DE10144479C2 - Elektroporationsreaktor zur kontinuierlichen Prozessierung von stückigen Produkten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektroporationsreaktor zur kon­ tinuierlichen Prozessierung von stückigen Produkten als Pro­ zessgut in einer Prozessflüssigkeit mit Hochspannungsimpulsen. Die Agrarprodukte liegen in wie bei der Ernte anfallenden gan­ zen Elementen als absiebbare Fraktion oder vorzerkleinert vor. Das Verfahren zum Aufschluss des Zellmaterials mit gepulsten elektrischen Feldern (Hochspannungsentladungen) wird als Elektroporation bzw. Elektroplasmolyse bezeichnet.

Aus der Literatur sind Vorrichtungen bekannt, die zur Behand­ lung von Pflanzenzellen bzw. pumpbaren Lebensmitteln einge­ setzt werden. Beispielsweise die folgenden:
US 3,766,050 "Apparatus for the treatment of fluids or soluti­ ons by electric fields"; 1973-10-16: In ihr werden Reaktorbau­ formen mit unterschiedlich angeordneten Elektroden und dimen­ sionierten Strömungskanälen beschrieben. Die Reaktoren sind ausschließlich für kleine Mengen und kleine Partikelgrößen einsetzbar.

US 4,723,483 "Electroplasmolyzer for processing vegetable stock"; 1988-02-09 bzw. FR 2 619 489 "Electroplasmolyzer for processing vegetable materials"; 1989-02-24: In diesen Litera­ turstellen werden ein runder bzw. rechteckiger Reaktorquer­ schnitt beschrieben, in dem Elektrodenpaare in unterschiedli­ chen Anordnungen installiert sind. Das Produkt wird durch Schwerkraft oder Pumpendruck durch den Reaktor gefördert.

US 5,031,521 "Electroplasmolyser for processing plant raw ma­ terial"; 1991-07-16: Darin wird eine ähnliche Reaktorgeometrie wie in der US 4,723,483 beschrieben, die elektrische Energie wird jedoch durch Elektromagneten appliziert.

US 5,186,800 "Electroporation of prokaryotic cells"; 1993-02- 16: Hier werden kleinste Laborreaktoren beschrieben, in denen kleine Produkt mengenweise mit Spannungsimpulsen behandelt werden. Die Reaktoren weisen keine bewegten Teile auf:
US 5,549,041 "Batch mode food treatment using pulsed electric fields"; 1996-08-27: Diese Schrift beschreibt kleine Reaktoren mit flächigen Elektroden zwischen denen zu behandelnde Suspen­ sionen gepumpt werden.

Das Verfahren der Elektroporation wird zur Gewinnung von in­ trazellulären Substanzen eingesetzt. Hiermit werden die wert­ bringenden Stoffe meist abgepresst bzw. über Extraktionsvor­ gänge gewonnen. Die Behandlung mit gepulsten elektrischen Fel­ dern erfolgt in einer Prozessflüssigkeit, die zumeist Wasser mit geringer Leitfähigkeit ist. Bekannte Vorrichtungen (Reak­ toren) sind für pumpbare Lebensmittel und Suspensionen ein­ setzbar. Sollen stückige Produkte mit 20-30 Sortenelementen, Stückgewichte 1-5 kg, behandelt werden, ist eine Produktför­ derung durch bekannte Reaktoren nicht mehr möglich.

Die industrielle Prozessierung zu verarbeitenden Prozessgutes, wie agrarisches Stückgut, mit Hochspannungsimpulsen erfordert gegenüber den bisher bekannten Vorrichtungen zur Elektropora­ tion einen hohen kontinuierlichen Massedurchsatz bei einer möglichst gleichmäßigen Einwirkung eines gepulsten elektri­ schen Feldes. Die dabei auftretenden Schwierigkeiten sowie die Nachteile des Stands der Technik sind folgende:

