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Technisches Gebiet:
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung
organischer und/oder anorganischer Medien, insbesondere zum Zellaufschluss
pflanzlicher, vorzugsweise vitaler, Zellen oder Zellverbände
von Agrarprodukten, zum Beispiel in stückiger Form oder
in der Maische von Obst und Früchten, wie Trauben, wie
auch zum Aufschluss von tierischen Produkten.
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Stand der Technik:
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Die
Zellporation durch elektrische Felder ist ein in der Wein- und Saftbereitung
bekannt gewordenes Verfahren der Trauben- und Maischebehandlung,
welches es erlaubt, die Inhaltsstoffe der Beeren wirkungsvoll und
schonend zu extrahieren. Es ist hierzu eine Elektroporationsanlage
bekannt, mit der intakte biologische Zellen einer äußeren
elektrischen Spannung ausgesetzt werden, so dass unter bestimmten
Bedingungen ein irreversibler Durchbruch der Zellmembranen erfolgt.
Das behandelte Produkt wird thermisch praktisch nicht bzw. nur wenig
belastet. Der Vorgang kann deshalb zur Erhöhung der Saftausbeute
bei der Obst- und Gemüsesafterzeugung, zur Gewinnung einer
höheren Saftqualität, zur Produktverbesserung
bei der Extraktion, Laugung und Auswaschung pflanzlicher Rohstoffe,
zur Pasteurisation von Gemüse- und Obstsäften
und Bier, zur Ernte von Zellinhaltsstoffen (Hormone, Enzyme) in
biotechnologischen Herstellungsprozessen sowie zur Entkeimung von
Wasser und Abwasser eingesetzt werden.
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Durch
die
DE 10144479 A1 ist
ein Elektroporationsreaktor zur großtechnischen kontinuierlichen Prozessierung
von stückigen Produkten, insbesondere Agrarprodukten, wie
Zuckerrüben, Kartoffeln, Gemüse, Obst, Heilpflanzen
und auch tierischen Produkten, in einer Prozessflüssigkeit
mit Hochspannungsimpulsen, bekannt geworden, wobei die Agrarprodukte
in wie bei der Ernte anfallenden ganzen Elementen als absiebbare
Fraktion oder vorzerkleinert vorliegen. Eine Trommel mit Mitnehmern
auf ihrer äußeren Mantelfläche läuft
um in einer Pro zessflüssigkeit, meist Wasser, die in einer
Kammer gefasst ist, und nimmt das Gut, welches über eine Öffnung
zugeführt wird, mit. Das Erntegut lässt man beim
Eintauchen zunächst entgasen, bis es beim weiteren Transport
in die eigentliche Prozesszone gelangt, wo es kurzzeitigen elektrischen
Feldern hoher Stärke derart ausgesetzt wird, um hochwahrscheinlich
die für die Poration an den Zellwänden des Prozessguts
notwendige Potentialdifferenz entlang der längeren Zellachse
einwirken lassen zu können. Beim Weitertransport wird das
Gut über einen Rechen aus dem Reaktor gehoben und auf eine
Austragsschurre gelenkt. Die horizontal liegende, metallische Trommel ist
kreiszylindrisch und mit einem dielektrischen Überzug versehen
oder ganz aus dielektrischem Material, welche um ihre Zylinderachse
mit 0,5–4 Umdrehungen pro min umlaufen kann. Es sind Mitnehmer
auf der äußeren Mantelwand der Trommel vorhanden.
Ein Gehäuse aus dielektrischem Material umgibt mit seiner
Reaktorwand die Trommel mit ihren Mitnehmern bis auf einen oberhalb
der Rotationsachse liegenden offenen Bereich berührungslos
aber äquidistant. Es ist des Weiteren mindestens eine zur Trommel
hin blank liegende Elektrodengruppe aus mindestens einer Elektrode
im tiefstliegenden Bereich der Reaktorwand vorhanden, die sich über
die Länge des Trommelmantels erstreckt und stets vollständig
von der Prozessflüssigkeit benetzt ist, wobei jede Elektrodengruppe über
einen eigenen Schalter an einen eigenen elektrischen Energiespeicher
angeschlossen ist. Es sind Gruppen von Öffnungen im dielektrischen Überzug
auf der metallischen Trommel zum Spalt hin oder Gruppen von zum
Spalt hin blank liegenden geerdeten Elektroden vorhanden, wobei die
blank liegenden Elektrodenflächen auf der Trommel über
die Trommelachse geerdet sind, um im Spaltbereich der mit Hochspannung
zu beaufschlagenden Elektrodengruppe innerhalb von höchstens
3 μsec eine elektrische Feldstärke von 10 kV/cm
einrichten zu können, damit das Prozessgut an seinen biologischen
Zellen entlang der jeweiligen Hauptachse z mindestens einmal beim
Durchgang die Schwellenpotentialdifferenz Δφ =
zE = 10 V für irreversible Elektroporation erreicht. Das
Verfahren arbeitet mit hohen Feldstärken und benötigt
eine hohe Energie zu seiner Durchführung wie auch die Vorrichtung
einen großen Platzbedarf benötigt.
