DE2038083C2 - Verfahren zur Herstellung von gefriergetrocknetem Kaffee - Google Patents

Description

a) die Gefrierkonzentrierung unter Kristallisationsbedingungen vorgenommen wird, bei denen große und gleichförmige Eiskristalle mit einer Größe von 0,254 mm bis 2,03 mm gebildet werden, die einen Eiskuchen hoher Durchlässigkeit und Porosität liefern, und daß

b) eine geschäumte Aufschlämmung mit regelbarer Konsistenz aus so konzentriertem Extrakt und Gas mit abgetrenntem feinteiligen im Kreislauf geführten Anteilen gefrorener Kaffee-Extraktteilchen durch mildes Rühren bei einer Temperatur von —2 bis —7°C gebildet wird,

c) der gefrorene geschäumte Extrakt granuliert wird und

d) die abgetrennten feinteiligen Anteile zu dem gefrorenen Kaffeeteilchen zurückgeführt werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gefrierkonzentrierung Eiskristalle durch Zentrifugieren in einer Beladungsphase niedriger Geschwindigkeit und einer Endphase mit hoher Geschwindigkeit abgetrennt werden, wobei während des letzten Teiles der Beladungsphase gewaschen wird.

3. Verfahren gemäß Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen derart gemahlen werden, daß nach dem Sieben 30% eine Teilchengröße von größer als 200 und kleiner als 4000 μπι aufweisen.

4. Verfahren gemäß Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß unter Bedingungen gearbeitet wird,bei denen der geschäumte Kaffee-Extrakt eine Dichte von 0,5 bis 0,85 g/cm³ aufweist.

"5. Verfahren gemäß Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zugesetzten feinen Anteile des gefrorenen Kaffees 10 bis 4OGew.-°/o der Aufschlämmung ausmachen.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung bei einer Produkttemperatur von 38 bis 49⁰C bis zur Erreichung eines stabilen Feuchtigkeitsgehalts von etwa 0,1 bis 2,5 Gew.-% vorgenommen wird.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der geschäumte Kaffee-Extrakt vor dem abschließenden Einfrieren 30 Minuten bis 4 Stunden stehengelassen wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schäumen der Aufschlämmung unter Stehenlassen bei Temperaturen von -6 ± 1⁰C stattfindet.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gefriergetrocknetem Kaffee, bei dem ein Kaffee-Extrakt auf 30 bis 50 Gew.-% Kaffeefeststoffe gefrierkonzentriert, der konzentrierte Extrakt in einen Schaum überführt, der Schaum gefroren und der gefrorene Schaum gefriergetrocknet wird
Verschiedene Verfahren zur Gefriertrocknung von Kaffee sind bereits vorgeschlagen worden. Im allgemeinen wird der Kaffee vor der Trocknung der Gefrierkonzentration unterworfen, bei der der Extrakt durch Entfernung von Wasser in Form von Eiskristallen

ίο konzentriert wird. Bei dieser Stufe ist es wichtig, die Menge an Kaffeefeststoffen, die aus dem Extrakt mit dem kristallisierten Eis entfernt wird, sowohl vom Standpunkt des Wirkungsgrades als auch vom Standpunkt des Geschmacks und Aromas so niedrig wie möglich zu halten, Ebenso ist es bei den Trocknungsstufen erwünscht, Maßnahmen zu ergreifen, durch die die Eigenschaften des Endprodukts in bezug auf Geschmack, Aroma, Farbe und Dichte in größtmöglichem Maße gesteigert werden.

Zur Vorbereitung eines Kaffee-Extrakts für die Gefriertrocknung wurde vorgeschlagen, die Extrakte durch Einblasen eines Gases zu schäumen, wie in der britischen Patentschrift 11 02 587 und in der USA-Patentschrift ji3 09 779 beschrieben. Bei diesen Verfahren wird jedoch nicht immer eine homogene Verteilung von Kaffee-Feststoffen, Eis und gegebenenfalls verwendetem Gas innerhalb des gesamten zu gefrierenden Systems erzielt. Ferner erhält das Endprodukt durch das Einblasen von Gas gewöhnlich eine unerwünscht helle Farbe. Ein Mahlen des geschäumten Gutes ist in der US-PS 33 09 779 nicht vorgesehen. In der GB-PS 11 02 587 wird hingegen zwar der gefrorene Schaum gemahlen, eine Abtrennung der Feinstteile des Mahlgutes und deren Rückführung in den Verfahrenskreislauf sind aber nicht vorgesehen.

Die GB-PS 11 37 461 schildert ganz allgemein die Schäumung einer Flüssigkeit vor der Gefriertrocknung. Es ist nicht vorgesehen, das geschäumte und eingefrorene Gut zu mahlen und von diesem Mahlgut dann Feinstteile abzutrennen.

Aus der FR-PS 15 01 439 ist die Gefrierkonzentrierung von Kaffee-Extrakt bekannt Dies geschieht durch nur teilweises Gefrieren von Flüssigkeit zu Eis und anschließendes Abtrennen des Eises von der konzentrierten Flüssigkeit. Vor dem Gefrieren wird die Flüssigkeit bis nahe zum Gefrierpunkt abgekühlt und vorfiltriert, um Wachse und ähnliche Stoffe vor der Eisbildung zu entfernen.

Ferner wurde die Herstellung gleichmäßiger Teilchen für die Gefriertrocknung durch Granulierung des gefrorenen Produkts vorgeschlagen, um die Bildung von Feinteilen und Staub zu vermeiden, die in den Gefriertrockenkammern mitgerissen und ausgetragen werden können.

