CN1969049A - 从甜菜丝中提取组分 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改进的从甜菜(Beta vulgaris)中分离和萃取组分的方法和装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种改进的、分别从甜菜(Beta vulgaris)或甜菜丝中萃取并分离组分的方法。
背景技术
众所周知,机械和/或热力学方法常用于从大量的、各种不同的生物材料、特别是诸如农产水果的植物原材料中获得有价值的组分。为了从生物材料中分离出这些组分,无论如何必须破坏细胞膜,特别是植物细胞的细胞膜。通常这可以通过机械力的作用,如切割、研磨、碾碎等得以实现。其它破碎生物材料细胞膜的方法是热力学细胞破碎,该方法使细胞膜在温度的影响下变性,或者是热力学方法和机械方法结合使用。破壁处理后生物材料的可溶性组分被挤出,然后使用溶剂(多数情况下是水)进行萃取;或者,如果是不溶性的物质,则被洗出。
此类从生物材料中分离组分的方法对制糖工业有着特别重要的意义,因为在中欧,众所周知为了获得糖(蔗糖),使用此类方法对甜菜(Betavulgaris)进行处理以获取糖。对此,常规的方法是将洗好的甜菜在传统的切割机中切丝,用大约70~75℃的热水在甜菜丝萃取装置(Schnitzelmaische)中将得到的甜菜丝热烫。在这个过程中,甜菜细胞壁发生热力学变性,即细胞壁被破坏,使得蔗糖分子能渗透出来。在接下来的萃取过程中,通常使用逆流萃取法,在大约68~70℃的温度下得到含有蔗糖的萃取液(原汁)。
众所周知,为了有效地萃取,必须加入大量的外来水(冷凝液)。为了优化萃取过程,降低萃取后的甜菜丝中剩余糖的含量,在已知的方法中,通常相对于甜菜丝数量的大约105~110%的原汁得到回收。该回收率是从萃取物的体积与所用的甜菜体积的之比计算出来。接着即可进行萃取液汁的纯化。
除了在萃取过程中需要大量的外来水外,从生物材料中分离组分的加工过程还是一个高耗能的加工过程。特别是在通常的高于70℃的温度下进行生物材料的热力学破坏,需要输入较高的能量。即使是在随后的萃取过程中,也必须将大量的外来水加热至70℃以上,在接下来的处理过程中还需要进行高能耗的蒸发。因此,现有技术中需要一种以低能耗破坏生物材料、特别是甜菜或甜菜细胞的方法,并且,通过使用合适的下游工程方法,以降低从生物材料中分离组分的用水量和能耗。
发明内容
本发明的技术问题在于提供一种改进的从生物材料即甜菜丝中萃取并随之分离组分的方法,以及一种实施这种改进的方法的设备,其中,这种改进的方法具有较高的效率和经济性的特点,同时应消耗更少的资源如能源和水。
本发明通过一种从甜菜中萃取并随之可选择使用分离组分的方法解决上述基本的技术问题,该方法包括下列步骤:
(a)在甜菜切丝装置中将甜菜切成丝,获得丝汁混合物;然后,
(b)在所获得的丝汁混合物中加入原汁或水,以使制备好的丝汁混合物的电导率为2.6mS/cm~10mS/cm;和,
(c)在一个电穿孔装置中将已制备的丝汁混合物中的甜菜丝体积密度调到400kg/m3~800kg/m3之间;然后
(d)对步骤(c)中所获得的丝汁混合物进行电穿孔;然后,
(e)在一个萃取装置中对获得的丝汁混合物进行萃取。
并且可选择地是,从电穿孔后的丝汁混合物的萃取液中进行组分萃取或分离。本发明的技术问题还通过一种从甜菜丝中萃取并分离组分的设备得到解决,它包括至少一个将甜菜切成丝的装置,至少一个与前面的装置相连、用来输送所获得的丝汁混合物的装置,至少一个与前面的装置相连、用于对丝汁混合物进行电穿孔的装置,至少一个与前面的装置相连、用来输送电穿孔后的丝汁混合物的装置和至少一个与前面的装置相连、用于对丝汁混合物进行萃取的装置。
