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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von Algenbioprodukten unter Verwendung von Ultraschall und ist dadurch gekennzeichnet,
dass eine Algensuspension von Algen mit festen Zellwänden wie
beispielsweise Chlorella vulgaris hergestellt wird, die Algensuspension einer
Durchflusszelle zugeführt
wird und die Algensuspension in der Durchflusszelle in einem sehr schmalen
Spalt mit Ultraschallwellen beaufschlagt wird, derart, dass die
Algenzellwände
gelockert und/oder perforiert, aber nicht zerstört werden.
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Anwendungsbereich
der Erfindung ist die Gewinnung von Inhaltstoffen aus Algen mit
festen Zellwänden
und deren Nutzung als Nahrungsergänzung und/oder in der Medizin
und/oder der Pharmazie und/oder in der Kosmetik durch Perforierung
der Zellwände
der Algen, wobei die Erfindung vorteilhafterweise in Zusammenhang
mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Vermehrung der Algen,
deren Separierung aus der Kultursuspension angewendet werden kann.
Die Erfindung kann auch auf andere biologische Zellen angewendet
werden, jedoch ist sie zum Aufschluss von Algen besonders vorteilhaft
und speziell an die widerstandsfähigen,
festen Zellwände von
Blau- und Grünalgen
einer Größe von beispielsweise
3 bis 5 μm
Durchmesser angepasst.
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Algen
enthalten wichtige Inhaltstoffe, die in der Ernährung, Medizin, Pharmazie und
Kosmetik Verwendung finden. Sie werden unter Einhaltung bestimmter
Prozessparameter wie Versorgung mit Mineralstoffen, Sauerstoffzufuhr
und Lichtintensität
erzeugt. Eine Reihe von Algenstämmen
sind besonders ertragreich und lassen sich wirtschaftlich günstig erzeugen,
d.h. in Kultur vermehren. Jedoch ist ihre Beschaffenheit robust
und stabil, das betrifft vorrangig ihre festen Zellwände. Feste
Zellwände
senken den Verwertungsgrad der Algen, indem die Inhaltstoffe schwerer
zugänglich
sind. Das reduziert die Wirtschaftlichkeit der Algen als Rohstoffbasis.
Zur Erhöhung
des Nutzwertes der Algen ist eine Perforation und Lockerung der
Zellen geeignet. Das kann verfahrenstechnisch auf biochemischem
oder physikalischem Wege erfolgen.
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Nach
dem Stand der Technik sind sowohl Aufschlussverfahren ohne die Anwendung
von Ultraschall, als auch Aufschlussverfahren mit Hilfe von Ultraschall
bekannt. Ultraschallverfahren nach dem Stand der Technik nutzen
Schallwellen als longitudinale Materiewelle zur periodischen Kompression
und Dehnung (Expansion) von Zellsuspensionen. Wenn die Expansion
stärker
ist als der Gegendruck des Lösungsmittels,
im Falle von reinem Wasser also stärker als etwa 1000 Atm, werden
Kavitationsblasen erzeugt. Die Größe der Blasen ist dabei unter
anderem von der Frequenz des eingesetzten Ultraschalls abhängig.
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Ultraschall
kann die Blasen stabilisieren oder auch zu deren Implosion führen, beispielsweise
mittels hochfrequenter Ultraschallschwingungen bei ca. 20 kHz, wobei
für Nanosekunden
Temperaturen von über
5000 Kelvin erreicht werden. Wenn die Kavitationsblasen auf feste
Körper
treffen, werden sie mit etwa 400 km/h an den Berührungspunkt gedrückt, dadurch
ist das Druckprofil nicht mehr gleichmäßig und die Zellen zerbrechen.
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Es
ist bekannt, Ultraschall zur Separierung von Zellen in Zellsuspensionen
einzusetzen, d.h. zur Vereinzelung von Zellen und/oder deren Ablösung von
Oberflächen.
Dies entspricht nicht dem Einsatzbereich der Erfindung.