In der DE-PS 19 48 102 wird ein kontinuierliches Verfahren zur Gefriertrocknung eines Kaffee-Extrakts durch Kühlen des Kaffee-Extrakts, Schäumen durch Einleiten eines Gases, Gefrieren der geschäumten Masse, Zerkleinern und Trocknen vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren wird der zu schäumende Extrakt, der einen Feststoffgehalt von 32—35% aufweist, bis nahe an den Gefrierpunkt der Lösung abgekühlt. Der geschäumten Masse werden aus der Zerkleinerungsstufe anfaulende feste gefrorene Teilchen zugegeben und die Masse wird zunächst zu einer Eisaufschlemmung abgekühlt und diese anschließend tiefgefroren. Vor dem Matschgefrieren wird mit rezyklisierten Eiskristallen der geschäumte Extrakt angeimpft.

In der DE-PS 20 37 191 wird ein Verfahren zum Gefrierkonzentrieren von Kaffee-Extrakt durch Abkühlen des Extraktes unter den Gefrierpunkt des darin enthaltenen Wassers, durch dessen Auskristallisieren und durch anschließendes Trennen der Eiskristalle vom konzentrischen Extrakt durch Zentrifugieren und Auswaschen vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren soll die Kristallgröße von 0,5—2 mm durch spezielle Verhältnisse der Wärmeaustauschoberfläche und der ausgetauschten Wärmemenge erhalten werden. .

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von gefriergetrocknetem Kaffee durch Gefrierkonzentrierung eines wäßrigen Kaffee-Extrakts auf einen Gehalt von 30 bis 50 Gew.-% Kaffee-Feststoff, Schäumen des konzentrierten Extrakts, Frieren des Schaumes und Gefriertrocknen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Gefrierkonzentrierung unter Kristallisationsbedingungen vorgenommen wi> Δ, bei denen große und gleichförmige Eiskristalle mit einer Größe von 0,254 bis 2,03 mm gebildet werden, die einen Eiskuchen hoher Durchlässigkeit und Porosität liefern, und daß

b) eine geschäumte Aufschlemmung mit regelbarer Konsistenz aus so konzentriertem Extrakt und Gas mit abgetrennten feinteiligen im Kreislauf geführten Anteilen gefrorener Kaffee-Extraktteilchen durch mildes Rühren bei einer Temperatur von —2 bis —7°C gebildet wird,

c) der gefrorene geschäumte Extrakt granuliert wird und

d) die abgetrennten feinteiligen Anteile zu dem gefrorenen Kaffeeteilchen zurückgeführt werden.

Unter einer regelbaren Konsistenz der geschäumten Aufschlämmung ist zu verstehen, daß die Anteile an Gas und gefrorenem Kaffee-Extrakt, die Konzentration des Extrakts und die Temperatur so aufeinander abgestimmt werden, daß die Aufschlämmung bezüglich ihrer Fließeigenschaften einstellbar ist, d. h. beispielsweise gepumpt werden kann, ihre schaumige oder geschäumte Struktur aufrechterhält und eine homogene Dispersion der verschiedenen Komponenten im gesamten Schaum bieibt. Bei jeder gegebenen Konzentration gibt es optimale Temperaturbegrenzungen, um einen gewünschten Schaum sicherzustellen, da bei einer gegebenen Konzentration der Fall eintreten kann, daß die Kristalle, im Schaum bei einer höheren Temperatur schmelzen und auf diese Weise die geschäumte Struktur zerstören oder schwächen.

Es werden Kristalle von gefrorenem Kaffee-Extrakt verwendet, die durch Granulierung, z. B. durch Mahlen des zu einer festen Masse gefrorenen Kaffee-Extrakts unter Rückführung der Feinteile oder des Feinkorns aus der Granulierung gebildet worden sind. Der konzentrierte Extrakt wird geschäumt worauf die Eiskristalle dem Schaum zugesetzt werden, um die Aufschlämmung mit den gewünschten Eigenschaften zu bilden. Nach der Bildung der geschäumten Aufschlämmung wird diese 30 Minuten bis 4 Stunden in diesem Zustand gehalten, bevor endgültig gefroren wird. Beim Mahlen wird die Größe der Teilchen, die der Gefriertrocknungsstufe zugeführt werden, vorzugsweise so eingestellt, daß wenigstens 90 Gew.-% der Teilchen eine Größe von 200 bis 4000 μίτι haben. Die Feinteile werden, wie bereits erwähnt, im Kreislauf geführt, während das Überkorn in die Mühlen zurückgeführt wird.

Durch Einstellung der Bedingungen der Konzentrierung und Bildung der geschäumten Aufschlämmung für das Gefrieren wird eine Verbesserung der Farbe, der Dichte und des Geschmacks des gefriergetrockneten Endprodukts erreicht

Der als Ausgangsprodukt verwendete Kaffee-Extrakt wird nach beliebigen geeigneten Verfahren aus normalen gerösteten lCaffeemischungen hergestellt Der ursprüngliche Kaffee-Extrakt wird beispielsweise in einer Batterie von Extratoren oder Perkolatoren hergestellt und hat einen Feststorfgehalt von 20 bis 30%, im allgemeinen 24 bis 28%. Die Batterie von Perkolatoren 10 arbeitet beispielsweise mit einer Endtemperatur von 55 bis 99° C und liefert einen typischen Kaffee-Extrakt mit einem Feststoff gehalt von etwa 21 bis 25 Gew.-%. Es ist vorteilhaft, aus dem perkolierten Extrakt nach üblicher Kühlung die verhältnismäßig unlöslichen Feststoffe, z. B. Wachse, Teer und Harze oder Gummen, in einem Klärsystem 12 zu entfernen, um eine Verschlutzung der Oberflächen der nachgeschalteten Apparaturen zu vermeiden. Das Klärsystem 12 wird beispielsweise bei niedriger Temperatur betrieben und kühlt auf eine unterhalb von Raumtemperatur liegende Temperatur und zentrifugiert unter Überdrücken von 1,4—5,4 bar um das Schäumen weitgehend auszuschalten. Beispielsweise kann der frische perkolierte Kaffee-Extrakt innerhalb von 2 bis 5, vorzusweise in etwa 2 bis 4 Stunden nach der Perkolation durch Fällung bei Temperaturen oberhalb des Gefrierpunktes und unterhalb von 10° C zur Entfernung von unlöslichen Feststoffen wie Wachsen, Teer, Harzen und Gummen geklärt werden. Der Extrakt wird zur verbesserten Entfernung des Schlammes zentrifugiert.

