专利名称：从导电流体中分离带电物质的设备和方法
技术领域：
本发明涉及通过给具有两个腔室的容器加一个静电场从导电流体中分离带电物质的设备和方法，所述两个腔室之间具有多孔的分离器。将带电物质导入下部的第一腔室并容留于其中，具有少量带电物质的导电流体穿越分离器进入上面的第二腔室。本发明尤其适用于以批次操作方式或连续操作方式对含咖啡因的液体进行脱咖啡因作用。
由本委托人于1994年3月25日申请的序列号为08/218,221的美国申请公开了从含带电物质的导电流体分离带电物质的方法，这里引为参考文献。通过强加一个静电场把带电物质从导电液体的流动途径引出。含离子树脂的物质保留这种带电物质。
在本委托人的美国专利US 5,443,709和美国专利US 5,503,724中公开了使用产生静电场的装置对含咖啡因的液体(例如咖啡)脱咖啡因的设备和方法，这里将二者引为参考文献。
申请人已经设法开发了一种从导电流体去除带电物质的系统，该工艺可以批次运行或连续操作。连续操作系统可以以更经济的方法产生较多量导电液体和较少量带电物质，它特别适用于商业分离应用。另外，申请人已经设法实现去除带电物质的量，并能生产非常可口的饮料例如脱咖啡因的咖啡或茶。
因此，在从导电流体中分离带电物质的技术领域内，假如能够提供可以选择地生产具有少量带电物质的流体的设备和方法，以一种节省成本的和有效的方式进行批次应用和连续应用，这将是一种明显的进步。
假如可以从含咖啡因的液体(例如咖啡或茶)中分离咖啡因而不会对所得液体的口味产生不利影响，将是本技术领域中的更大进步。
一般地说，本发明涉及从导电流体中去除带电物质的设备和方法，可以按批次方式或连续操作方式有效地去除所述带电物质。
具体地说，本发明的一部分涉及一种从含带电物质的导电流体中去除带电物质的设备，该设备包括a)把导电流体送到带电物质分离装置的通道装置；b)带电物质分离装置包括(i) 接受从通道装置输送来之导电流体的第一入口，(ii) 接受从通道装置送来之导电流体的第一腔室，(iii)通过多孔分离器与第一腔室分开的第二腔室，所述第二腔室用来收集具有少量带电物质的流体，(iv) 一个具有足够孔隙率的多孔分离器，它允许无带电物质的流体通过，和(v) 产生静电场的装置，用于加给静电场，从而使带电物质保留在第一腔室中，同时使具有少量带电物质的流体通过该分离器进入第二腔室。
从含有带电物质的导电流体中分离带电物质的方法，也是本发明的另一部分。
本发明可被用于大规模的商用分离，也可以用于在家中进行的分离，例如用于从含咖啡因的液体(如咖啡或茶)分离咖啡因的设备中。
以下各附图用于说明本发明的实施例，并非想把本发明限制成为有如构成本申请一部分之权利要求书所包含者，图中以相同的参考标号指示相同的部件。
图1是本发明用于连续产生具有少量带电物质之流体的实施例的横截面侧视图。
图2A是本发明用来批次产生具有少量带电物质之流体的实施例的横截面侧视图。
图2B是与图2A类似的横截面侧视图，具有曲线或圆顶状外形的带电物质分离装置。
图3A是在咖啡酿制中所用的杯形容器，它可适用于包含本发明的设备。
图3B是在图3A咖啡制造器的杯形容器内使用的带电物质分离装置的横截面图，用以从中除去咖啡因。
图3C是包含本发明带电物质分离装置的滴式咖啡制造器的横截面图。
图4是滴式咖啡制造器中所用的包含带电物质分离装置的玻璃瓶的横截面图，用以从中除去咖啡因。
图5是本发明的另一实施例的横截面图，特别适用于一杯含咖啡因的液体的酿制并脱去咖啡因。
本发明把一个静电场加给一个由多孔分离器分成两个腔室的容器，用以从含带电物质的导电液体中分离带电物质，所述腔室最好具有曲线或圆顶状外形。这里使用的术语“多孔分离器”意思是该分离器具有足够的孔隙率，以允许缺少带电物质的导电液体通过。
根据本发明所能处理的导电液体包括血液、含有污染物等多种化学化合物的液体，可摄取的液体包括饮用水、咖啡和茶等。
