbodens befand, entnommen. Der Extrakt wurde aus der Extraktionssäule in einen Behälter gepumpt. Gerösteter und gemahlener Kaffee wurde in den Trichter gegeben und durch manuelles Vermischen mit einer Flüssigkeit vorbefeuchtet. Das unterste Kugelventil an der Druckbirne wurde geschlossen und dadurch der Strom zu und von der Säule angehalten. Die Kugelventile an den beiden Enden der Säule wurden im wesentlichen gleichzeitig geöffnet, wodurch der geröstete und gemahlene Kaffee durch Schwerkraftwirkung in die Säule eingetragen wurde und extrahierter Kaffee die Druckbirne füllte, wonach beide Ventile geschlossen wurden. Sodann wurde der Strom in und von der Säule wieder aufgenommen. Man ließ den Inhalt der Druckbirne abkühlen. Sodann wurde die Druckbirne durch Öffnen des untersten Kugelventils entleert.
Für den ersten Ansatz (Ansatz 1) wurden etwa 12,5 Vol.-% des Kaffees in der Säule intermittierend alle 25 Minuten in eine Druckbirne neben dem Säulenboden für eine Gesamtretentionszeit im Gefäß von 200 Minuten ausgetragen. Ein gleiches Volumen an nicht-extrahiertem, geröstetem und gemahlenem Kaffee, der mit Wasser auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 58 Gew.-% vorbefeuchtet war, wurde sodann am Kopf der Säule durch eine dort angebrachte Druckbirne eingetragen. Extraktionswasser wurde in den Säulenboden mit etwa 88ºC eingespeist, wodurch eine atomosphärische Extraktion vorgenommen wurde. Das Gesamtgewichtsverhältnis von eingespeistem Wasser pro Gewichtseinheit des gerösteten und gemahlenen Kaffees betrug 29,6:1. Der erhaltene Extrakt wies eine Konzentration an löslichen Feststoffen von etwa 13,8 Gew.-% auf. Die auf Trockenbasis bezogene Gesamtausbeute des gerösteten und gemahlenen Kaffees betrug etwa 23 Gew.-%.
Ein zweiter Ansatz (Ansatz 2) wurde unter identischen Bedingungen durchgeführt, mit der Ausnahme, daß der geröstete und gemahlene Kaffee mit einer Portion des vom Säulenkopf entnommenen Kaffeextrakts vorbefeuchtet wurde und daher die Wasserzufuhr so eingestellt wurde, um das im Vorbefeuchtungsextrakt enthaltene Wasser auszugleichen. Die Konzentration des erhaltenen Extrakts betrug etwa 36,6 Gew.-% lösliche Feststoffe. Das einfache Hilfsmitel der Vorbefeuchtung mit Extrakt erhöhte die Konzentration auf nahezu das 3-fache gegenüber dem ersten Ansatz.
Ein dritter Ansatz (Ansatz 3) wurde in einer Säule, die im wesentlichen die gleiche Gesamtkonfiguration wie in den Ansätzen 1 und 2 von Beispiel 2 aufwies, durchgeführt. Die Gegenstrom-Batterie dieses Beispiels wies einen Durchmesser von 0,25 m und eine Höhe von 7,9 m auf. Der Inhalt an geröstetem und gemahlenem Kaffee betrug etwa 140 kg. Die Bedingungen waren ähnlich wie bei der Gegenstrom-Batterie, mit der Ausnahme, daß das Verhältnis von eingespeistem Wasser zur Gewichtseinheit an geröstetem und gemahlenem Kaffee weiter auf etwa 76:1 erhöht