芳香气体的回收的制作方法

专利名称：芳香气体的回收的制作方法
技术领域：
本发明涉及挥发性芳香气体的回收，具体讲，本发明涉及对加工饮料(尤其是咖啡)时释出的气体中的挥发性芳香成分进行低温冷凝和回收的方法。
在加工诸如咖啡、茶叶、可可一类饮料的一个或多个工艺步骤中会释放出含挥发性芳香成分的气体。例如，加工咖啡时，在许多工艺步骤，如整粒咖啡豆的焙炒、经焙炒的整粒豆的研磨、水溶性成分的提取、蒸汽蒸馏等均会释放出含芳香成分的气体。业已认识到回收芳香气体并将其加到饮料中，例如干燥前将所说芳香成分加到咖啡提取物或加到干粉或颗粒中可使这类饮料，尤其是可溶性咖啡产品的芳香味和风味得到改善。常用液氮对咖啡加工中释出的含芳香气的气体进行冷凝形成咖啡芳香气体霜来回收之。这需要许多工艺步骤才能实现对咖啡芳香气体霜的回收。将所说的芳香气体冷凝在借助液氮冷却的刮削面热交换器的壁上就是其中一个广泛使用的工艺方法。经冷凝的气体从该壁上刮下并以霜或雪的形式收集于该热交换器的底部，得以回收。然而，该方法效率低且有诸多缺点。例如无必要将进入热交换器的全部气流都冷却下来，而细的霜粒又有被载带到其气流中，未被收集、离开热交换器的趋势。
本发明提供了一种从加工饮料(尤其是咖啡)时释出的气体中收集和回收芳香气体霜的简单而高效的工艺方法。本发明着重说明了对加工咖啡时释出的芳香气体的回收方法，当然对加工茶叶和可可之类时释放出来的其它载香气体也可用类似方法进行处理，不言而喻，这也在本发明的范围之内。根据本发明的方法，先将咖啡芳香气，如粉碎焙炒整粒咖啡时释出的气体送入低温收集器，并于其中将液氮直接注入芳香气流以使所说芳香气体进行迅速冷却，使其中的芳香成分迅速而有效的冷凝。使低温冷却的芳香气流与收集器壁间的直接接触减到最小，最好避免直接接触。对芳香气流的低温冷却导致了在由液氮喷雾蒸发产生的气体氮中形成悬浮的细小芳香气霜粒。在液氮流中这样形成的悬浮霜粒穿过装于低温收集器中的一个或多个多孔圆筒过滤器从而使该气流中的芳香气体霜粒被分离出来。此霜粒被带到该多孔圆筒过滤器的外壁或上流壁上，从而在该外壁上形成滤饼。在所说的壁内外保持足够的压力差的情况下，悬浮的气相穿过圆筒过滤器的壁进入到该圆筒过滤内然后从过滤器的顶部排到收集器外的一处。定时用氮或惰性气体对多孔过滤器进行反冲以从过滤器表面除去霜粒，这些霜粒落入收集器底部后，用连续或简歇方法将其排出和回收。
为使芳香气中的芳香成分保持在冷凝状态，最好将穿过多孔过滤器的冷氮气送到低温收集器的保温罩中以使收集器和多孔过滤器的温度维持在足够低的水平。


图1是根据本发明的一个实施方案芳香气体霜回收装置的纵剖图。
图2是根据本发明另一实施方案芳香气体霜回收装置上半部分部分剖开的侧面图。
本发明将具体说明回收咖啡加工中释出的芳香气体，当然本发明也适于回收其它含芳香气的气体，如加工茶叶和可可时产生的那些气体。
加工咖啡中的任何一个工艺步骤产生的芳香气体都可用本发明的方法进行处理。例如焙炒生咖啡豆(即“焙炒锅内气体”)时释出的气体，经焙炒的整粒豆研磨期间释出的气体(即“研磨机气体”)及对经研磨后的焙炒咖啡进行浸泡或水提取时产生的气体(即“浸泡气体”)均可使用本发明的方法予以处理。一般而言，释出的含芳香气体的组合物大部分是同水蒸汽混合在一起的二氧化碳(按重量计，达90%或更高)和焙炒咖啡的特有芳香成分。如有必要，为了除去气流中的大部分水份，可将释出气体通过冷凝器使之冷却到-25℃-10℃左右而将其中水份含量予以减小。如需要的话，可用诸如氮气或二氧化碳气一类惰性气体对加工咖啡时释出的芳香气进行吹扫并进而回收其中的芳香气。芳香气流压力一般要维持到足以能使该气体进行回收处理的水平，考虑到穿过过滤器装置的压力降，其压力一般为0.5-5psig(磅/平方英寸)，也可采用真空技术从产生芳香气的设备中抽出该气体并送到进行回收操作的设备中去。采用真空技术抽吸芳香气体时，则无必要用吹扫气体，这样气流中芳香成分的浓度提高了，冷凝效率提高了。
