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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Elektroporieren von in eine
Prozessflüssigkeit
getauchten Früchten,
Beeren, Rüben,
Wurzeln. Diese biologisch pflanzlichen Produkte werden hier als
Prozessgut bezeichnet. Die Einrichtung besteht aus einem Reaktorraum
mit zwei sich darin gegenüberstehenden
Elektrodengruppen, die an den Ausgang einer elektrischen, pulsförmig entladbaren
Energiequelle angeschlossen sind, um im Reaktorraum zwischen den
beiden Elektrodengruppen gepulste elektrische Felder zu erzeugen.
Dabei wird vorübergehend
jeweils eine Feldstärke
derart erreicht, dass die biologischen Zellen des Prozessguts, das
einem solchen gepulsten elektrischen Feld mindestens einmal ausgesetzt
wird, irreversibel geöffnet
werden. Dieser Vorgang der Porenerzeugung an biologischem Zellmaterial
wird als Elektroporation bezeichnet, bzw. eine solche Zelle wird
elektroporiert. Bei großen
Massenströmen
ist das ein energiesparender Zellaufschluss dieses biologischen
Prozessguts.
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Zur
Elektroporation solcher großer,
industriell zu verarbeitender Massenströme ist einerseits ein ausreichend
großer
Förderquerschnitt
erforderlich, andererseits muss auf einer bestimmten Länge längs der
Förderrichtung
eine für
die Elektroporation ausreichend große Feldstärke über das dortige gesamte Volumen
gewährleistet
sein. Für
große
Förderquerschnitte
sind hierfür
vergleichsweise große
Elektrodenoberflächen
notwendig, die einen hohen elektrischen Strom mit sich bringen,
der nicht unbedingt wirtschaftlich aus einem Marx-Generator aufgebracht werden
kann. Aus Sicherheitsgründen
müssen
Einlass und Auslass des Prozessguts in genügend großer Entfernung vom Elektroporationsbereich
auf Massepotential liegen.
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Bei
der monopolaren Bepulsung führt
ein Leckstrom zu den Erdelektroden unter der Wasseroberfläche zu erhöhten Verlusten.
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Bisher
werden kleine kreisförmige
Elektroden mit stark inhomogenem Feld eingesetzt, die aus freilaufenden
Marxgeneratoren bepulst wurden. Durch das inhomogene Feld wird die
für die
Elektroporation nötige
Mindestfeldstärke
nicht über
den gesamten notwendigen Temperaturbereich in allen Reaktorbereichen
erreicht. Infolge der runden Elektrodengeometrie und der nicht synchronen
Bepulsung entstehen erhöhte
Randfeldverluste. Die Bepulsung des Prozessguts in einem homogenen
Feld ist Stand der Technik, wird aber bisher bei weitaus geringerer Spannung
und damit E-Feldstärke
und mit zeitlich längeren
Impulsen durchgeführt.
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Der
in einer gesellschaftseigenen, prototypischen Anlage „Mobile
KEA" angewandte
isolierte Betrieb des Marxgenerators besitzt den Nachteil, dass infolge
von Unsymmetrien des Elektroporationsprozessguts die Teilspannungen
an den beiden Ausgängen
gegenüber
Masse höhere
Werte als die halbe Ausgangsspannung annehmen können. Die Isolation ist somit
für mehr
als die halbe Generatorspannung auszulegen, im ungünstigsten
Fall für
die volle Generatorspannung. Beim mittig geerdeten Marx-Generator
kann die Strommesssonde vorteilhaft nahe dieser Erdung eingebaut
werden und muss dann nur für eine
vergleichsweise geringe Spannung isoliert werden. Bei schwankendem
Mittenpotential wie beim isoliert betriebenen Generator muss ein
erhöhter
Isolationsaufwand für
die Strommesssonde betrieben werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in weiten Bereichen homogenes
repetierend gepulstes elektrisches Feld hoher Feldstärke und
kurzer Pulsdauer in einem leitfähigen
Medium für
die industrielle Elektroporation großer Massenströme in einem
entsprechend großen
Volumen energieeffizient und betriebssicher bereit zu stellen.