wurde und die Temperatur des Extraktionswassers auf etwa 120ºC verringert wurde. Der Extrakt dieses Ansatzes (Ansatz 3) kam von den Ansätzen 1 bis 3 von Beispiel 2 oder von diesem Beispiel in Bezug auf das Aroma dem als Ausgangsmaterial verwendeten gerösteten und gemahlenen Kaffee am nächsten, was wiederum den erhöhten Wirkungsgrad der Erfindung bei Wasser/Kaffee-Verhältnissen, die in herkömmlichen Festbett- Perkolatoren nicht erzielbar sind, belegt. Die Ergebnisse sind in folgender Tabelle I dargestellt.
Es ist leicht ersichtlich, daß mit einer Erhöhung des Verhältnisses von Wasser zum Gewicht des gerösteten und gemahlenen Kaffees gemäß Ansatz 3 die zur Erzielung einer äquivalenten Ausbeute erforderliche Temperatur und auch die Extrakt-Retentionszeit im Extraktor sinken. Dies führt wiederum zu einer weiteren Verringerung der Bildung eines unerwünschten Aroma-Abbaus (Furfural), jedoch zu einem verbesserten Extraktionswirkungsgrad in Bezug auf die erwünschten Aromastoffe Methylfuran, 2,3-Pentandion und Diacetyl. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine Erhöhung des Verhältnisses von Wasser zum Gewicht an geröstetem und gemahlenem Kaffee leicht erreicht werden kann, ohne daß Beschränkungen in Bezug auf eine Druckverringerung durch komplizierte Rohrverteiler wie in herkömmlichen Festbett- Extraktionsbatterien notwendig sind. Tabelle I Ansatz Gegenstrom-Batterie Wassertemperatur des eingespeisten Wassers Wasser/Kaffee-Verhältnis Entnahme-Faktor Konzentration des entnommenen Extrakts % Ausbeute in Gew.-%, direkt bezogen auf das Trockengewicht Oberflächengeschwindigkeit Puls-% Zykluszeit, min Vorbefeuchtung Flüsigkeits-Retentionszeit, min Retentionszeit der gemahlenen Produkte, min Durchmesser, Zoll Höhe 20% des Gesamtinhalts der Extraktorsäulen
Die geringfügig höhere Ausbeute des in der Gegenstrom-Batterie extrahierten Kaffees im Vergleich zu den Ansätzen 1 und 2 ist auf die höhere Extraktionstemperatur für dieses Verfahren zurückzuführen, die aufgrund von Ausrüstungsbeschränkungen erforderlich war. Der erfindungsgemäße erzielbare höhere Wirkungsgrad ist aus der hohen Konzentration des Extrakts, die gemäß dem vorliegenden Verfahren erzielt wird, ersichtlich, wobei diese Konzentration nahezu doppelt so hoch wie bei dem im ersten Fall auf herkömmliche Weise erzeugten Extrakt ist, trotz der Tatsache, daß bei beiden Verfahren des gleiche Gewicht an Wasser in Bezug auf das Kaffeegewicht eingesetzt wurde. Bei Anwendung der Rückführung-Extraktionstechnik wird die Konzentration auf das 6-fache erhöht. Eine höhere Extraktkonzentration ist insofern von Vorteil, als eine derartige höhere Konzentration eine höhere Aromaretention ergibt und ein derartiger Extrakt vor dem Trocknen eine geringere Konzentrationsarbeit erfordert, wodurch die Anforderungen an die Ausrüstung und die Betriebskosten verringert werden.

