Brevet FR2202651A1 — publié le 19740510

La présente invention, à la réalisation de laquelle ont collabore Messieurs Guy BOUHAT et Maurice DECUYPERE, concerne un nouveau procéda de concentration de jus de café mettant en oeuvre l'ultrafiltration et l'osmose inverse. Dans le présent exposé on désigne par café les graines de caféier torréfiées et éventuellement moulues Par "jus de café" on désigne la boisson destine a la consommation humaine, obtenue à partir du café par les traitements connus g ces traitements connus consistent habituellement a moudre le café en grain, à mettre en contact le café moulu avec de l'eau chaude liquide ou l'état de vapeur saturée, puis à séparer par filtration le jus de café du résidu de caf traité. On sait que l'osmose inverse (désignée ci-après en abrégé par OI) et l'ultrafiltration (désignée ci-aprOs en abrégé par UF) sont des procédés etroitement apparentés à la filtration : ces trois techniques ont pour point commun le fait quton met sous pression hydraulique un liquide complexe en contact avec un élément séparateur semi-perméable. Cet élément laisse passer certains constituants du liquide complexe et en retient d'autres. Dans le cas et de l'ultrafilitration de osmose inverse ladite pression hydraulique est supérieure à la pression osmotique des solutés retenus par llélement séparateur semi.perme'able. Ces diverses techniques se différencient toutefois par la nature des produits retenus par l'élément séparateur semi-permable t dans la filtration, les produits retenus sont exclusivement des particules en suspension, - dans osmose inverse, les produits retenus sont en particulier des solutés (ou corps dissous) ayant une taille du même ordre de grandeur que les molcules de solvant ; comme exemples typiques de tels solutés on peut citer les sels inéraux et les oses. - dans l'ultrafiltration, les produits retenus sont en particulier des solutés ayant une taille nettement supérieure à celle des molécules de solvant (par exemple poids moléculaire supérieur à 300), tandis que les solutés de taille voisine de celle du solvant ne sont pas retenus 3 comme exemples typiques de solutés de taille nettement supérieure à celle des molécules de solvant on peut citer les protéines et autres macromolecules. Dans ce qui suit on désignera par "compartiment amont" d'un appareil d'OI ou d'UF le premier compartiment de ces appareils, c'est à dire le compartiment 2 - qui est alimenté par la solution à traiter - duquel est soutirée la solution concentrée désignee ci-apros par le mot concentrat. - dans lequel règne une pression hydraulique plus forte que dans le second compartiment q On désignera par "compartiment aval" d'un appareil d'OI ou dssUF le second compartiment d'un tel appareil c'est à dire le compartiment récepteur du perméat (osmosat ou ultrafiltrat) et dans lequel règne une pression hydraulique inférieure à celle du premier compartiment. Le procédé de la présente invention est un procédé de concentration d jus de café par ultrafiltration et osmose inverse caractérisé en ce que le jus de café est soumis à une ultrafiltration, l'ultrafiltrat ainsi obtenu est ensuite soumis à une osmose inverse, puis les concentrats issus des compartiments amont des appareils d'ultrafiltration et d'osmose inverse sont réunis pour constituer le concentrat cherchés Le procédé de l'invention est spécialement avantageux car il permet pratiquement de conserver l'intégralité de la flaveur (ensemble des propriétés organoleptiques) ; il permet également dans la plupart des cas d'éviter le colmatage rapide des membranes d'osmose inverse0 Les appareils d'OI et d'UF utilisables dans le procédé de l'invention peuvent autre de tout type connu et notamment du type à membranes planes, à membranes tubulaires, à membranes spiralées ou à fibres creuses. Dans le présent exposé le terme membrane est utilise comme désignant l'élément sépara- teur semi-permeable de ces appareils d'OI et dfUF, étant entendu que ce terne englobe aussi bien les membranes que les fibres creuses. La température à laquelle sont effectuées l'OI et ltUF de l'inven- tion sont choisies de façon à ne dégrader ni les membranes dlOI et dtUF ni le jus de café. Les compartiments amont des appareils d'OI et d'UF sont munis de moyens d'alimentation et de moyens d'évacuation et éventuellement de moyens de recirculation 3 ces moyens de recirculation sont constitués habituellement d'une canalisation et d'une pompe qui ont pour fonction de ponctionner une fraction du liquide issu de l'appareil considéré d'OI ou d'UP, et de réinfecter cette fraction à ltentrée du même appareil d'OI ou