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Durch
die
DE 2144418 A1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Weinbehandlung mit elektromagnetischen
Wechselfeldern bekannt geworden. Zwei Oszillatoren eines Frequenzerzeugers
stehen jeweils mit einer einen Behälter aus Glas oder Kunststoff
schraubenlinienförmig umgebenden Antennen-Elektrode in
Verbindung. Die Oszillatoren erzeugen elektromagnetische Wechselfelder
mit einem festen Frequenzverhältnis von etwa 2:1, denen
der zu behandelnde Wein ausgesetzt wird. Die Leistungsabgabe des
Frequenzerzeugers liegt im Bereich von etwa einem Watt. Nachteilig
ist offenbar, dass mit dem Frequenzerzeuger eine externe Energiequelle
bereitgestellt werden muss und jeweils nur spezielle Frequenzen
für die Behandlung zur Verfügung stehen. Weiterhin
sind Behälter aus Glas bruchempfindlich, während
es bei Behältern aus Kunststoff zu unerwünschten
Reaktionen des Behältermaterials mit den zu behandelnden
Speisen oder Getränken kommen kann.
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Durch
die
DE 197 21 920.9
A1 ist eine Vorrichtung zum Beeinflussen des Aromas von
Getränken, insbesondere von alkoholischen Destillaten, Weinen
und Fruchtsäften bekannt geworden, welche einen innenseitig
mit dem Getränk beaufschlagbaren Rohrabschnitt aufweist,
der außenseitig von einem wendelförmig gewickelten
Metalldraht umgeben ist. Der Rohrabschnitt ist als innerer Rohrabschnitt
eines doppelwandigen, einen zweiten, äußeren Rohrabschnitt
aufweisenden Gehäuses ausgebildet, wobei der Innendurchmesser
des äußeren Rohrabschnitts größer
ist als der Außendurchmesser des inneren Rohrabschnitts,
so dass zwischen den Rohrabschnitten ein Hohlraum ausgebildet ist,
in dem der konzentrisch zur Längsmittelachse der Rohrabschnitte
gewickelte Metalldraht angeordnet ist. Das Gehäuse besteht
im Wesentlichen aus zwei zueinander konzentrisch angeordneten, zylindrischen
Rohrabschnitten, die an ihrem einen Ende jeweils mit einem Boden versehen
sind und an ihrem anderen Ende den Zwischenraum überbrückend
und flüssigkeitsdicht verschließend miteinander
verbunden sind, wobei der innere Rohrabschnitt kürzer ist
als der äußere Rohrabschnitt, so dass die Böden
der Rohrabschnitte im Abstand voneinander angeordnet sind und der
Hohlraum zwischen den Rohrabschnitten topfförmig ist. In dem
Zwischenraum zwischen den Böden der Rohrabschnitte kann
ein weiterer wendelförmig gewickelter Metalldraht mit seiner
Wendelachse quer zur Längsmittelachse der Rohrabschnitte
liegend angeordnet sein. Oder das Gehäuse weist zwei gleich
lange, unterschiedliche Durchmesser aufweisende und konzentrisch
zueinander angeordnete Rohrabschnitte auf, die an ihrem einen Ende
einen gemeinsamen Boden aufweisen und die an ihrem anderen Ende den
Zwischenraum überbrückend und flüssigkeitsdicht
abschließend miteinander verbunden sind, so dass zwischen
den Rohrabschnitten ein zylindermantelförmiger Hohlraum
gebildet ist, in dem der konzentrisch zur Längsmittelachse
der Rohrabschnitte gewickelte Metalldraht angeordnet ist. An der
Innenwand des inneren Rohrabschnitts ist ein im Abstand vom Boden
des Gehäuses mündendes und über das offene
Ende des Gehäuses überstehendes Einlaufrohr angeordnet,
wobei ein mit einem schräg nach außen und unten
weisenden Auslaufrohr versehener kegelstumpfförmiger Kragen
an das obere Ende des inneren oder äußeren Rohrabschnitts
anschließt. Des Weiteren ist der innere Rohrabschnitt länger
als der äußere Rohrabschnitt und an beiden seiner
Enden offen ausgebildet, wobei der äußere Rohrabschnitt
konzentrisch zu dem inneren Rohrabschnitt angeordnet ist und an
beiden seiner Enden den Zwischenraum zwischen den Rohrabschnitten überbrückend
und flüssigkeitsdicht verschließend mit dem inneren
Rohrabschnitt verbunden ist, so dass ein zylindermantelförmiger
Hohlraum zwischen den Rohrabschnitten ausgebildet ist, in dem der
konzentrisch zur Längsmittelachse der Rohrabschnitte gewickelte
Metalldraht angeordnet ist.