• - Produktdurchsatz
  Bei den in der Vorrichtung zu behandelnden Agrarprodukten sind oftmals hohe Stundendurchsätze erforderlich (z. B.: Zuckerindustrie 600 Mg Rüben/h). Die Vorrichtung muss hohe Durchsätze bei geringster Produktschädigung ermöglichen.
• - Produkttransport
  Zwischen dem zu behandelnden Produkt und der zur Pulsbehandlung erforderlichen Flüssigkeit besteht nur ein geringer Dichteunterschied. Dies führt dazu, dass aufgrund der gerin­ gen Sinkgeschwindigkeit bei selbstständigem Nachrutschen des Produkts keine ausreichend großen Produktdurchsätze möglich sind.
• - Verstopfungsproblematik
  Aufgrund der unterschiedlichen geometrischen Formen der zu behandelnden Agrarprodukte ist ein erhöhte Anfälligkeit für Verstopfungen und Brückenbildung gegeben.
• - Reaktorgeometrie, Verstopfung
  Aufgrund der zur Begrenzung des Energiebedarfs erforderlichen hohen Feldstärken (Elektrobepulsung) sind auch bei hohen Pulsspannungen keine sehr großen Reaktordurchmesser reali­ sierbar. Kleine Reaktordurchmesser weisen eine hohe Verstop­ fungsneigung auf.
• - Produktverlust
  Zur Vermeidung von Produktverlusten (Vorextraktion) und zur Begrenzung der in der Betriebsflüssigkeit akkumulierenden Elektrolyten ist die Behandlung unversehrter Produkte (ganze Rüben, Äpfel, Tomaten, Gurken u. s. w.) sinnvoll jedoch nicht zwingend erforderlich.
• - Produktbehandlung
  Insbesondere bei Obst wird ein Aufschwimmen des Produkts beo­ bachtet. Damit kann keine ausreichende Behandlung mit Span­ nungsimpulsen erreicht werden.
• - Wirkung des elektrischen Feldes
  Zur Optimierung des erforderlichen Energieeintrags ist es er­ forderlich, dass das Produkt gegenüber dem gepulsten elektri­ schen Feld eine Relativbewegung ausführt. Es ist also eine kontinuierliche Förderung erforderlich.

Daraus hatte sich die Aufgabe ergeben, die zu der Erfindung führte, nämlich eine Anlage bereitzustellen, die es ermög­ licht, bei relativ geringen Förderquerschnitten hohe Massenströme, z. B. 600 Mg/h, kontinuierlich durch ein periodisch oder in vorgegebenen Zeitabständen gepulstes elektrisches Feld zu fördern. In Kombination mit geeigneten Impulserzeu­ gungseinrichtungen, z. B. eine Kondensatorbank mit einem ge­ steuerten oder im Selbstdurchbruch betriebenen Schalter, ein Marxgenerator, ist es möglich, einen nichtthermischen Zell­ aufschluss, durch irreversible Perforation der Zellmembrane von vegetativen Zellen, bei geringem spezifischem Energiebe­ darf großtechnisch durchzuführen.

Die Aufgabe wird durch einen Elektroporationsreaktor gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dieser besteht aus: einer zylindrischen, elektrisch isolierten oder aus die­ lektrischem Material hergestellten Trommel, die um ihre Zy­ linderachse/Rotationsachse, horizontal liegend, umläuft. Auf ihrer äußeren Mantelfläche sind Mitnehmer, über den Umfang verteilt, angebracht. Die Mitnehmer sitzen parallel zur Rota­ tionsachse der Trommel und sind radial nach außen ausgerich­ tet. Eine doppelwandige Kammer aus dielektrischem Material umgibt die Trommel mit ihren Mitnehmern bis auf einen ober­ halb der Drehachse liegenden offenen Bereich berührungslos und äquidistant. Eine Prozessgutaufgabevorrichtung mündet in den offenen Bereich der Kammer und dockt mit dem obenliegen­ den Bereich ihrer Mündung an der Innenwand der Kammer am obe­ ren Rand des offen liegenden Bereichs an. Am unten liegenden Bereich der Mündung ist ein Zuführrechen angebaut, durch den die Mitnehmer der Trommel laufen. Eine Austragsschurre setzt am untenliegenden offenen Bereich der Kammer an der Innenwand an. Ein Austragsrechen, durch den die Mitnehmer der Trommel nach dem Auftauchen aus der Prozessflüssigkeit ebenfalls lau­ fen, sammelt das herangeförderte, inzwischen elektrisch pro­ zessierte Prozessgut auf und lenkt es auf die Austragsschurre zum Weitertransport.

