用于去除液體中的咖啡因的設備和方法
【專利摘要】本發明提出了一種用于去除液體中的咖啡因的設備。該設備包括：至少一個陰極電極和至少一個陽極電極，其彼此隔開并且浸在液體中；電源，其耦合到所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極并且被配置成向所述電極施加功率，其中所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極被配置成在施加功率時在液體中生成電場以便將液體中的咖啡因分子吸引到所述至少一個陰極電極；其中所述至少一個陰極電極由吸收材料制成或者涂敷有吸收材料，該吸收材料被配置成吸收被吸引到所述至少一個陰極電極的咖啡因分子的至少一部分。
【專利說明】用于去除液體中的咖啡因的設備和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及去除咖啡因，具體地涉及用于去除液體中的咖啡因的設備和方法。
【背景技術】
[0002]咖啡因是一種苦澀的白色結晶黃嘌呤生物堿和精神興奮劑，其可以在一些植物的種子、葉子和果實中找到。它最常作為在輸液中提取自咖啡植物的豆類和茶樹的葉子的成分以及在各種不同的食物和飲料中包含從可樂果得到的產品的成分而被人類消費。
[0003]諸如咖啡、茶、軟飲料和能量飲料之類的包含咖啡因的飲品一直廣受歡迎。然而，由于健康或者其他的關切的原因，避免攝入咖啡因的消費者的數量是顯著的。因此，存在釀造去除咖啡因的飲品或者具有低咖啡因含量的飲品以便滿足各種不同消費者需求的需要。
[0004]美國專利N0.5914021公開了一種用于將帶電物質(例如咖啡分子)與導電流體(例如咖啡)分離的裝置和方法，其中導電流體被運送至帶電物質分離組件，在那里施加靜電場以便將帶電物質與穿過多孔分離器并且被收集的流體分離。
【發明內容】
[0005]依照一個方面，本發明的一個實施例提供了一種用于去除液體中的咖啡因的設備，該設備包括:
-至少一個陰極電極和至少一個陽極電極，其彼此隔開并且浸在液體中；
-電源，其耦合到所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極并且被配置成向所述電極施加功率，其中所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極被配置成在施加功率時在液體中生成電場以便將液體中的咖啡因分子吸引到所述至少一個陰極電極；
其中所述至少一個陰極電極由吸收材料制成或者涂敷有吸收材料，該吸收材料被配置成吸收被吸引到所述至少一個陰極電極的咖啡因分子的至少一部分。
[0006]眾所周知，液體中的咖啡因分子結合到H+離子，并且因此具有正電荷。當電源激活時，向所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極提供電流，并且因此生成液體中的電場。在電場的作用下，液體中的帶正電咖啡因分子逐漸被吸引到所述至少一個陰極電極并且于是集中在所述至少一個陰極電極處。同時，所述至少一個陰極電極的吸收材料吸收被吸引到陰極電極的咖啡因分子。
[0007]該設備使得液體中的希望數量的咖啡因分子能夠被移除，同時得到的液體基本上保持原始的體積，這有效地避免了液體的浪費。
[0008]有利的是，該設備可以進一步包括容器，其中該容器包括設置于其上并且被配置成接納液體的入口。
[0009]有利的是，該設備可以進一步包括膜，該膜在容器中設置在所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極之間以便限定鄰近所述至少一個陰極電極的第一腔室和鄰近所述至少一個陽極電極的第二腔室，并且被配置成與所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極協作以便將液體分離成第一腔室內的具有高咖啡因濃度的第一部分和第二腔室內的具有低咖啡因濃度的第二部分；其中容器進一步包括:第一出口，其與第一腔室流體連通并且被配置成將具有高咖啡因濃度的第一部分從第一腔室排出；以及第二出口，其與第二腔室流體連通并且被配置成將具有低咖啡因濃度的第二部分從第二腔室排出。
[0010]從第二腔室收集的具有低咖啡因濃度的第二部分典型地不包含或者幾乎不包含任何咖啡因，并且可以用作最終得到的去除咖啡因的液體。此外，在該實施例中，由于包含咖啡因的液體的倒入和去除咖啡因的液體的排出同時進行，因而無需確定容器的尺寸以使得它可以容納所有要處理的包含咖啡因的液體。結果，容器的尺寸以及因而所述設備的尺寸可以減小，從而在設備結合到咖啡機和茶飲機中時得到更緊湊的咖啡機或茶飲機。
[0011]依照另一個方面，本發明的一個實施例提供了一種用于釀造包含咖啡因的液體的裝置，該裝置包括如上面所描述的用于去除液體中的咖啡因的設備。
[0012]依照又一個方面，本發明的一個實施例提供了一種去除液體中的咖啡因的方法，該方法包括步驟:
-使用至少一個陰極電極和至少一個陽極電極向液體施加電場以用于將咖啡因分子吸引到所述至少一個陰極電極；