Der perkolierte Kaffee-Extrakt wird dann der Gefrierkonzentrierung unterworfen. Die Gefrierkonzentrierung wird durchgeführt, indem verhältnismäßig große und gleichmäßige Eiskristalle beispielsweise einer Größe von etwa 0,254 bis 3,03 mm gezüchtet werden. Diese Kristalle werden unter Aufrechterhaltung leichter Bewegung in einem Kristallisator mit einem geregelten Verhältnis von Volumen zur gekühlten Wärmeaustauschfläche bei einer geregelten Temperaturdifferenz zwischen Kühlmittel und Extrakt und einer geregelten Verweilzeit und Extrakttemperatur gezüchtet. Die auf diese Weise erzeugten Kristalle bilden einen Eiskuchen mit bemerkenswert hoher Durchlässigkeit und Porosität, die maximale Entfernung von Kaffeefeststoffen aus dem Eiskuchen bei einer in einer Zentrifuge vorgenommenen Trennung ermöglichen. Diese Trennung wird vorteilhaft in zwei Phasen vorgenommen, nämlich in einem bei einer relativ niedrigeren Geschwindigkeit durchgeführten Beladungszyklus und einem bei höherer Drehzahl durchgeführten Endzyklus. Ein äußerst poröser und durchlässiger Eiskuchen einer Dicke von 12,7 bis 50,8 mm Dicke wird auf diese Weise gebildet und mit verdünntem Extrakt, Wasser oder geschmolzenem abgetrenntem Eis vor der Abschlußphase gewaschen. Die Abschlußphase dient dazu, die auf das Eisbett einwirkende Kraft zu steigern und den Gehalt an Kaffeefeststoffen im Eis zu verringern. Durch eine solche Kristallisation und Abtrennung wird der Extrakt auf einen Feststoffgehalt konzentriert, der in einem Bereich von 30 bis 50% und im allgemeinen von 35 bis 45 Gew.-% liegt.

Der geklärte Extrakt wird durch Kristallisation und Zentrufugierung bei Temperaturen von —2° bis —7°C gefrierkonzentriert, wobei sein ursprünglicher Fest-

stoffgehalt von 20 bis 30Gew.-% (im allgemeinen 21 -25 Gew.-%) auf etwa 30 bis 50 Gew.-% (gewöhnlich etwa 35 bis 45Gew,-%) erhöht wird. Der Feststoffgehalt der entfernten Kristalle wird in mehreren Zentrifugier- und Waschstufen unter Verwendung einer Waschflüssigkeit aus einer beliebigen Quelle, z. B. nicht konzentriertem Extrakt, Wasser oder durch Schmelzen des abgetrennten Eises gebildeter Flüssigkeit oder einer Kombination dieser Flüssigkeiten, auf weniger als 5 Gew.-°/o, gewöhnlich auf etwa 1 bis 3 Gew.-% gesenkt.

Die gewünschte Auslösung der Bildung von Eiskristallen des Wassers im unterkühlten Extrakt wird begünstigt durch einen Wärmeaustauscher mit einer Kristallisationsbehälterwand, die ständig sauber gewischt oder geschabt wird, um einen maximalen Wirkungsgrad des Wärmeübergangs zu erzielen. Die Temperaturdifferenz (Δ T) zwischen Extrakt und gekühlter Wärmeaustauscherwand oder Kristallisationswand variiert innerhalb der oben genannten Parameter mit der Tiefe des Extrakts im Kristallisator 14. Der Extrakt als solcher konzentriert sich von der Eintrittsstelle am unteren Ende des Kristallisators 14, während er von unten nach oben überführt und schließlich am oberen Ende des Kristallisators 14 in die angereicherte Mutterlaugenphase bei einem Festgehalt von 30 bis 50%, im allgemeinen 35 bis 45% dekantiert wird. Der Gefrierpunkt der Mutterlauge ändert sich somit von —2 bis -7° C und darunter, während die Extraktkonzentration im Kristallisator 14 steigt. Die Eiskristalle des Wassers sammeln sich schließlich als schwimmende Aufschlämmungshaube oder -decke in Form eines in der Mitte mit einer Spitze versehenen Hügels mit einer Tiefe von 5 bis 10 cm in der Mitte bis 61 cm am Umfang. Diese schwimmende Haube ist durch die oben genannte, verhältnismäßig gleichmäßige Teilchengrößeverteilung gekennzeichnet. Der Extrakt wird durch konstantes leichtes Rühren so bewegt, daß die graben Kristalle nicht zerbrechen oder ihr Wachstum gestört wird.

Während der gesamten Kristallisation werden durch einen Rührer ständig Kristallkeime von den Gefäßwänden mit Hilfe eines Schabers aus geeignetem Werkstoff losgelöst. Der Kristallisationsbehälter kann aus einem beliebigen üblichen, hygienisch unbedenklichen und nicht reaktionsfähigen Metall, z. B. nichtrostendem Stahl, bestehen. Der Extrakt bleibt in diesem Kristallisator 1 bis 6 Stunden, im allgemeinen 1 bis 3,5 Stunden.