d'UF. Les membranes dlOI utilisables dans le procédé selon l'invention sont les membranes semi-perméables utilisables d'une manière générale en o1. Il s'agit habituellement de membranes asymétriques comportant une peau dense et une couche support microporeuse 3 elles sont constituées de polymères les plus divers mais plus particulièrement en acétate (diacétate ou me langes diacétate-triacétatet de préférence) de cellulose et en polyaryléthersulfones sulfonées.Comme documents décrivant ces membranes on peut citer notamment les brevets français 1.426.548, 1.507.885, la demande de certificat d'addition 70-04620 au brevet français 69-13310, l'ouvrage de S. SOURIRMAN, Reverse Osmosis, Ed. 1970, Logos Presse On sait que selon le mode opératoire on peut obtenir des membranes de taux de rejet variables0 Dans l'invention on utilise des membranes ayant des taux de rejet généralement supérieurs à 90 X, de préférence supérieur à 98 X (taux de rejets mesures sous 60 bars sur une solution aqueuse de NaCl à 35 g/l). Les membranes dtUF utilisables dans le procédé de l'invention sont également de tout type connu, notamment du type membrane "à peau" (ou "anisotrope") ou du type microporeux ou du type "à porosité graduée". On préfère utiliser des membranes ayant une zone de coupure supé- rieure à 5.000 et inférieure à 150.000, de préférence encore supérieure à 10OOo On choisit avantageusement les membranes d'UF inertes vis à vis des liquides à traiter. Comme membranes d'UF utilisables dans l'invention on peut citer principalement deux types de membranes. Le premier type de membranes ultrafiltrantes est constitué par les membranes obtenues par traitement thermique aqueux, avec ou sans étirage, de films en copolymères d'acrylonitrile et de monomère ionique. De telles membranes sont décrites dans le brevet belge 772.361. Le second type de membranes ultrafiltrantes est constitue par les membranes asymétriques (également appelées "anisotropes" ou " & peau") à base dr polyélectrolytes complexes (FEC) dérivant de deux polyélectrolytes organiques de signes (ou charges) opposes (un polyanion et un polycation) et insolubles dans l'eau 3 en pratique on utilise comme polyanion un polyélectrolyte à groupements sulfoniques et comme polycation un polyélectrolyta à groupements ammonium quaternaire ; les proportions de ces deux polyélectrolytes sont telles que le rapport du nombre de groupes sulfoniques sur le nombre de groupes ammonium quaternaire est compris entre 0,1 et 10 3 la formule précise de ces deux polyw électrolytes et leur poids moléculaire sont choisis de telle façon qu'il soient séparément insolubles dans l'eau et solubles dans au moins un milieu organique liquide et que le PEC résultant de leur réunion soit soluble dans au moins un milieu organique liquide ; le PEC comporte des réticulations ioniques. La réalisation d'une membrane anisotrope s'effectue généralement par coagulation dans un non solvant d'un film liquide constitué d'une solution de PEC. Corme poluan on susceptible de donner naissance à un PEC utilisable dans l'invention, on peut citer les copolymères d'acrylonitrile et de monomère & groupement sulfoniques ainsi que les polyeryléthersulfones sulfones (brevet français 69-13 810) ; comme polycation correspondant on peut citer les copolymères d'acrylonitrile et de monomères à groupements ammonium quaternaire (brevet français n0 70 22 514), ainsi que les résines dites phénoxy traitées à l'e'pichlorhydrine et quaternisees (brevet belge 768.672). LtUF et l'OI du procédé de l'invention sont poursuivies généralement et avantageusement jusqu'à un degré le plus élevé possible, les limites de corrs centration étant généralement imposées par des questions techniques et econo- miques relatives au véhiculage du jus de café concentré : un liquide trop visqueux n'est plus guère véhiculable ; on choisit donc les degrés de concentras tion à obtenir en fonction des types choisis pour les pompes, les membranes et la nature du jus de café traité. Dans les figures 1 et 2 on a représenté des appareillages sus cep tibles d'entre mis en oeuvre pour effectuer les concentrations selon l'invention. Dans ces figures 1 et 2, l'appareil duF est représenté en 1 et l'appareil d'OI en 2 ; 11 est la membrane d'UF, 21 la membrane d'OI Tous ces divers appareils sont munius d'une circulation dans les compartiments amont, tant d'UF, que d'OI. Les pompes indispensables ne sont pas figurées. Dans l'appareil de la figure 1 le jus de café est alimenté en 12 dans un réservoir 13 ; une fraction de ce jus est pompée dans ce réservoir et alimente le compartiment amont de l'appareil