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Title:
SYSTEM FOR EXTRACTING A CAFFEINE-RICH POWDER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/209127
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a system for extracting/separating a caffeine-rich powder from the silverskin which surrounds the coffee seed/bean using an apparatus comprising at least one chamber (1) for premixing distilled water and silverskin, an ultrasonic extraction cell (2) comprising at least one module (2a) comprising at least one acoustic transducer (14) and one acoustic radiation emitter (16), at least one mechanical separation tank (3), at least one drying unit (4) and at least one apparatus monitoring/control unit (5), wherein the caffeine-rich powder is extracted/separated as a result of the breakdown of the silverskin molecular structure by the acoustic energy generated by the vibratory movement of the acoustic radiation emitter actuated by the acoustic transducer, and as a result of the chemical affinity of caffeine for distilled water.

Inventors:
DE JESUS FERNANDES PUGA, Hélder (Rua Nova de Telheiras, nº 190, 4780-510 Santo Tirso, 4780-510, PT)
MOURA DE CASTRO GANDRA, António (24 Av. Victor Hugo, 1750 Luxemburgo, 1750 Luxemburgo, 1750, LU)
Application Number:
PT2018/000006
Publication Date:
October 31, 2019
Filing Date:
April 27, 2018
Export Citation:
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Assignee:
BICAFÉ - TORREFECÇÃO E COMÉRCIO DE CAFÉ, LDA. (Praça das Briteiras, s/n, 4510-208 S. Pedro da Cova, 4510-208, PT)
International Classes:
A23F5/00; A23F5/26; A23F5/28; B01D11/02
Domestic Patent References:
WO2008074072A12008-06-26
WO2017039694A12017-03-09
WO2012106768A12012-08-16
Foreign References:
US20160030350A12016-02-04
EP2545974A12013-01-16
KR20160090614A2016-08-01
US20130251824A12013-09-26
US20140271988A12014-09-18
CN107308679A2017-11-03
Attorney, Agent or Firm:
FERREIRA MAGNO, Fernando António (Avenida 5 de Outubro, 146 7th floor, 1050-061 Lisboa, 1050-061, PT)
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Claims:
REIVINDICAÇÕES

1 - Sistema de extração de um põ rico em cafeína da pele de prata que envolve a semente/grão de café que compreende um equipamento de extração de um pô rico em cafeína bem como o respetivo processo de obtenção, caracterizado por o referido equipamento de extração compreender pelo menos uma câmara de pré-mistura de água destilada e pele de prata (1) , composta pelo menos por uma pá rotativa (la) , por uma célula de extração (2) composta pelo menos por um módulo (2a) que integra pelo menos um transdutor acústico (14) e um radiador acústico (16) , pelo menos um tanque de separação mecânica (3) , pelo menos uma unidade de secagem (4) e uma unidade de monitorização/controlo do equipamento (5) , em que o pó rico em cafeína é extraído/isolado através da quebra da estrutura molecular da pele de prata e por efeito da sua afinidade química com a água, compreendendo os seguintes passos: introdução de água destilada na câmara (1) pela válvula (6) e da pele de prata sem tratamento pela válvula (7) , sendo a pré- mistura de água destilada e da pele de prata realizada pelo menos pela atuação de uma pá rotativa (la) , sendo a referida pré-mistura de água destilada e pele de prata bombeada da câmara (1) para a célula de extração por ultrassons (2) através de uma bomba de caudal variável (10) , entrando pelo menos num módulo (2a) através de uma electroválvula (11) , sendo a variação da relação volume/tempo da mistura de água e pele de prata realizada pelo medidor/regulador de caudal (13) , exposição da mistura de água e pele de prata, em pelo menos um módulo (2a) , ao efeito da energia acústica fornecida por, pelo menos, um transdutor acústico (14 e 15) e um radiador acústico (16 e 17) em cada módulo; após a exposição ao efeito acústico em pelo menos um módulo da célula de extração, a solução aquosa de cafeína e compostos bioativos é transferida para pelo menos num tanque (3) com sistema de separação mecânica (3a) das partículas sob a forma de lamas, sendo as lamas enviadas para, pelo menos, um filtro prensa (19) para remoção da fração de sólidos e sendo a solução aquosa remanescente enviada para a unidade de secagem (4) , em que por efeito da evaporação da água é obtido o pó rico em cafeína.