根据本发明的方法,在电穿孔时使用一种电导率相当高的介质,而在通常情况下,电穿孔所必需的强电场的建立是以丝汁悬浮液中较低的电导率为前提,就这一点而言,这种方法是令人惊奇的。当甜菜丝被电穿孔时,由于从甜菜丝到悬浮液出现传质,例如糖和盐,在短时间内出现了高电导率,因此必须向反应器中注入大量的新鲜水,以便能抵消电导率的上升。按照本发明,特别是在甜菜丝的体积密度较高的情况下,甜菜丝的电穿孔优于甜菜的电穿孔。此外,与更大、更坚实并且更耐温的甜菜块根不同的是,在甜菜丝进行电穿孔之前,待电穿孔的材料即甜菜丝能够被加热。另一方面,在允许的能源消耗的范围内,无法加热在收获季节通常冰冷的甜菜块根。因此,按照本发明的方法,即对甜菜丝以所述方式进行电穿孔,使得待电穿孔材料可以事先被加热,例如加热到5到40℃,优选为10到40℃,而由于待电穿孔材料的温度较高,这样就可以进行更加有效的电穿孔,或者可以在较低的场强度进行电穿孔。根据本发明,所述的待电穿孔材料的加热只能在甜菜丝上进行,而不能在甜菜块根上进行,并且它会使场强相应地降低。因此,本发明了提供一种特别有效和经济的方法。
本发明规定,在方法的第一个步骤中,甜菜被切成甜菜丝。在本发明中,甜菜丝是被切成块或丝的甜菜。本发明规定,甜菜在例如切割机中被切成甜菜丝,同时形成丝汁混合物,这个混合物包括被切成丝的甜菜和所流出的细胞浆液。
在丝汁混合物加入一种介质,例如水,优选为原汁,特别是通过对甜菜的碱性萃取所获得的碱化原汁,得到了制备好(也被称为含有介质)的丝汁混合物,其电导率为2.6mS/cm~10.0mS/cm。将这种含有介质的丝汁混合物优选地置于一个电穿孔装置中,同时或立刻将甜菜丝的体积密度调到400kg/m3~800kg/m3,同时,按照本发明,这种具有上述甜菜丝体积密度的丝汁混合物中优选地没有或只有极少量的气泡。根据本发明而采用的体积密度可优选地由例如在下落通道中所积累的切丝材料中所形成的初始压力决定。在采用上述甜菜丝体积密度的情况下,含有介质的丝汁混合物使得随后的电穿孔可以在无气泡的情况下进行,并可以节省能源。电穿孔后的丝汁混合物,又被称为受到电穿孔的丝汁混合物,接着又输送到萃取装置中进行萃取,并用常规的处理步骤例如蒸发和/或冷却结晶中提取组分如糖。
在一优选的实施方式中,本发明涉及一种所述的方法,在这个方法中,步骤(b)中的加入介质和调整电导率,也可以在步骤(c)中进行,也就是说,步骤(b)和(c)可以同时进行。同样,步骤(c)在时间上可以先于步骤(b)进行。在一特别优选的实施方式中,电导率在步骤(b)和/或(c)中被设定为2.6mS/cm~6.0mS/cm。
在另一特别优选的实施方式中,在步骤(c)中调节的体积密度被设定为450kg/m3到700kg/m3。
在一优选的实施方式中,丝或丝汁混合物或经加工的丝汁混合物在电穿孔之前,被加热到比收获的甜菜块根温度更高的温度,特别是5到40℃,优选为10到40℃,特别优选为15到35℃。
根据本发明,使用高压脉冲的电穿孔对生物材料即甜菜丝的细胞进行破壁,因此,这些细胞不需要为了下流的萃取而进行热力学破壁。
在本发明中,“生物材料”是指甜菜丝(Beta vulgaris)。
在本发明中,萃取是指使用一种合适的溶剂从固体或液体物质混合物,特别是生物材料中溶解出特定成分,特别是组分的分离方法,其中,在溶剂和被溶解的物质即生物材料的组分之间不发生化学反应。在水溶性组分如蔗糖、菊粉、淀粉从生物材料中被分离出来的过程中,优选使用水作为萃取剂,例如,从甜菜切丝中分离出糖分时。在发明的另一实施方式中,通过使用主要是非极性和/或有机溶剂从生物材料中,还可以额外或仅分离出脂溶性组分。