导电液体中所含的带电物质是各种带有电荷，并在有静电场存在的情况下，可以被排斥或吸引到具有相同或不同极性之表面的物质。作为本发明中采用的“静电场产生装置”意思是产生穿越包含由多孔分离器分成两个腔室之容器的静电场的设备，用以吸引带电物质。
参照图1，2A，和2B，表示从含带电物质的导电液体中分离带电物质的设备2。设备2包括容纳含带电物质之液体(如发酵的咖啡)的容器4和把所述液体送至带电物质分离装置8的通道6。
通过加给由静电场产生装置10产生的静电场开始从导电液体中分离带电物质。有如后面所说明的，或者通过排放装置14或者通过阀门装置12从设备2中除去在分离装置8中被分离的带电物质。阀门装置12控制去除带电物质的速度，因此特别适合于需要连续去除带电物质的应用。具有从中去除之带电物质的液体本身是通过排放装置14从设备2移去的。
容器4可以是任何能容纳导电液体并把导电液体送到带电物质分离装置8的设备。特别如图1和图2A所示，容器4含一个可为具有上开口18的锥形容纳池16，适于接受从源头(未示出)来的含有带电物质的液体。在本发明说明书下文，将特别参考一个用于含咖啡因之液体(如咖啡)脱咖啡因用的设备。但应理解，本发明有许多如前所述的应用，包括但不限于从血液、水等中分离带电物质。
参照图1、2A和2B，含带电物质的液体的源头可以是制备发酵咖啡的渗滤器或商用设备。容纳池16最好是圆柱体，这允许大量含有带电物质的液体进入到设备2的带电物质分离装置8。可以为容纳池16设置盖子17，有如图28所特别表示的那样。另外，容纳池16最好还具有漏斗形的底部20，该底部可将容纳池16中的液体导入通道6。
通道6将含带电物质的液体导入带电物质分离装置8中。通道6最好包含管子22，管子22限定一条沿通道6的纵轴定位的圆柱途径24。选择途径24的直径，以便超过通过多孔分离器的流速，这将在下文说明。
容器4由完全不能渗透含有带电物质的液体的材料制成，并且是易于清洗的。对于咖啡的脱咖啡因而言，食品等级的聚乙烯和聚丙烯适合于此目的。
通道6把含带电物质的流体传送到带电物质分离装置8中，在那里带电物质与液体分离。带电物质分离装置8包括直接从通道6接收液体的第一腔室26和第二腔室28。腔室26和28都向上拱起，用以清除其中夹带的残余空气，如图28所特别表示的那样。腔室26、28由多孔分离器30彼此分开，该分离器允许带有少量导电物质的液体通过，从第一腔室26移到第二腔室28。多孔分离器也可以像图28所示那样是拱顶的。
分离器30具有与第一腔室26相连的第一表面或底面38和与第二腔室28相连的第二表面或上表面40。分离器的厚度通常在约0.015到0.090英寸的范围。分离器的首选材料包括诸如不锈钢类多孔材料，以及1997年1月29日提交的未决美国专利申请序列号60/036,395所公开的材料，上述申请在此引为参考外系文献。分离装置8的首选合成材料包括至少含一个胺反应官能团的聚合物。这种官能团包括羧基、磺酸基和硝酸基。首选的集团是羧基和磺酸基。
所述聚合物可为纤维形式。首选的纤维材料是甲基纤维素，尤其是羧甲基纤维素，如Hercules公司生产的Aqualon。所述聚合物也可以是直径通常不大于500微米的聚合微球。满足这一标准的聚合物是DowChemical公司销售的Dowex。所述聚合物含有连接到聚苯乙烯聚合链的磺酸基，该聚苯乙烯可以由二乙烯基苯交联而成。
上述聚合物材料可以被用来从液体中分离各种带电物质，但尤其在从含咖啡因的液体，如咖啡和茶中分离咖啡因有用。
参照图1、2A和2B，第一腔室26部分由与地线电连接的带电材料，如金属板或金属圆筒32形成。分离器30可以与金属圆筒32接触，如果是这样，它们一起可以作为地线，从而限定了第一腔室26。图2B实施例中的分离器30也可以具有拱顶形。
静电场产生装置10包括电源33和被绝缘材料36围绕的电极34。电极34与电源33相连，同时电源与表示为接地电极的金属板或金属圆筒32相连。