Description:
DESCRIÇÃO

"Sistema de extração de um pó rico em cafeína" [0001] A presente invenção refere-se a um sistema de extração de um pó rico em cafeína (teor em cafeína superior a 90%) a partir da pele de prata e que é extremamente eficiente e limpo, por não recorrer ao uso de solventes .

[0002] A pele de prata é um tegumento que recobre o grão verde do café; durante o processo de torrefação do café a semente expande-se e a pele de prata é quebrada e liberta-se, sendo recolhida como subproduto e em geral tratada como um resíduo na indústria do café;

[0003] A pele de prata contém cafeína e compostos bioactivos na sua composição.

[0004] A presente invenção permite a extração e isolamento da cafeína que integra a composição da pele de prata, através de um processo que não recorre a solventes e que é puramente físico na sua essência, não produzindo assim qualquer efluente que não resultasse já do tratamento como resíduo da própria pele de prata, sendo por isso um processo limpo do ponto de vista ambiental; uma solução composta pela pele de prata e por água destilada é sujeita a ultrassons em termos que conduzem à quebra da estrutura molecular da pele de prata e em condições que isolam a cafeína, sendo o restante integrado por outros compostos bioativos ; a afinidade química da cafeína com a água destilada permite isolar estes dois compostos dos demais que integram a solução, sendo a água posteriormente removida por evaporação e resultando no fim do processo o isolamento de um pó composto em mais de 90% por cafeína pura e no remanescente por compostos bioativos, que pode ser usado para enriquecer em cafeína uma cápsula de café ou de chá ou qualquer outra bebida a que se queira acrescentar cafeína para potenciar os seus efeitos estimulantes. [0005] Estudos científicos comprovam que as bebidas enriquecidas com cafeína têm um efeito estimulante que não é prejudicial à saúde e são por isso crescentemente procuradas por pessoas muito ativas, tais como desportistas e profissionais de alto rendimento, o que constitui incentivo ao desenvolvimento de sistemas que conduzam ao isolamento da cafeína para que lhe possa ser dada aquela aplicação.

[0006] A crescente utilização de cafeína e de outros compostos bioativos na preparação das denominadas bebidas energéticas conduziu a que a cafeína adquirisse um estatuto de elevada relevância no seio da sociedade, motivando o aumento do investimento nas áreas de I&D com vista à sua obtenção e despoletando esforços no sentido de incrementar a sua produção, preferencialmente através de soluções que envolvam o aproveitamento de subprodutos do café torrado, por assim resultarem minorados os efeitos da torrefação de café sobre o ambiente .

[0007] A presente invenção pode ser aplicada em qualquer campo onde seja identificada a necessidade de isolamento de compostos através da quebra da sua estrutura molecular com recurso a energia acústica, correspondendo a solução técnica subjacente à presente invenção a um dos modos de realização possível que foi projetado em específico para o isolamento da cafeína da pele de prata.

[0008] Até à data, o processo mais eficaz para a extração da cafeína do café é realizado com o auxílio de solventes orgânicos (Ramalakshmi and Raghavan, 1999) através de um processo químico.

[0009] Este processo tornou-se entretanto ineficiente essencialmente por recorrer a compostos químicos que produzem efluentes? as crescentes exigências legais quanto ao tratamento destes efluentes e os elevados custos inerentes comprometem hoje a sua viabilidade económica à escala industrial, em conjunto com a circunstância de se tratar de um processo muito demorado que requer grandes quantidades de solventes e temperatura.