根据本发明的方法是，通过适宜管道将咖啡芳香气体送到低温收集器，向该气流中喷入液氮以将其迅速冷却到能使高度分散的芳香气体霜粒被冷凝的温度，由于芳香气与液氮的接触，所说的霜粒悬浮于液氮蒸发产生的氮气中。为了使所说气流的温度冷却到至少-80℃左右或更低，最好在-100℃至-160℃左右，收集器也维持在类似的低温温度水平，最好采用适当的阀门来控制喷入芳香气流中的液氮的量，这样的温度水平能使气流中的芳香成分迅速有效的冷却，并使芳香气霜恰好维持在大部分挥发成分的沸点以下及二氧化碳的升华点以下，同时又确保了喷入气流中的液氮基本上全部蒸发。
利用一种能使所说气体迅速且基本上均匀冷却而又使该冷却气体同收集器壁接触最少或不接触的方式来将芳香气体和液氮送入低温收集器，例如借助一根能将芳香气送入收集器中央的输入管道把芳香气流输入低温收集器。根据本发明的一个实施方案，在芳香气输入管的排放处附近设置多个液氮喷嘴，并作相应调整使喷射的液氮流能集中于所送入的芳香气的中点，而且能诱导芳香气体流入收集器的中心部分。本发明的另一实施方案是，液氮喷嘴同轴装在芳香气体输入管内并邻接管的排气端，由此，液氮喷入输入管中的芳香气体中，形成冷凝的芳香霜粒悬浮于氮气中的悬浮物，该悬浮物进入收集器中。
在液氮中这样形成的悬浮芳香气霜粒可直接送入设置于低温收集器中的一个或多个刚性多孔过滤器以从氮气中基本上除去全部高度分散的霜粒。优选的多孔过滤器包括多孔圆筒管，该管底部是封闭的，上端敞开，气相悬浮物从外部或上流面穿过管状过滤器壁进入到过滤器内部或下流面并经上端开口而排放掉。最好在过滤器的上端开口上设置文化管喷嘴，用此喷嘴排放氮气。
用于本发明的多孔圆筒过滤器的孔径分布应能使通过该过滤器的氮气悬浮物中的芳香气霜粒基本上全部除去，过滤器应适合于收集器中维持的低温条件。此外，该多孔过滤器的结构强度和耐久性要足以能经受住逆流清洗循环中压力的增加。适用于本发明的过滤器有多孔陶瓷或多孔金属(如多孔不锈钢、烧结钢丝网筛)等制的过滤器。业已发现，用PSS
多孔不锈钢(H级，Pall多孔金属过滤器公司，Cortland，NY，绝对额定穿过值为约5μm)制的圆筒形过滤器能有效地从气体悬浮物中分离出95%的芳香霜粒。
设于收集器内的过滤器的大小和个数很大程度上取决于用低温收集器处理的芳香气的流速，经常规实验即可容易地确定，例如，要有效地从流速约为200SCFH(标准立方英尺/小时)的咖啡芳香气流中基本上去除全部霜粒应使用直径为6.1cm、长为50.8cm、过滤器面积约为960平方厘米、平均孔径为20μm的多孔不锈钢单筒过滤器。
既可在加压下将芳香气体送入收集器也可使收集器处于略为真空的状况下维持穿过过滤器壁所需要的足够压差来迫使悬浮的气相通过多孔圆筒过滤器的孔。该气相穿过孔壁进入圆筒过滤器内部后通过过滤器上端开口从低温收集器排出。温度约为-140℃的该气相可排入大气，但最好将其排到低温收集器的外保温罩内。用此种办法排放的废氮气流足以能使低温收集器的温度保持在使芳香气霜粒以冷凝形式存在所需的低温(即-115℃左右)。