在图1所示的本发明实施方案中，以如下方式从液体咖啡中去除带电的咖啡因分子。通过设计，使限定包括分离器30的表面38和金属圆筒32在内的第一腔室26的表面带负电或接地。通过感应作用，分离器30中所有围绕负带电官能树脂基团的正离子都被置换到分离器30中，以便在分离器30中负电位接地。当带正点的咖啡因分子进到第一腔室26中时，最初它们被吸引到有如上述的带负电的表面上。当其上收集电荷，而使这些表面变成相反极性时，开始排斥同性点电荷。另外，含咖啡因的液体中的水分子是偶极性的，当在所加外部静电场中时，水分子试图极化，并且它们本身排列在金属圆筒32和电极34之间。水偶极子的正极面向负的接地电极32。
随着咖啡因分子连续进入第一腔室26并随后被排斥，第一腔室26的咖啡因分子的浓度开始增加。随着咖啡因分子的点电荷浓度增加，其能量也会相应增加，因此产生内部空间电荷。当内部空间电荷超过所加的静电场时，就会引起在占主导地位的电场内水分子原来的偶极子方向重新排列(即水偶极子的正极现在面向正极34)。这之后，系统在第一腔室26中含咖啡因分子的能力迅速降低。结果带正电的咖啡因分子就被吸引并通过多孔分离器30到第二腔室28中。咖啡因进到第二腔室使在第一腔室26中的空间电荷减少所加电压以下的水平，导致系统再次进行极性的反转，从而更适于接收和处理含咖啡因的液体。
在图2A和2B中得到很好表示的批次系统中，要去除的咖啡因的量是有限的，这就使分离器内所需活性树脂的量将所述空间电荷中和或者限制低于此前所确定的临界点。在批次系统中，所述分离器只是一个临时使用的置换元件。
按照本发明的另一方面，可以按连续的方式生产基本上没有带电物质的液体产品。
再参照图1，在连续操作方式中，通过阀门装置12控制咖啡因的浓度，从而控制空间电荷。阀门的调节造成液体流速的调节，这样，咖啡因浓度就不会超出外部静电场。
阀门装置12包括在带电物质分离装置8的第一腔室26与带电物质收集器44之间提供流体交流的通道42，其中所述带电物质收集器处44收集带电物质并从设备2去除，这将在下文说明。通道42内定位一个阀门46，它控制来自第一腔室26的带电物质的流速。阀门46的位置及所述流速取决于第一腔室26内带电物质的浓度。
在图1所示的本发明实施例中，空间电荷或咖啡因浓度受到控制，不超出所加外部静电场，因此，就防止带电物质通过分离器30。带电物质的浓度总是维持在一个预定的值，使带电物质的总分子数不足以提供超出所加外部电压的空间电荷。
特别参照图1，传感器48检测第一腔室26中带电物质的浓度。将此浓度与一个预定的固定浓度比较，在所述固定浓度下空间电荷接近所加的外部静电场。当带电物质的实际浓度接近所述预定浓度时，就产生一个信号，它调节阀门的开口，使第一腔室26中的带电物质通过通道42进到收集器44中，从而控制第一腔室26中带电物质的浓度。
阀门46的连续动作保持带电物质的浓度低于使空间电荷超出所加外部静电场的水平。因此，带电物质通常不通过分离器30进入第二腔室28中，而是改为被导引到带电物质收集器44中，只有含少量带电物质的液体进到第二腔室28中。
排放装置14包括一个环绕第二腔室28的环形歧管。凸起54把第二腔室28与歧管50分开。利用环形间隙52产生第二腔室28与歧管50之间的液流交换。凸起54的高度超过第二腔室28内液体的高度。为了便于排出液体，最好将歧管50分为两部分，其中每一部分从在大约周长之半的对着排放口58的高点向下冲到排放口58。
在第二腔室被充满后，液体通过间隙52在凸起54上沿圆周被排出。然后通过歧管50将液体收集并导入排放口58。
本发明特别适用于对诸如咖啡或茶等含咖啡因的液体脱咖啡因。可将这种设备与商用等级酿制机器结合，也可以与用来酿制有如一杯咖啡那么少的家庭设备结合。可将本发明的设备结合到酿制设备的多个部位，所述酿制机器包括保存最终产品的酿制杯和容器(如玻璃瓶)。