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Die
Aufgabe wird durch eine Einrichtung zum Elektroporieren mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Energiequelle der Einrichtung
ist elektrisch bipolar aufgebaut. Sie besteht aus mindestens einem
bipolaren Hochspannungspulsgenerator mit zwei Hochspannungsausgängen, die
je eine der beiden Elektrodengruppen kontaktiert. Im Falle mehrerer
bipolarer Hochspannungspulsgeneratoren sind dieselben baugleich. Und
mindestens im Fall von zwei aber auch von mehr als zweien Hochspannungspulsgeneratoren
sind dieselben jeweils mit einer Triggereinrichtung versehen, um
sie zur vorgegebenen Zeit gleichzeitig zu zünden. Bei nur einem Hochspannungspulsgenerator
kann die Triggereinrichtung entfallen, wenn die Funkenstrecken des
Pulsgenerators im Selbstdurchbruch gefahren werden. Soll bei hinreichender
Ladespannung zeitbestimmt auch der eine Pulsgenerator gezündet werden,
ist dazu die Triggereinrichtung auch dann nötig.
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Die
beiden Elektrodengruppen bestehen aus jeweils mindestens einer Teilelektrode.
Es gibt also mindestens ein Teilelektrodenpaar, zwischen der das zur
der Elektroporation notwendige gepulste elektrische Feld aufgebaut
werden kann. Dabei ist eine Teilelektrode nur an einen Hochspannungsausgang
und nie an mehrere Hochspannungsausgänge angeschlossen. Umgekehrt,
ist ein Hochspannungsausgang an mindestens eine Teilelektrode angeschlossen.
Wichtig für
das vorgesehene Arbeiten der Elektroporationseinrichtung ist, dass
der an den Ausgang eines Hochspannungspulsgenerators angeschlossene
Lastkreis in seiner komplexen Impedanz dem an einen andern Hochspannungspulsgenerators
der Energiequelle angeschlossenen Lastkreis gleich ist. D.H. dass
die Induktivitäten
sowie die ohmschen Widerstände
einschließlich
der Anteile des Prozessguts in allen Teil-Stromkreisen nahezu gleich sind, so
dass sich gleiche Kurvenverläufe
ergeben. Hiermit kann bei der Entladung die gegenseitige Entkopplung
der Pulsgeneratoren eingehalten werden. Die mindestens zwei Hochspannungspulsgeneratoren
der Energiequelle sind während
der Entladung durch die durch die Prozessflüssigkeit zwischen den Teilelektroden
gebildeten elektrolytischen Widerstände voneinander entkoppelt.
Der Elektrolyt ist die Prozessflüssigkeit
samt eventuellen Lösungsanteilen
in der das Prozessgut darin geströmt wird. Bei einer gut eingestellten
Einrichtung überwiegt
der induktive Anteil der Teil-Stromkreisimpedanzen den ohmschen
Anteil, so dass dadurch der Einfluss resistiver Inhomogenitäten im Innern
des Elektroporationsraums auf den Kurvenverlauf reduziert wird.
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Durch
die komplexe Impedanz des Entladekreises ist der Verlauf der Spannung
zwischen den beiden Elektrodengruppen, bzw. der Strom durch das Prozessgut
festgelegt – RLC-Kreis-Entladung
(als Beispiel siehe 4). Prinzipiell legen Real-
und Imaginäranteil
der komplexen Impedanz den Verlauf fest, er kann bei von null verschiedenem
R und abhängig
davon von schwach gedämpft
schwingend über
aperiodisch gedämpft
bis stark gedämpft
verlaufen. Häufig
werden solche Einrichtungen zur Elektroporation stark gedämpft schwingend
bis aperiodisch gedämpft
betrieben, weil nur die erste Halbschwingung der Entladung als elektrische
Feldpulserzeugung für
den Prozess von Bedeutung, bzw. maßgebend ist. Anstieg und Amplitude
des Pulses sind dadurch einstellbar. Zur Schonung der Kondensatoren des
Marx-Generators wird aber unter Umständen auch der aperiodisch bis
stark gedämpfte
Entladeverlauf in Betracht gezogen.