In der Aufstellung im tiefstliegenden Bereich der Reaktions­ kammer ist in der äußeren Begrenzung der Reaktionskammer min­ destens eine zur Trommel hin blank liegende Elektrodengruppe aus mindestens einer Elektrode eingelassen, die sich höchs­ tens über die Höhe der Trommel erstreckt. Diese ist über ei­ nen gesteuerten oder im Selbstdurchbruch betrieben schnellen Schalter an einen externen elektrischen Energiespeicher, der für den Zweck hinreichend schnell an die Elektrodengruppe ge­ legt werden kann, nur an diese Elektrodengruppe angeschlos­ sen. Innerhalb vorgebbarer Zeitabstände wird jeweils ein ho­ hes elektrisches Potential an diese Elektrodengruppe gelegt, wodurch sich zu der auf der Trommel montierten Potential­ elektroden hin, die über die Trommelachse geerdet ist, ein möglichst homogenes elektrisches Feld ausbildet, das stets so stark ist, dass das mitgenommene, sich in der Prozessflüssig­ keit befindliche Prozessgut elektroporiert wird.

Bei der betriebsbereiten Anlage ist die zum Mantel der Trom­ mel hin exponierte Fläche jeder Elektrodengruppe stets voll­ ständig von der Prozessflüssigkeit benetzt. Auch ist jede Elektrodengruppe über einen eigenen Schalter an einen eigenen elektrischen Energiespeicher angeschlossen. Ein solcher Ener­ giespeicher ist meist eine schnell entladbare Kondensator­ bank, um den elektrischen Feld- bzw. Spannungsanstieg in den Reaktionsbereichen stets hinreichend schnell zu schaffen. Marxgeneratoren sind hierfür gut geeignet.

Weiter Merkmale, die einerseits zweckmäßig und andrerseits einen Betrieb mit gutem konstanten Langzeitverhalten ermögli­ chen, sind:
Das Prozessgut mit geringer Rotationsgeschwindigkeit zwangs­ weise zu fördern und im Eintauchbereich (Entgasungszone) zu entlüften. Im Bereich der Hochspannungsbehandlung (Reakti­ onszone) erfährt das während der Bepulsung aufgebaute elek­ trische Feld durch die Relativbewegung der Elektroden unterschiedliche Ausrichtungen, was zu einer deutlichen Verbesse­ rung des Behandlungserfolgs führt.

Während des Betriebs steht der Pegel der Prozessflüssigkeit stets zwischen der Rotationsachse der Trommel und den am höchsten sitzenden Pulselektroden bzw. Elektrodengruppen. Der Eintauchbereich in die Prozessflüssigkeit ist über eine Tiefe von mindestens zwei mal dem Abstand zwischen den Potential- und Pulselektroden zur sicheren Entlüftung und damit Befrei­ ung von Luftblasen des Gemisches aus Prozessgut und Prozess­ flüssigkeit elektrodenfrei gehalten.

Die gesamte Anlage ist gegenüber der Umgebung elektromagne­ tisch abgeschirmt, um Störungen an außerhalb liegendem Gerät und liegenden Einrichtungen nicht eintreten zu lassen.

Der Elektroporationsreaktor eignet sich zum Prozessieren von stückigen Produkten, und zwar Agrarprodukte, wie Zuckerrüben, Kartoffel, Gemüse, Obst, Heilpflanzen und auch tierische Pro­ dukte.

Die Erfindung wird in ihrer Funktion und ihrem Aufbau im fol­ genden anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Die Zeich­ nung besteht aus den Fig. 1 bis 3. Sie zeigen im einzel­ nen:

Fig. 1 Schnitt Seitenansicht des Elektroporationsreaktors;

Fig. 2 Axialer Schnitt durch den Elektroporationsreaktor;

Fig. 3 Abwicklung der Mantelflächen des Reaktionsraums mit Elektrodenanordnung.