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Es
ist ebenfalls bekannt, Ultraschall zur Perforation von Mikroorganismen
einzusetzen, um Substanzen durch die Zellmembran zu transportieren Nachteilig
ist, dass die Verfahren nach dem Stand der Technik nur für Mikroorganismen
mit einer Zellmembran ohne Zellwand einsetzbar sind, also für Bakterien,
Hefen, niedere Pilze und teilweise Protozoen. Die bekannten Verfahren
sind nicht in der Lage, die festen Zellwände von Algen zu perforieren. Vor
allem Kugelalgen wie beispielsweise Clorella-Arten weichen physikalischen
Einflüssen
aus. Algen sind Pflanzen. Pflanzliche Zellwände unterscheiden sich in ihrer
Zusammensetzung deutlich von Zellmembranen anderer Organismen und
auch deutlich von den Zellwänden
der Gramnegativen und Gram-positiven Bakterien. Pflanzenzellwände sind äußerst komplexe
Strukturen die zu vielen detaillierten Analysen herausgefordert
haben, auf die hier nur zusammenfassend eingegangen werden soll:
Die Primäre
Pflanzenzellwand ist eine komplizierte Anordnung von Kohlenhydraten,
Hemicellulosen, Polyuroniden, Pflanzen gummi und/oder Schleimen.
Die sekundären
und tertiären
Zellwände
enthalten Struktur-bildende und versorgende Materialien. Bei den meisten
Pflanzen ist die Hauptstruktursubstanz die Cellulose, die ein Netzwerk
aus submikroskopischen Mikrofibrillen aufbaut. In den Zwischenräumen des Netzwerks
sind Inkrusten eingelagert, wie z.B.
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Lignin,
Kieselsäure
(bei Kieselalgen), Calciumcarbonat und/oder Calciumoxalat. Zusätzlich kann
noch ein Abschlussgewebe aufgelagert sein.
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Gerade
das submikroskopische Cellulose-Netzwerk macht die Perforation unter
Beibehalt der Lebensfähigkeit
der Zellen so schwierig und nach dem Stand der Technik nicht möglich.
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Hochdruckhomogenisatoren
führen
nicht zum Ergebnis, der Energieaufwand ist sehr hoch und eine Perforierung
ist nicht gezielt möglich.
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Nach
dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, mit denen Zellen,
Zellwände
und Zellmembranen aufgebrochen oder perforiert werden. Diese Verfahren
sind jedoch nicht geeignet, Algen mit festen Zellwänden effizient
im Produktionsmaßstab
zu perforieren.
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Das
gezielte Perforieren ist mit einem Hochdruckhompgenisator nicht
möglich.
Auch ist der Energieaufwand viel zu hoch.
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Kugelmühlen zerkleinern
Zellwände
ungezielt in einem Mahlprozess. Kugelmühlen sind nicht in der Lage,
sehr kleine Zellwände
zu zerkleinern, diese weichen aus und/oder bieten eine zu geringe
Angriffsfläche.
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Die
DE 19842005/EP 0983968 [Dr. Hielscher GmbH et al.] beschreibt eine
Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von biologischen Abfällen, vorzugsweise
Klärschlämmen, welche
lebende Mikroorganismen enthalten, unter Verwendung von Ultraschall.
Hierbei werden die biologisch wirksamen Bakterien einer Teilmenge
mit Hilfe von Ultraschall biologisch aktiviert und anschließend der
Restmenge wieder zugeführt,
wobei vorzugsweise eine Ultraschall-Leistung von 15 kWs/l bis 30
kWs/l mit konstanter Amplitude von 5 μm bis 100 μm mit genau definierter Intensität von vorzugsweise
30 W/cm bis 80 W/cm zum Einsatz kommt. Das Behandlungsbehältnis und
die damit verbundene Ultraschallsonde sind dadurch gekennzeichnet,
dass je nach Art der biologischen Abfälle die Amplitude der Sonotrode
und damit der Energieeintrag pro Flächeneinheit optimal an den
zu behandelnden Abfall angepasst ist, wobei die Amplitude konstant
geregelt ist. Dieses Verfahren eignet sich prinzipiell auch zur
Behandlung von kompostierbaren Abfällen, wobei die im kompostierbaren Abfall
enthaltenen Mikroorganismen (Bakterien) aktiviert werden, um dann
die Pflanzenreste im Kompost abzubauen. Pflanzenzellen werden mit
diesem Verfahren nicht perforiert und auch nicht aktiviert. Algen sind
in kompostierbaren Abfällen
nicht enthalten. Eine Perforation von Algen ist nach der in der
DE 19842005/EP 0983968 beschriebenen Erfindung nicht möglich.