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In
den Unteransprüchen
2 bis 10 sind Ausgestaltungen an der Einrichtung beschrieben, die
die Elektroporation vorteilhaft ablaufen lassen.
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So
ist/sind der/die Hochspannungspulsgenerator/en der Energiequelle
ein n-stufige/r Marx-Generator/en. Typisch für einen Marx-Generator ist
die parallele Aufladung seiner Stufen und die Reihenschaltung und
damit die Spannungsaddition dieser bei der Entladung. Daher ist
die Stufenzahl n bei einem Marx-Generator >= 2, insbesondere in Hinblick auf die
elektrische Bipolarität
der Einrichtung, da das Bezugspotential bei Zwangsanbindung zwischen
den Stufen eingerichtet wird oder im floatenden Fall sich dazwischen
einstellt. Der jeweilige Generatoranfang und das jeweilige Generatorende
eines Marx-Generators hat zwei verschiedene Hochspannungspotentialausgänge, an
die mindestens ein Teilelektrodenpaar angeschlossen ist (Anspruch
2). Die Marx-Generatoren sind gleichartig an ein Bezugspotential
angeschlossen. Das ist häufig
Erdpotential, kann aber auch davon verschieden sein, sofern es technisch begründet ist
(Anspruch 3). Wie in Anspruch 4 zum Ausdruck gebracht, ist das Bezugspotential
durch Anbinden nicht zwingend, es kann schweben, im technischen
Sprachgebrauch auch floaten genannt. Das Massepotential stellt sich
dann zwischen den beiden Elektrodengruppen im Reaktorraum geometrie-
und elektrolytbestimmt selbsttätig
ein.
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In
einem Strömungskanal
für das
Prozessgut stehen sich die Elektrodengruppen ortsfest (Anspruch
5) gegenüber
oder bewegen sich relativ zueinander (Anspruch 6). Im letzteren
Fall bewegen sich beide Elektrodengruppen oder nur eine davon. Das
ist beispielsweise der Fall, wenn Transportrechen oder -trommeln
als Baukomponenten einer solchen Einrichtung ausgewählt wurden.
Die Teilelektroden sind blank in den Reaktorraum exponiert und die festeingebauten
Teilelektroden einer Gruppe in der Reaktorwand versenkt oder bündig eingebaut
oder stehen erhaben im Reaktorraum.
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Eine
spezielle Ausgestaltung der Einrichtung wird in Anspruch 7 beschrieben.
Demnach besteht die Einrichtung zur Elektroporation aus dem Reaktorraum
in Form einer Wanne. Dort stehen sich zwei Wannenwänden gegenüber, zwischen
denen das in die Prozessflüssigkeit
getauchte Prozessgut durchströmt.
Die eine Wannenwand davon ist mit einer Gruppe u-förmigen Teilelektro den
und die andere davon ebenfalls mit einer Gruppe gleichartiger Teilelektroden
gleicher Anzahl bestückt.
Die Teilelektroden bezüglich
der Mittenebene zwischen diesen beiden Wänden stehen sich spiegelbildlich
mit offenem U gegenüber
und folgen in dieser paarweisen Anordnung in Strömungsrichtung aufeinander.
Zumindest der innere Bereich jeden U's liegt blank in der durchströmenden Prozessflüssigkeit.
In der diese beiden Wannenwände
verbindenden Wannenwand sind zwei Gruppen an gleichartigen Teilelektroden
eingelassen. Sie sind stab- oder bandförmig. Diese beiden Gruppen
stehen bezüglich
der oben erklärten
Mittenebene spiegelbildlich zueinander. Immer eine Teilelektrode
der einen Gruppe fluchtet mit der der spiegelbildlichen aus der
andern Gruppe, ohne sich zu berühren.
Die in das Wanneninnere exponierten Flächen dieser Elektroden liegen
blank in der durchströmenden
Prozessflüssigkeit.
Diese stab- oder
bandförmigen
Elektroden folgen ebenfalls paarweise in Strömungsrichtung aufeinander.