Die folgende Beschreibung erfolgt am Beispiel der Behandlung von Rüben:
Die zuvor gewaschenen Rüben gelangen über die Produktaufgabe­ vorrichtung 13 und den Zuführrechen 6 in die Zuführzone a des Elektroporationsreaktors und kommen in der Förderkammer zum Liegen. Die Förderkammer oder der Spalt mit Reaktionszone wird durch die Trommel 7 mit hier einem dielektrischem Über­ zug und die äußere Begrenzung der Reaktionskammer 12 gebil­ det.

Durch das Drehen der Trommel über die Antriebseinheit 4 streifen die Mitnehmer 5 die Rüben vom Zuführrechen 6 ab und ziehen diese in den Förderspalt zwischen Trommel 7 und äuße­ rer Begrenzung 12 der Reaktionskammer. Die zunächst noch trocken geförderten Rüben gelangen nach ca. einer ¼ Umdrehung der Trommel 7 in die Prozessflüssigkeitsvorlage, hier Wasser, des Elektroporationsreaktors. Den Eintauchbereich bildet die Entgasungszone b. Hier werden durch geeignete Maßnahmen wie Wassereindüsung, Vibration, anhaftende Luftblasen und Luft­ blasen entfernt. Dies ist wichtig, da die beim Durchschlagen der Hochspannung in Gasblasen Schockwellen entstehen, die den Reaktor allmählich, also länger- oder langzeitlich, in seiner Funktion beeinträchtigen, ihn sogar zerstören.

Nach dem Eintauchen in die Wasservorlage und der Entgasung werden die Rüben sukzessive in die Reaktionszonen c geför­ dert. Das sind gemäß Fig. 1 zwei, kann auch nur eine sein, können aber auch mehr als zwei sein. Die Pulsspannung, hier bis zu einigen 100 kV, wird über die metallischen Elektroden 1 in das Wasser eingekoppelt. Die mit Hochspannung beaufschlagbaren Elektroden 1 sind hier in der hochspannungs­ isolierenden Wand der Kammer 12 ohne Überhöhung eingebaut (siehe Fig. 1, 2 und 3). Die für die Hochspannungsentla­ dung erforderlichen Gegenelektroden 2, bzw. das Bezugs- oder Erdpotential, sind bzw. ist in der Mantelfläche der Trommel 7 durch die in den Spalt exponierten blanken Metallflächen her­ gestellt (siehe die Abwicklung in Fig. 3). Durch den Winkel­ versatz der einzelnen Pulselektroden erfährt das elektrische Feld ebenfalls unterschiedliche Ausrichtungen.

Nach dem Weiterdrehen der Förderkammern heben die Mitnehmer die prozessierten Rüben aus dem Wasserbad, sie werden dann über den Austragsrechen 14 aus der Förderkammer abgestreift. Hierbei kann das Rübenmaterial abtropfen und wird über die Austragsschurre 15 der weiteren Verarbeitung zugeführt.

Mitnehmer 5, Reaktorgehäuse 11 im Bereich der Reaktionskam­ mer, dielektrische Isolationsschicht der Trommel 7 sowie Hochspannungsisolation der Pulselektroden 12 sind aus elek­ trisch isolierendem Werkstoff wie Polyethylen natur, Poly­ ethylen schwarz, Polypropylen grau, Polyurethan PU, verstärk­ tes bzw. glasfaserverstärktem Werkstoffen hergestellt, bzw. durch dieses elektrisch isoliert.

Form und Oberfläche der Mitnehmer 5 sind so optimiert, dass die erforderliche mechanische Stabilität vorhanden ist und Hochspannungsgleitentladungen verhindert werden.

Zur Unterdrückung von elektromagnetischer Strahlung in die Umgebung ist die Anlage metallisch geschirmt.

Die oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegende Drehach­ se/Welle 3 der Trommel vermeidet nicht einfach zu beherr­ schende Abdicht- und damit elektrische Isolationsprobleme.