Während der gesamten Kristallisation wird ferner Extrakt in eine im wesentlichen sauerstofffreie Umgebung verdrängt. Eiskristalle des Wassers, die sich während der oben genannten Verweilzeit gebildet haben, steiger, in der Säule der Extraktflüssigkeit auf, die für alle praktischen Zwecke verhältnismäßig schaumfrei ist und als angereicherte, leicht pumpfähige Aufschlämmung abgezogen wird.

Die Extraktaufschlämmung wird vom Kristallisator 14' bei einer Temperatur von etwas unter —2° C abgezogen und beispielsweise durch Rütteltrichter und Speisepumpen (nicht dargestellt) dem Abscheider 24 zugeführt, der beispielsweise eine chargenweise arbeiteridesenkrechte Siebzentrifuge mit perforierter Trommel des Typs ist, der in Chemical Engineers' Handbook« von Perry, 4. Auflage, McGraw-Hill Book Company, Ina, 1963, Seite 19—24, Fig. 19—145, beschrieben ist Die Zentrifuge dieses Typs ermöglicht eine Flüssigkeitsabtrennung mit geringem Einschluß von löslichen FKrtstöffen um Zentrifugierten Eiskuchen. Der Extrakt 'wird chargenweise in die Zentrifuge gegeben, die mit einem Beladungszyklus betrieben wird, bei dem eine Kraft G vorzugsweise von nicht mehr als 400 G und wenigstens 50 g entwickelt wird. Dies wird beispielsweise erreicht, wenn eine Zentrifuge mit einem Sieb von 122 cm Durchmesser mit einer Drehzahl von etwa 400 bis 700 UpM betrieben wird. Die groben Eiskristalle des Wassers (Größe etwa 2 mm) bauen sich zu einem Kuchen auf, der als Filtermittel von hoher Porosität und Durchlässigkeit dient und entsprechend geschleudert to wird, wobei sich eine stabile Eisstruktur bildet. Während dieser Zeit wird ein Teil der Mutterlauge durch die Austragsleitung 26 ausgetragen. Die Zentrifuge wird vorzugsweise 2 bis 5 Minuten während einer Zeit betrieben, die genügt, um einen Eiskuchen einer Dicke von etwa 13 bis 50 mm, vorzugsweise etwa 38 cm zu bilden. Die Dauer des Schleudervorganges hängt von der Extraktkonzentration ab, die vorzugsweise 35 bis 45 Gew.-% löslichen Feststoffen entspricht.

Während des letzten Teils des Beladungsschleuderzyklus läßt man durch den Eiskuchen eine Waschflüssigkeit Hießen, die die eingeschlossenen Feststoffe in die Austragleitung spült. Die zurückbleibenden löslichen Feststoffe können durch Waschen mit verdünntem Extrakt oder Waschwasser, das während des letzten Teils des Beladungsschleuderzyklus durch den Kuchen geleitet wird, zurückgewonnen werden, wodurch die Rückgewinnung der Feststoffe erhöht wird.

Anschließend läßt man die oben beschriebene Zentrifuge mit einem abschließendem Schleuderzyklus bei erhöhter G-Kraft über 500 laufen, die durch eine Drehzahl von mehr als 900 U/Minute erreicht wird. Hierdurch wird zusätzliche Mutterlauge aus dem Kuchen befreit. Gleichzeitig werden weitere eingeschlossene lösliche Feststoffe aus dem Kuchen entfernt Der Feststoffgehalt des Eiskuchens nach diesem abschließenden Schleuderzyklus beträgt im allgemeinen weniger als 5 bis 10Gew.-% meistens etwa 1 bis 3 Gew.-%. Abschließend wird der zentrifugierte Eiskuchen von der Zentrifuge abgeschält und durch andere Leitungen, beispielsweise in den erhitzten Schmelztank 16, ausgetragen. Die durch das Schmelzen des Eises gebildete Flüssigkeit kann in einen Eindicker 18 geführt werden, wo die Schmelzflüssigkeit auf einen Feststoffgehalt von etwa 35 bis 45% konzentriert wird. Die konzentrierte Schmelzflüssigkeit kann in den Hauptstrom des hier beschriebenen Verfahrens, nämlich in den Lagertank 20 eingeführt werden.

In gewissen Fällen kann es erwünscht sein, den Extrakt weiter zu konzentrieren und hierdurch eine optimale Ausnutzung der nachgeschalteten Trockenvorrichtung zu erzielen. In diesen Fällen kann es zweckmäßig sein, den Konzcr.tratcxtrakt weiter aaf einen hohen Feststoffgehalt bis 50 Gew.-% einzuengen. Dies kann beispielsweise mit einem Wärmeaustauschersystem nach Art des Kratzkühlers.mit höherer Wärmeaustauschleistung, z. B. mit einem (nicht dargestellten) Kristallisator vom Typ des Votators erreicht werden. Ein solches Wärmeaustauschersystem ist beispielsweise in »Chemical Engineers' Handbook« von Perry, 4. Auflage 1963, McGraw-Hill Book Company, Ina, Seite 17—17 beschrieben. Dieser sekundäre Kristallisator wird mit hohen Wärmeaustauschgeschwindigkeiten und Schabegeschwindigkeiten betrieben und arbeitet somit unter Bildung feiner Eiskristalle mit einer hohen Temperaturdifferenz Δ Tund kürzer Verweilzeit in seinen WärmeaustauscherzylinderK. Der aus diesem Kristallisator ausgetragene Extrakt wird mit einer Pumpe zu einer Siebzentrifuge des gleichen Typs

gefördert, der vorstehend beschrieben wurde und auch in der beschriebenen Weise betrieben wird. Das Eis aus der Zentrifuge kann auch zur Extraktkonzentrierung in der oben beschriebenen Weise in eine Schmelzflüssigkeitsvorlage ausgetragen werden.