[0010] Mais recentemente foram propostas alternativas mais limpas, incluindo o uso de dióxido de carbono supercrítico (Azevedo et. al., 2008) e de água subcrítica (Bilbao et.al. 2012; Narita and Inouye, 2012) , existindo o pedido de patente EP2730171 de Bilbao et. al.) que refere mesmo a utilização de água subcrítica como um processo alternativo. No entanto, Narita e Inouye (2012) provaram que a maior parte da cafeína e compostos bioativos pode ser extraída com água a 25°C, sem ser necessário usar temperaturas superiores, sendo que também Bilbao et. al . (2012) não encontraram diferenças significativas entre os teores de cafeína e compostos bioativos extraídos com água a 50°C e a 100°C.

[0011] Ambos os estudos referem até uma diminuição do teor em cafeína e compostos bioativos extraídos quando são utilizadas temperaturas superiores, sugerindo assim que o uso de água subcrítica é dispensável, prejudicando até a extração, concluindo assim pela viabilidade do recurso a água à pressão atmosférica normal.

[0012] Os processos referidos nos dois parágrafos imediatamente anteriores são todavia muito custosos e apenas conduzem ao isolamento de uma pequena parte da cafeína que integra a pele de prata, sendo assim economicamente inviáveis à escala industrial;

[0013] No estado da técnica foram identificadas algumas outras soluções, as quais claudicavam em dar resposta a todas as necessidades cobertas pela presente invenção, que se prendem com o isolamento da cafeína que integra a pele de prata para subsequente enriquecimento de bebidas, de modo limpo e ambientalmente sustentável, por não recorrer a quaisquer solventes orgânicos e economicamente viável à escala industrial, produzido de modo contínuo. [0014] A utilização de ultrassons na extração de compostos químicos a partir de matrizes naturais estã descrita como sendo mais rápida e mais eficaz, comparativamente com os sistemas de extração tradicionais, permitindo ainda uma diminuição do uso de solventes orgânicos (Albu et. al., 2004).

[0015] Albu et. al., 2004 foram percursores no uso de ultrassons para extração de cafeína da folha da planta que produz o café (rosmarinus officionalis) , mas o sistema que desenvolveram recorre ainda a solventes orgânicos, não sendo por isso um processo limpo do ponto de vista ambiental; acresce que o processo em causa é pouco produtivo, não sendo por isso viável à escala industrial.

[0016] Wang et. al. apresentou em 2011 um trabalho referente à extração de sabor e cafeína a partir de grãos de café; embora este sistema de extração contemple a cafeína e compostos bioativos, estes são extraídos directamente do grão de café e não da pele de prata, como ocorre com a presente invenção. Adicionalmente, o produto - o grão de café deve ser moído antes do processamento da extração, sendo indicado que as frequências de operação dos ultrassons variam entre 28 e 42 kHz, estando situadas em valores que parecem muito difíceis de obter na prática.

[0017] Face ao atual estado da técnica existe assim a necessidade de um novo sistema de extração de cafeína da pele de prata, que seja limpo, rápido, eficiente, que funcione de modo contínuo e seja economicamente viável à escala industrial.

[0018] O presente invento tem por objeto um sistema de extração de um pó rico em cafeína com um teor em cafeína superior a 90% e sendo o restante integrado por compostos bioativos, o qual inclui uma ou mais câmaras de mistura, uma ou mais células de extração por ultrassons através de transdutores acústicos, um ou mais tanques que separam a água e a cafeína e compostos bioativos de outros compostos orgânicos que integram a pele de prata e um ou mais sistemas de secagem, que provocam a evaporação da água e conduzem ao isolamento de um pó rico em cafeína e compostos bioativos; trata-se de uma conceção inovadora que agrega um conjunto de elementos e técnicas susceptíveis de permitir uma rápida, eficiente e contínua separação e recolha de um pó rico em cafeína a partir da solução aquosa .