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Die
u-förmigen
Teilelektroden und die stab- oder bandförmigen Teilelektroden auf der
einen Seite der Mittenebene sind über mindestens einen bipolaren
Hochspannungspulsgenerator miteinander verbunden. Die u-förmigen Teilelektroden
und die stab- oder
bandförmigen
Teilelektroden auf der andern Seite der Mittenebene sind gleichartig
an mindestens einen solchen Hochspannungspulsgenerator angeschlossen.
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Eine
leitersprossenartige Anordnung elektrisch leitender Stäbe, die
miteinander elektrisch nichtleitend gekoppelt sind, bewegt sich
derart mit den jeweiligen beiden Stabenden durch die spiegelbildlich
zueinander sitzenden u-förmigen
Teilelektroden, dass die Längsachse
der Stäbe
stets senkrecht die Mittenebene durchdringen.
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Die
leitersprossenartige Anordnung mit den u-förmigen Elektroden durch den
oder die momentan durch ein u-förmiges
Elektro denpaar laufenden Stab oder Stäbe ist durch das Prozessgut
in der Prozessflüssigkeit
elektrolytisch gekoppelt, die stab- oder bandförmigen Elektroden ebenso, so
dass sich zwischen diesem Stab oder diesen Stäben und den stab- oder bandförmigen Elektroden
während
der Entladung des elektrischen Energiespeichers das zur Elektroporation
notwendige pulsförmige
elektrische Feld ausbildet. Durch die Anzahl an und die Dimensionierung
der u-förmigen
Elektroden kann der Verlauf des elektrischen Feldes hinsichtlich
seiner Homogenität/Inhomogenität entscheidend
geprägt
werden. Es kann sich nämlich
vorübergehend
immer nur ein Stab aus der leitersprossenförmigen Stabanordnung zwischen
zwei zueinander spiegelbildlichen, u-förmigen Elektroden befinden
oder mehr als einer, je nach eingestellter Abstandsfolge der Stäbe bzw.
Abstandsfolge und jeweilige Länge
der u-förmigen
Elektroden. Letztere folgen in beiden Gruppen gleichartig aufgestellt
aufeinander. Eine Ebene könnte
zwischen den Schenkeln dieser u-förmigen Elektroden durchgezogen
werden.
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Ist
die leitersprossenartige Stabanordnung wie nach Anspruch 8 kreisbandförmig geschlossen. Kann
der Reaktionsraum trommelförmig
aufgebaut werden. Ist die leitersprossenartige Stabanordnung in
der Art eines über
zwei Rollen umlaufenden Bandes zusammengefasst, kann der Reaktionsraum wannenförmig flach
sein (Anspruch 9).
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Zur
räumlichen
Begrenzung des pulsförmigen
elektrischen Feldes sitzt von der Strömung des Prozessguts her gesehen,
vor dem Eintritt in den Bereich der beiden Elektrodengruppen und
nach dem Austritt daraus je ein weiteres Elektrodenpaar, das mit
einem Bezugspotential wie Masse verbunden ist (Anspruch 10). Insbesondere
wird so bei resistiven Inhomogenitäten im Innern des Elektroporationsraums
einer Potentialverschleppung entgegenwirkt. Diese Maßnahme dient
vornehmlich der Anlagensicherheit.
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Mit
einer solchen Einrichtung ist ein breiter Homogenfeldbereich einstellbar,
das bedeutet geringerer Energieverlust im Randfeldbereich als bei
einzeln bepulsten punktförmigen
Elektroden. Die Aufteilung der Elektroden und die simultane Bepulsung
aus mehreren Hochspannungspulsgeneratoren/Marxgeneratoren bedeutet
geringerer Strom pro Marxgenerator als bei Bepulsung aus nur einem
Marxgenerator, d. h. längere
Komponentenstandzeit, insbesondere der Funkenstrecken, und modulare
Erweiterbarkeit der Anlage aufbauend auf einer erprobten Konstruktion
(siehe Anspruch 7 beispielsweise). Ein bipolarer Betrieb bedeutet
idealerweise kein Stromabfluss zu den Masseelektroden, d.h. geringere
Verluste, Wasseroberflächen
eintrags- und austragsseitig sind idealerweise spannungsfrei. Im
Sonderfall der symmetrischen Bipolarität hat man gegenüber Erdpotential
als speziellem Bezugspotential halbierte Spannung gegenüber Erde
verglichen mit monopolarem Betrieb. Technisch bedeutet das geringeren
Isolationsaufwand. Statt druckgasteilisolierter Leitung für 300 kV
können
handelsübliche
Elektrofilterkabel für
150 kV eingebaut werden.