按照本发明,本发明的方法步骤(d),即生物材料的电穿孔,是在导电介质中进行的,也就是说,在步骤(a)中通过将甜菜切丝而形成的丝汁混合物或悬浮液中,在必要时,可在其中加入水或原汁,但优选的是加入碱化的原汁,在这里,生物材料被置于高压电场中。高压电场优选通过已知的方式,例如通过导压电极施加电压,特别是穿过生物材料的高压电场产生。优选的是,使用脉冲状的高压曲线,但也可以使用交流电场和直流电场。场强优选为0.1到20kV/cm,较好的是大约1到5kV/cm,最好为2到4kV/cm。在本发明一特别优选的实施方式中,生物材料所处的介质的电导率与生物介质的电导率一致,这样,就可以在生物材料中达到最佳的电力线分布(Feldlinienverlauf),而电导率优选为大约2.6到10.0mS/cm,特别是2.6到6.0mS/cm。
不受理论方面的限制,由于通过电穿孔打开了细胞,对随后的萃取的要求也显著降低,这样,对生物材料的萃取可以在与通常的方法相比显著较低的温度下进行。因此,本发明的优选方法的特点是,萃取步骤(e)可以在与现有技术相比显著降低的温度下进行,也就是说,该温度为0到65℃,特别是10到65℃,优选为45到60℃,最好是46到60℃。当然,萃取采用的温度也可以根据生物材料的需要进行调整,无论温度或高或低,只要能够进行萃取就可以。由于萃取温度的降低,生物材料诸如甜菜丝的处理与传统的方法或热力学变性相比更加温和。由此,本发明的优点在于提高了生物材料的可压榨性,例如,对于甜菜丝,干物质百分比(%TS)提高了约2个百分点。
按照本发明,在一实施方式中,经过纯化的萃取物,特别是稀浆液I和II,在之后的多级蒸发装置中被浓缩,使干物质含量达到约70%。
根据本发明,优选地在一个多级结晶装置中,从按照本发明加工的甜菜丝中获得的萃取液和/或稀浆液中分离糖。萃取后的生物材料,特别是萃取后的甜菜丝,随后被机械脱水,然后与例如糖蜜混合,优选地在热干燥后作为饲料,特别是作为颗粒饲料出售。
在本发明的一优选的实施方式中,在步骤(e)中的萃取为碱性萃取,特别是优选地使用碱化剂,如石灰乳和/或生石灰。在这里,“碱性“是指含水介质的pH值约为pH7到pH14(在20℃下)。在一优选的实施方式中,碱性萃取在pH7.5到pH11之间进行,特别是在大约pH10,例如pH为10.2。
在碱性萃取中,无法绝对排除生物材料发生化学反应,特别是会形成高分子量的果胶酸钙。在已知的萃取温度70到75℃下,碱性萃取中不希望出现的化学反应很强烈,使得在某些情况下形成大量的果胶酸钙,它使所得到的、优选地通过汁液提纯而纯化的萃取物的过滤变得很困难,从而使这种方法难以实施。相比之下,按照本发明的,在较低温度下进行的碱性萃取,可以减少那些高分子量化合物的形成。通过这种方法,当纯化后的萃取物、特别是从甜菜丝萃取液通过汁液提纯而得到的稀浆液I和/或稀浆液II在过滤时,可以实现小于1mm/g的过滤系数。
优选地在电穿孔(步骤(d)后,马上将碱性物质,如石灰乳、氢氧化钙、蔗糖酸钙或生石灰,加入到生物材料如甜菜丝中,特别是在对生物材料进行进一步处理之前加入到例如中间储料斗中。在另一实施方式中,碱性物质在进行萃取(步骤(e))之前马上加入。
在本发明的一优选实施例中,生物材料即甜菜丝的碱化处理是通过直接往切割机中加入碱化剂进行的,这里的切割机就是将甜菜切成丝的装置,也就是在步骤(a)和/或随后的步骤(b)和/或步骤(c)中进行。这种方法有利于对生物材料进行局部消毒。
按照本发明,碱化剂优选地以水溶液的形式加入到生物材料中,最好是通过喷射。在另一种实施方式中,至少一种碱性物质,特别是石灰例如生石灰,以固体的形式、优选为粉末的形式加入到生物材料中,以使生物材料具有碱性。
通过向生物材料中加入碱性物质,可以降低生物材料在加工过程中受到感染的风险,并提高生物材料和分离后的细胞浆液的微生物学稳定性。微生物学稳定性约为104KBE/ml。