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Durch
die
DE 195 02 588
C1 ist des Weiteren ein Verfahren zur Reduktion des chemischen
Potentials von Agglomeraten in strömenden Flüssigkeiten bekannt
geworden, wobei über Elektroden, die direkt in die Flüssigkeit
eintauchen, Wechselspannungsimpulsfolgen derart vorgegeben werden,
dass in einer ersten Phase hohe Frequenzen von 1–100 kHz
zur Injektion von Ladungen in die Agglomerate ausgesendet werden
und in einer zweiten Phase bei niederen Frequenzen von 10–100
Hz quer zur Strömungsrichtung das Wachstum der vorher schwach
aufgeladenen kleineren Agglomerate zu strömungsstabilen größeren
Einheiten beschleunigt wird. Der gleichzeitig bestimmte Wechselstrom
wird als Maß für das ursprünglich vorhandene
und während der Einwirkung reduzierte chemische Potential
so zur Eigensteuerung der Wechselspannungsimpulsfolgen herangezogen,
dass der Anfangsstromwert der Hochfrequenzphase die Zeitdauer der
beiden Wechselspannungsimpulsfolgen, der der Niederfrequenzphase
die Pausenzeiten zwischen diesen Wechselspannungsimpulsfolgen bestimmt.
Die beiden Wechselspannungsimpulsfolgen werden bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit über
ein Elektrodenpaar zeitlich nacheinander, bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten
der flüssigen Medien über zwei und mehr Elektrodenpaare
gleichzeitig oder nur wenig zeitlich versetzt ausgesendet. Die Wechselspannungsimpulsfolgen umfassen
bei gleichzeitigem Start und gleicher Anzahl der Impulse 100 bis
1000 Zyklen, wodurch die Impulsfolge des zweiten Elektrodenpaars
aufgrund der geringeren Frequenz länger nachläuft.
Die Impulszeiten, festgelegt durch die geringeren Frequenzen, machen
10 bis 100 s aus, wobei die Pausenzeiten zwischen 10 Sekunden und
10 Minuten liegen. Die Spannungsamplituden sind so ausgebildet,
dass der Wechselstrom während einer Impulsfolge abfällt, damit
keine gefährliche Zersetzung der Flüssigkeit erfolgt.
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Die
vorgenannten Vorrichtungen haben sich für die Behandlung
von Agrarprodukten, z. B. als Schnitzelgut oder als Maische, als
noch nicht optimal erwiesen, da sie einerseits aufwendig in der
Herstellung und andererseits sehr energieintensiv bei ihrem Einsatz
sind. Ebenso haben die bekannten Vorrichtungen entweder einen großen
Platzbedarf oder weisen einen relativ geringen Wirkungsgrad auf.
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Technische Aufgabe:
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Aufbereitung organischer und anorganischer Medien, insbesondere
zum Zellaufschluss pflanzlicher, vorzugsweise vitaler, Zellen oder
Zellverbände von Agrarprodukten, zum Beispiel in stückiger
Form oder in der Maische von Obst und Früchten, wie zum
Beispiel Trauben, Rüben, Kartoffeln, Kräuter,
Heilkräuter, weiter zu entwickeln, mit denen die Medien
bzw. die Zellen oder Zellverbände wirkungsvoll beeinflusst
und aufgeschlossen werden können mittels einer einfachen Vorrichtung
und einem erheblich geringeren Energieverbrauch gegenüber
dem Stand der Technik.
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Offenbarung der Erfindung und deren Vorteile:
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Die
Lösung der Aufgabe besteht bei einer Vorrichtung der eingangs
genannten Gattung darin, dass dieselbe ein elektrisch leitendes,
zylindrisches Reaktorrohr aufweist, welches einen zylindrischen Innenraum
zur Aufnahme des Mediums umschließt, innerhalb desselben
und mittig entlang längs der Längsachse des Reaktorrohres
koaxial eine elektrisch leitende, ebenfalls zylindrische Innenelektrode angeordnet
ist, so dass die durch das Reaktorrohr wandernde, ringförmige
Mediumschicht längs des Reaktorrohres eine gleich bleibende
Dicke aufweist, und die Innenelektrode gegenüber dem Reaktorrohr elektrisch
isoliert ist, und an das Reaktorrohr und an die innere Elektrode
je ein elektrischer Anschluss geführt ist, zwischen welchen
zur gezielten Beeinflussung des Mediums, insbesondere zur Zellporation von
Zellen oder Zeltverbänden in der Maische, wenigstens eine
Folge von positiven und negativen elektrischen Impulsen anlegbar
ist.
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Der
Elektroporationsreaktor der Erfindung besitzt den Vorteil, dass
mit diesem ein Medium wirkungsvoll gleichmäßig
und gleichförmig elektro-energetisch behandelt werden kann.