参照图3A-3B，表示的是一种具体实施例，其中将本发明的设备与一种常见的滴式咖啡制造机的杯形容器组件相结合。所述杯形容器组件60包括容器62、在该容器底部的底座64、可随意拆卸的把手66，和适于对咖啡制造机电连接的电连接器68。(见图3B)特别如图3B所示，在杯形容器组件60的底座64中设置结合图1-2B所述和所表示的那种带电物质分离装置8。按与前述类似的方式实现从含带电物质的液体中去除带电物质(如咖啡因)。在容器62形成的酿制咖啡通过管子22被送到带电物质分离装置8，进入第一腔室26中。由电源供给的电能在第一腔室26中的电极和其中保留带电物质的金属圆筒之间加给一个静电场。具有少量带电物质的液体穿过所述分离器30，进入排放装置14中。
有如图3B实施例所特别表示的那样，为排放装置14设置通道72，该通道把液体从前述位于分离装置8一侧的排放口58送到位于所述杯形容器的底部中央的第二个排放口74。按照这种方式，带有少量带电物质的液体穿过第二排放口74直接进入一个合适的容器中，如玻璃瓶等。
可将产生静电场的电源按常规方式置于咖啡制造机内，或者利用被置于可拆卸的把手中的电池。应将电源放在远离杯形容器组件60，以便于清洗。
本发明的另一实施例被示于图3C中。带电物质分离装置8被定位在滴式咖啡制造机的底座上。分离装置的操作有如图1-2B中所描述的那样。
来自容器16的酿制咖啡通过通道16进入第一腔室26中。利用经绝缘的电极34和金属圆筒32接通位于滴式咖啡机外壳76中的电源33，加给一个静电场。在第一腔室26中产生的少量咖啡因液体通过多孔分离器30进入第二腔室，并最终从排放口58排入玻璃瓶中。
在本发明的另一实施例中，给滴式咖啡制造机的玻璃瓶装设本发明的设备。参照图4，它表示一个滴式咖啡制造机的玻璃瓶90，其端盖92内有如图1-2B所述的本发明带电物质分离装置8。
酿制的咖啡进入容器94中，并流过管道6进入第一腔室26。有如前述加给静电场的情况下，所要的液体产物(如已脱咖啡因的咖啡)流进第二腔室28中，并通过排放装置14最终通过第一排放口58，流出第二排放口74进入玻璃瓶90中。来自排放口58的液体经所述管道直接通过玻璃瓶的端盖92的中央，最好是在金属圆筒32的底座中形成一个矩形通道。
在本发明的再一实施例中，可将本发明的设备与一单杯脱咖啡因装置结合。这种单杯脱咖啡因机可以用来制备新鲜酿制的脱咖啡因咖啡或对以前已酿得的咖啡脱咖啡因。
参照图5，它表示一种单杯脱咖啡因机装置100，该装置由一个架102所支撑，并包含带电物质分离装置8。架102装有为产生如前面图1-2B所示的静电场所需的电气必需品。在经绝缘的正电极104和呈金属板形式的开口负接地电极106之间产生静电场。架102支撑带电物质分离装置8并使它与杯107对准。
把一个适当的咖啡过滤器和已碾碎的咖啡放入在容器108内，并置于锥形板110上，所述锥形板110具有相关的加强筋112，用以在引入热水时支撑过滤器/咖啡。或者是把已预先酿制的咖啡直接导入脱咖啡因装置100中。
酿制的咖啡在经过过滤器或刚注入腔内以后，因为是锥形几何结构，所以在各加强筋112间流向锥形板110外缘，在那里有多个纵向周槽114，把液体导入第一腔室26中。当第一腔室26充有酿制的咖啡时，就加给一个静电场，使得带有少量咖啡因的液体通过分离器30进入第二腔室28中，并继续流入排放装置14中。在容器108上面放置盖子116，以保持热能。
权利要求