在另一实施方式中,按照本发明的方法,例如在步骤(a)、(b)、(c)、(d)和/或(e)中,往生物材料中加入至少一种辅料。在本发明中,“辅料”是指一种化合物或化学纯物质,它在所分离出的组分、特别是所获得的食品中不具有任何功能。这些辅料可以是加工过程中使用的物质,例如冷凝液,也可以是过程用水、溶剂、消毒剂如甲醛、或消泡剂。它也可以优选为絮凝剂,例如阳离子或阴离子絮凝剂,或者是用于加入碱性和/或钙离子的物质,例如石灰乳、生石灰、氢氧化钙、蔗糖酸钙、硫酸钙和其它钙盐和/或铝盐。根据本发明,优选加入的至少一种辅料通常以溶液的形式加入到生物材料中,优选地通过喷射。在另一实施方式中,至少一种辅料以固体的形式、优选为粉末的形式加入到生物材料中。
特别具有优点的是,根据本发明,在步骤(d)中对生物材料进行电穿孔打开了甜菜细胞的细胞壁,这使得碱性物质和/或钙离子容易加入到生物材料中。特别是根据本发明将步骤(d)中的电穿孔和步骤(e)中碱性萃取结合起来。在本发明的方法完成后,可以进一步提高生物材料的脱水性,例如,通过压榨,干物质的含量提高了大约8%(%TS)。
本发明还优选地涉及一种提高萃取后的生物材料、特别是甜菜丝的可压榨性的方法,以及提高压榨后的干物质含量的方法,其特征在于,按照前面所述的方法步骤(b)、c)和(d),在第一步中,对生物材料、特别是甜菜丝进行电穿孔,在随后的步骤中对电穿孔后的生物材料、特别是电穿孔后的甜菜丝进行碱性萃取,接着就获得了具有更高可压榨性的已被萃取的生物材料。
本发明还优选地涉及一种用来获得萃取后的生物材料、特别是萃取后的甜菜丝的方法,所述甜菜丝具有较高的干物质含量,优选为大约38%TS,该方法包括以下步骤:
(a)在甜菜切丝装置中将甜菜切成丝,获得丝汁混合物;然后,
(b)在所获得的丝汁混合物中加入原汁或水,以使制备好的丝汁混合物的电导率为2.6mS/cm~10mS/cm;同时或接着,
(c)在一个电穿孔装置中将已制备的丝汁混合物中的甜菜丝体积密度调到400kg/m3~800kg/m3;然后,
(d)对在步骤(c)中所获得的丝汁混合物进行电穿孔;接着,
(e)在一个萃取装置中对经过电穿孔的丝汁混合物进行萃取;
在这里,在接下来的步骤中,对电穿孔后的生物材料、特别是电穿孔后的甜菜丝,优选地以已知的方式进行压榨,接着就获得了具有更高干物质含量的萃取后的生物材料。
因此,本发明还涉及一种从生物材料中萃取并获得组分的设备,其用来实施本发明所述方法。根据本发明,从甜菜丝中萃取并分离组分的设备包括至少一个将甜菜切成丝的装置,至少一个与前面的装置相连、用来输送所获得的丝汁混合物的装置,至少一个与前面的装置相连、用于对丝汁混合物进行电穿孔的装置,至少一个与前面的装置相连、用来输送电穿孔后的丝汁混合物的装置和至少一个与前面的装置相连、用于对丝汁混合物进行萃取的装置。在另一优选的实施方式中,本发明涉及一种上述设备,而这种设备还具有一个输入原汁、特别是碱化的原汁的装置。在特别优选的实施方式中,这种用来输入原汁的装置由在萃取装置即对丝汁混合物进行萃取的装置和电穿孔装置之间的管路形成。而这种输入原汁、特别是碱化的原汁的装置,也可以由萃取装置和用来对甜菜进行切丝的装置或之后用来输送所获得的丝汁混合物的装置之间的管路形成。
用于从甜菜丝中萃取和随后获得组分的装置的特征在于,与对甜菜进行电穿孔的的反应器相比,制造费用尤其较低。对甜菜进行电穿孔的设备的制造费用很高,因为为了在甜菜贮藏罐和切割机之间安装电穿孔反应器,必须将甜菜储料斗升高,并且必须为每个切割机制作单独的预储料斗,而且被切割和穿孔的切丝必须经过螺杆输送到萃取装置。而按照本发明,相比之下,甜菜丝的电穿孔通过将电穿孔反应器集成在丝输送带和甜菜丝萃取装置之间而实现。在本发明的一特别优选的实施方式中,电穿孔反应器安装在从丝输送带到甜菜丝萃取装置的下落通道中。