Beispiel 2

In einem zweiten Vergleichsbeispiel wurde eine Gegenstrom- Festbett-Extraktionsbatterie (1. Festbett) mit 6 Säulen von 0,25 m Durchmesser und 5,2 m Höhe, die jeweils mit 82 kg geröstetem und gemahlenem Kaffee beschickt waren, bis zum Erreichen des Gleichgewichtszustands betrieben. Die Zykluszeit betrug etwa 32 Minuten, wobei zu jedem beliebigen Zeitpunkt 5 Säulen angeschlossen waren (die 6. Säule wurde entleert und wieder gefüllt), was eine Gesamtretentionszeit von 160 min ergab. Das Extraktionswasser wurde in die Batterie bei etwa 350ºF eingespeist, was eine gewisse thermische Hydrolyse sowie eine atmosphärische Extraktion ergab. Das Gesamtgewicht des eingespeisten Wassers pro Gewichtseinheit des gerösteten und gemahlenen Kaffees betrug 15:1.
Die Gesamtausbeute des gerösteten und gemahlenen Kaffees, bezogen auf das Trockengewicht, betrug etwa 38 Gew.-%. Man erhielt einen Extrakt, der eine Konzentration an löslichen Kaffee-Feststoffen von etwa 23,8 Gew.-% enthielt.
Eine vertikale, zylindrische, längliche Säule von ähnlicher Gesamtbauart wie in Beispiel 1 mit einem Durchmesser von 0,25 m, einer Höhe von 13,6 m und einer Füllung von etwa 227 kg geröstetem und gemahlenem Kaffee wurde verwendet. Die Stahlsäule wies zwei 10 cm-Kugelventile auf, die an beiden Enden zum Eintragen und Austragen des Kaffees befestigt waren. Ein mit der Säule über das Kugelventil in Verbindung stehendes Gefäß war oberhalb der Säule befestigt. Ein zweites Gefäß, das etwa 10 % des Säulenvolumens hatte, war vertikal unterhalb der Säule befestigt und stand mit der Säule durch das untere Kugelventil in Verbindung. Dieses untere Gefäß wirkte als Druckbirne. Diese Druckbirne wies an ihrem unteren Ende ein drittes 10 cm-Kugelventil auf. Wasser wurde durch einen Wärmetauscher und in die Säule über einen Flüssigkeitsverteiler, z. B. ein Bajonett, der in der Säule geringfügig oberhalb des Säulenbodens befestigt war, gepumpt. Der Kaffeextrakt wurde durch ein in der Säule befestigtes Bajonett, das sich geringfügig unterhalb des Säulenkopfes befand, entnommen und in einen Behälter gepumpt.
Gerösteter und gemahlener Kaffee wurde ohne Vorbefeuchtung in das obere Gefäß eingespeist. Sodann wurde das Gefäß abgetrennt und mit Luft auf etwa 10 bar unter Druck gesetzt. In diesem Fall wurde der Strom zum und von der Säule nicht unterbrochen. Die Kugelventile an den beiden Enden der Säule wurden im wesentlichen gleichzeitig geöffnet, was das Eintragen von geröstetem und gemahlenem Kaffee in die Säule unter Einwirkung des Luftüberdrucks und das Einfüllen des extrahierten Kaffees in die Druckbirne ermöglichte, wonach beide Ventile geschlossen wurden. Der Inhalt der Druckbirne wurde durch Beaufschlagen der Druckbirne unter Verwendung von Luft und anschließendes Öffnen des untersten Druckbirnen-Ventils ausgetragen, wodurch das verbrauchte Bodenprodukt und Wasser in einen Trichter für verbrauchtes Bodenprodukt befördert wurden.
In einem ersten Ansatz (Ansatz 1) wurden etwa 10 Vol.-% des Kaffees in der Säule intermittierend alle 10 Minuten in die Druckbirne bei einer Gesamtretentionszeit im Gefäß von etwa 100 min ausgetragen. Ein gleiches Volumen an nicht-extrahiertem geröstetem und gemahlenem Kaffee wurde sodann am Säulenkopf durch das Beschickungsgefäß eingetragen. Extraktionswasser wurde am Säulenboden mit einer Temperatur von etwa 320ºF (160ºC) eingespeist, wodurch eine atmosphärische Extraktion und eine milde Hydrolyse des gerösteten und gemahlenen Kaffees vorgenommen wurde. Das Gesamtgewichtsverhältnis von eingespeistem Wasser pro Gewichtseinheit des gerösteten und gemahlenen Kaffees betrug 31:1.
Der erhaltene Extrakt wies eine Konzentration an löslichen Feststoffen von etwa 22,4 Gew.-% auf. Die Gesamtausbeute auf Trockenbasis an geröstetem und gemahlenem Kaffee betrug etwa 38 Gew.-%. Ein zweiter Ansatz (Ansatz 2) wurde in der gleichen Säule wie in Ansatz 1 durchgeführt. Bei diesem Ansatz waren die Bedingungen wie bei Ansatz 1, mit der Ausnahme, daß das Gesamtgewichtsverhältnis von eingespeistem Wasser pro Gewichtseinheit an geröstetem und gemahlenem Kaffee auf etwa 53:1 erhöht wurde und die Temperatur des Extraktionswassers auf etwa 300ºF (148,9ºC) verringert wurde.
Der erhaltene Extrakt wies eine Konzentration an löslichen Feststoffen von etwa 10 Gew.-% auf. Die Gesamtausbeute auf Trockenbasis an geröstetem und gemahlenem Kaffee betrug etwa 40 Gew.-%.