[0019] A solução proposta pela presente invenção envolve a extração da cafeína da pele de prata através de energia acústica, utilizando os princípios básicos subjacentes à tecnologia dos ultrasons, tais como a transformação de energia elétrica, fornecida por um gerador de ondas, em impulsos mecânicos de alta frequência causados pelo deslocamento de material piezoelétrico dos transdutores. Além disso, e de forma a transferir esses impulsos mecânicos para a solução composta por água destilada e pele de prata, são adicionados um conjunto de elementos mecânicos tais como amplificadores de amplitude, percursores ("wave guides" ) e radiadores acústicos, de modo a aumentar a eficiência da mistura/extração da cafeína e compostos bioativos, ou seja, uma célula composta pelos elementos acima descritos que permite a criação de um determinado campo acústico, capaz de induzir na mistura de água destilada e pele de prata um campo de pressões suficientemente elevado para induzir fenómenos tais como a cavitação e feixes acústicos, suficientes para a melhoria da mistura e sua homogeneização, bem como para a extração de pó rico em cafeína da pele de prata. Teoricamente, está estabelecido que quando os impulsos mecânicos induzidos no meio aquoso geram valores de intensidade acústica suficientes num determinado meio, os fenômenos de cavitação e, consequentemente, os fluxos acústicos começam a aparecer, dando origem a transferências de massa.

[0020] A alteração do meio aquoso produzida pelos efeitos acústicos (cavitação e feixes acústicos) , proporciona uma melhor e completa penetração da água destilada na pele de prata, melhora a transferência de massa, ou seja, as ondas acústicas geradas durante a cavitação são capazes de quebrar as paredes celulares da pele de prata, facilitando a libertação dos compostos da matriz natural, incluindo a cafeína e os outros compostos bioativos.

[0021] Mais especificamente, a extração e o respetivo processo de obtenção de cafeína e compostos bioativos, é realizada a partir de um processamento por energia acústica da mistura de água destilada e pele de prata em contínuo, procedente de um tanque de mistura da água destilada e pele de prata; a mistura água e cafeína e compostos bioativos e outras partículas, proveniente da(s) células de extração, passa por um sistema mecânico de separação, e.g. um hidrociclone, para separação e remoção das partículas sob a forma de lamas; sendo a solução aquosa rica em cafeína vinda do sistema mecânico de separação processada numa unidade de secagem para a separação da água do pó rico em cafeína e outros compostos bioativos, e.g. estufa ou pulverizador.

[0022] O sistema de extração aqui apresentado permite uma melhoria na eficiência de extração a partir da utilização de uma célula de extração por energia acústica, composta pelo menos por um módulo, integrando cada módulo, pelo menos um transdutor acústico e um radiador acústico, com características de mistura/extração/homogeneização, devidamente otimizados para o fim a que se destinam. Sendo usado mais que um transdutor acústico e radiador acústico, no mesmo módulo, todos trabalham de forma independente e num intervalo de frequências variável, de preferência entre 19 e 21 kHz . A combinação dos efeitos produzidos por dois ou mais transdutores acústicos promove de forma mais eficiente e com melhor rendimento a extração de um pó rico em cafeína.

[0023] Cada célula de extração por energia acústica, que integra o equipamento de extração, apresenta uma capacidade de produção que é função do seu volume, sendo o volume preferencial de 5 a 20 litros, capaz de gerar um débito de 0,05 a 31 litros/minuto, conseguindo-se um processamento 0,1 a 0,6 m 3 /hora da solução pele de prata/água destilada.

[0024] Além disso, o recurso a ultrasons, através de pelo menos uma célula de extração, permite o processamento da pele de prata sem ser necessário um processamento de moagem e/ou trituração prévios, observado no processo convencional de extração por recurso à utilização de solventes. Para lá desta vantagem, a presente invenção agrega um conjunto de elementos que, quando conjugados e conectados entre si, permitem a maximização da extração do pó rico em cafeína com um número reduzido de passos de processo, bem como com custos de produção reduzidos.

[0025] É seguidamente descrita uma concretização em pormenor da presente invenção, sem caráter limitativo e a título exemplificativo .