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Die
DE 19517381 C1 [Tesser,
Oßwald]
beschreibt eine Einrichtung zum Zerstören zellulärer Strukturen in Schlämmen biologischer
Kläranlagen mit
dem Ziel, die Inhaltstoffe der mit Hilfe von Ultraschall komplett
zerstörten
Zellen durch die noch intakten Zellen verstoffwechseln zu lassen.
Hierin ist der Abstand zwischen Ultraschallgeber und Gefäßwand mehrere
mm breit. Mit der beschriebenen Vorrichtung ist es nicht möglich, die
Zellwände
von Algen zu perforieren. Algen kommen in Klärschlamm praktisch nicht vor.
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Die
EP 0808803 A1 ,
US 5895577 [Telsonic AG]
beschreibt ein Verfahren zur kontinuierlichen Desintegration von
Mikroorganismen in Klärschlamm,
wobei ein Resonator asymmetrisch exzentrisch in einem Behandlungsgefäß angeordnet
wird und den Schlamm mit einer Intensität von 500 W/m
2 bis
1500 W/m
2 beaufschlagt. Die exzentrische
Anordnung verhindert dabei, dass sich die Ultraschallwellen aus
verschiedenen Richtungen gegenseitig aufheben. Hierbei beträgt der kleinste
Abstand zwischen Resonator und Gefäßwand noch mindestens mehrere
Millimeter bis Zentimeter. Diese Anordnung ist nicht in der Lage,
die Zellwände
von Algen unter Erhalt ihrer Lebensfähigkeit zu perforieren.
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Ferner
ist nach dem Stand der Technik [BASF, Bechtel, Gilbert, Wagner: „Grundlagenuntersuchungen
zur Herstellung von (Öl/Wasser-)
Emulsionen im Ultraschallfeld" veröffentlicht
in Chemie Ingenieur Technik (71)(1999) Seiten 810-817 und (72)(2000)
Seiten 450-459] eine Durchflusszelle mit verstellbarem Boden bekannt,
bei den der Abstand zwischen Ultraschallgeber und Wand bzw. Boden des
Behandlungsgefäßes in jeder
eingestellten Position ebenfalls mehrere cm beträgt. Mit dieser Technik ist
es nicht möglich,
Algen mit festen Wänden
zu perforieren.
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Nachteilig
beim Stand der Technik ist, dass es zwar möglich ist, bakterielle, tierische
und teilweise pflanzliche Zellen aufzuschließen und/oder zu perforieren,
dass jedoch die widerstandsfähigen
festen Zellwände
von Algen nach dem Stand der Technik nicht perforiert werden können, ohne
sie zu zerreissen und/oder zu zerstören.
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Die
stabilen Zellwände
von Algen mit festen Zellenwänden,
wie zum Beispiel Chlorella vulgaris, sind – im Gegensatz zu den Membranen
anderen Mikroorganismen – durch
Ultraschallaufschlussverfahren, nach dem Stand der Technik, bisher
nicht perforierbar.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Perforation von Algen mit festen Zellwänden mit Hilfe von Ultraschall
zu schaffen, wobei die Algenzellen nicht vollständig zerstört oder zerrissen, sondern
perforiert werden und die in den Algen enthaltenen Substanzen schonender
extrahiert werden, wodurch Algenbioprodukte mit einem höheren Verwertungsgrad
erzeugt werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale im kennzeichnenden Teil der Hauptansprüche im Zusammenwirken
mit den Merkmalen im Oberbegriff. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen
enthalten.