Ein zweiter Festbett-Extraktionsansatz (2 Festbett) wurde mit einem hohen Entnahmefaktor im Vergleich zu Ansatz 2 durchgeführt.
Die aus dem Festbett-Extraktionsbatterie-Ansatz dieses Beispiels erhaltenen vier Extrakte und die beiden Ansätze der länglichen, gepulsten Säule (Ansatz 1, Ansatz 2) wurden anschließend durch Gaschromatographie analysiert.
Die nachstehend angegebenen Aromaergebnisse wurden unter Anwendung von "Purge and Trap"-Gaschromatographie erhalten. Die prozentualen Aroma-Ausbeutewerte werden abgeleitet, indem man die G.C.-Zahl des Extrakts (korrigierte oder extrahierte Ausbeute) durch die G.C.-Zahl des als Ausgangsmaterial verwendeten gerösteten und gemahlenen Kaffees dividiert und mit 100 multipliziert.
Die Betriebsbedingungen und die Ergebnisse der GC-Analyse sind in Tabelle II zusammengestellt. Tabelle II Betriebsbedingungen Ansatz Festbett Wassertemperatur des eingespeisten Wassers Wasser/Kaffee-Verhältnis Entnahme-Faktor Konzentration des entnommenen Extrakts % Ausbeute in Gew.-%, bez. auf das Trockengewicht Oberflächengeschwindigkeit Puls-% Zykluszeit, min Vorbefeuchtung Flüsigkeits-Retentionszeit, min Retentionszeit der gemahlenen Produkte, min Durchmesser, Zoll Höhe Tabelle II (Forts.) Ansatz Festbett Aromaergebnisse - % gewonnen aus dem als Ausgangsmaterial verwendeten gerösteten und gemahlenem Kaffee Gesamt - FID, % Abbauprodukt Furfural, % Aromareiche flüchtige Bestandteile Diacetyl % 2,3-Pentandion % 2-Methylfuran %
Es ist leicht ersichtlich, daß die Ansätze 1, 2 und der 1. Festbett-Ansatz, die in Tabelle 2 zusammengestellt sind, im wesentlichen zu der gleichen Extraktionsausbeute führten, daß aber die erfindungsgemäße Praxis einen Kaffeextrakt ergab, der in Bezug auf das Aromagleichgewicht näher bei dem als Ausgangsmaterial verwendeten gerösteten und gemahlenen Kaffee lag. Ein direkter Vergleich der Daten aus der 1. Festbett- Extraktionsbatterie mit denen von Ansatz 1 läßt leicht erkennen, daß zur Erzielung der gleichen Extraktionsausbeute wie bei der vorliegenden Erfindung mit im wesentlichen der gleichen Extraktkonzentration die Bedingungen in Bezug auf Temperatur des Extraktionswassers und Verweilzeit des gemahlenen Produkts erhöht werden mußten. Diese Veränderungen führten dazu, daß im Festbett der Kaffeextrakt einer drastischeren Zeit/Temperatur-Belastung ausgesetzt wurde.
Die Vorteile des höheren Wirkungsgrads der erfindungsgemäßen Extraktion lassen sich erkennen, indem man die gaschromatographischen Daten in der Tabelle II studiert. Im Ansatz 1 beträgt der Anteil an erzeugtem Furfural fast 1/3 des Wertes beim Festbett-Extraktor. Furfural wird üblicherweise als Indikator für eine geschmackliche Beeinträchtigung durch die Kaffeeverarbeitung herangezogen. Ferner waren die Gesamt-G.C.- Zahlen äquivalent, was ein besser ausgewogenes, leichtes, erwünschtes Aroma im Vergleich zum unerwünschten Furfural anzeigte. Ferner ist der Extraktionswirkungsgrad von derartigen erwünschten Kaffee-Aromastoffen, wie 2-Methylfuran und 2,3- Pentandion, beim erfindungsgemäßen Verfahren gleich oder höher als bei der herkömmlichen Festbett-Extraktion. Dieser höhere Wirkungsgrad führt daher zu einem Extrakt, dessen Aromagleichgewicht näher bei dem als Ausgangsmaterial verwendeten gerösteten und gemahlenen Kaffees liegt.
Vergleicht man die Daten in Tabelle II, Ansätze 1 und 2 der Erfindung, so ist leicht ersichtlich, daß eine weitere Steigerung des Verhältnisses von Wasser pro Gewichtseinheit des gerösteten und gemahlenen Kaffees wie in Ansatz 2 die zur Erzielung einer äquivalenten Ausbeute erforderliche Temperatur und auch die Retentionszeit des Extrakts im Extraktor vermindert. Dies führt wiederum zu einer weiteren Verringerung der Bildung von unerwünschten Abbauprodukten, wie sich durch den geringeren Furfural-Anteil zeigt, bei sogar noch verbessertem Extraktionswirkungsgrad in Bezug auf erwünschte Aromastoffe, wie 2-Methylfuran und 2,3-Pentandion. Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine Steigerung des Verhältnisses von Wasser pro Gewichtseinheit des gerösteten und gemahlenen Kaffees leicht erreicht werden kann, ohne Beschränkungen durch einen Druckabfall durch komplizierte Rohrverteiler in herkömmlichen Festbett-Extraktionsbatterien.

