CN105452130B - 高压提取容器 - Google Patents

Abstract

用于单一饮料制备的高压提取容器(1)具有多孔疏水膜(5，10)，所述膜充当流动达到一特压力的流体的阻挡，并且超过所述压力允许提取具有活性成分的流体，但仍充当颗粒特别是研磨草药或根的阻挡，其中膜(5，10)的孔径大于0.45μm，并且其中疏水膜(5，10)被布置成具有小于40达因/cm的表面张力。优选地，疏水膜(5，10)被布置成具有小于40达因/cm，优选约30达因/cm的表面张力，并布置成具有0.45μm至10μm，优选0.45μm至5μm的孔径。容器(1)包括入口(2)，用于保持具有活性成分的物质例如研磨草药或根的隔室(3)，出口(4)和将隔室(3)与出口(4)隔开的疏水膜(5，10)。疏水膜(5，10)可以由非织造物或通过容器(1)的支撑装置支撑。根据本发明的另一实施方式，容器(1)包括第一隔室(3)和第二隔室(8)，其中入口(2)向内通向第一隔室(3)，和第二隔室(8)向外通向出口(4)，其中第一膜(9)将第二隔室(8)与出口(4)隔开，其中第一隔室(3)通过第二膜(10)与第二隔室(8)隔开，并且其中第二膜(10)的抗水压力高于第一膜。

Description

高压提取容器

技术领域

本发明大体涉及制备具有治疗或预防疾病或增强人的健康的潜能的即饮饮料。在某些实施方式中，本发明公开了一种多隔室容器(capsule)，其能够在一个隔室中使用高压提取活性成分，并将提取物与下游隔室的成分混合，并在相同或更低的压力下提取下游成分，以提供新鲜混合的提取物供消费者使用。

发明背景

现在，草药已经以茶叶袋形式使用了几十年，声称提高消费者的幸福。相比药品，许多客户会选择草药，因为它们是通常没有副作用的天然成分。然而，由草药制作饮料需要茶袋和一些时间用于准备饮料。通常干燥和预处理茶袋中的草药，这降低了提高消费者的健康的潜能。此外，如果茶袋在制备饮料之前储存一段时间，草药的味道和健康增强品质(health enhancing quality)也降低。

在过去的几年里，用于制备即饮饮料的设备、方法和容器已经显著增加。公司如Nestle和Kourig在市场上已经具有为消费者提供热或冷的茶和/或咖啡的家居产品。

大多数用于即饮饮料的容器含有咖啡过滤器或粗非织造材料，以保留研磨的颗粒。由于各种原因还已经将膜引入容器中。

例如WO 2010112353A1专注于具有过滤器的用于制备液体营养或食品组合物的容器，描述了在给定压力下会破裂的弱的膜层的使用。

在WO 2009092629A1中使用具有0.2μm额定孔径且由聚醚砜、醋酸纤维素或聚酰胺制成的灭菌级滤膜保留饮料中存在的可能的细菌。他们还提到，过滤一些婴儿配方可能是有问题的，因为这些配方含有益生菌，即可以帮助消化的良好的细菌。

文献WO 2008117329A1描述了具有完全平坦的顶部的容器，其在容器入口处含有滤纸，以形成进入所述容器的均匀的流动通道。

然而，WO 2010128031A1教导远离这样的概念，因为在容器入口处的这种大的过滤表面下方需要厚的和刚性的塑料支撑，并且那些额外的部件提高了容器的价格。还提到这些额外的塑料部件的环境影响。据称，过滤表面应当比容器的开口(mouth)小得多，以最小化使用塑料作为支撑。此外已经引入清洗引入的水的想法，以通过将微生物和病毒从其过滤而提高水的品质。

然而，为了从容器制备饮料，必须将液体例如水注入容器中，并且然后只要需要就保持在容器中，以从研磨草药和根提取活性成分。此后，必须从容器排出包含液体和活性成分的溶液。通常这需要这样的器件，其能够保持容器并提供所需的液体流进入容器并在摄取活性成分之后从容器排出。为了确保合适地制备含有草药的饮料，液体的量和压力必须在参数的预定范围内。