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Ein
besonderer Vorteil besteht darin, dass das gewonnene Algenbioprodukt
nicht mit Zellwand-Bruchstücken
und/oder unerwünschten Zell-Bestandteilen
verunreinigt wird und dass die gewünschten Substanzen durch die
Ultraschallbehandlung in eine für
den tierischen und menschlichen Körper zumindest besser verwertbare
Form. gebracht werden, indem
- – eine Algensuspension
hergestellt wird,
- – die
Algensuspension einer Durchflusszelle zugeführt wird und
- – die
Algensuspension in der Durchflusszelle in einem sehr schmalen Spalt
mit einer Breite wenige μm
größer als
die halbe Amplitude der Sonotrode, im Bereich von beispielsweise
200 μm bis
1 mm, mit Ultraschall beaufschlagt wird derart, dass die Algenzellwände gelockert
und/oder perforiert, aber nicht zerstört werden.
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Die
minimale Spaltbreite ergibt sich aus der gewählten Amplitude der Sonotrode.
Sie muss in jedem Fall größer sein
als die halbe Amplitude Spitze zu Spitze, so dass die Sonotrode
nicht aufsitzt.
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Schwingt
die Sonotrode beispielsweise mit einer Amplitude von 40μm entspricht
dieser Wert dem Ausdruck von Spitze zu Spitze, das heisst von Schwingungsmaximum
positiv zu Schwingungsmaximum negativ um die Ruhelage. Soll die
Sonotrode nicht den Zellenboden berühren, muss der Abstand folglich
größer sein
wie der Abstand von der Ruhelage zum Zellenboden. Das wird ausgedrück mit der halben
Amplitude, im Beispiel sind es 20μm,
plus einem gewünschten
Wert für
die Spaltbreite, zum Beispiel 200μm.
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In
Form, Größe und Entwicklung
zeigen die Organismen der Pflanzenklasse Algen im Vergleich zu anderen
Klassen die größte Verschiedenheit
und Vielfalt. Die erfindungsgemäße Ultraschallbehandlung
ermöglicht
es, sich dieser Vielfalt bezüglich
der Zellwandlockerung und -perforierung anzupassen.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand von zumindest teilweise in den
Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
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Es
zeigen:
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1 eine
Seitenansicht (Schnitt) der erfindungsgemäßen Durchflusszelle mit verstellbarem Boden.
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2 eine
weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Durchflusszelle mit höhenverstellbarer
Sonotrode.
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3 ein
Fließschema
für das
technische Verfahren zur Herstellung von Algenbioprodukten mit Ultraschallwellen-Behandlung
als vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
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1 zeigt
den Längsschnitt
einer Seitenansicht der erfindungsgemäßen Durchflusszelle mit verstellbarem
Boden.
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Zwischen
der verstellbaren Bodenplatte 4 der Durchflusszelle und
der Sonotrode 1 verbleibt gemäß der Erfindung ein schmaler
Spalt 6, durch den die Zellsuspension strömt, beispielsweise
mit einer Durchflussgeschwindigkeit von 1,5 Litern/min und einem
Druck von 2 bar bis 10 bar, vorzugsweise 5 bar, wobei die einfachen
Pfeile eine vorteilhafte Fliessrichtung zeigen. Ein oder mehrere Einlassöffnungen müssen mittig
gegenüber
der Sonotrode 1 angeordnet werden. Das ist zwingend notwendig,
weil durch die Einstellung des schmalen Spaltes 6 zwischen
Sonotrode 1 und verstellbarer Bodenplatte 4 die
Hubbewegung der Sonde das zu behandelnde Medium zusätzlich in
eine rechtwinklige Bewegung zur Sonotrodenbewegung, also quer zur
Schwingungsebene, zwingt. Es entsteht eine dynamische Wechsellast. Die
Kavitationsintensität
wird gegenüber
der Sonotrode mit größerem Abstand
zur verstellbaren Bodenplatte 4 deutlich erhöht. Durch
das mittige Einbringen des Mediums mit Druck kann der erhebliche
Widerstand der Sonotrode überwunden
werden.