在一优选的实施方式中,本发明中将甜菜切成甜菜丝的设备包括一个切丝机,即切割机,优选为转鼓式切割机,它布置在甜菜的输送路线上。在另一实施方式中,切丝机还带有一个用来收集甜菜的中间储料斗,它首先通过生物材料的堆积为其切割提供必要的初始压力。
根据本发明,萃取装置优选为一种塔式萃取装置。在另一实施方式中,萃取装置是一种螺旋槽式萃取塔,例如DDS-萃取器。在另一实施方式中,萃取装置是一种转鼓蜂房式萃取装置,例如RT转鼓。
在本发明的设备的一优选实施方式中,还设置有至少一个用于加入辅料和/或碱性物质的计量装置。在发明的一个变型中,这个计量装置包括至少一个洗涤管,这个洗涤管带有至少一个与之连接的喷头,用于将辅料溶液和/或碱化剂如石灰乳喷到生物材料上。在另一实施方式中,该至少一个计量装置是一个用来加入固体物质,特别是粉末状物质的装置,特别是一种气动计量器和/或螺旋运输器。
计量装置优选地布置在用于输送丝汁混合物的装置的计量区域。在一实施方式中,计量装置布置在中间储料斗的计量区域。在另一实施方式中,计量装置布置在甜菜泥容器(Maschebehlter)的计量区域,其前于或在萃取器上。在这里,“计量区域”是指在被计量的物质如上述的辅料、碱化剂等,可通过所选定的计量装置施加到生物材料上。
其它的优选实施例可参见所附详细说明。
附图说明
下面通过附图对本发明的装置进行详细说明。附图是本发明的装置的一个优选实施方式的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行更详细的说明。
实施例:
电穿孔后的甜菜材料的碱性萃取
将甜菜块根从块根的中间贮存罐11输送到将甜菜切成甜菜丝的装置1中。在切丝过程中所形成的丝汁混合物,通过一个用来输送所获得的丝汁混合物的装置3(切丝输送带)送到一个下落通道13中,电穿孔装置5与所述下落通道一体成型。经过电穿孔的丝汁混合物在离开电穿孔装置5之后,通过一个输送经电穿孔后的丝汁混合物的装置7进入到丝汁混合物的萃取装置9中。管路15接到装置9的排出管上,用于将在萃取装置9中获得的碱化原汁输入到电穿孔装置5或与电穿孔装置一体成型的下落通道13中。
本发明的方法如下所述:
清洗刚收获或经过库存的甜菜,在必要时加热到大约12℃,然后,并在可能时以粗略切丝的形式输送到直接位于切割机1上方的中间储料斗11中,并从那里进入到切割机1中并切成丝,接着通过过渡通道进入到用于输送所获得的丝汁混合物的装置3中。石灰乳经计量装置加入到中间储料斗中,以降低微生物活性。
用来输送所获得的丝汁混合物的装置3,又被称为切丝输送带(Schnitzelband),将混合物输送到与电穿孔装置5一体成型的下落通道13中。经过接到下落通道13的管路15,将来自萃取装置9的碱化原汁经过计量装置加入到电穿孔装置中,制成无气泡、含介质的丝汁混合物,其电导率为5mS/cm。下落通道13的高度要使得在电穿孔反应器5中的体积密度达520kg/m3,同时,在这样被压缩的丝汁混合物中不再存在任何气体。在电穿孔设备中,高压脉冲达3到4kV/cm,在这种情况下,细胞壁以已知的方式被打开。
随后,甜菜丝和汁经过输送装置7,必要时经过一个图中未单独表示的甜菜泥容器输送到一个逆流萃取装置9中,在这里它被萃取,并将萃取物收集起来。萃取温度为46到60℃,优选地是选择一个明显高于46℃但最大不超过60℃的温度。萃取装置是塔式萃取装置、螺旋槽式萃取塔或转鼓蜂房式萃取装置。在萃取装置中,甜菜丝在与萃取液即新鲜水的逆流中被萃取。
接着进行石灰乳-碳酸的浆液提纯(图中未示)。提纯后的萃取物(稀浆液I和II)按传统方式进一步处理,也就是说,在浆液浓缩成糖浆后,通过在结晶器中进一步蒸发和连续结晶得到糖。分离出的碳酸钙泥渣按传统方式通过压滤机进行脱水(图中未示),并作为肥料即所谓的碳石灰(Carbokalk)在市场上出售。