Im allgemeinen wird vorzugsweise kein zweites Gefrierkonzentrierungssystem des oben beschriebenen Typs verwendet. Statt dessen wird eine Mutterlauge mit hoher Feststoffkonzentration durch die oben beschriebene einmalige Kristallisation gebildet, wobei die angestrebte Mutterlauge mit einem Gehalt an löslichen Feststoffen zwischen 35 und 45 Gew.-°/o erhalten wird. Wenn jedoch eine Flüssigkeit mit niedriger Konzentration an löslichen Feststoffen eingesetzt wird, kann gegebenenfalls das als Kratzkühler ausgebildete sekundäre Wärmeaustauschsystem mit hoher Wärmeaustauschgeschwindigkeit verwendet werden, um den Gehalt an löslichen Feststoffen auf einen Wert im oben genannten Bereich und bis hinauf zu 50 Gew.-% zu steigern.

Der konzentrierte Extrakt mit einem Feststoffgehalt zwischen 30 und 50Gew.-% wird für eine Zeit von weniger als 4 Stunden, im allgemeinen weniger als 3 Stunden, in der Zwischenvorlage 20 gehalten und dann der nächsten Stufe der Herstellung von Instantkaffee zugeführt

In der nächsten Stufe wird der konzentrierte Extrakt vor dem Gefrieren geschäumt, um die Einstellung seiner Fließeigenschaften zu erleichtern und eine optimale Kornstruktur vor dem Mahlen zu erzielen. Das Schäumen wird durch Einführen von Gas und feinteiligen gefrorenem Kaffee-Extrakt erreicht.

Bei einer nachgeschalteten Mahlung gebildete Feinteile von konzentriertem gefrorenem Extrakt werden zurückgeführt und dem nahezu gefrorenen Kaffee-Extrakt gewöhnlich nach dem Schäumen zugemischt. Die Feinteile werden von oben nach unten durch die Oberfläche des Extrakts, möglicherweise zusammen mit der umgebenden Atmosphäre mit geregelter Turbulenz und bei Temperaturen, die ungefähr beim Gefrierpunkt gehalten werden, sorgfältig und innig mit dem Extrakt gemischt. Hierdurch wird eine schaumige, viskose, lösliche Eisextraktaufschlämmung gebildet, die eine Dichte oder ein Raumgewicht von etwa 0,5 bis 0,85 g/cm³, sehr leicht einstellbare und regelbare Fließeigenschaften und verhältnismäßig große Blasen hat Diese innige Vermischung von Feinteilen bei Temperaturen um den Gefrierpunkt bewahrt die gefrorenen Feinteile und trägt dazu bei, einen gleichmäßigen Feststoffgehalt im gesamten Endgemisch aufrecht zu erhalten. Das Raumgewicht bei einer gegebenen Menge von Feinteilen kann durch Veränderung der Rührgeschwindigkeit bei der Vermischung, durch Vorgefrieren der Eiskristalle oder durch Einblasen eines schaumbildenden Gases in den Strom eingestellt werden. Der regelbare viskose Zustand der schaumigen Aufschlämmung erleichtert ihre gleichmäßige Ablage für das Gefrieren in Form von Tafeln. Dies kann in etwa 10 bis 60 Minuten bei Temperaturen unter —20° C erreicht werden. Die gefrorene Tafel zerbricht zu Stücken, die in einer mehrstufigen Mühle zu im wesentlichen gleichmäßigen, verhältnismäßig-jgrbben Teilchen gemahlen werden, die eine Größe zwischen 400 und 4000 um haben. Dieses gleichmäßige -Produkt hat eine ungewöhnlich dunkle Farbe, die sehr erwünscht ist Die Feintefle aus jeder Stufe werden im Kreislauf geführt und in der oben beschriebenen Weise in den Extrakt zurückgeführt Die Gesamtmenge an gebildeten Feinteilen wird somit in äußerst vorteilhafter Weise ausgenutzt, um das Gefrieren unter Bildung von bemerkenswert gleichmäßigen Tafeln zu erleichtern und optimal zu gestalten und eine wirksame Gefriertrocknung zu erreichen. Durch die Erfindung wird somit ein früherer Nachteil in einen enormen Vorteil umgewandelt. Das Überkorn wird in die Mühle zurückgeführt und erneut gemahlen.

Vor diesem Schäumen kann eine Klärung in der Klärvorrichtung 22 vorgenommen werden, besonders wenn der oben genannte Klärapparat 12 nicht verwendet wird. Für diese Klärung wird der Extrakt zunächst leicht erwärmt, bei der erhöhten Temperatur gehalten und dann wieder gekühlt. Der kombinierte konzentrierte Extrakt mit einem Feststoffgehalt von etwa 30 bis 50 Gew.-% hat auf Grund der Gefrierkonzentrierung beim Eintritt in die Zwischenvorlage 20 zwangsläufig eine Temperatur von etwa —3° C bis —2°C. Durch diese niedrigen Temperaturen pflegen die unlöslichen Feststoffe ausgefällt und agglomeriert zu werden. Wenn diese Feststoffe vor der Gefriertrocknung nicht entfernt werden, verunstalten sie das Endprodukt mit unerwünschten schwarzen Flecken. Diese Feststoffe lassen sich daher im Klärapparat 22 leicht entfernen, nachdem in der Zwischenvorlage 20 auf eine Temperatur von etwa 15,5°C bis 21⁰C leicht erwärmt worden ist. Der Klärapparat 22 ist beispielsweise eine Teilzentrifuge mit geschlossener Beschikkung und Austragung des Typs, der beispielsweise in »Chemical Engineers' Handbook« von Perry, 3. Auflage 1950, Seite 1000, Fig. 106 beschrieben ist