[0026] Na Figura la e na Figura lb está representada esquematicamente e de modo simplificado uma concretização do sistema de extração de pó rico em cafeína e compostos bioativos, de acordo com a presente invenção.

[0027] 0 sistema de extração de um pó rico em cafeína da pele de prata, de acordo com a presente invenção, compreende uma câmara de pré-mistura de água destilada e pele de prata (1) , uma célula de extração por ultrassons (2) composta por dois módulos (2a) e (2b) , um tanque (3) com um sistema mecânico de separação (3a) , uma unidade de secagem (4) e uma unidade de controlo do equipamento (5) .

[0028] Na câmara de pré-mistura (1) é introduzida água destilada pela válvula (6) e pele de prata pela válvula (7) , tal como é obtida através da torrefação do café, isto é, sem qualquer processamento prévio incluindo de moagem ou trituração; a pré-mistura de água destilada e pele de prata é realizada pela ação de uma pá rotativa (la) , de um transdutor acústico (8) e de um radiador acústico (9) com características de misturação, de forma cilíndrica, com o topo plano, com um diâmetro compreendido entre 30 e 60 mm, de preferência entre 50 e 60 mm e com um comprimento de onda variável entre 4 e 14 HWL ( "wavelength" em mm"), de preferência entre 7 e 9 HWL.

[0029] A pré-mistura de água destilada e pele de prata é bombeada da câmara (1) para a célula de extração (2) através da bomba de caudal variável (10) .

[0030] A pré-mistura de água destilada e pele de prata entra no módulo (2a) da célula de extração (2) através da electroválvula (11) e passa para o módulo (2b) através da electroválvula (12) . O medidor/regulador de caudal (13) permite a variação da relação volume/tempo da mistura de água destilada e pele de prata que é exposta às intensidades acústicas geradas pelos dois transdutores acústicos (14) e (15) , presentes respetivamente nos módulos (2a) e (2b) .

[0031] No primeiro módulo de extração (2a) é realizada a mistura/extração da pré-mistura de água destilada e pele de prata através da utilização do transdutor acústico (14) e do radiador acústico (16) , com características de mistura/extração, de forma cilíndrica e com o topo plano ( "sonotrode") , com um diâmetro compreendido entre 20 e 60 mm, de preferência entre 50 e 60 mm e com um comprimento de onda variável entre 3 e 9 HWL ( "wavelength" em mm"), de preferência entre 5 e 7 HWL;

[0032] No segundo módulo de extração (2b) é realizada a extração/homogeneização da mistura de água destilada e pele de prata proveniente do módulo de extração (2a) , através da utilização do transdutor acústico (15) e do radiador acústico (17) , com características de extração/homogeneização, de forma cilíndrica e com o topo esférico ("sonorode") , com um diâmetro compreendido entre 20 e 60 mm, de preferência entre 50 e 60 mm e com um comprimento de onda variável entre 3 e 9 HWL ( "wavelength" em mm"), de preferência entre 5 e 7 HWL; [0033] Os transdutores acústicos (9) , (14) e (15) trabalham numa faixa de frequências compreendida entre 19 e 21 kHz, de preferência entre 19,5 e 20,5 kHz; o radiador acústico (9) e (14) emite ondas axiais enquanto o radiador acústico (15) emite ondas radiais ;

[0034] No módulo (2a) a mistura de água destilada e pele de prata é exposta a uma intensidade acústica entre 80 e 650 W/cm 2 e a uma energia acústica variável entre 50 e 600 W/L, dissipada axialmente e principalmente pelo topo do radiador acústico (16) , em efeito martelo;

[0035] No módulo (2b) a mistura de água destilada e pele de prata é exposta a uma densidade de potência acústica entre 1 e 10 W/cm 3 e a uma energia acústica variável entre 50 e 600 W/L, dissipada radialmente ao longo da superfície do radiador acústico (17) ;

[0036] Os ultrassons produzem a quebra da estrutura molecular que compõe a pele de prata, isolando a cafeína através da sua incorporação na água, atentas as afinidades químicas que a estrutura molecular da cafeína tem com a estrutura molecular da água; é este efeito, obtido por um processo puramente físico, que conduz a que a invenção dispense a trituração prévia da pele de prata e mais importante ainda que dispense o uso de solventes, tornando-o num processo limpo, que não produz efluentes.