Falls es sich bei dem Medium um Hackschnitzel oder um Maische von Agrarprodukten
handelt, so können insbesondere die vitalen Zellen oder
Zellverbände in den Schnitzeln oder in der Maische von
Zuckerrüben, Kartoffeln, Gemüse, Kräutern,
Heilkräutern, Obst und Früchten, wie Trauben,
wirkungsvoll aufgeschlossen werden. Die Vorrichtung ist in ihrem
Aufbau einfach gehalten und dadurch relativ kostengünstig
in der Herstellung und benötigt einen geringen Platzbedarf
und ist leicht transportierbar, wobei bei ihrem Betrieb eine erheblich
geringere Energiemenge gegenüber dem Stand der Technik
bei vergleichbarem Mediumdurchsatz eingesetzt zu werden braucht.
Einer der entscheidenden Vorteile der Erfindung ist darin zu sehen, dass
dieselbe großflächige Elektroden, nämlich
das Reaktorrohr und die Innenelektrode, für eine großflächige
Beeinflussung des Mediums aufweist und mittels Haushaltsstrom betrieben
werden kann sowie eine relativ kleine, transportable Maschinengröße
besitzt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass
die durch das Reaktorrohr wandernde Mediumschicht längs
des Reaktorrohres eine gleich bleibende Dicke aufweist. Dadurch
findet beim Durchgang des Mediums, zum Beispiel Maische, immer eine gleich
bleibende Beeinflussung des Mediums statt, was entscheidend zur
Güte der Behandlung und zum Beispiel zur Erhöhung
der Ausbeute beiträgt. Ebenso ist durch die Variation der
elektrischen Parameter eine individuelle Feinsteuerung des Prozesses
möglich.
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In
einer weiteren, höchst erfinderischen Ausgestaltung liegen
zwischen zwei aufeinander folgenden, zwischen Reaktorrohr und Innenelektrode
gelegten Impulsen für eine vorgebbare Zeitspanne von einer
Millisekunden bis einigen Hundert Millisekunden, vorzugsweise zwischen
1 bis 100 Millisekunden, Spannungs-Nullpotential, d. h. keine Spannung,
an.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung weisen die aufgegebenen, elektrischen Impulse einer
Folge abwechselnd unterschiedliche Vorzeichen auf, so dass die Impulse abwechselnd
sowohl im Plusbereich als auch im Minusbereich liegen und zwischen
zwei aufeinander folgenden Impulsen, von denen der eine positiv
und der andere negativ oder umgekehrt ist, für 1 Millisekunde
bis 100 Millisekunden das Spannungs-Nullpotential (dT) anliegt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist der radiale Abstand von Innenfläche des
Reaktorrohres zu Außenfläche der Innenelektrode überall
gleich, so dass damit beim Prozessieren des Mediums eine gleichmäßige
Wirkung auf dasselbe verbunden ist. Vorzugsweise ist die Innenelektrode
an beiden Stirnenden geschlossen.
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In
weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist das Reaktorrohr an beiden Enden je einen Anschlusskonus auf,
dessen Durchlassquerschnitt dem ringförmigen Durchlassquerschnitt
des Reaktorrohres mit der Innenelektrode entspricht. Auf diese Weise
wird ein ringförmiger Durchsatz des Mediums oder der Maische
mit gleich bleibender Geschwindigkeit erreicht. Damit ist keine bzw.
kaum eine mechanische Belastung des Mediums verbunden.
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In
weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weisen die Impulse jeweils einen Spannungs-Amplitudenwert zwischen
25 V–250 V, vorzugsweise zwischen 30 V–100 V,
insbesondere zwischen 50 V–80 V, auf, wobei die Impulsfrequenz zwischen
200 Hz–50.000 Hz, bevorzugt zwischen 300 Hz–5.000
Hz, beträgt. Die Stromstärke oder der Spannungswert
bzw. die Impulshöhe, die Impulsfrequenz und Impulsform
sind entsprechend der Leitfähigkeit bzw. einer anderen
elektrischen Größe des Mediums, insbesondere der
Leitfähigkeit von Maische, gewählt, wobei die
elektrische Größe bzw. die Leitfähigkeit
fortlaufend oder in Zeitabständen zyklisch gemessen wird.
Die Impulse können Sägezahnimpulse oder angenäherte
Sägezahnimpulse sein.
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In
weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beträgt die Stromstärke der Impulse zwischen 10
A–500 A, vorzugsweise ungefähr zwischen 20 A–80
A. Dadurch wird die notwendige Leistung zur Bearbeitung des Mediums,
insbesondere zur Zellporation von Zellen, sichergestellt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dienen zur Erzeugung der Impulse Kondensatorentladungen
von wenigstens einem Kondensator, welcher, vorzugsweise mittels
Wechselstrom oder Drehstrom, geladen wird und über eine
elektrische Schaltung zur Impulserzeugung die elektrische Kondensator-Energie
als Impulse auf die Innenelektrode und den Reaktor aufgibt. Aufgrund
der nur sehr kurzzeitigen Belastung findet auch keine Überhitzung
der Kondensatoren statt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht das Reaktorrohr und/oder
die innere Elektrode aus Metall oder aus Kohlestofffasern oder aus
einem elektrisch leitenden Kunststoff.
