El mundo del café está constantemente en crecimiento y es una de las industrias más antiguas de alimentos. Una de los síntomas de tal crecimiento es la constante alza en el consumo de café descafeinado. Sin embargo los intereses por extraer el compuesto que provocaba insomnio y alteración nerviosa, comenzaron a principios del Siglo XX. En todos ellos la presencia de granos verdes (no tostados) es común.
La primera extracción exitosa de la cafeína de los granos de café fue lograda por un químico alemán, Runge, en 1820. Su amigo, el poeta Goethe, había sugerido que Runge analizara los componentes del café para descubrir la causa de su insomnio - y la historia del café descafeinado empezó. Sin embargo, el verdadero progreso técnico trascendental no se produjo hasta la vuelta del siglo, cuando Ludwig Roselius decidió pretratar los granos de café con vapor antes de ponerlos en contacto con el solvente extractor de la cafeína. Los granos húmedos e hinchados aumentaron su área de superficie haciendo más fácil la eliminación de la cafeína. El descubrimiento de Roselius hizo posible producir café descafeinado a escala comercial por primera vez; él fundó Kaffee HAG en Bremen en 1906.
Métodos
Vapor
El pretratamiento con vapor es todavía la primera fase de muchos modernos procesos de descafeinación, pero algunos cambios significantes han tenido lugar en la tecnología y en los solventes usados.
Se han desarrollado varios procesos en que la cafeína es removida no del grano, sino de un extracto de sustancias solubles en agua producidas por la inmersión del café en agua caliente. La remoción de la cafeína por un solvente es conocida como método de “solvente indirecto”, o de otra manera, la cafeína puede ser separada del extracto mediante adsorción por una sustancia tal como el carbón activado (carboncillo). El extracto libre de cafeína es usado después para descafeinar el café verde, ya que la cafeína pasa fácilmente de los granos al extracto. Sin embargo, estos métodos también conducen a la pérdida de algunos componentes del café solubles en agua, como los carbohidratos y los ácidos clorogénicos.
En el “Proceso de agua suizo”, los granos verdes son sumergidos en agua y el extracto resultante pasa sobre carbón activado a fin de remover la cafeína, como arriba descrito. La mezcla libre de cafeína es agregada a continuación a los granos de café secados parcialmente antes de que éstos sean completamente secados y tostados.
Primeramente, los granos verdes se tratan con vapor, bajo presión. Este tratamiento infla los granos, aumentando su área de superficie y haciendo que la cafeína sea más fácil de remover. La próxima fase es la extracción de la cafeína por un solvente, de nuevo bajo presión, a una temperatura cerca del punto de ebullición del solvente. No obstante, el solvente debe extraer la cafeína selectivamente, sin afectar el café de cualquier otra manera. Después de la descafeinación sólo quedan pequeñas trazas del solvente en el café. No obstante, el químico usado debe ser seguro para que estas trazas no afecten la salud de la persona que beba el café descafeinado. La seguridad de los solventes usados en la descafeinación se prueba en estudios con animales y humanos y es revisada por las autoridades científicas gubernamentales. Los solventes que se utilizan comúnmente y que pasan estos estrictos criterios, son entre otros el cloruro de metileno (diclorometano) y el acetato de etilo.
El cloruro de metileno tiene la ventaja que posee un punto de ebullición relativamente bajo (40 ºC) y por lo tanto puede ser usado a baja temperatura. Después de rigurosas investigaciones, la FDA (Food and Drug Administration) de E.E.U.U. reconfirmó su aprobación del uso de cloruro de metileno en la descafeinación.
El acetato de etilo figura en la lista de la FDA de las sustancias químicas “Generalmente reconocidas como seguras” para el uso como agentes aromatizantes en alimentos. Está presente en forma natural en muchas frutas a niveles mayores que las trazas encontradas en el café descafeinado.