Nach dieser Klärung wird der konzentrierte Extrakt, der einen Feststoffgehalt von etwa 30 bis 50 Gew.-°/o hat, für eine kurze Zeit von weniger als 4 Stunden, gewöhnlich weniger als 3 Stunden, in der Zwischenvorlage 28 bei einer Temperatur gehalten, die unter oder bei etwa 10°C und gewöhnlich im Bereich von etwa 0°C bis etwa —10° C liegt. Der Extrakt wird aus der Vorlage 28 dem als Wärmeaustauscher ausgebildeten Vorgefrierapparat 30 zugeführt, der ihn bis in die Nähe des Gefrierpunktes des Extrakts kühlt, der bei den üblichen Konzentraten zwischen —2⁰C und —7°C varriert. Die Temperatur des Vorgefrierapparates 30 wird so eingestellt, daß lediglich eine Kühlung erfolgt oder kleine Eiskristalle gebildet werden, um dazu beizutragen, die verfügbare Menge an Feinteilen zu variieren.

Zum Verschäumen des von der Zwischenlagerung (20) oder von der oben genannten Klärung kommenden Extrakts wird ein Schaummittel, z. B. Luft oder ein nicht oxydierendes Inertgas wie Stickstoff beispielsweise durch einen Injektor in das kalte Konzentrat eingeführt. Dies geschieht vorzugsweise vor der Mischvorlage (32), jedoch kann die Verschäumung auch in der Mischvorlage 32 erfolgen. Der Verschäumungsgrad wird so eingestellt daß ein gewünschtes Raumgewicht für eine gegebene Menge von Feinteilen erhalten wird.

Der kalte konzentrierte Kaffee-Extrakt aus dem Wärmeaustauscher 30 wird vorzugsweise nach der Verschäumung der Mischvorlage 32 zugeführt Die Mischvorlage 32 wird ebenfalls bei ungefähr dem Gefrierpunkt des Extrakts (—2 bis —7° C bei üblichen Konzentrationen) gehalten. Gefrorene Kaffee-Extraktteilchen, vorzugsweise Feinteile von gefrorenem Kaffee-Extrakt (aus der nachgeschalteten Mahlung vor der später beschriebenen Gefriertrocknung entnommen), werden durch Leitung 34 in den Prozeß, und zwar in die Mischvorlage 32 zurückgeführt Eine erhebliche Menge des endgültigen Gemisches wird durch diese Rückfüh-

rung von Feinteilen gebildet, wodurch somit das endgültige Gemisch bemerkenswert homogenisiert und sein Feststoffgehalt gleichmäßig gehalten wird. Mengen von 10 bis 40%, vorzugsweise 25 bis 35%, des Endgemisches werden auf diese Weise vorteilhaft verwendet.

Die Feinteile werden dem flüssigen Extrakt in der Vorlage 32 von oben nach unten durch seine freie Oberfläche mit geregelter Turbulenz zugesetzt und innig und gleichmäßig mit dem gesamten Extrakt gemischt. Hierbei bildet sich in der Mischvorlage 32 eine schaumige, viskose Extraktaufschlämmung mit verhältnismäßig großen Blasen und sehr leicht regelbaren Fließeigenschaften. Die Vermischung erfolgt wirksam mit geeigneten (nicht dargestellten) Mischern, beispielsweise mit Paddel- und/oder Schneckenschnellmischern, die durch die freie Oberfläche des flüssigen Extraktes geführt sind und die Feinteile und auch vielleicht die umgebende Atmosphäre nach unten durch den Extrakt tragen und sie innig und gleichmäßig mit dem flüssigen Extrakt vermischen. Die in der Nähe des Gefrierpunktes liegende Temperatur in der Mischvorlage 32 bewahrt die gefrorenen Feinteile in ihrem Zustand, ihren gleichmäßigen Feststoffgehalt und ihre sich hieraus ergebende Wirkung auf den gemischten Extrakt, nämlich die Aufrechterhaltuhg eines bemerkenswert gleichmäßigen Feststoffgehaltes des Extrakts während des Gefrierens. Durch die Kombination dieser Erscheinungen wird in der Mischvorlage 32 eine schaumige, viskose Extraktaufschlämmung mit einem bemerkenswert gleichmäßigen Feststoffgehalt in der gesamten Masse, einem im wesentlichen gleichmäßigen Raumgewicht (z.B. 0,5 bis 0,85g/cm³, vorzugsweise etwa 0,75 g/cm³) mit sehr leicht regelbaren viskosen Fließeigenschaften und verhältnismäßig großen Blasen gebil- det.