本发明的目的是提供一种容器，其允许容易地由草药和根制备具有活性成分的饮料。

发明概述

本发明提出了(address)新型的基于膜的容器设计(其包括用于即饮饮料的阀***)等。

对此，本发明涉及一种用于单一饮料制备的高压提取容器，其具有多孔疏水膜，所述膜充当达到特定压力的流体流的阻挡，并且超过所述压力允许提取具有活性成分的流体，但仍充当颗粒特别是研磨草药或根的阻挡，其中该膜的孔径大于0.45μm，并且其中疏水膜被布置成具有小于40达因/cm即小于40mN/m的表面张力。

膜的水侵入压力(water intrusion pressure)是其表面张力和其孔径的函数。增加超疏水性化学品(superhydrophobic chemistry)的量和减小孔径将增加水侵入压力。因此，通过设置所述膜以具有等同于小于40达因/cm的表面张力的超疏水特性，将提供有助于在容器中使用这种膜的阀效应。

这种膜的好处有四个方面。首先，该膜提供了研磨草药和根的过滤，这是现有技术中已知的。第二，该膜提供了对细菌的保留，所述细菌可能潜在地经由草药或根或者通过用于制造饮料的液体引入饮料中。第三，该膜提供了对液体流即水流的阻力，并允许建立预定的压力以促进研磨草药和根的活性成分的高压提取。根据本发明合适的膜可以能够承受高压，例如，如大于100psi，即大于约690kPa或6.9巴。通过调整疏水特性和孔径，抗水压力可以预定至给定值例如15psi和大于100psi之间的范围，优选在50psi和75psi之间(即在约130kPa/1.3巴和大于690kPa/6.9巴之间，优选在约345kPa/3.5巴和517kPa/5.2巴之间)。然后如果压力小于预定的抗水压力，该膜就像阀那样作用，并防止水穿过膜。已注入到容器中的水将保持在容器内，并从研磨草药和根提取活性成分，从而得到活性成分在水中的溶液。然而，如果施加到膜的水上游的压力增加并超过预定的抗水压力的压力值，则该膜变成对溶液是可渗透的，并且允许溶液从容器排出。第四，当为最终用户制备饮料后，所述疏水膜使得用户友好和清洁的容器处理(disposal)步骤成为可能，即无滴漏(non-drip)容器。当饮料制备完成且水压力被释放时，取决于膜的材料和表面张力，膜再次成为疏水的，即膜阀关闭。该膜的这一性质使得上游累积的液体，如果有的话，可以保留在隔室中，防止在使用过的容器处理过程中溅出。

这种新颖的容器设计消除了研磨草药的堆积密度(packing density)对提取压力累积(build up)的影响。对流体的抗力是由疏水膜造成的。因此，为了延缓容器内的流体以增加活性成分的摄取，由研磨草药和根的压实微粒形成的致密的多孔结构是没有必要的。

高渗透性是即饮饮料中使用的膜的另一个重要特征。具有高渗透性的膜只需要覆盖容器中的小区域，因此导致制造成本低。然而，在疏水性过滤膜的渗透性和水侵入压力(孔径)之间存在权衡(trade-off)。更大的侵入压力可以通过牺牲渗透性来实现。因此增加水侵入压力的优选方式是控制表面能，即膜的表面张力。

优选地，疏水膜被设置成具有小于35达因/cm，更优选约30达因/cm的表面张力。这样的超疏水膜可以具有大孔径，但仍充当阀，即同时具有大的抗水压力。一旦水压超过预定的抗水压力，膜就会打开并具有高渗透性，从而导致大流量的溶液通过膜以及相应地短的用于排空隔室的排出时间。

对于一些应用，可以期望提供更高的抗水压力。疏水膜可以被设置为具有小于25达因/cm或甚至小于20达因/cm的表面张力。

根据本发明的一个实施方式，疏水膜的孔径为0.45μm至10μm，优选0.45μm至5μm。孔径小于0.45μm降低渗透性，并且导致不期望的长的排出时间。然而，孔径大于5μm或10μm将不再有效地滤除不应留在或添加到饮料中最常见的细菌。