Claims

1. Verfahren zur Extraktion von geröstetem und gemahlenem Kaffee, gekennzeichnet durch folgende Stufen:

(a) Extraktionswasser wird am Bodenende (6) eines länglichen, vertikalen Säulenextraktionsgefäßes (5) mit einem Gehalt an geröstetem und gemahlenem Kaffee eingespeist;

(b) das Extraktionswasser, das eine Oberflächengeschwindigkeit von 0,03 m min&supmin;¹ bis 0,3 m min&supmin;¹ aufweist, wird bei einer Temperatur von 70 bis 232ºC, wobei die Temperatur über die Säule hinweg konstant gehalten wird oder während der Extraktion abnehmen kann, mit dem extrahierten gerösteten und gemahlenen Kaffee im Gegenstrom in einem nahezu kontinuierlichen Betrieb für eine ausreichende Zeitspanne in Kontakt gebracht, um eine endgültige Extraktkonzentration von 4 bis etwa 55 Gew.-% Kaffee-Feststoffen zu erreichen;

(c) ein Kaffeextrakt wird am Kopfende (4) des Gefäßes entnommen;

(d) intermittierend werden 4 bis 20 Vol.-% des extrahierten gerösteten und gemahlenen Kaffees am Boden (7) des Extraktionsgefäßes in eine Boden-Druckbirne (8) ausgetragen, wobei der ausgetragene extrahierte Kaffee Einsatzwasser enthält; und