Die Dichte oder das Raumgewicht der Aufschlämmung kann auch teilweise durch Veränderung der (nicht dargestellten) Mischvorrichtung eingestellt werden. Beispielsweise kann die Leistungsaufnahme des Mischermotors ein Anzeichen für die Dichte der Aufschlämmung sein. Wie bereits erwähnt, wird der Inhalt der Mischvorlage 32 bei ungefähr dem Punkt gehalten, an dem die vorhandenen Kristalle fest bleiben. Das Gemisch von gefrorenen Extraktfeinteilen, Extrakt und Schaummittel (Gas) bildet, wenn es ungefähr beim Gefrierpunkt des Extraktes gehalten wird, ein dickes, homogenes Gemisch mit gleichmäßig in der gesamten Masse verteilten gefroreren Feststoffen und Gasblasen. Es ist äußerst wichtig, daß die Temperatur ungefähr beim Gefrierpunkt der Aufschlämmung gehalten wird. Eine Senkung der Temperatur in der Vorlage hat zur Folge, daß das Gemisch his zu dem Punkt erstarrt, bei dem es weder durch den Mischer entfernt noch durch die normalen Prozeßleitungen gepumpt werden kann. Eine Erhöhung der Temperatur der Aufschlämmung ist ebenfalls unerwünscht, da hierdurch das Gemisch weich wird und weicher Eiscreme ähnelt Bei Erwärmung werden die gesonderten oder diskreten gefrorenen Teilchen weich unf pflegen zerstört zu werden. Gleichzeitig werden die Gasblasen verändert Diese Veränderungen der gefrorenen Teilchen und der Größe der Gasblasen verursachen unerwünschte Veränderungen in der Dichte oder im Raumgewicht der Aufschlämmung und in der Dichte und in der Farbe des es trockenen Endprodukts. Vorzugsweise wird daher der Inhalt der Vorlage 32 bei einer genau geregelten Temperatur gehalten. Es wurde gefunden, daß optimale Eigenschaften des Endprodukts erzielt werden, wenn der Inhalt der Vorlage etwa 30 Minuten bis 4 Stunden bei —6° ± 1°C gehalten wird. Diese Temperatur wird während des Aufenthalts des Extrakts und der Kaffeefeststoffe in der Vorlage und während ihres Übergangs zum Einfrierband aufrechterhalten.

Der geschäumte Extrakt, d. h. der Schaum von geregelter Aufschlämmungskonsistenz, wird zu einer abschließenden Gefrieranlage, z. B. einer mit umlaufendem Band arbeitenden Anlage des Typs geführt, der in der USA-Patentschrift 32 53 420 beschrieben ist. Die gefrorenen Stücke des Extraktes aus der vorstehend genannten, mit umlaufendem Band arbeitenden Gefrieranlage können zerkleinert und in einer Gefriertrocknung von geeigneter Konstruktion getrocknet werden, wobei das endgültige Instantkaffeeprodukt erhalten wird.

Die schaumige viskose Aufschlämmung wird auf das Band der Einfrieranlage 36 bei einer Temperatur von -3°C bis -7°C, vorzugsweise -6⁰C ± 1 abgelegt Nach der Ablage läuft die viskose Aufschlämmung auf dem Band über die 9 Soleabschnitte und wird regelbar so eingefroren, daß die gewünschte Farbe und Dichte gewährleistet sind. Gekühlte Luft wird auf das Band und längs des Bandes geleitet um das Einfrieren zu beschleunigen. Durch das Einfrieren werden hierbei im allgemeinen »Tafeln« gebildet, jedoch können auch andere Verfahren, bei denen »Granulat« gebildet wird, agewandt werden. Im allgemeinen wird jedoch die Tafel gebildet und dann granuliert (z. B. durch Mahlen). Von der Granulierung werden Feinteile zur Schäumung zurückgeführt. Für die Schäumung können jedoch auch gefrorene Kaffeeteilchen anderer Herkunft verwendet werden.

Die gemahlenen Teilchen werden vor der Gefriertrocknung gesiebt um die oben genannten Feinteile zu erhalten und eine gleichmäßige Teilchengröße für die Gefriertrocknung zu erzielen. Die Gefriertrocknung erfolgt in zwei Phasen mit einem hohen Einsatz von Wärmeenergie bei einer Plattentemperatur von 93° C bis 121°C und einem absoluten Druck unter 0,62 mbar bis sich ein Feuchtigkeitsgehalt der Teilchen von 40 bis 50 Gew.-% eingestellt hat Dann wird der absolute Druck unter 0,27 mbar bei verringertem Wärmeeinsatz bei einer Plattentemperatur von 38 bis 49° C erniedrigt bis ein stabilder Feuchtigkeitsgehalt der Teilchen von 1,0 bis 2.5 Gew.-% erreicht ist

Der gefrorene Extrakt wird tangential vom Einfrierband abgenommen, indem er über eine geeignete Tafelbrechanlage (nicht dargestellt) geleitet wird, von der die gebrochenen Stücke (im allgemeinen mit einer Förderrinne und einem Förderer) einer Mühle 38 zugeführt werden, in der der gefrorene Extrakt auf die endgültige Teilchengröße gemahlen wird. Diese endgültige Teilchengröße kann in der Siebanlage 40 erreicht werden und wird so gewählt daß wenigstens 90Gew.-%, insbesondere 90 bis 95Gew.-% der Teilchen eine Größe von 200, insbesondere 400 bis 4000 um haben. Vorteilhaft ist ein solcher Anteil von Teilchen einer Größe von 500 bis 2000 um, insbesondere 600 bis 1500 μτη.

Überkorn wird zurückgeführt und in der Mühle 38 erneut gemahlen. Dies trägt mit dazu bei, die oben genannte gleichmäßige Teilchengrößenverteilung aufrecht zu erhalten. Die beim Mahlen anfallenden Feinteile werden, wie bereits erwähnt durch Leitung 34 in die Mischvorlage 32 zurückgeführt

Die auf diese Weise ausgebildete Teilchenstruktur

steigert außerdem den Geschmack des nach der Gefriertrocknung als Endprodukt erhaltenen Kaffees als Folge des oben genannten einzigartig gleichmäßigen Feststoffgehaltes oder aus anderen Gründen, die noch nicht völlig geklärt sind. Die Verwendung von gefriergetrocknetem Extrakt trägt ferner zu dem einzigartig guten Geschmack und Aroma des gefriergetrockneten Endprodukts bei. Das gefriergetrocknete Endprodukt hat ferner eine ungewöhnlich dunkle Farbe, die äußerst erwünscht ist. Dies ist wahrscheinlich auf die verhältnismäßig großen Blasen zurückzuführen, die bei dem oben beschriebenen Zumischen von Feinteilen und Gas gebildet werden.