根据本发明的一种特定的容器包括入口，用于保持具有活性成分的物质例如研磨草药或根的隔室，出口，和将隔室与出口隔开的疏水膜。所述疏水膜的特性控制所需的压力和隔室内液体的保留期限，并因此控制用于将研磨草药的活性成分转移到溶液中的最大摄取持续时间。

为了支撑疏水膜，可以使用非织造背衬(backing)。特别是对于具有高抗水压力的膜，有利的是将该膜与增加膜的强度的支撑非织造物相组合。

根据本发明的一个优选实施方式，疏水膜是由容器的支撑装置支撑。所述支撑装置可以包括网状支撑结构或径向向内延伸的突起，其安装在遍布由疏水膜覆盖的区域的隔室的侧壁。这种支撑装置可以具有足够的抵抗力以保持膜在其位置，并防止可能由过大压力或高的液体通量(throughput)引起的对膜的任何损害。

为了实现易于制备含有不同成分的饮料的新的可能性，容器包括第一隔室和第二隔室，其中入口向内通向第一隔室，和第二隔室向外通向出口，其中第一膜将第二隔室与出口隔开，其中第一隔室通过第二膜与第二隔室隔开，并且其中，优选但不是必须地，第二膜的抗水压力高于第一膜。需要高压用于将活性成分提取到溶液中的第一成分可以放置在第一隔室中，和具有最好在较低压力下溶解的活性成分的第二成分放置在第二隔室中。取决于具有较高抗水压力的位置，例如第一或第二隔室，各成分的位置也可以交换。

为了制备饮料，将流体例如水填充到容器中。在低压下水不能渗透第二高压膜，并保持在第一隔室中。水提取位于第一隔室中的活性成分直至压力升高到高于第二膜的预定抗水压力，例如5巴。之后，第二膜变成可渗透的，并且允许来自第一隔室的具有溶解的或提取的活性成分的水流动通过第二膜进入第二隔室。

在第二隔室中存在具有在较低压力(例如0.1巴)下有效溶解的活性成分的物质。位于第二隔室和出口之间的第一膜的抗水压力例如0.1巴比第二膜的抗水压力低得多。从第一隔室渗透的溶液在第二隔室中仅以短持续时间停留以摄取该隔室中的活性成分。现在含有两种不同活性成分的溶液然后将通过第一膜喷出。第一膜可以是亲水性的，因为第一膜没有必要承受来自第一室的溶液的高压。可以调整第一膜的孔径，以允许溶液在离开容器之前有效的过滤。

如果饮料应当包含多于两种不同的活性成分，则容器可以由三个或更多个彼此通过膜隔开的隔室。

在容器的另一个实施方式中，流量分配构件被布置在两个相邻的隔室之间。流量分配构件增强了通过隔室的水流的湍流(turbulence)，并有助于活性成分的溶解以及隔室内溶液更好地混合。

流量分配构件可以是膜。该膜的孔径和结构可被布置以增强膜的流量分配作用。

在之后的详细的说明和权利要求中将阐述本发明的附加特征和优点。本发明的许多修改和变型可以在不脱离其精神和范围的情况下进行，这对于本领域技术人员来说将是明显的。应该理解的是，之前的大体描述和以下的详细描述、权利要求以及附图均只是示例性和解释性的，并且旨在提供本发明教导的各种实施方式的说明。本文所描述的具体实施方式仅通过举例的方式提供，并且不意味着以任何方式限制。

附图说明

附图(其包含在说明书中并构成本说明书的一部分)示出了本发明目前预期的实施方式，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1示意性地描绘l具有一个隔室的容器的剖视图，其中出口由第一多孔疏水膜覆盖，