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Eine
alternative Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zur Lösung
der vorgenannten Aufgabe weist anstelle eines zylindrischen Reaktors einen
Plattenkondensator mit wenigstens zwei sich gegenüberstehenden,
voneinander isolierten elektrisch leitenden Platten auf, welche
metallisch sein können, zwischen denen das Medium durchschleusbar
ist, dergestalt, dass die durch den Plattenkondensator wandernde
Mediumschicht oder -schichten zwischen den Platten eine exakt gleich
bleibende Dicke aufweist, wobei an die Platten je ein elektrischer
Anschluss geführt ist, zwischen welchen zur gewünschten
Beeinflussung des Mediums, insbesondere zur Zellporation der Zellen
oder Zellverbände, wenigstens eine Folge von positiven
und negativen elektrischen Impulsen anlegbar ist. Die Platten können planparallel
oder auch gekrümmt zueinander angeordnet sein und weisen
vorzugsweise äquidistante Abstände voneinander
auf.
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In
einer weiteren, höchst erfinderischen Ausgestaltung der
Vorrichtung liegt zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen für
eine vorgebbare Zeitspanne von einer Millisekunden bis einigen Hundert
Millisekunden, vorzugsweise zwischen 1 bis 100 Millisekunden, Spannungs-Nullpotential,
d. h. keine Spannung, an.
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Diese
Ausgestaltung des Elektroporationsreaktors besitzt den entscheidenden
Vorteil, dass zwischen den Kondensatorplatten eine gleichmäßige elektrische
Feldliniendichte herrscht, so dass die Bedingungen für
eine gezielte Beeinflussung des Mediums, insbesondere für
die Zellporation von Zellen oder Zellverbänden in der Maische,
im Elektroporationsreaktor überall gleich sind. Auf diese
Weise herrscht zwischen den Platten ein homogenes elektrisches Feld.
Auch hier ist der entscheidende Vorteile der Erfindung vorhanden,
dass die durch den Plattenkondensator wandernde Mediumschicht bzw. -schichten
quer zu den Platten eine gleich bleibende Dicke aufweist.
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Ein
Verfahren zur Aufbereitung organischer und anorganischer Medien,
insbesondere zum Zeltaufschluss pflanzlicher, vorzugsweise vitaler,
Zellen oder Zellverbände von Agrarprodukten, zum Beispiel in
stückiger Form oder in der Maische von Obst und Früchten,
wie Trauben, unter Verwendung einer der erfindungsgemäßen
Vorrichtungen ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Reaktorrohr
und der Innenelektrode bzw. zwischen die Platten des Plattenkondensators
zur gezielten Beeinflussung des Mediums, insbesondere zur Zellporation
von Zellen oder Zellverbände in der Maische, wenigstens
eine Folge von individuellen, elektrischen Impulse angelegt wird.
Das Anlegen der Impulse erfolgt vorzugsweise in einer geregelten
Weise in einer Regelstrecke.
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In
einer höchst vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens
liegt zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen für
eine vorgebbare Zeitspanne von einer Millisekunden bis einigen Hundert
Millisekunden, vorzugsweise zwischen 1 bis 100 Millisekunden, Spannungs-Nullpotential,
d. h. keine Spannung, an. In einer weiteren erfindungsgemäßen
Verfahrensvariante können die aufgegebenen, elektrischen Impulse
einer Folge abwechselnd unterschiedliche Vorzeichen aufweisen, so
dass die Impulse abwechselnd sowohl im Plusbereich als auch im Minusbereich
liegen, wobei zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen, von
denen der eine positiv und der andere negativ oder umgekehrt ist,
für 1 Millisekunde bis 100 Millisekunden Spannungs-Nullpotential,
also keine Spannung, angelegt wird.
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In
weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der Leitwert oder eine andere elektrische Größe
des Mediums, insbesondere der Leitwert von Maische oder von Hackschnitzeln,
kontinuierlich oder in Zeitabständen zyklisch gemessen und
die Impulse werden, in Abhängigkeit von der elektrischen
Größe, insbesondere vom gemessenen Leitwert der
Maische, gemäß der Stromstärke, Spannung,
Impulsfrequenz, Impulshöhe und Impulsform erzeugt. Vorzugsweise
werden die elektrischen Impulse geregelt in Abhängigkeit
einer Führungsgröße. Bei der Verarbeitung
von Maische oder von Hackschnitzeln wird vorzugsweise der gemessene
Leitwert der Maische als Führungsgröße
verwendet.