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Der
Spalt 6 ist einstellbar auf eine Breite im Bereich von
0 mm bis 1 mm, vorzugsweise 0,5 mm.
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Die
Größe der Kavitationsblasen
kann variieren. Sie ist eine Funktion der schwingenden Amplitude,
der Frequenz, des Druckes, der Temperatur und der Beschaffenheit
des Mediums selbst. Mit steigendem Druck werden die Kavitationsblasen
kleiner mit größer werdendem
Energiegehalt. Die Optimierung des Effekts wird durch die Beeinflussung
der Kavitation im Nahfeld erreicht. Dabei werden die Parameter Amplitude,
Frequenz, Druck, Temperatur und/oder der Sonotrodenabstand vom Boden
verändert.
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Ein
erfindungsgemäß schmaler
Spalt bewirkt, dass zusätzlich
zur Kavitation durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten
quer zur Schwingungsebene der Ultraschallwellen extrem starke Scherkräfte auf
die Zellwände
wirken. Dadurch sind die Algen intensiver der Ultraschallenergie
ausgesetzt, als nach dem Stand der Technik üblich. Gemäß der Erfindung wird eine Perforation
oder Lockerung der Zellwände der
Algenzellen ohne deren komplette Zerstörung bewirkt. Durch die exakte
Einstellung der geregelten Amplitude, des Abstandes, des Druckes,
der Durchflussmenge und der Temperatur, erhalten die Zellwände nachweisbar
eine zweckdienliche Perforation. Je nach Algenart werden die Parameter
optimiert. Die Fläche
der eingesetzten Sonotrode 1 wird sehr groß gewählt, beispielsweise
30 mm bis 100 mm im Durchmesser, vorzugsweise 60 mm. Die durch die Beaufschlagen
mit Ultraschall hervorgerufene Gesamtbewegung einzelner suspendierter
Zellen ist dabei größer als
0,1 mm. Der eingesetzte Ultraschall hat dabei eine Leistung bis
zu 20 kW pro Sonotrode, vorzugsweise 2 kW, eine Intensität zwischen
40 W/cm2 und 300 W/cm2,
vorzugsweise 100 W/cm2 und eine Frequenz
zwischen 16 kHz und 50 kHz, vorzugsweise 17-20 kHz.
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Gegenüber der
Sonotrode 1 sind eine oder mehrere Einlassöffnungen
mit einem Durchmesser Ø B
angeordnet, wobei der Durchmesser der Sonotrode Ø A mindestens zehnmal größer ist
als der Durchmesser der Einlassöffnung Ø B. Die
Auslassöffnung ist
an beliebiger Stelle angeordnet, derart dass der Spalt 6 und
der Druck in der Durchflusszelle gewährleistet sind.
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Überraschend
ist, dass die Kombination der im erfindungsgemäß schmalen Spalt entstehenden Scherkräfte genau
derart mit der durch den Ultraschall verursachten Kavitation zusammenwirken, dass
die Zellwände
der Algen in genau dem richtigen Maß gelockert und perforiert
werden, um gewünschte
Inhaltstoffe durch die Zellwand passieren zu lassen, ohne die Zellen
komplett zu zerstören.
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Der
weitgehende Erhalt der Zellwände
hat zusätzlich
den Vorteil, dass die "leeren
Hüllen" bei Bedarf leicht
abgetrennt werden können
und dass das gewünschte
Produkt oder Extrakt nicht mit Zellwand-Bruchstücken verunreinigt ist.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil der Erfindung liegt darin, dass sich dadurch die Algeninhaltstoffe
besser verdauen und resorbieren lassen und dass sie sich besser
extrahieren lassen; ersteres ist vorteilhaft für Ernährung und Medizin, letzeres
für Pharmazie
und Kosmetik. Positive Veränderungen
der Algenbioprodukte im Vergleich zu unbehandelten Algen sind beispielsweise
die Erhöhung
der Resorbierbarkeit von spezifischen sekundären Algenstoffen, die Steigerung
der Verdaulichkeit von Algeninhaltstoffen, der Anstieg des physiologischen
und medizinischen Nutzeffektes und der Stoffverwertung sowie die
Verbesserung des ökonomischen
Nutzwertes der Algenbioprodukte. Wesentliche Inhaltstoffe sind beispielsweise
sekundäre
Pflanzenstoffe, Vitamine, Mineralstoffe, Fettsäuren und/oder Aminosäuren.