过滤时，由通过过滤器的氮气悬浮物中分离出的芳香气霜粒不断堆积，并有在圆筒过滤器外壁上形成滤饼的趋势。在压力明显高于过滤器外壁上压力下，定期直接用脉冲气体(优选氮气)导入圆筒过滤器的上端开口使堆积的芳香气箱滤饼松动而从过滤器排出。脉冲持续时间0.1-1.0秒，重复的时间间隔为1-3分钟。所使用的氮气压力一般约在90psig。
从过滤器上松动的霜粒掉到低温收集器的底部并定期或连续从底部取走。例如可在该收集器的底部设置诸如旋转阀、螺旋运输器、输送带等常规装置以将掉入底部的霜粒连续从收集器中排走。还可在过滤器下部的收集器底部装上可拆卸的保温容器，当松动的霜粒掉入该容器时，定期将其拆走以回收芳香气霜粒。
这样回收的芳香气霜用于改善饮料、尤其可溶性咖啡的香味和风味特别有效。例如，根据本发明方法回收的咖啡芳香霜粒可加到可溶性咖啡粉的罐中使顶隙芳香并使咖啡的风味和香味均得到加强。也可将芳香霜粒加到咖啡油中，用于罐顶隙加香。此外，为了咖啡粉溶解在热水中时能使杯内的芳香味道得到改善，也可将咖啡芳香霜粒加到液体咖啡提取物中，然后干燥。
参见附图1，本发明的芳香霜回收装置包括借助支撑架12设置于保温圆筒外罩11中心的低温收集器10。10包括由壁15封顶及漏斗形底部16的筒壳14，16上有排料口17，冷凝的芳香霜可通过口17排走。保温容器18通过适当的夹紧装置19，如三角夹同底部16连接(可拆卸)。可借助设于11底部的门(未示出)将容器18定期拆走。
适宜的低温过滤材料如多孔不锈钢制的管状多孔过滤器20装于收集器10内，邻接顶壁15。过滤器20的底端用如焊接端盖28封闭，上端敞开，文氏喷嘴21设置在每根管状过滤器20的上端开口处。每一21穿过收集器10的顶壁15的适当开口以将管状过滤器内的气体从低温收集器10排放到筒形外罩11中，11中的气体经废气管线27排走。用于输送咖啡加工期间释出的芳香气体的输送管道22借助壳14上部的开口23同收集器10的内部相连。22以稍向下的角度垂直于壳14的侧壁，这样即可使经管22输送的芳香气流离开侧壁直接送到14的垂直中心线处。料槽25中的液氮经管线24送到收集器10，此液氮是用设置于10中邻近输送管道22排放端的喷嘴26进行喷射的。喷嘴26的设置位置应能使其喷射离开筒壳14的侧壁并直接喷向经开口23排放的芳香气流的中心。可在管线24上设置适宜的氮气阀以通过增加或减少送到喷嘴26的液氮流量来控制低温收集器内的温度。
压缩氮气经管线30送到脉冲罐31中，经脉冲管线32定期将氮气反脉冲式送入管状过滤器20内，32共轴穿入20上的每一文氏管喷嘴21。一般用于产生压缩逆流冲洗气脉冲的任何脉冲发生装置均可用于本发明。
图2示出了用于将芳香气流及液氮送入低温收集器的另一装置。在此方案中，低温收集器10包括装于顶壁15上的筒形外罩40，40的内部借助所说顶壁中心开口41同10的内部相连。芳香气输入管22在罩40的中心处穿过其顶部，这样芳香气流垂直向下送入罩40和筒壳14内。液氮经管线24送入收集器，液氮是经22排放端附近的沿外罩圆周等距离设置的若干喷嘴(未示出)而喷入芳香气流中的。喷嘴的设置应能使喷射的液氮流汇聚在紧靠22排放端下的外罩的中心处，喷嘴向下的角度约为30°这样能将芳香气流送入10的壳体部分。这种排置方式的喷嘴对于将芳香气流均匀、迅速冷却到低温温度而又使冷却的气体同收集器的壁间的接触减少到最小程度非常有效。