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Darüber
hinaus kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
das Aroma von Getränken, insbesondere von alkoholischen
Destillaten, Weinen und Fruchtsäften, positiv beeinflusst
werden. Der Anteil an wertgebenden Inhaltsstoffen in den Getränken wird
durch die erfolgende Extraktion aufgrund der vorgeschalteten Vorrichtung
erhöht. Ebenso hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße
Verfahren zur Stabilisierung und Steuerung von Vorgängen,
wie Gärung, eingesetzt werden kann.
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Des
Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren unter
Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu
verwendet werden, um bestimmte Inhaltsstoffe innerhalb eines Mediums
auszufällen.
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Die
Vorrichtung kann bei relativ einfacher Montage in eine Vielzahl
von Produktionslinien eingesetzt und diesen zum Beispiel vorgeschaltet
werden.
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Ein
Beispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und anschließend
beschrieben. Dabei zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Elektroporationsreaktor in Form
eines metallischen, zylindrischen Reaktorrohres mit einer darin
koaxial angeordneten, ebenfalls metallischen und zylindrischen Innenelektrode
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2 einen
erfindungsgemäßen Elektroporationsreaktor in Form
eines Platten-Kondensators im Längsschnitt und
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3 eine
Schnittansicht der 2 längs der Linie A-A.
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Wege zur technischen Ausführung
der Erfindung:
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Elektroporationsreaktor in Form eines
Zylinderkondensators:
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Ein
erfindungsgemäßer Elektroporationsreaktor gemäß der 1,
der im nachfolgend als Beispiel für die Behandlung von
Maische als Medium beschrieben ist, besteht aus einem elektrisch
leitenden, vorzugsweise metallischen, zylindrischen Reaktorrohr 1,
vorzugsweise aus Edelstahl, welches einen zylindrischen Innenraum 3 zur
Aufnahme der Maische umschließt, innerhalb desselben und
mittig längs der Längsachse 4 des Reaktorrohres 1 koaxial eine
ebenfalls elektrisch leitende, vorzugsweise metallische, zylindrisch
bzw. im Wesentlichen zylindrisch geformte Innenelektrode 2 angeordnet
ist, welche an den Deckflächen 18, 19 geschlossen
ist. Dadurch ist der Innenraum 3 zum Durchsatz der Maische
gestreckt torusförmig. Zur Halterung der Innenelektrode 2 innerhalb
des Reaktorrohres 1 dienen jeweils in den Endbereichen
der Innenelektrode angeordnete Isolierstäbe 5, 6, 6' und 6'',
welche nur einen geringen Querschnitt aufweisen und damit nur eine geringfügige
Störung gegenüber dem torusförmigen Durch gangsquerschnitt
für die Maische durch das Reaktorrohr 1 bilden.
Die Innenelektrode 2 ist damit gegenüber dem Reaktorrohr 1 elektrisch
isoliert angeordnet; Reaktorrohr 1 und Innenelektrode 2 bilden somit
prinzipiell einen Zylinderkondensator. An das Reaktorrohr 1 und
an die Innenelektrode 2 ist je ein elektrischer Anschluss 9, 10 geführt,
wobei der Anschluss 9 für die innerhalb des Innenraumes 3 des Reaktorrohres 1 angeordnete
Innenelektrode 2 in isolierter Weise beispielsweise durch
den Isolierstab 5 geführt ist.
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Der
radiale Abstand r von der Innenfläche 7 des Reaktorrohres 1 zur
Außenfläche 8 der Innenelektrode 2 ist
vorzugsweise überall gleich.
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Zur
Zellporation der Zellen oder Zeltverbände in der Maische
ist an die elektrischen Anschlüsse 9, 10 eine
oder mehrere Folgen 11 von elektrischen Impulsen 12, 12' anlegbar,
welche im gezeigten Beispiel abwechselnd um eine Spannungs-Nulllinie
pendeln, so dass die abgegebenen Impulse 12, 12' abwechselnd
sowohl im Plusbereich, nämlich Impuls 12, als
auch im Minusbereich, nämlich Impuls 12', liegen.
Zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen 12, 12',
von denen der eine positiv und der andere negativ oder umgekehrt
ist, liegt bevorzugt eine vorgebbare Zeitspanne dT von wenigen Hundert
Millisekunden, vorzugsweise zwischen 1 bis 100 Millisekunden, Spannungs-Nullpotential,
also keine Spannung, an. Insbesondere hat sich erfindungsgemäß herausgestellt,
dass die Folge von positiven und negativen Impulsen, im Zusammenhang
mit einer kurzen Pause zwischen je zwei Impulsen, eine höchst
wirkungsvolle Zellporation von Zellen hervorruft. Die Impulse werden
in einem Impulsgenerator 13 erzeugt.