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2 zeigt
eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Durchflusszelle mit höhenverstellbarer
Sonotrode, wobei die Bodenplatte 5 der Durchflusszelle
in diesem Ausführungsbeispiel
nicht höhenverstellbar
ist. Der erfindungsgemäße Spalt 6 entsteht
zwischen einer gegenüber
der Bodenplatte 5 verstellbaren Sonotrode 1 und
der Sonotrode 1. Das Prinzip dieser Ausgestaltung entspricht
der Beschreibung siehe 1.
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3 zeigt
ein Fließschema
für das
technische Verfahren zur Herstellung von Algenbioprodukten mit Ultraschallwellen-Behandlung
als vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. Eine Suspension der gewünschten
Algen wird im ersten Schritt D kultiviert, bis die Suspension etwa
2% Trockenmasse enthält. Im
nächsten
Schritt E wird die Algensuspension eingedickt, vorzugsweise durch
Zentrifugieren, bis die eingedickte Suspension beispielsweise 10%
Trockenmasse enthält.
Darauf folgt der Verfahrensschritt F der Behandlung der Algensuspension
mit Ultraschallwellen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei eine
Lockerung und Perforation der Algenzellwände stattfindet. Es ist vorteilhaft,
die Zellsuspension im Verfahrensschritt G nach der Ultraschallbehandlung
einzudicken, d.h. die darin enthaltene wirkungslose Flüssigkeit
zu verdrängen
und die aus den Zellen erhaltenen wirksamen Bestandteile auf ein
geringeres Volumen mit höheren
Trockenmasse-Anteilen zu konzentrieren. Hierzu wird die Algenbiomasse vorzugsweise
technisch getrocknet und/oder zentrifugiert, so dass ein Bioprodukt
mit beispielsweise 95% Trockenmasse entsteht. Im Schritt H erfolgt
die Präparation
des Algenbioproduktes und dessen Abfüllung für Lagerung und/oder Versand.
Schließlich erfolgt
im Schritt I die Anwendung des mit Ultraschall behandelten Bioproduktes
in Ernährung,
Medizin, Pharmazie und/oder Kosmetik.
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Vorteilhaft
bei diesem Ausführungsbeispiel ist,
dass die Algenmasse nicht dem Abbau ihrer eigenen Enzyme und einer
Proteolyse anheimfällt
und dadurch an Wert verliert. Das tritt beispielsweise nicht ein,
wenn die Algensuspension nach der Ernte mit einer NH3-Lösung versehen
wird, die dem Abbau entgegenwirkt.
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Die
Verfahrensschritte sind beispielhaft als vorteilhafte Ausgestaltungen
zu sehen. Es ist möglich,
einzelne Schritte auszulassen oder hinzuzufügen, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen.
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Die
Erfindung ist nicht beschränkt
auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele.
Vielmehr ist es möglich,
durch Kombination und Modifikation der genannten Mittel und Merkmale
weitere Ausführungsvarianten
zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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- 1
- Sonotrode
- 2
- schwingungsfreier
Flansch, mechanisch fest
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- verbunden
-
- mit
der Sonotrode
- 3
- Mantel/Gehäuse der
Durchflusszelle
- 4
- verstellbare/zustellbare
Bodenplatte
-
- gegenüber der
Sonotrode
- 5
- Bodenplatte
der Durchflusszelle
- 6
- Spalt
- Pfeil
- Fließrichtung
- a
- Hubbewegung
- Ø A
- Durchmesser
der Sonotrode
- Ø B
- Durchmesser
der Einlassöffnung
- Ø C
- Innen-Durchmesser
der Durchflusszelle
- D – I
- Verfahrensschritte
siehe Beschreibung zu 3