在用图1所示的装置实施本发明时，加工咖啡时释出的主要含有二氧化碳和少量水蒸汽及咖啡芳香成分咖啡芳香气是用管线22输送的。一般在约0.5-5psig压力下将芳香气体向下对着壳的中央并离开其侧壁送入到筒壳14内。液氮经等距离设置在管22排放处周围的14内的喷嘴26喷入芳香气流，液氮直接喷入收集器中央即能使经管22送入的芳香气流均匀而迅速地冷却到使所说芳香气体冷凝为高度分散于氮气流中的悬浮霜粒，同时避免了经冷却的芳香气流和壳14的侧壁间的接触或将其降低到最小程度。为了使霜粒的温度维持在其大多数挥发成分的沸点以下，同时又确保全部液氮基本上挥发，借助调节送入喷嘴26的液氮的量使收集器10内的温度维持在-80℃以下，一般维持在-140至-150℃左右。在收集器10内，邻接顶壁处装有3个刚性管状多孔金属过滤器20，每一过滤器均有一个设置于其上端的文氏喷嘴21，每个21穿过收集器10的顶壁。所说过滤器是由多孔不锈钢制的，具有的迁移额定值为5μm，该管状过滤器长约50cm，直径约为6cm。维持25-50cm水柱的过滤器壁内外压差即能迫使悬浮的氮气相穿过过滤器孔，而芳香霜粒沉积于过滤器的外表面。温度约为-140℃的氮气穿过多孔过滤器的壁进入到过滤器内，然后经由每一过滤器顶部文氏喷嘴从收集器10排到壳14的保温罩11内，最后从11经废气管27排到大气。使用此方法时，罩内的温度应维持在-120℃左右或以下。为了从过滤器外部除去所积沉的芳香霜粒，于约90psig的压力下，每隔60秒钟用氮气反冲管状过滤器0.3秒，而所说霜粒收集在容器18中。定期从容器18中取出芳香霜粒，将其并入液体咖啡提取物中或可溶性咖啡颗粒中以改善焙炒咖啡和粉碎咖啡的芳香气味和风味。
也可采用另一种方式来回收芳香气体，即对该气体中的芳香成分进行分提。也就是让载香气流通过图1所示的若干个串联的低温收集器，操作时后一个收集器的温度应比前一个收集器的温度低。用这种方式，一系列凝固点相继低的芳香成分从芳香气流中冷凝出来而得到回收。为了使每一收集器的温度维持在予先确定的范围内，串联的每一低温收集器中都设有温度控制装置。适宜的温度控制装置有如设于每一收集器上的温度控制器以测定收集器的温度并将所测值和规定值进行比较。温度控制器也可装于并控制液氮料槽至收集器管线上的排气阀。如果收集器的温度低于规定的温度，将排气阀适当开大一些让较多的氮气溢出，这时液氮料槽中的压力将降低，穿过收集器中的喷射喷嘴的压力降也就减小。由于穿过喷嘴压力降的减小，液氮的流量也就减少，收集器内的温度将随之升高。同样，如果收集器内的温度太高，这时关闭排气阀，增加流入喷射喷嘴的液氮流量，从而降低收集器内的温度。
准确的控制收集器内的温度可以使若干收集器串联起来并在依次降低温度的条件下运行，从而实现对芳香气体中芳香成分的分提。
权利要求
1.一种回收加工饮料时释出的芳香气体的方法，该方法包括--将所说芳香气体送入低温收集器；--在足以使所说芳香气体冷凝为芳香霜粒并使液氨挥发的条件下，将液氮喷入该收集器中的芳香气体内，形成所说霜粒在氮气中的悬浮物；--将所说气体悬浮物与其孔经分布能基本上从所说气体悬浮物中除去全部芳香霜粒的多孔过滤器介质接触，所说霜粒沉积于过滤器介质上，悬浮物中的氨气成分穿过所说的过滤器介质；--松动过滤器介质上的芳香霜粒；和--回收冷凝的芳香霜粒。
2.根据权利要求1的方法，其中将液氮喷入所说的芳香气体以使芳香气体至少冷却到-80℃左右，从而该气体冷凝为所说的霜粒。
3.根据权利要求2的方法，其中将所说芳香气体冷却到-100℃至-160℃。
4.根据权利要求1的方法，其中，用穿过所说过滤器介质的氮气来使芳香气体霜保持冷凝形式。
5.根据权利要求1的方法，其中所说的多孔过滤器介质包括至少一个装于收集器中的刚性多孔圆筒形管，所说多孔圆筒形管是用适合于所说收集器中所维持的低温条件的材料制成的，且其孔径分布是以能从所说气体悬浮物中将基本上全部芳香气体霜粒分离除去。