图2示出了所得的抗水压力作为用于膜表面改性的另外的交联剂的量的函数的示意图形表示，

图3示意性描绘了具有两个由第二多孔疏水膜隔开的隔室的容器的剖视图，

图4描绘了图3中所示的容器的局部剖视图，

图5从不同的角度描绘了容器的局部剖视图，

图6描绘了图3至5中所示的容器的分解图，和

图7描绘了具有闭盖(closing lid)的容器。

实施方式的描述

本文引用的所有公开、专利和专利申请，无论在上文或下文，以如同每个单独的公开、专利或专利申请被具体和单独地表明通过引用并入的程度，在此通过引用整体并入本文。

在进一步详细描述本发明之前，将定义许多术语。这些术语的使用并不限制本发明的范围，而是仅用于促进对本发明的描述。

如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数对象，除非上下文另有明确说明。

对于本说明书和所附权利要求的目的，表达成分的量、材料的百分数或比例、反应条件的所有数值，以及在说明书和权利要求中使用的其它数值，都应当理解为在所有情况下由术语“约”修饰，无论是否明确指出术语“约”。

因此，除非有相反的指示，列于描述中以及以下说明书和所附权利要求中的数值参数是近似值。尽管陈述本发明的宽范围的数值范围和参数是近似值，但在具体实施例中列出的数值尽可能精确报道。此外，本文公开的所有范围应被理解为包括其中包含的所有子范围。例如，范围“1至10”包括最小值1和最大值10之间(并包括端值)的任何和所有子范围，即，具有等于或大于1的最小值和等于或小于10的最大值的任何和所有子范围，例如，5.5至10。

术语“任选的”或“任选地”意味着随后描述的事件或情况可以发生或可以不发生，并且该描述包括其中事件发生的情况，和不发生的情况。

术语“过滤介质”(“filter medium”、“filter media”、“filtration media”或“filtration medium”)是指一种材料，或材料的集合，通过所述材料或材料的集合，携带有用于即饮饮料的活性成分和/或微生物污染物的流体通过，其中微生物被沉积在所述材料或所述材料的集合中或之上。

术语“流量”和“流速”可互换使用，指在一定体积(a volume of)的流体通过给定面积过滤介质的速率。

术语“容器”是指能够保持可暴露于流体流的固体的任何容器。通常容器包括具有入口和出口的隔室。根据本发明,膜被布置以充当隔室内的部分(section)(其保持具有活性成分的物质)和出口之间的阻挡。

膜是由宽范围的聚合物和聚合物化合物制备，包括热塑性和热固性聚合物。合适的聚合物包括，但不限于尼龙，聚酰亚胺，脂肪族聚酰胺，芳香族聚酰胺，聚砜，纤维素，醋酸纤维素，聚醚砜，聚氨酯，聚(脲氨酯)，聚苯并咪唑(PBI)，聚醚酰亚胺，聚丙烯腈(PAN)，聚(对苯二甲酸乙二醇酯)，聚丙烯，聚苯胺，聚(环氧乙烷)，聚(萘二甲酸乙二醇酯)，聚(对苯二甲酸丁二醇酯)，苯乙烯丁二烯橡胶，聚苯乙烯，聚(氯乙烯)，聚(乙烯醇)，聚(偏二氟乙烯)，聚(乙烯基丁烯)(poly(vinyl butylene))，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，它们的共聚物、衍生化合物和共混物和/或组合。

单层或多层多孔基材或支撑装置的非限制性实例包括多孔膜。多孔膜是由各种热塑性聚合物生产，包括聚酰胺，聚砜，聚偏二氟乙烯，聚四氟乙烯，纤维素，纤维素酯，聚丙烯腈等。多孔膜的生产方法包括溶液相转化、温度诱导的相分离(TIPS)、气相诱导的相分离(VIPS)、溶剂和化学蚀刻、室温和热辅助双轴拉伸以及它们的组合。

图1示意性地描绘了本发明的一个实施方式，其中容器1包括进入容器内的隔室3的入口2，和出口4。高压膜5被连接到隔室3的底部6并覆盖出口4，从而将隔室3与出口4隔开。隔室3内有成分7，如例如研磨草药和根。

流体，例如水，可以通过入口2注入到隔室3中。如果用低于膜5的预定抗流体或抗水压力的压力注入流体，则流体不能离开隔室3，并保持在隔室3内。在此期间，流体溶解成分7如例如研磨草药和根的可溶性活性成分，并成为含有已经溶解的活性成分的溶液。