-使用所述至少一個陰極電極吸收被吸引到所述至少一個陰極電極的咖啡因分子的至少一部分，其中所述至少一個陰極電極由吸收材料制成或者涂敷有吸收材料。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]本發明的上面的和其他的目的和特征根據以下結合附圖考慮的詳細描述將變得更加清楚明白，在附圖中:
圖1示出了依照本發明一個實施例的用于去除液體中的咖啡因的示例性設備；
圖2示出了依照本發明另一個實施例的用于去除液體中的咖啡因的示例性設備；
圖3示出了依照本發明一個實施例的去除液體中的咖啡因的方法的流程圖。
[0014]在以上整個附圖中，相同的附圖標記應當被理解為指的是相同、相似或者相應的特征或功能。
【具體實施方式】
[0015]現在，將參照本發明的實施例，其一個或多個實例在圖中被圖示出。這些實施例通過解釋本發明的方式而提供，并且不意在限制本發明。例如，作為一個實施例的部分而圖示或描述的特征可以與另一個實施例結合使用以便得到又一個實施例。預期的是，本發明涵蓋落入本發明的范圍和精神內的這些和其他修改和變型。
[0016]本發明的用于去除液體中的咖啡因的設備包括:至少一個陰極電極和至少一個陽極電極，其彼此隔開并且浸在液體中；以及電源，其耦合到所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極并且被配置成向所述電極施加功率，其中所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極被配置成在施加功率時在液體中生成電場以便將液體中的咖啡因分子吸引到所述至少一個陰極電極，其中所述至少一個陰極電極由吸收材料制成或者涂敷有吸收材料，該吸收材料被配置成吸收被吸引到所述至少一個陰極電極的咖啡因分子的至少一部分。
[0017]本發明的設備和方法可以應用于去除諸如咖啡、茶、可可、軟飲料和能量飲料或者這些液體的任意組合之類的任何包含咖啡因的液體中的咖啡因。包含咖啡因的液體也可以是必須在釋放到環境之前去除咖啡因的非飲用液體，例如廢水。
[0018]本發明中的去除咖啡因的水平可以通過改變液體電化學反應的暴露時間而進行控制，范圍從最少的去除咖啡因到完全去除咖啡因，即100%去除咖啡因。實現希望的去除咖啡因水平所必需的時間段將根據電化學反應的條件和參數而變化，這將在后面詳細地進行描述。
[0019]圖1示出了依照本發明一個實施例的用于去除液體中的咖啡因的示例性設備10。
[0020]參照圖1，設備10包括容器12，該容器包括用于接納包含咖啡因的液體的入口122。容器12可以由基本上不滲透包含咖啡因的液體的材料制成。為了對咖啡去除咖啡因，食品級塑料是所希望的，例如聚乙烯或聚丙烯。
[0021]設備10進一步包括:陰極電極14和陽極電極16，其設置在容器12中并且隔開；以及電源18，其耦合在陰極電極14和陽極電極16之間并且預期向所述電極施加功率。陰極電極14由能夠吸收咖啡因分子的吸收材料制成或者涂敷有該吸收材料。
[0022]電源18可以是例如能夠提供恒定電流的DC電源。可替換地，可以向電化學反應供電以便在恒定電位而不是恒定電流下操作。
[0023]陽極電極16可以由諸如鉬、金、鈦、鈀、銥等等之類的任何種類的已知電極材料制成。
[0024]陰極電極14的吸收材料可以是多孔碳材料，諸如例如活性炭、碳納米管、碳纖維、碳紙或者碳布；或者導電聚合物，諸如例如聚苯胺、聚噻吩或者聚吡咯；或者離子交換樹月旨，諸如例如陽離子交換樹脂；或者無機吸附劑，諸如例如活性Al2O3、分子篩、沸石、硅藻土。
[0025]在陰極電極14涂敷有吸收材料的情況下，陰極電極14的襯底也可以由任何種類的已知電極材料制成。
[0026]有利的是，將吸收材料的比表面積確定尺寸為吸收足夠數量的咖啡因分子。當達到吸收材料的壽命時，應當替換吸收材料。
[0027]在操作中，首先，通過入口 122將所有要處理的包含咖啡因的液體倒入容器12中。當電源18激活時，電流被提供給陰極電極14和陽極電極16，并且因而在傾倒的液體中生成電場。在電場的作用下，傾倒的液體中的咖啡因分子逐漸被吸引到陰極電極14，并且于是集中在陰極電極14處，通過“ + ”表示。同時，陰極電極14的吸收材料吸收被吸引到陰極電極14的咖啡因分子。在傾倒的液體暴露于電化學反應預定的持續時間之后，希望數量的咖啡因分子可以從液體中被移除。
[0028]去除液體中的咖啡因的水平或程度可以通過改變液體電化學反應的暴露時間而進行控制。換言之，去除咖啡因的水平或程度根據液體電化學反應的暴露時間而變化，范圍從最少的去除咖啡因到完全去除咖啡因，即100%去除咖啡因。
[0029]去除咖啡因的速率，即造成希望的去除咖啡因程度所必需的時間段根據電化學反應的條件和參數而變化。電化學反應的條件和參數可以是例如電源18供應的電流/電壓、吸收材料的比表面積或者陰極電極14和陽極電極16的電極材料的電導率。