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Der
Grund ist darin zu sehen, dass elektro-chemisch die Zellen ständig
elektrisch umgepolt werden, so dass eine Elektrolyse in der Zelle
nicht stattfinden kann. Jedoch sind aufgrund der ständigen Umpolung
die auf die Zellwände wirkenden Kräfte derart
stark, dass sie relativ rasch zu einer Zerstörung derselben
führen ohne elektrolytische Vorgänge. Das bedeutet,
dass auf rein physikalischem weg ein schonender Aufschluss der Zellen
erfolgt, was u. a. eine Ausbeuteerhöhung und eine positive
Aromabeeinflussung zur Folge hat.
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Die
Impulse weisen beispielsweise jeweils einen Amplitudenwert zwischen
25 V–250 V, vorzugsweise zwischen 30 V–100 V,
insbesondere zwischen 50 V–80 V, auf, wobei die Impulsfrequenz
zwischen 200 Hz–50.000 Hz beträgt. Die Stromstärke oder
der Spannungswert bzw. die Impulshöhe, Impulsfrequenz,
und Impulsform sind entsprechend einer oder mehrerer der gemessenen
elektrischen Größen des Mediums, insbesondere
der Leitfähigkeit der Maische, gewählt, welche
fortlaufend oder in Zeitabständen zyklisch gemessen wird.
Die Impulse können, wie in der 1 beispielsweise
gezeigt, Sägezahnimpulse 12, 12' oder
angenäherte Sägezahnimpulse sein. Die verwendete
Stromstärke der Impulse beträgt zwischen 5 A–500
A, vorzugsweise ungefähr zwischen 20 A–100 A.
Vorzugsweise werden die Impulse individuell geregelt in Abhängigkeit
einer Führungsgröße des Mediums. Bei
der Behandlung von Maische wird als elektrische Führungsgröße
bevorzugt der zyklische gemessene Leitwert der Maische verwendet.
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Zur
Erzeugung der Impulse können Kondensatorentladungen von
wenigstens einem Kondensator dienen, welcher, vorzugsweise mittels
Wechselstrom oder Drehstrom, geladen wird und über eine elektrische
Schaltung zur Impulserzeugung die elektrische Kondensator-Energie
als Impulse auf den Reaktor und die Innenelektrode aufgibt.
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Beispielsweise
beträgt der Durchmesser eines Reaktorrohres cirka 164 mm;
wobei die innere Elektrode einen Durchmesser von cirka 89 mm aufweist.
Die Spaltdicke, also die Schichtdicke beispielsweise der Maische,
beträgt zwischen 37–38 mm. Die Länge
des Reaktorrohres beträgt zwischen 1 m bis mehrere Meter,
zum Beispiel 2 m–4 m, in Abhängigkeit von der
Durchflussgeschwindigkeit der Maische.
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Das
Reaktorrohr 1 kann an beiden Enden je einen Anschlusskonus 14, 15 aufweisen,
dessen Durchlassquerschnitt dem ringförmigen Durchlassquerschnitt
der Höhe r des Reaktorrohres 1 mit der Innenelektrode 2 entspricht.
Auf diese Weise wird ein gleichmäßiger Durchsatz
der Maische mit gleich bleibender Geschwindigkeit durch das Reaktorrohr 1 erreicht.
Beispielsweise wird das Medium, wie Maische, mittels einer Pumpe
oder mittels Pressdruck oder mittels einer Schnecke oder eines Förderbandes
durch das Reaktorrohr 1 hindurchgepumpt oder hindurchgedrückt
oder gefördert. Oder das Reaktorrohr ist lotrecht oder
stark geneigt angeordnet, so dass das Medium, wie Maische, aufgrund
der Schwerkraft durch das Reaktorrohr 1 hindurchwandert.
An jedem Anschlusskonus kann ein Bypass 16, 17 angeordnet
sein, über welche Proben des Mediums zu Untersuchungen
abgezogen oder Stabilisatoren oder Oxydationshemmer zugegeben werden können.
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Elektroporationsreaktor in Form eines
Plattenkondensators:
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Eine
weitere, höchst wirkungsvolle Ausgestaltung der Erfindung
ist in den 2 und 3 dargestellt.
Hier ist ein Reaktor 20 als ein Plattenkondensator mit
wenigstens zwei sich gegenüberstehenden, voneinander isolierten
elektrisch leitenden, vorzugsweise metallischen, Platten 21 aufgebaut,
wobei in den 2 und 3 der Plattenkondensator
neun Platten 21 aufweist, welche acht Durchlassschleusen 24 für
das Medium, zum Beispiel Maische oder Hackschnitzel, zwischen sich
ausbilden. Jeweils zwei benachbarte Platten 21 haben voneinander
den gleichen Abstand h, welcher somit die Höhe h eine Durchlassschleuse 24 ist.
Seitlich sind die Platten 21 des Plattenkondensators in
Wänden 22, 23 aus Isoliermaterial gehaltert.