1.一种从包含带电物质的导电液体中去除带电物质的设备，其特征在于该设备包括a)把导电液体传送到带电物质分离装置的管道装置；b)带电物质分离装置包括(i) 接受来自管道装置之导电液体的第一入口，(ii) 接受来自管道装置之导电液体的第一腔室，(iii)由多孔分离器与第一腔室分开的第二腔室，所述第二腔室用来收集带有少量带电物质的第二液体，(iv)具有足够的孔隙率的多孔分离器，允许所述该带有少量带电物质的液体通过，和(v)产生静电场的装置，用来跨过在第一腔室和第二腔室的带电物质分离装置外加一个静电场，从而使带电物质保留在第一腔室中，同时第二液体通过分离器进入第二腔室。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于还包括收集第二液体的收集装置。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述收集装置包括接受来自第二腔室的第二液体的容器和用于从该容器排放所述第二液体的排放口。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于还包括有带电物质排放装置，该装置以可操纵方式与第一腔室相连，用于排放在第一腔室中保留的带电物质。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述带电物质排放装置包括(i)一个在一端连到第一腔室的通道，通道的相反端连到出口；和(ii)阀门装置，用于调节带电物质从第一腔室到出口之液流。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于所述阀门装置包括传感器装置，用来检测第一腔室中带电物质浓度并产生与所述测得的浓度对应的第一信号；用于比较第一信号与带电物质的选择浓度值之间的差的装置，该装置还用于产生所述差值对应的第二个信号；还包括用于在通道中调节阀门装置，使带电物质流出第一腔室，直到第一信号和所选择的浓度之间的差接近零。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于还包括用于从出口接收带电物质的容器。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述第一腔室、第二腔室和多孔分离器具有拱顶形状。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述多孔分离器由从包含多孔金属和聚合物材料的组中选择的材料制成。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述产生静电场的装置包括一个经绝缘的电极和一个金属圆筒，它们各连接到电源上。
11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述带电物质分离装置包含于咖啡制造器的杯形容器内。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述通道装置被容纳于咖啡制造器玻璃瓶的盖子中。
13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述多孔分离器的厚度在约0.015到0.090英寸之间。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述带电物质是咖啡因。
15.一种从含有带电物质的导电流体中除去带电物质的方法，其特征在于该方法包括a)把导电流体传送到带电物质分离装置的入口；b)使导电流体进到带电物质分离装置的第一腔室内；c)跨越带电物质分离装置的第一腔室和第二腔室加给一个静电场，使带电物质留在第一个腔室内；和d)使带有少量所述带电物质的液体通过一个多孔分离器进入所述第二腔室。
全文摘要
从导电流体中分离带电物质的设备和方法,其中将导电流体传送到带电物质分离装置中,在那里被加给一个静电场,用以从通过一多孔分离器的流体中分离带电物质,并收集所述导电流体。
文档编号A23F5/22GK1265603SQ9880773
公开日2000年9月6日 申请日期1998年5月29日 优先权日1997年5月30日
发明者詹姆斯·R·克罗塞, 索尔·L·伯格 申请人:伊姆斯科技术公司