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Mit
der Einrichtung lassen sich alle bisher bekannten Reaktorgeometrien
mit monopolaren elektrischen Energiequellen mit deutlich reduziertem
elektrischem Isolationsaufwand realisieren. Die Reaktorquerschnittsgeometrie
rund oder polygonal ist einsetzbar, und deshalb kann strömungstechnischen Forderungen
leicht nachgekommen werden. Polygonale Reaktorquerschnitte ab rechteckig, üblicherweise
quadratisch, sind gängig.
Vorzugsweise ist die Polygonalität
geradzahlig, um senkrechtes Gegenüberstehen der beiden felderzeugenden
Elektrodengruppen einrichten zu können.
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An
Hand der Zeichnung wird im folgenden die Potentiallinienausbildung
zwischen den beiden Elektrodengruppen erläutert und dann beispielsweise
für eine
geplante, bipolare Elektroporationseinrichtung für die Zuckerrübenprozessierung
in ihrer feldbildenden Elektrodenanordnung beschrieben. Die Figuren
zeigen:
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1 die
2D-Simulationeiner Plattenelektrodenanordnung,
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2 u-förmige Stromübertrager
auf durchlaufende Stangen,
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3 2D-Simulation
an der Wannenunterseite,
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4 gemessene
Stromverläufe.
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Obwohl
elektrisch ein asymmetrisch bipolarer Aufbau grundsätzlich möglich ist,
wird jetzt der symmetrisch bipolare Aufbau erläutert. Der elektrische Energiespeicher
besteht aus mindestens einem Hochspannungspulsgenerator in Form
eines mehrstufigen Marx-Generators.
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Die
einander gegenüberliegenden,
felderzeugenden Elektrodengruppen der Einrichtung zur Elektroporation
werden gleichzeitig mit betragsmäßig gleicher
Spannung unterschiedlicher Polarität beaufschlagt. Wie das Äquipotentiallinienbild
in 1 verdeutlicht, baut sich die Spannung von den
Elektroden zur Mitte des Reaktors hin und seitlich in Richtung Ein-
und Austragsöffnungen
ab. Bei idealer elektrischer Symmetrie stellt sich nach dem Prinzip
des Spannungsteilers in der Reaktormitte und insbesondere an den
Ein- und Austragsöffnungen
selbstständig
Massepotential ein.
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1 zeigt
die 2D-Simulation der beispielhaften Plattenelektroden-Anordnung.
Die eingetragenen Maße
sind in mm. Zwischen den beiden Elektrodengruppen, links im Bild
die negativ beaufschlagte und rechts im Bild die positivbeaufschlagte
Elektrodengruppe, und nahe um sie ist das Äquipotentiallinienbild eingezeichnet.
Die beiden Elektrodengruppe stehen im Abstand von 400 mm einander
gegenüber. Die
Elektrodenbreiten sind so gewählt,
dass sich für jede
Elektrode der gleicher Widerstand bzw. Strom ergibt. Im simulierten
Fall ergibt sich für
eine Flüssigkeitsleitfähigkeit
von 1,5 mS/cm ca. 33 Ohm pro halbem Meter Elektrodenlänge in der
Zeichenebene. In Zeichenebene sind mehrere Teilelektroden aneinandergesetzt,
um bei gegebenem Teilwiderstand eine größere Breite zu bepulsen. Wird
statt einer Verbreiterung die gleiche Anzahl an Elektroden in Förderrichtung
hintereinander geschaltet, erhöht
sich der Wirkungsgrad gegenüber
dem Fall der Reaktorverbreiterung, da sich das Verhältnis von
Homogenfeldbereich zu Randfeldbereich verbessert.