Der größere Gewichtsanteil des einzufrierenden Kaffeegranulats besteht aus groben Teilchen, um eine maximale Produktionskapazität im Einklang mit unvermeidlichem Verlust an löslichem Kaffeepulver durch Mitreißen zu erzielen.

Bei der oben beschriebenen halb-kontinuierlichen Gefriertrocknung wird gefrorener Kaffee-Extrakt verwendet, der zu mehr als 90% eine mittlere Teilchengröße zwischen 200 und 4000 μπι, vorzugsweise zwischen 500 und 1500μΐη hat. Auf Grund der Masse dieser groben Teilchen und trotz der Tatsache, daß die Dichte oder das Raumgewicht durch das oben beschriebene Schäumen verringert wird, können die auf die Böden des Trägers abgelegten Teilchen in praktischer Weise den Lyophilisierungsbedingungen ausgesetzt werden. Die gemahlenen Teilchen werden gefriergetrocknet Bei der ersten Phase der Gefriertrocknung wird mit hohem Einsatz an Wärmeenergie bei einer Plattentemperatur von 93°C bis 121^CC und einem absoluten Druck unter 0,62 mbar gearbeitet (Bei der Gefriertrocknung werden die Drücke üblicherweise in mbar gemessen.) Der hier gebrauchte Ausdruck »Plattentemperatur« bedeutet die Temperatur des erhitzten Elements (und des darin befindlichen Heizmediums), das direkt oder indirekt von dem zu trocknenden Gut, das eine etwas niedrigere Temperatur hat, berührt wird. In der zweiten Phase des Trocknens wird bei einem Druck unter 0,27 mbar mit verringertem Wärmeeinsatz bei einer Plattentemperatur von 38° C bis 49° C gearbeitet, bis ein stabilder Feuchtigkeitsgehalt der Teilchen von etwa 1,0 bis 2,5Gew.-% erreicht ist Das Endprodukt hat eine ungewöhnlich dunkle und erwünschte Farbe.

In der Praxis wird mit einer Plattentemperatur und einer Temperatur des Wärmeaustauschmediums bis etwa 93 bis 121^CC gearbeitet, um das Wasser während der ersten Phasen der Gefriertrocknung zu entfernen.

Bedingt durch die groben Teilchen der oben genannten Größe und das praktische Fehlen von Feinteilchen verursacht der hohe Stoffübergang, mit dem trotz hohen Einsatzes an Wärmeenergie gearbeitet wird, kein übermäßiges Mitreißen von Teilchen. Im allgemeinen dauert diese Periode eines hohen Stoffübergangs unter den angegebenen Bedingungen 2 bis 4 Stunden.

Danach wird das Wärmeprofil der Teilchen selbst un< des Heizmediums, das durch die Verdampferplatten¹ während des Durchgangs der mit dem zu trocknendenl Gut beladenen Böden durch die Kammer umgewälzt wird, so eingestellt, daß die Temperatur allmählich auf weniger als 93°C gesenkt wird. Vorzugsweise wird die Temperatur der Verdampferplatten allmählich auf eine Endtemperatur von etwa 38⁰C bis 49⁰C, insbesondere 43°C, gesenkt, während der Trocknungsvorgang fortgesetzt wird, bis der Feuchtigkeitsgehalt der Teilchen auf einen Wert zwischen 1,0 und 2,5% gesenkt ist. Die Temperatur des Produkts selbst ist etwas niedriger als die Temperatur der Verdampferplatten. Während des normalen Betriebs wird der absolute Druck unter 0,62 mbar und die Temperatur des Kondensators unter -50° C gehalten.

Das Produkt aus der Gefriertrocknungskammer wird nach Beendigung der Erniedrigung des Feuchtigkeitsgehaltes auf den oben genannten stabilen Wert von 1,0 bis 2,5% auf Normaldruck enspannt, indem reiner, d. h. im wesentlichen wasserfreier Sauerstoff eingeblasen wird. In jedem Fall wird der gefriergetrocknete Kaffee vor und während der Aufbewahrung und Verpackung unter solchen Bedingungen gehalten, daß der Feuchtigkeitsgehalt unter 2,5% bleibt.

Das vorstehend beschriebene Verfahren, bei dem die Gefriertrocknung kontinuierlich durchgeführt wird, kann auch chargenweise durchgeführt werden. In diesem Fall wird das Temperaturprofil des Produkts und der Verdampferplatten in ähnlicher Weise bis auf 93°C bis 121°C erhöht, bis der größere Anteil der in den Kaffeeteilchen vorhandenen Feuchtigkeit entfernt ist.

Anschließend wird der Kaffee-Extrakt bei erniedrigten Plattentemperaturen weiter dehydratisiert, und die letzten 40 bis 50% Feuchtigkeit werden entfernt, während das Produkt vorzugsweise bei einer Temperatur unter 49° C gehalten wird. Während dieses Vorganges schwanken die absoluten Drücke, jedoch liegen sie zu jedem Zeitpunkt unter 0,62 mbar und werden nach Entfernung des größeren Anteils des vorhandenen Wassers auf unter 0,27 mbar erniedrigt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von gefriergetrockneten Kaffee durch Gefrierkonzentrierung eines wäßrigen Kaffee-Extrakts auf einen Gehalt von 30 bis 50Gew.-% Kaffee-Feststoff, Schäumen des konzentrierten Extrakts, Frieren des Schaumes und Gefriertrocknen, dadurch gekennzeichnet, daß