DE102009011755A1 - Elektroporationsreaktor und Verfahren zum druckbehafteten Elektroporieren von biologischem Nutz- und Abfallgut - Google Patents

Elektroporationsreaktor und Verfahren zum druckbehafteten Elektroporieren von biologischem Nutz- und Abfallgut Download PDF

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Thomas Berghöfer
Hansjoachim Prof. Dr. Bluhm
Christian Dr. Eing
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Abstract

Es wird ein Elektroporationsreaktor zum druckbehafteten Elektroporieren von biologischem Nutz- und Abfallgut vorgestellt, der aus zwei auf einstellbarem Abstand zueinander stehenden, einen Spalt bildenden Walzengruppen mit jeweils mindestens einer Walze besteht. Der durch die beiden Walzengruppen gebildete Spalt ist beim Prozess in ein stets flüssigkeitsgefülltes Gefäß eingetaucht. Der Elektroporationsreaktor hat eine flüssigkeitsdurchlässige Transporteinrichtung, die während des Prozesses über außerhalb des Gefäßes positionierten Führungsrollen umläuft. Beide Walzengruppen erfahren mit einer vorgebbaren Wiederholfrequenz entweder je ein kurzfristiges elektrisches Potential oder nur eine, wobei sich in letzterem Fall dann die andere Walzengruppe auf einem elektrischen Bezugspotential befindet. Mit dem Elektroporationsreaktor werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt: Vorpressen des Prozessguts am Eingang des Elektroporationsbereichs mit einem Vorpressdruck zwischen 0,10 und 100 daN/cm; Elektroporation des Prozessguts im Spaltbereich zwischen den beiden Walzengruppen unter einem mechanischen Druck zwischen 0,1 und 100 daN/cm; Nachpressen des Prozessguts am Ausgang des Elektroporationsbereichs mit einem Pressdruck zwischen 0,1 und 100 daN/cm.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Elektroporationsreaktor zum druckbehafteten Elektroporieren von biologischem Nutz- und Abfallgut als Prozessgut bei kontinuierlichem Prozessgutdurchsatz. Hauptabsicht ist hier die leichtere Trocknung des durch Elektroporation prozessierten Guts.
  • Die Trocknung von Pflanzen geschieht üblicherweise durch Abpressung und thermische Trocknung. Bei beiden Verfahren stellt die Zellmembran ein Hindernis für den Austritt des Zellsaftes aus dem Zellinneren dar. Durch einen Elektroporationsprozess, mit dem irreversible Poren in der Zellmembran induziert werden, wird der Wasseraustritt erleichtert. Dadurch kann beim Abpressen aus elektroporiertem Pflanzenmaterial bei gleichem Pressdruck mehr Wasser entzogen werden. In einer anschließenden thermischen Trocknung muss dann einerseits weniger Wasser verdampft werden, andererseits diffundiert die Feuchtigkeit durch die geöffneten Zellmembranen möglicherweise schneller zur Oberfläche, wodurch sich die Trocknungszeit verkürzt.
  • Die Elektroporation unter Druck wird bereits von Vorobiev et al. als Laborversuch zur Saftextraktion aus Zuckerrüben beschrieben. Siehe beispielsweise:
    • [1] = Bouzrara, Vorobiev: "Non-thermal pressing and washing of fresh sugarbeet cossettes combined with a pulsed electric field", Zuckerindustrie 126 (2001), Nr. 6, S. 463–466, und
    • [2] = Bouzrara, Vorobiev: "Beet juice extraction by pressing and pulsed electric fields", Int. Sugar J. 102 (2000), S. 194–200.
  • Die Elektroporation von Wein-Maische erfolgt ohne die Zugabe von Wasser, nur im eigenen Saft der Beeren. Hierbei ist der Aufschluss der Beerenhäute bedeutsam, um geschmacks- und farbgebende Inhaltsstoffe herauszulösen. Die Maische kann gepumpt werden. Enthaltene Luftblasen werden durch einen durch Stauung erzeugten Überdruck zusammengepresst, um so die elektrische Durchschlagfestigkeit zu erhöhen.
  • In [1] beschreiben Vorobiev und Bouzrara lediglich einen Laborversuch zur Saftextraktion aus Zuckerrüben, nicht jedoch einen kontinuierlichen technischen Prozess. Sie erwähnen auch nicht die Vorzüge einer Kombination mit einem thermischen Trocknungsprozess.
  • Während Maische pumpbar ist und die Weinbeeren unter leichtem Druck beim Einmaischungsprozess platzen, sind die Pflanzenschnitzel nicht pumpbar und es ist eine Presse erforderlich, um den nötigen Saft für die Elektroporation zu extrahieren.
  • Eine herkömmliche Elektroporation unter Zugabe von Suspensionswasser ist wegen des nachfolgenden Trocknungsprozesses, bei dem auch das anhaftende zugegebene Wasser entfernt werden müsste, nicht sinnvoll.