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Als
maßgebliche
Elemente des Spannungsteilers wirken die Teilwiderstände im Fördergut
sowie die Induktivitäten
der Zuleitungen und Marx-Generatoren. Eine PSPICE-Simulation zeigt,
dass der induktive Anteil eine Versteuerung des ohmschen Anteils durch
das Fördergut
abmildert. Voraussetzung für eine
gute Spannungsaufteilung sind gleiche Induktivitäten in beiden Zuleitungszweigen,
dem mit positivem und dem mit negativem Potential. Das wird entweder
durch einen streng symmetrischen Aufbau oder eine Ausgleichsinduktivität erreicht,
die vorteilhafterweise masseseitig nahe der Generatormittenerdung
angebracht ist. Die sicherheitshalber ein- und austragsseitig eingebauten
Masseelektroden sind Idealerweise stromlos (siehe 3).
Sie haben eine Schutzfunktion im Falle von Unsymmetrien des Förderguts,
die sich nicht vollständig
vermeiden lassen. Durch den bipolaren Betrieb wird ferner die Spannungszuführung zu
den Elektroden für
eine reduzierte Spannung ausgelegt.
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Bei
der Elektroporationsanlage für
Zuckerrüben
erfolgt die Förderung
mittels eines mitnehmerbestückten
Förderrades
(siehe den Fördertrommelausschnitt
mit dem Prozessraumbereich in 2). Aufgrund
verfahrenstechnischer Gegebenheiten (Rüben förderung) ergibt sich der geringste
Begrenzungsabstand des Elektroporationsraums von 30 cm für die geplante
Anlage zwischen Förderrad
und Wannenboden. Dementsprechend müssen die Elektroden in der
Bodenwanne und auf den Förderrad aufgebracht
werden. Das Förderrad
wird mit elektrisch leitenden Stangen belegt, die nahezu die gesamte
Reaktorbreite überspannen.
Die Stangen haben einen Durchmesser von ca. 1-2 cm, ihr Abstand zueinander
liegt ebenfalls zwischen ca. 1-2 cm. Im Elektroporationsbereich
werden die Stangen mittels flach oder u-förmig ausgeführten Elektroden, dem Stromübertragerpaar,
elektrolytisch mit der Spannungsquelle verbunden. Durch dieses u-förmige Stromübertragerpaar,
dessen beide Elektroden sich bezüglich
der Mittenebene mit der Öffnung
spiegelbildlich gegenüber
stehen, läuft
die Stange, die durch zwei von einer Drehachse (hier nicht sichtbar,
ist oberhalb der dargestellten 2) radial
ausgehenden Stäben
elektrisch nicht leitend gehalten wird, und hat elektrolytischen
Kontakt mit diesen. (siehe Skizze Bild 2). Dem in der 2 sichtbaren
Stromübertragerpaar
und der momentan durch sie laufenden Stange liegen die beiden zueinander
fluchtenden, schmalen plattenförmigen
Elektroden im Wannenboden gegenüber,
die sich nicht unmittelbar elektrisch leitend berühren. Die
an der linken Seitenwand sitzende u-förmige Elektrode und die darunter
liegende bandförmige,
in die Mitte des Reaktorraumes horizontal ragende Elektrode sind
an den mittig geerdeten, stilisierten Marx-Generator bipolar angeschlossen.
Rechts im Bild die beiden gleichen Elektroden ebenso an den zugeordneten
baugleichen Marx-Generator. Bei der zeitgleichen Entladung der beiden Marx-Generatoren
bildet sich zwischen der durch die beiden U-Elektroden laufende
und damit dort elektrolytisch koppelnde Stange und den beiden darunter liegenden
beiden bandförmigen,
fluchtenden Elektroden das für
die Elektroporation notwendige elektrische Feld E aus. Gleichzeitig
sind beide Marx-Generatoren über
die widerstandsbehaftete elektrolytische Kopplung der Elektroden mit
der Stange und der beiden sich berührungslos gegenüberstehenden
Elektroden im Prozessraumboden voneinander entkoppelt.
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Die
2D-Simulation in 3 zeigt die beispielhafte Elektrodenanordnung
mit Plattenelektroden an der Wannenunterseite und Rundelektroden
als Fördertrommelauflage
(Äquipotentiallinienbild).