[0037] Após exposição ao efeito acústico produzido pelos radiadores acústicos (9) , (16) e (17) a solução aquosa de pó rico em cafeína e compostos bioativos passa, através da electroválvula (18), para o tanque (3), através do sistema mecânico de separação (3a) , em que são removidas as partículas aglomeradas na forma de lamas, que, por pressão, são conduzidas para um filtro prensa (19) , através do qual são removidas do sistema.

[0038] A solução aquosa de pó rico em cafeína vinda do tanque (3) passa pela electroválvula (20) e entra na alimentação (21) do sistema de secagem (4) ; a suspensão aquosa de pó rico em cafeína é sujeita a um processo de remoção da água no sistema de secagem (4) ; esta remoção deverá ser realizada a uma temperatura não superior a 50°C, com valores de pressão inferiores a 20 bar, de modo a permitir a secagem da solução aquosa e a obtenção de um pó concentrado rico em cafeína com qualidades inalteradas (22) .

[0039] A unidade de controlo (5) permite o controlo automático e contínuo de todos os parâmetros do processo, incluindo os caudais, o tempo de exposição da solução aquosa à radiação acústica e a monitorização das temperaturas.

0040] A presente invenção apresenta as seguintes vantagens:

a. aproveitar a pele de prata, enquanto subproduto da torrefação de café, que normalmente é descartada; b. dispensar a moagem ou trituração da pele de prata, enquanto passo prévio do processo de extração;

c. possibilitar a extração em contínuo de um pó rico em cafeína e compostos bioativos através de um processo extremamente eficiente que, por não recorrer a solventes, não produz efluentes que necessitem de ser tratados, sendo assim ambientalmente limpo, não produzindo nenhum qualquer resíduo sólido que já não resultasse do tratamento por inteiro da pele de prata;

d. maximizar â extração de um pó rico em cafeína através da pele de prata com um número reduzido de etapas, de forma autónoma e em contínuo, reduzindo os custos e os tempos de produção;

e. alojar os radiadores acústicos e transdutores em módulos distintos, que funcionam de forma autónoma, proporcionando efeitos acústicos diferentes de acordo com as geometrias utilizadas.

Bibliografia referida Albu et. al. (2004). Potential for the use of ultrasound in the extraction of antioxidants from Rosmarinus officinalis for the food and pharmaceutical industry. Ultrasonics Sonochemistry 11: 261-265. Azevedo et. ai. (2008) , Extraction of caffeine, chlorogenic acids and lipids from green coffee beans using supercritical carbon dioxide and co-solvents . Brazilian Journal of Chemical Engineering 25: 543-552.

Bilbao et. al. (2012) . Application of products of coffee silverskin in anti-ageing cosmetics and funtional food. Spain. Available in:

Costa et. al. (in press) . Nutritional, Chemical and antioxidant/pro-oxidant profiles of silverskin, a coffee roasting by-product. Food Chemistry

Narita and Inouye. (2012) . High antioxidant activity of coffee silverskin extracts obtained by the treatment of coffee silverskin with subcritical water. Food Chemistry 135: 903- 909.

Ramalakshmi and Raghavan. (1999) . Caffeine in Coffee: Its Removal . Why and How? Criticai Reviews in Food Science and Nutrition 39: 441-456.

Sheu et. al. (2009). Influence of extraction manufacturing process on caffeine concentration . Proceedings of the International MultiConference of Engineers and Computer Scientists Hong Kong.

Wang et. al. (2011) . Application of ultrasound thermal process on extracting flavor and caffeine of coffee. Thermal Science 1: S69-S74.