如果压力增加到高于膜5的预定的抗水压力，则膜5变成可渗透的，和溶液通过膜5和出口4从隔室3排出。

图2示出了用4％疏水Zonyl单体表面改性后得到的聚醚砜膜5的抗水压力作为使用的交联剂例如己二醇二丙烯酸酯的量的函数。

图2显示了通过表面改性，流延的聚醚砜(PES)膜的水侵入压力可以容易地从15psi改变至75psi，而不用改变其孔径额定值(rating)。

根据将水从加压罐传送到47mm不锈钢膜支架(holder)的装置中的压力表读数，测定所得的抗水压力。将加压的水施加到膜的上游，并监视下游侧的任何水流。将水开始流到膜的下游的压力记录为水的侵入压力。

流量是流体通过给定区域的样品的速率，并通过将去离子水通过直径为47mm的过滤介质样品(9.6cm²过滤面积)来测量。在滤液末端上使用约25英寸Hg真空经由侧臂烧瓶(side arm flask)使水强制通过样品。

起泡点(bubble point)试验提供了测量有效孔径的方便的方法。泡点是由下式计算：

其中P是泡点压力，γ是所探究流体(probe fluid)的表面张力，r是孔半径，和θ是液体-固体接触角。

膜制造商通常对商业膜过滤器指定标称孔径额定值，这是基于它们的保留特征。

多孔膜的表面张力与临界润湿表面张力(CWST)互换使用。CWST等于以2秒或更少时间湿润多孔膜的最高表面张力溶液的表面张力。测试如下进行：从滴眼剂型瓶将一滴加入到多孔膜表面，并测量湿润或渗透多孔表面的时间。如果表面的渗透是2秒或更少时间，则表面被任意(arbitrary)认为是由测试溶液湿润。CWST测试溶液是通过以各种比例混合水和异丙醇以达到21-72达因/cm的表面张力，并通过将水和氯化钠以各种比例混合以达到73-100达因/cm的表面张力而制备。

在图3至7中示出了具有第一隔室3、第二隔室8和第三隔室16的容器1，其中入口2向内通向第一隔室3，第二隔室8在第一隔室3和第三隔室16之间，和第三隔室16向外通向出口4。第一膜9将第二隔室8与第三隔室16和出口4隔开。第一隔室3通过第二膜10与第二隔室8隔开。两个隔室3和8都含有具有可溶活性成分的成分7，所述可溶活性成分将由流动通过隔室3和8的流体溶解。对于一些应用，有利的可以是也将额外的成分7***第三隔室16。

第二膜10的抗水压力高于第一膜9。根据图3和4中所示的实施方式，第二膜10的抗水压力为5巴，而第一膜9的抗水压力为0.1巴。因此，第一隔室3含有成分7，其具有需要用于有效溶解的长暴露时间(exposure time)或高流体压力的活性成分。在第二隔室8中存在成分7，其具有在低压力或短的暴露时间下易于溶解的活性成分。以举例的方式，第一隔室3可含有具有难以溶解的活性成分的研磨草药和根，而第二隔室8可含有其它容易溶解的研磨草药或根。根据另一实施例，第一隔室3可以含有研磨咖啡，而第二隔室8含有奶粉。根据仍另一实施例，第一隔室3、第二隔室8和第三隔室16可以含有三种不同的用于膳食补充剂(dietary supplement)饮料的成分。

第二膜10是由具有许多开口(opening)12的支承盘11支撑，所述开口导致支承盘11的网状结构。如图4中所示，第一膜9可以由径向向内延伸的突起13支撑，该突起13被布置以为膜9提供平坦安装支撑。

也可以由与用于第二膜10的支承盘11相似的支撑盘11'支撑第一膜9。具有支撑盘11和11'的容器1示于图5至7中。

为了制造容器1，预制外壳14以及第一膜9和第二膜10。以第二膜10的抗水压力显著高于第一膜9的抗水压力的方式，第一膜9的抗水压力不同于第二膜10的抗水压力。

将第一膜9引入到外壳14中并安装在径向突出的突起13上方。随后，将也是经预制的支撑盘11距第一膜9一定距离安装在容器1的外壳14中。将第二膜10安装在支撑盘11的顶部。第二膜10距第一膜9一定距离以及距容器1的入口3一定距离。然后第一膜9将容器1的外壳14隔开成第三隔室16和其余的第一和第二隔室3和8，而第二膜10将容器1的外壳14隔开成第一隔室3和第二隔室8。当然代替径向突出的突起13，在出口4上方可以放置额外的支撑盘，如果第一膜9需要这样的支撑。