(e) gleichzeitig werden (i) eine volumetrische Portion eines nicht-extrahierten, getrockeneten, gerösteten und gemahlenen Kaffees, in einer Menge, die beim Befeuchten in der Extraktionssäule quellen kann, oder (ii) eine etwa gleiche volumetrische Portion an vorbefeuchtetem geröstetem und gemahlenem Kaffee aus einer Kopf-Druckbirne (2) in die Extraktionssäule eingetragen, wobei das Verfahren auf diese Weise in einem im wesentlichen kontinuierlichen Gegenstrombetrieb abläuft, wobei frischer Kaffee intermittierend am Kopf des Extraktors eingetragen wird und der am stärksten verbrauchte extrahierte Kaffee und Waschwasser intermittierend am Boden des Extraktors ausgetragen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Strom der Flüssigkeit zum und vom Extraktionsgefäß (5) in der Zeitspanne, in der der Kaffee eingetragen und ausgetragen wird, angehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich beim Extraktionsgefäß (5) um eine vertikale, längliche Säule mit einer Länge von etwa 7,5 bis 23,0 m und einem solchen Durchmesser handelt, so daß die Oberflächengeschwindigkeit 0,03 m min&supmin;¹ bis 0,3 m min&supmin;¹ beträgt und der Strom des Extraktionswassers kontinuierlich ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend das Vorbefeuchten des nicht-extrahierten gerösteten und gemahlenen Kaffees auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 35 bis 60 Gew.-% vor dem Eintragen des Kaffees in das Extraktionsgefäß.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei zum Vorbefeuchten des nicht-extrahierten gerösteten und gemahlenen Kaffees Wasser verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei Kaffeextrakt zum Vorbefeuchten des nicht- extrahierten gerösteten und gemahlenen Kaffees verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Oberflächengeschwindigkeit 0,06 m min&supmin;¹ bis 0,15 in min&supmin;¹ beträgt und die endgültige Extraktkonzentration mehr als 10 Gew.-% Kaffee-Feststoffe beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Temperatur des Extraktionswassers weniger als 180ºC und das Verhältnis von Extraktionswasser zu geröstetem und gemahlenem Kaffee 15:1 bis 40:1 Gew.-% beträgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Oberflächengeschwindigkeit mindestens 0,15 m min&supmin;¹ und die Temperatur des Extraktionswassers nicht mehr als 180ºC betragen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Gewichtsverhältnis von Wasser zu geröstetem und gemahlenem Kaffee 40:1 beträgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Extraktionswasser in das Extraktionsgefäß (5) mit einer Temperatur von 70 bis 180ºC eingespeist wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Temperatur im Extraktionsgefäß (5) auf 70 bis 100ºC gehalten wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei dar Extraktionswasser im Extraktionsgefäß (5) auf einer Temperatur von 70 bis 180ºC gehalten wird und die Konzentration im endgültigen Extrakt mindestens 10 Gew.-% beträgt.

14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Extraktionswasser in das Extraktionsgefäß (5) mit einer Temperatur von mindestens 100ºC eingespeist wird, wobei die Temperatur sich über die Höhe des Gefäßes hinweg verringert.

15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Extraktionswasser in das Extraktionsgefäß (5) mit einer Temperatur von mindestens 100ºC eingespeist wird, um den Kaffee im unteren Teil des Extraktionsgefäßes zu hydrolysieren, wobei die Temperatur im oberen Teil des Gefäßes auf 70 bis 100ºC fällt, so daß der geröstete und gemahlene Kaffee im oberen Teil und der atmosphärischen Bedingungen extrahiert wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und 12, wobei der geröstete und gemahlene Kaffee unter atmosphärischen Bedingungen im Extraktionsgefäß (5) extrahiert wird und die intermittierend ausgetragene Portion des gerösteten und gemahlenen Kaffees anschließend in einer Gegenstrom-Festbett- Extraktionsbatterie hydrolysiert wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der nicht-extrahierte geröstete und gemahlene Kaffee über eine Druckbirne (2) eingetragen wird, wobei die Druckbirne auf einen Druck gebracht worden ist, der dem Druck im Extraktionsgefäß entspricht oder geringfügig darüber liegt.