Die 3 zeigt die Anordnung in der Abwicklung. Ganz links
und ganz rechts sind Masseelektroden eingezeichnet, die knapp unterhalb
der Oberfläche
des Suspensionswassers liegen.
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Im
Einzugs- und Austragsbereich knapp unter der Wasseroberfläche werden
die Stangen durch geerdete Elektroden mit Massepotential verbunden. Auf
dem Wannenboden im Elektroporationsbereich sowie an den Wänden im
Einzugs- und Austragsbereich sind als Gegenelektroden ebenfalls
Stangen oder schmale Platten eingebaut, die im Elektroporationsbereich
auf entgegengesetztem Potential bzw. nahe der Wasseroberfläche auf
Massepotential liegen.
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Die
abmessungsbedingt hohen Ströme
können
von einem einzigen Generator nur mit unvertretbar großem Aufwand
geliefert werden. Wegen mit weniger Aufwand durchführbarer
Realisierung werden aus diesem Grund mehrere synchron getriggerte Marxgeneratoren
parallel das Volumen bepulsen. Um hierbei jitterbedingte Energiependelungen
zwischen den Marxgeneratoren zu dämpfen bzw. zu vermeiden, können die
Generatoren nicht ohne zusätzlichen
Widerstand auf eine Elektrode zusammengeschaltet werden. Statt einer
großen
Elektrode werden daher mehrere nebeneinanderliegende kleine Teilelektroden
eingebaut, die flächig,
stab- oder bandförmig
sein können
oder sonst eine technisch sinnvolle Form/Geometrie haben. Die an
die Teilelektroden gleichartig angeschlossenen Marx-Generatoren
sind dann nicht direkt, sondern über
einen Widerstand parallel geschaltet. In diesem Fall (2),
wie oben erläutert,
fungiert als Widerstand der elektrolytische Widerstand zwischen
zwei benachbarten Teilelektroden.
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4 zeigt
für den
stark gedämpften
Betrieb beispielhaft eine Schar gemessener Stromverläufe mit
Scheitelwerten zwischen 5 und 7 kA, einer Halbwertsbreite von ca.
1,4 μs und
einem leichten Durchschwingen zwischen 0 und ca. 20 %. Die Variation rührt von
der unterschiedlichen Prozessgutschüttung her. Entscheidend für die Elektroporation
ist die Feldstärke.
Scheitelwerte der Feldstärke
wurden zwischen 10 kV/cm und 15 kV/cm bei Pulsrepetitionsraten bis
zu 8 Hz erzeugt. Dadurch konnten 2 kV/cm Mindestfeldstärke und
4kV/cm im Mittelbereich in einem stark inhomogenen Feld erreicht
werden. Puls-Halbwertsbreiten können
zwischen 1 μs
und ca. 2,5 – 3 μs variieren.
Diese beispielhaften Daten wurden bei der Elektroporation von Zuckerrüben aufgenommen.
Für anderes
biologisch pflanzliches Prozessgut muss eine angepasste, experimentell
optimierte Feldstärke
angesetzt werden.
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Legt
man alle Teilelektroden für
den gleichen Betriebsstrom aus, zeigt sich, dass die mittleren Elektroden
bei gleichem Strom fast doppelt so breit sind wie die randseitigen
Elektroden. Dies rührt
daher, dass die außen
liegenden Elektroden zusätzlich
das Randfeld aufbauen müssen.
Bei begrenztem Generatorstrom lässt
sich also durch den synchronisierten Parallelbetrieb ein größeres Volumen
behandeln als bei frei laufenden Marxgeneratoren, bei denen für jede von
einem Generator bepulste Elektrodengruppe das Randfeld separat aufgebracht
werden muss. Um Randfelder an den seitlichen isolierenden Wänden auszuschließen, werden
die Elektroden bis nahe an diese Wände geführt. Randfelder treten somit
nur noch am Ein- und Auslass auf. Die Simulationen haben gezeigt,
dass ein langer Reaktor, mit möglichst geringem
Eingangsquerschnitt energetisch optimal ist. Ist förderungstechnisch
eine Mindestbreite vorgegeben, erhält man den kleinstmöglichen
Eingangsquerschnitt, indem man die Mindestbreite in beide Richtungen
ansetzt.