La cafeína removida del solvente por destilación, tiene muchas aplicaciones comerciales, como por ejemplo en productos farmacéuticos y como aromatizante. Las trazas de solvente, adheridas todavía a los granos, son expulsadas por medio del vapor y luego el café se seca. Sin embargo a pesar de esto, los reparos por producir café con elementos potencialmente tóxicos han abierto otra posibilidad
CO2
Para realizar dicho proceso se utiliza la ayuda del CO2 supercrítico que es gas dióxido de carbono, CO2, comprimido, convertido en líquido, en una forma denominada "supercrítica" (de allí el origen del nombre) que, teóricamente, le haría servir de disolvente ideal pues es barato, no dañino para la materia viva, no contaminante y fácilmente eliminable por simple evaporación. En el pasado se utilizaba la extracción con cloruro de metilo para sacar la cafeína de los gramos por recirculación del solvente. Una extracción tipo duraba entonces entre 24 a 36 horas, para luego “estrujar” el solvente que quedaba en los granos, el cual aumentaba el tiempo de proceso con 8 horas más, de cualquier manera el uso del solvente es tóxico y dejaba residuos en los granos En cambio la extracción con CO2, no deja residuos y su acción es selectiva, pues sólo actúa sobre la cafeína, dejando todos los componentes típicos en el granos, a diferencia de la extracción con cloruro de metilo. Otro beneficio es que no hay tratamiento asociado al disolvente y los tiempos de extracción son menores.
El ciclo comienza con la carga de la materia prima que consta de granos no tostados o verdes, los que son humedecidos con agua. La descafeinización comienza cuando el CO2 que estaba en el tanque de almacenamiento TK – 202 (ver figura), toma contacto con los granos. El CO2 pasa a través del lecho de granos por cerca de 10 horas. Después de 10 horas cerca del 97% de la cafeína ha sido extraída. La cafeína cargada de CO2 es transportada hasta el tanque de almacenamiento TK-201 A donde espera hasta el final de la extracción. Una vez que la extracción está completa, el extractor tiene 2 horas de para mientras este es vaciado y cargado nuevamente con granos. Luego la cafeína rica en CO2 que estaba en el TK-201A, comienza a fluir a ritmo constante a la columna de lavado con agua T 202. En este punto el CO2 supercrítico se contacta con la corriente de agua, que remueve el 95,5 % de la cafeína presente en el CO2; mientras el CO2 deja el agua de lavado en el flujo 9. En este punto el CO2 está a baja presión debido a la caída de presión del sistema, es entonces que la bomba P 202A/B maquilla esta baja de presión volviéndola a su estado original y desplazando el fluido /gas a al tanque TK – 202. Esto ocurre dentro de las 2 horas de para que tiene el extractor, por lo que finalizado este tiempo, el sistema se encuentra preparado para una nueva carga de granos. Para este ciclo el CO2 cargado con cafeína se acumula en el tanque TK-201B , ya que el tanque TK-201A aun descarga CO2 del ciclo anterior.
Por alternancia entre los tanques A y B de TK-201, la columna de agua es alimentada. Las condiciones en la columna del agua de lavado son las mismas que las del extractor para guardar el CO2 que se encuentra en el estado supercrítico. El agua rica en cafeína existente en el agua de lavado es estrangulada aproximadamente hasta la presión atmosférica. Un pequeño monto del CO2 previamente disuelto es arrojado desde el receptaculo de proceso V-201 como un gas. Luego, el agua de proceso es agrgada al agua rica en cafeina en el recipiente de proceso V-202, esto compensa las perdidas de agua que sufre al ser concentrada la solución de cafeína a un 15 % en peso por la unidad de osmosis reversa RO-201. La corriente numero 7 es eentonces la encargada de mandar a la sección de secado y obtener cafeína sólida, por lo que el permeado de la unidad de osmosis reversa es escencialmente libre de cafeína. Esta es bombeada y enviada de vuelta al agua de lavado en el flujo número 8.
El CO2 se vuelve supercrítico (SCF) cuando, cuando es calentado sobre la temperatura crítica y bombeado o comprimido sobre la presión crítica, la cual corresponde a 31°C y 74 bar. Muchas de estas extracciones requieren valores mas altos de temperatura y presión para lograr razonables recuperaciones del extracto. Para el proceso descrito aquí una producción de 10.8 millones de kilos al año de café descafeinado es posible obtener.
Las diez horas para el tiempo de extracción fue logrado usando un modelo matemático, para extraer el 97% de la cafeína desde los granos de café. El modelo de extracción puede ser obtenido tanto a traves del contenido de cafeína en el CO2 en el tiempo , como de la posición en el reactor. El modelo está simplificado por un modelo de reactor con 3 mezcladores en serie, siendo la concentración de salida de uno, una función de la concentración de salida del anterior. El modelo incorpora modelos de transferencia de masa experimentales y coeficientes de partición por variación de temperatura y presión.