6.根据权利要求5的方法，其中所说的圆筒形过滤器是用多孔金属制的。
7.根据权利要求6的方法，其中所说多孔金属具有的绝对额定穿过值为5μm。
8.根据权利要求1的方法，其中用使所说芳香气体和氮与所说容器侧壁之间的接触最少的方式将所说芳香气体和液氮送入所说收集器。
9.根据权利要求1的方法，于加压下将所说芳香气体送入所说收集器。
10.根据权利要求1的方法，真空下将所说芳香气体送入所说收集器。
11.根据权利要求1的方法，其中使所说芳香气体通过串联的，每后一收集器的温度低于前一收集器的温度的多个低温收集器分提芳香气体中的芳香成分。
12.根据权利要求1的方法，其中所说的芳香气体是加工咖啡时释出的芳香气体。
13.用于从加工饮料期间释出的含芳香气体中回收芳香成分的装置，所说装置包括-低温收集器，所说收集器有设有气体输入装置的侧壁，设有气体排出装置的顶壁和设有穿过其壁的排放颗粒开口的底壁;-装于所说室中的至少一个多孔圆筒形过滤装置，该室有气体入口和气体出口;-用以将含芳香气体的气体经所说气体输入装置对着所说收集器垂直中心线送入所说收集器的装置;-将所说液化气体送入收集器中的所说含芳香气体的气体中的装置，所说液化气体能使芳香气冷却到可使该芳香气体冷凝为芳香霜粒，而液化气体挥发形成芳香气霜粒悬浮于所说气体中的悬浮物的温度;-使所说悬浮物通过所说过滤器的装置，由此使所说芳香霜粒沉积于所说过滤器表面，所说挥发性气体穿过过滤器并通过所说气体排出装置从低温收集器排走;-与所说过滤器相连以产生使芳香霜粒从所说过滤器上松落的反冲气体脉冲的反脉冲装置;和-回收所说芳香霜粒的装置。
14.根据权利要求13的装置，其中所说的低温收集器位于所说收集器的保温罩内，所说的挥发性气体从所说低温收集器排入所说罩以使该收集器维持在低温温度。
15.根据权利要求13的装置，其中所说的输送液化气体的装置包括多个喷嘴，这些喷嘴等距离设置在所说气体入口周围的低温收集器中，这些喷嘴并适合于对着输入的芳香气流的垂直的中点将所说液化气体喷入所说气体中。
16.根据权利要求13的装置，其中所说的气体输入装置包括设于低温收集器侧壁开口上邻接其顶壁的输入管，所说输入管以稍向下的角度垂直于所说侧壁。
17.根据权利要求13的装置，其中所说的回收芳香气霜粒的装置包括装在位于所说排放口上的所说收集器底壁上的保温容器，该保温容器是可拆卸的。
18.根据权利要求13的装置，其中所说的低温收集器包括装于所说收集器顶壁的圆筒形罩，该罩与此收集器的内部相连，该罩顶壁有穿过其壁的气体输入管线，在该罩中沿所说气体输入管端周围等距离配置有多个液化气体输入管线，所说气体输入管线设置在从该输入管线排放的液化气体汇集在该罩中心的位置上。
19.根据权利要求13的装置，其中每一多孔圆筒形过滤器是用多孔不锈钢制的。
全文摘要
一种回收咖啡芳香气体的方法，其中将该气体送入低温收集器，于此收集器中，再将液氮直接喷入芳香气流以使该芳香气体迅速冷凝并形成悬浮于氮气流中的细分散的咖啡芳香气体的霜粒，而冷却的气体同收集器壁的接触又最少。悬浮于氮气中的芳香霜粒穿过管状多孔过滤器以分离出该霜粒，该粒聚集于管状过滤器的外表面，氮气穿过多孔过滤器后从收集器中排走。定期对过滤器反冲以从过滤器的外面上除去聚集的霜粒，回收的霜粒加到可溶性的咖啡产品中。
文档编号A23F5/48GK1073074SQ9211139
公开日1993年6月16日 申请日期1992年9月16日 优先权日1991年9月16日
发明者L·G·卡恩斯, J·图特 申请人:雀巢制品公司