An die Platten 21 durch die Isolierwände 24 hindurch
ist je ein elektrischer Anschluss 9, 10 geführt,
zwischen welchen zur Beeinflussung des Mediums, wie zum Beispiel
zur Zellporation der Zellen oder der Zeltverbände der Maische, wenigstens
eine Folge 11 von positiven und negativen elektrischen
Impulsen 12, 12' anlegbar ist, wobei vorzugsweise
zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen für eine vorgebbare
Zeitspanne von einer Millisekunden bis einigen Hundert Millisekunden,
vorzugsweise zwischen 1 bis 100 Millisekunden, Spannungs-Nullpotential,
d. h. keine Spannung, angelegt werden kann.
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Insbesondere
bedingen große Kontaktflächen des Mediums, wie
Maische, niedrige Spannungswerte, so dass die Vorrichtung mit der
praktisch überall verfügbaren Wechselspannung
von 230 V arbeiten kann, mittels der die elektrischen Impulse erzeugt
werden.
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Verfahrensmäßig Aufbereitung
und Beeinflussung:
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Verfahrensmäßig
wird zur Aufbereitung und Beeinflussung organischer und anorganischer
Medien, insbesondere zum Zellaufschluss pflanzlicher, vorzugsweise
vitaler, Zellen oder Zeltverbände, zum Beispiel von Agrarprodukten
in stückiger Form oder in der Maische von Obst und Früchten,
wie Trauben, unter Verwendung einer der erfindungsgemäßen Vorrichtungen,
zwischen das Reaktorrohr 1 und die Innenelektrode 2,
wie auch zwischen die einzelnen, benachbarten Platten 21 des
Plattenkondensators, insbesondere zur Zellporation von Zellen oder
Zellverbänden der Maische, wenigstens eine Folge 11 von
elektrischen Impulse 12, 12' angelegt, wobei vorzugsweise
zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen 12, 12' für
eine vorgebbare Zeitspanne dT von einer Millisekunden bis einigen
Hundert Millisekunden, insbesondere zwischen 1 bis 100 Millisekunden, Spannungs-Nullpotential,
d. h. keine Spannung, angelegt werden kann.
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Die
aufgegebenen, elektrischen Impulse 12, 12' einer
Folge 11 können abwechselnd unterschiedliche Vorzeichen
aufweisen, so dass die Impulse 12, 12' abwechselnd
sowohl im Plusbereich als auch im Minusbereich liegen, wobei vorzugsweise
zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen 12, 12',
von denen der eine positiv und der andere negativ oder umgekehrt
ist, für 1 Millisekunde bis 100 Millisekunden das Spannungs-Nullpotential
dT, d. h. keine Spannung, angelegt wird. Zum Beispiel wird der Leitwert
des Mediums, wie Maische, kontinuierlich oder in Zeitabständen
zyklisch gemessen und die Impulse werden, in Abhängigkeit
vom gemessenen Leitwert, gemäß der Stromstärke
oder der Spannung bzw. der Impulshöhe, Impulsfrequenz,
und Impulsform erzeugt. Vorzugsweise werden auch in diesem Fall
die Impulse entsprechend dem Medium individuell geregelt in Abhängigkeit
einer Führungsgröße des Mediums. Bei
der Behandlung von Maische wird als elektrische Führungsgröße
bevorzugt der zyklisch gemessene Leitwert der Maische verwendet.
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In
beiden beispielsweisen Ausgestaltungsformen des Elektroporationsreaktors
beträgt verfahrensgemäß die Verweildauer
des durchlaufenden und behandelten Mediums innerhalb des Reaktors wenigstens
einige Hundert Millisekunden, vorzugsweise zwischen 2 Sekunden bis
100 Sekunden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit:
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Die
Erfindung ist zur elektro-energetischen Aufbereitung und Prozessierung
organischer und anorganischer Medien, insbesondere zum Zellaufschluss
pflanzlicher, insbesondere vitaler, Zellen oder Zellverbände
von Agrarprodukten, in Form von stückigem Gut von Zuckerrüben,
Kartoffeln, Kräutern, Heilkräutern oder Gemüse
sowie in der Maische von Kräutern, Heilkräutern,
Obst und Früchten, wie Trauben, wie auch zum Aufschluss
von tierischen Produkten, geeignet, um dadurch z. B. die Ausbeute zu
erhöhen und zum Beispiel die Stabilität des Mostes
aus der Maische sowie das Aroma zu verbessern oder um die Stabilität
von Bearbeitungsprozessen zu erhöhen. Bei dieser biophysikalischen
Behandlung des Mediums, zum Beispiel von Maische, vorzugsweise von
Maische aus Trauben, werden in qualitativer und quantitativer Hinsicht
verbesserte Ergebnisse erhalten, als bei einem unbehandelten Medium, wie
unbehandelter Maische, beim Stand der Technik.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10144479
A1 [0003]
- - DE 2144418 A1 [0004]
- - DE 19721920 A1 [0005]
- - DE 19502588 C1 [0006]