容器1可用仅在图7中示出的闭盖15密封。闭盖15可以是刚性的或柔性的，并且可以由任何合适的材料制成。

以上列出的公开内容可包括多个具有独立效用的不同的发明。虽然这些发明中的每个已经以其优选形式公开，本文中所公开和示出的其具体实施方式不以限制意义考虑，因为许多变化是可能的。本发明的主题包括本文公开的各种要素、特征、功能和/或性质的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。以下权利要求特别指出某些组合和子组合视为新颖和非显而易见的。在特征、功能、要素和/或性质的其他组合和子组合中体现的发明可以在要求该申请或相关申请的优选权的申请中要求保护。这样的权利要求，无论是涉及不同的发明或涉及相同的发明，和是否比原始权利要求的范围更宽、更窄，等于或不同于原始权利要求的范围，也被视为包括在本公开内容的发明的主题内。

Claims (17)

1.用于单一饮料制备的高压提取容器(1)，其具有多孔疏水膜(5，10)，所述多孔疏水膜充当达到特定压力的流体流的阻挡，并且超过所述压力允许提取具有活性成分的流体，但仍充当研磨颗粒的阻挡，其中膜(5，10)的孔径为0.45μm至10μm，并且其中疏水膜(5，10)被布置成具有小于40达因/cm的表面张力。

2.根据权利要求1的高压提取容器(1)，其中该研磨颗粒是研磨草药或根。

3.根据权利要求1的高压提取容器(1)，其中疏水膜(5，10)被布置成具有小于35达因/cm的表面张力。

4.根据权利要求3的高压提取容器(1)，其中疏水膜(5，10)被布置成具有30达因/cm的表面张力。

5.根据权利要求1的高压提取容器(1)，其中疏水膜(5，10)被布置成具有小于25达因/cm的表面张力。

6.根据权利要求5的高压提取容器(1)，其中疏水膜(5，10)被布置成具有20达因/cm的表面张力。

7.根据权利要求1至6中任一项的高压提取容器(1)，其中疏水膜(5，10)的孔径范围为0.45μm至5μm。

8.根据权利要求1至6中任一项的高压提取容器(1)，其中容器(1)包括入口(2)，用于保持具有活性成分的物质的隔室(3)，出口(4)，和将隔室(3)与出口(4)隔开的疏水膜(5)。

9.根据权利要求8的高压提取容器(1)，其中该物质是研磨草药或根。

10.根据权利要求1至6中任一项的高压提取容器(1)，其中疏水膜(5，10)由非织造物支撑。

11.根据权利要求1至6中任一项的高压提取容器(1)，其中疏水膜(5，10)由容器(1)的支撑装置支撑。

12.根据权利要求1至6中任一项的高压提取容器(1)，其中容器(1)包括第一隔室(3)和第二隔室(8)，其中入口(2)向内通向第一隔室(3)，和第二隔室(8)向外通向出口(4)，其中第一膜(9)将第二隔室(8)与出口(4)隔开，其中第一隔室(3)通过第二膜(10)与第二隔室(8)隔开。

13.根据权利要求12的高压提取容器(1)，其中第二膜(10)的抗水压力高于第一膜(9)。

14.根据权利要求12的高压提取容器(1)，其中第一膜(9)的抗水压力高于第二膜(10)。

15.根据权利要求1至6中任一项的高压提取容器(1)，其中容器(1)包括三个或更多个彼此通过膜(10，9)隔开的隔室(3，8，16)。

16.根据权利要求12的高压提取容器(1)，其中流量分配构件被布置在两个相邻的隔室(3，8)之间。

17.根据权利要求16的高压提取容器(1)，其中流量分配构件是膜(10)。