[0030]去除咖啡因的速率與電源18供應的電流/電壓成正比。電流/電壓越小，則達到希望的去除咖啡因水平之前的時間越長。[0031]吸收材料的比表面積也以正比例的方式影響去除咖啡因的速率。去除咖啡因的速率隨著吸收材料的比表面積的增加而增大。
[0032]去除咖啡因的速率也與陰極電極14和陽極電極14的電極材料的電導率成正比。電極材料的電導率的增加導致用于達到希望的去除咖啡因水平所需的時間的減少。
[0033]應當指出的是，去除液體中的咖啡因可以使用單對電極，例如如圖1中所示的陰極電極14和陽極電極16進行，或者可替換地通過使用多個陰極電極和多個陽極電極進行。本領域技術人員可以理解，使用多對電極由于反應電極表面積的增加而導致更大的咖啡因降解率。
[0034]圖1的設備10可以結合到例如咖啡機或者茶飲機中以便接納釀造的咖啡或茶并且去除其中的咖啡因。
[0035]應當理解的是，在一個可替換的實施例中，圖1的設備10可以不包括容器12。關于這一點，陰極電極14和陽極電極16以及電源18可以直接結合到咖啡機或者茶飲機的去除咖啡因腔室中，該腔室用于容納釀造的咖啡或茶。
[0036]表1示出了使用圖1的設備去除包含咖啡因的液體中的咖啡因的實驗結果，其中陰極電極14由活性炭制成，并且為盤狀，跨越近似3.5cm并且Icm厚。
[0037]表1
【權利要求】
1.一種用于去除液體中的咖啡因的設備，該設備包括: -至少一個陰極電極和至少一個陽極電極，其被隔開并且浸在液體中； -電源，其耦合到所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極并且被配置成向所述電極施加功率，其中所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極被配置成在施加功率時在液體中生成電場以便將液體中的咖啡因分子吸引到所述至少一個陰極電極； 其中所述至少一個陰極電極由吸收材料制成或者涂敷有吸收材料，該吸收材料被配置成吸收被吸引到所述至少一個陰極電極的咖啡因分子的至少一部分。
2.權利要求1的設備，吸收材料包括多孔碳材料、導電聚合物、離子交換樹脂和無機吸附劑之一。
3.權利要求1的設備，進一步包括容器，其中該容器包括設置于其上并且被配置成接納液體的入口。
4.權利要求3的設備，進一步包括膜，該膜在容器中設置在所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極之間以便限定鄰近所述至少一個陰極電極的第一腔室和鄰近所述至少一個陽極電極的第二腔室，并且被配置成與所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極協作以便將液體分離成第一腔室內的具有高咖啡因濃度的第一部分和第二腔室內的具有低咖啡因濃度的第二部分； 其中容器進一步包括:第一出口，其與第一腔室流體連通并且被配置成從第一腔室排出具有高咖啡因濃度的第一部分；以及第二出口，其與第二腔室流體連通并且被配置成從第二腔室排出具有低咖啡因濃度的第二部分。
5.權利要求4的設備，其中當入口與第一腔室流體連通時，膜為陰離子膜，其被配置成防止第一腔室內的液體中的咖啡因分子穿過其中到達第二腔室；并且 當入口與第二腔室流體連通時，膜為陽離子膜，其被配置成允許第二腔室內的液體中的咖啡因分子穿過其中到達第一腔室。
6.權利要求4的設備，進一步包括過濾器，該過濾器設置在第一出口下方或者第一出口內，并且被配置成在具有高咖啡因濃度的第一部分通過第一出口從第一腔室排出時吸收具有高咖啡因濃度的第一部分中的咖啡因分子的至少一部分。
7.權利要求6的設備，其中過濾器由碳基吸附劑、離子交換樹脂、聚合物和凝膠之一制成。
8.一種用于釀造包含咖啡因的液體的裝置，包括如權利要求1-7中任何一項所述的用于去除液體中的咖啡因的設備。
9.一種去除液體中的咖啡因的方法，該方法包括步驟: -使用至少一個陰極電極和至少一個陽極電極向液體施加電場以用于將咖啡因分子吸引到所述至少一個陰極電極； -使用所述至少一個陰極電極吸收被吸引到所述至少一個陰極電極的咖啡因分子的至少一部分，其中所述至少一個陰極電極由吸收材料制成或者涂敷有吸收材料。
10.權利要求9的方法，其中吸收材料包括多孔碳材料、導電聚合物、離子交換樹脂和無機吸附劑之一。
11.權利要求9的方法，進一步包括步驟: -使用設置在所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極之間的膜通過與所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極協作將液體分離成具有高咖啡因濃度的第一部分和具有低咖啡因濃度的第二部分。
12.權利要求11 的方法，其中所述膜為陰離子膜和陽離子膜之一。
【文檔編號】A23L1/015GK103826471SQ201280047677
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年9月13日 優先權日:2011年9月28日
【發明者】王廣偉, D.P.凱利 申請人:皇家飛利浦有限公司