Claims (5)

1. Elektroporationsreaktor zur kontinuierlichen Prozessierung von stückigen Produkten als Prozessgut in einer Prozessflüs­ sigkeit mit Hochspannungsimpulsen bestehend aus:
einer kreiszylindrischen Trommel (7) aus Metall mit die­ lektrischem Überzug oder ganz aus dielektrischem Material, die um ihre horizontal liegende Zylinderachse/Rotations­ achse mit 0,5 bis 4 Umdrehungen pro min umlaufend betreibbar ist,
Mitnehmern (5) auf der äußeren Mantelwand der Trommel (7), die darauf gleichverteilt um den Umfang angebracht sind,
einem Gehäuse (11) aus dielektrischem Material,
das mit seiner Reaktorwand (12) die Trommel (7) mit ihren Mitnehmern (5) bis auf einen oberhalb der Rotationsachse (3) liegenden offenen Bereich berührungslos aber äquidistant um­ gibt,
einer Entgasungszone (b), einer Reaktionszone (c) im Spalt zwischen der Trommel (7) und der Reaktorwand (12) des Gehäu­ ses (11) sowie einer Zuführungszone (a) und einer Austrags­ zone (d),
die von den Mitnehmern (5) durchlaufen werden,
einer Prozessgut-Aufgabevorrichtung (13),
an deren unterem Bereich ein Zuführrechen (6) angebaut ist, der an der Zuführzone (a) des Elektroporationsreaktors ange­ bracht ist und durch den die Mitnehmer (5) der Trommel (7) laufen,
einem Austragsrechen (14),
durch den die Mitnehmer (5) der Trommel (7) laufen, um das herangebrachte, inzwischen prozessierte Prozessgut aufzusam­ meln und auf eine an der Austragszone (d) ansetzende Austragsschurre (15) zu lenken,
mindestens einer zur Trommel (7) hin blank liegenden Elek­ trodengruppe (1) aus mindestens einer Elektrode (1) im tiefstliegenden Bereich der Reaktorwand (12), die sich höchstens über die Länge des Trommelmantels erstreckt und stets vollständig von der Prozessflüssigkeit benetzt ist, wobei jede Elektrodengruppe über einen eigenen Schalter an ein ei­ genen elektrischen Energiespeicher angeschlossen ist, und
Gruppen von Öffnungen (2) im dielektrischen Überzug auf der metallischen Trommel (7) zum Spalt hin oder
Gruppen von zum Spalt hin blank liegenden geerdeten Elektro­ den darauf oder
auf der Trommel (7) aus dielektrischem Material,
wobei die blank liegenden Elektrodenflächen auf der Trommel (7) über die Trommelachse (3) geerdet sind,
Mitteln zur Erzeugung einer elektrischen Feldstärke von 10 kV/cm innerhalb von höchstens 3 µsec bei der im Spaltbereich mit Hochspannung zu beaufschlagenden Elektrodengruppe, damit das mitgenommene, sich in der Prozessflüssigkeit befindliche Prozessgut an seinen biologischen Zellen entlang deren je­ weiliger Hauptachse z, welche die längere Achse einer biolo­ gischen Zelle ist, mindestens einmal beim Durchgang die Schwellenpotentialdifferenz
Δϕ = z.E = 10 V
für irreversible Elektroporation erreicht,
einer Prozess-Flüssigkeitsfüllung im Spalt mit einem Pegel unterhalb der Drehachse (3) und oberhalb der höchstliegenden Elektrodengruppe
wobei die Entgasungszone (b) eine Tiefe des Eintauchbereichs des Prozessgut in die Prozessflüssigkeit über mindestens eine Spaltbreite zur sicheren Entlüftung des Gemisches aus Prozessgut und Prozessflüssigkeit aufweist.

2. Elektroporationsreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die an der Trommel (7) angebrachten Mitnehmer (5) einen dielektrischen Überzug haben oder aus einem dielektrischen Material sind,
biegesteif und an ihrer exponierten Oberfläche abriebfest und inert gegen die Prozessumgebung sind.

3. Elektroporationsreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Trommel angebrachten biegesteifen Mitnehmer (5) elastisch gelagert sind.

4. Elektroporationsreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er durch eine metallische Umhüllung nach außen hin elektromagnetisch dicht ist.

5. Elektroporationsreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die stückigen Produkte Agrarprodukte wie: Zuckerrüben, Kartoffel, Gemüse, Obst, Heilpflanzen und auch tierische Produkte, sind.