d'UF puis est recyclée dans le réservoir 13 qui voit donc sa concentration en matière sèche augmenter 3 l'ultrafiltrat est soutiré en 14 et alimente un second réservoir 23 ; l'ultrafiltrat est pompé dans ce réservoir et alimente le compartiment amont de l'appareil d'OI puis est recyclé dans le réeervoir 23 ;I'osmosat est soutiré en 24 ; cet appareillage de la figure 1 convient plus spécialement pour des opérations de concentration en discontinu 3 en fin d'opération on réunit les concentrats contenus dans les réservoirs 13 et 23 3 l'appareillage de la figure 1 peut être aussi utilisé en continu à condition de la compléter par des canalisations de soutirage des réservoirs 13 et 23, ces canalisations étant réunies ou conduisant à un réservoir unique de manière à obtenir le mélange des concentrats d'UF et dlOI 3 en outre, la mise en oeuvre en continu de l'appareillage de la figure 1 exige que l'on règle les débits des diverses canalisations et membranes pour obtenir un facteur de concentration suffisant dans les réservoirs 13 et 23. L'appareillage de la figure 2 est prévu plus spécialement pour des opérations continues ; il se distingue de l'appareillage de la figure 1 par la suppression des réservoirs 13 et 23 et par ltadjonction des canalisations 25 et 26 qui permettent la réunion des concentrats en 27. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des solutions très concentres avec cependant une dispense d'énergie minime et une bonne conservation des éléments gustatifs et olfactifs du jus de café, Le jus de café ainsi concentré peut etre éventuellement séché, par exemple par lyophilisation ; de telles opérations conduisent à des solides notamment des poudres, connus sous l'apellation de "café instantané". L'exemple suivant, donné à titre non limitatif, illustre l'inven- tion et montre comment elle peut eAtre mise en oeuvre0 EXEMPLE On prépare 1,5 1 de "jus de café" (teneur en matières sèches 2 % en poids) à l'aide d'une "machine à café" traditionnelle.On soumet ensuite ce "jus de café" à une ultrafiltration, pendant 27 heures, & à OC, sous une pression différentielle (de part et d'autre de la membrane) de 2 bars, l'appa- reil dtultrafiltration étant muni d'une membrane plane ultrafiltrante de 1,6 dm2 en copolymère acrylonitrile-méthallylsulfonate de sodium, obtenue par traitement thermique aqueux d'un film constitué de ce meAne copolymère, et présentant les caractéristiques suivantes s - perméabilité à l'eau sous 4 bars de 1 500 l/journ2, - une de coupure de 35,000 environ, - taux de rejet de 100 X vis à vis de la bovaîbuinine en solution aqueuse à 0,5 g/l (poids moléculaire s 70.000). Par cette ultrafiltration on obtient - 0,37 1 de concentrat (teneur en matières sèches S 3,3 %) - 113 1 d'ultrafiltrat (teneur en matières sèches s 1,45 %). Cet ultrafiltrat est souris à une opération d'osmose inverse dans les conditions suivantes : - Durée s 102 h - Pression différentielle (de part et d'autre de la membrane) crotssant progressivement de 50 bars (pression initiale) à 70 bars (pression finale). - Membrane utilisée : membrane "à peau" en acétate de cellulose de 0,2 dm2 (utilisée pour dessaler sous 60 bars à 200C une solution aqueuse de NaCl à 35 girl, cette membrane présente une perméabilité de 290 1/j.m2 et un taux de rejet vis & à vis du sel de 98,5 %). Par cette opération d'osmose inverse on obtient s - 0,5 1 de concentrat (teneur en matières seches s 3,2 %) - 0,62 1 d'osmosat (eau). On réunit les concentrats issus de l'ultrafiltration et de osmose inverse et on obtient 0,87 1 doun concentrat que l'on soumet à lyophilisation par congélation à -60 C (tompérature initiale) et mise sous un vid de 0,5 mm de mercure (pression absolue). On obtient 27,5 g d'un concentrat solide qui, par redissolution, donne un produit ayant les mêmes caractéristiques organoleptiques que le jus initiale REVENDICATIOlIS 1 - Procédé de concentration de jus de café caractérisé en ce que ce jus est soumis à une ultrafiltration, ltultrafiltrat est soumis à une osmose inverse puis les concentrats issus des compartiments amont des appareils dtul- trafiltration et d'osmose inverse sont réunis pour constituer le concentrat final. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la membrane d'ultrafiltration a une zone de coupure comprise entre 54000 et 150.000. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la membrane d'ultrafiltration est obtenue par traitement thermique aqueux, avec ou sans étirage, de films en copolymères dlacrylonitrile et de monomère ionique. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le concentrat final est lyophilisé.