在经过前面的碱化后,向所得到的细胞浆液加入絮凝剂。输送液按照传统方式输送至静态倾析器。将倾析器中的碎屑抽出,送入到同时进行的萃取物加工的预加灰装置中。另一方面,倾析器中的清液可进一步使用,包括与经萃取工序所得到的稀浆液进行结合。同时,按照传统方式对获得的萃取物进行浆液提纯。
萃取后的甜菜丝在图未示的螺旋压力机中被压榨。压榨出的压榨水被重新送入萃取装置中。压榨后的碎丝按传统方式进行加热脱水,也即在低温干燥器、高温干燥器或者蒸发干燥器中进行脱水。
Claims (13)
1.用来从甜菜中萃取组分的方法,包括以下步骤:
(a)在甜菜切丝装置中将甜菜切成丝,获得丝汁混合物;然后
(b)在所获得的丝汁混合物中加入原汁或水,以使制备好的丝汁混合物的电导率为2.6mS/cm~10mS/cm;和,
(c)在一个电穿孔装置中将已制备的丝汁混合物中的甜菜丝体积密度调到400kg/m3~800kg/m3;然后,
(d)对在步骤(c)中所获得的丝汁混合物进行电穿孔;接着,
(e)在一个萃取装置中对经过电穿孔的丝汁混合物进行萃取。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤(b)中将电导率调到2.6mS/cm~6.0mS/cm。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,在步骤(c)中将体积密度调到450kg/m3~700kg/m3。
4.根据前面的权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,在步骤(b)中和/或紧接在步骤(d)之后向丝汁混合物中加入辅料,优选加入石灰和/或石灰乳。
5.根据前面的权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,在步骤(e)中使用的温度为0到65℃,优选为45到60℃。
6.根据前面的权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,步骤(e)是一种碱性萃取。
7.根据前面的权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,在步骤(b)中加入的原汁是一种碱化的原汁。
8.根据前面的权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,经加工的丝汁混合物的温度在电穿孔之前被调整到5℃到40℃,优选为10℃到40℃。
9.按照权利要求1到8中任一项所述的方法用于从甜菜丝中萃取和分离组分的设备,它包括至少一个将甜菜切成丝的装置(1),至少一个与前面的装置相连、用来输送所获得的丝汁混合物的装置(3),至少一个与前面的装置相连、用于对丝汁混合物进行电穿孔的装置(5),至少一个与前面的装置相连、用来输送电穿孔后的丝汁混合物的装置(7)和至少一个与前面的装置相连、用于对丝汁混合物进行萃取的装置(9)。
10.根据权利要求9所述的设备,其特征在于,该设备具有用来输送原汁、特别是碱化的原汁的装置。
11.根据权利要求10所述的设备,其特征在于,用来输送原汁的装置(15),设置成这种方式:其适合于将原汁输送到用来输送丝汁混合物的装置(3)中,或者将原汁输送到电穿孔装置(5)中。
12.根据权利要求9到11中任一项所述的设备,其特征在于,它具有至少一个用来对辅料进行配量的计量装置。
13.根据权利要求9到12中任一项所述的设备,其特征在于,电穿孔装置(5)是竖式反应器(Schachtreaktor)。
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