  • Aus diesen Überlegungen und anschließenden Untersuchungen stellte sich die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, nämlich eine Einrichtung zur Elektroporation zu entwickeln, mit der ein Verfahren zum energiesparenden Zellaufschluss durch Elektroporation von Energiepflanzenschnitzeln zum Zwecke der Trocknung ohne Zugabe von Wasser durchgeführt werden kann.
  • Die Kontaktierung des Elektroporationsguts an die Elektroden erfolgt bisher durch die Zugabe von Wasser, das die Räume zwischen dem Gut und den Elektroden elektrisch leitfähig ausfüllt. Soll das Gut anschließend getrocknet werden, ist eine Wasserzugabe nicht vorteilhaft. Daher wird der im Elektroporationsgut enthaltene Pflanzensaft durch eine Vorpressung extrahiert, bis er die Hohlräume zwischen Elektroporationsgut und Elektroden vollständig ausfüllt.
  • Erste Vorversuche zur elektroporationsunterstützten Entsaftung wurden in einem Batch-Verfahren durchgeführt: Die Vorpressung und Elektroporation fanden dabei in einem Arbeitsgang, d. h. in einem Behandlungsgefäß statt. Zuerst wurde mittels eines Pressstempels das Elektroporationsgut so weit verdichtet, bis genügend Saftüberstand erzielt war, dann erfolgte die Pulsapplikation, während gleichzeitig der Pressdruck konstant anliegt.
  • Hierbei sind prinzipiell zwei Ausführungen möglich:
    • 1. Eine Elektrode bildet den Pressstempel und drückt das Elektroporationsgut gegen die gegenüberliegende Elektrode. Luft sowie überflüssiger Saft können dabei durch kleine siebförmige Bohrungen im oberen Bereich entweichen. Ein Nachteil dieser Anordnung ist, dass der Elektrodenabstand nicht konstant ist und somit in die Feldstärkebestimmung mit eingeht.
    • 2. Die Elektroden liegen an zwei gegenüberliegenden Seitenwänden, während ein elektrisch isolierender Presstempel von oben das Elektroporationsgut zusammenpresst. Die Luft sowie überflüssiger Saft entweichen durch kleine siebförmig angebrachte Bohrungen im Pressstempel. Der Vorteil dieser Anordnung ist es, dass der Elektrodenabstand konstant bleibt. Bei Laboruntersuchungen lässt sich daher leicht die elektrische Feldstärke aus der anliegenden Spannung berechnen.
  • Beide Ausführungen wurden im Labor bereits erfolgreich erprobt, sind jedoch als Batch-Verfahren für einen kontinuierlichen Prozess weniger geeignet.
  • Für die technische Anwendung ist eine kontinuierliche Prozessierung erforderlich. Hierfür bietet sich eine Anordnung nach Art einer herkömmlichen Bandpresse an: Bei einer Bandpresse läuft das Prozessgut zwischen zwei Gewebebändern durch eine Walzenanordnung, die das Material nach einem vorgebbaren Druckprofil (Vorpressung/Nachpressung) auspressen. Der Saft fließt durch die Maschen der Gewebebänder in einen Auffangbehälter. Für eine Elektroporation im eigenen Saft kann eine solche Anordnung erfindungsgemäß wie folgt ergänzt werden: Der bei der Vorpressung gewonnene Saft verbleibt zunächst beim Pressgut, indem das Band mit dem Pressgut in direktem Anschluss an eine abgedichtete Vorpressstufe durch eine abgedichtete u-förmige Vertiefung geführt wird, in der sich der Saft der Vorpressung sammelt. Am Fuß dieser Vertiefung erfolgt die Pulsapplikation über zum Chassis hin elektrisch isolierte metallische Walzen, die gleichzeitig einen erforderlichen Pressdruck aufrecht halten. Der Pulsstrom fließt von der einen Walze durch die saftgefüllten Maschen des einen Bandes, durch das Elektroporationsgut, die saftgefüllten Maschen des zweiten Bandes auf die gegenüberliegende Walze. Die Abdichtung während der Vorpressung kann durch Mitführung eines saftundurchlässigen Bandes zwischen Walzen und Transportband in diesem Bereich erfolgen, sofern bei einer Montage der Pressrollen in einem abgedichteten Becken ein zu großer saftgefüllter Totraum entstünde. Der Vorpressbereich ist vorteilhafterweise so angeordnet, dass das Prozessgut senkrecht nach unten transportiert wird, und dabei der Druck in einem Mehrwalzensystem schrittweise erhöht wird. So ist es möglich, dass die Luft in den Prozessgutzwischenräumen nach oben hin einweichen und der Presssaft die Zwischenräume füllten kann. Eine luftfreie Packung verhindert elektrische Überschläge und Teilentladungen. Sollte die Komprimierung und Entgasung durch die Bandpresse nicht ausreichend sein, kann die Bandpresse in einen Druckraum mit erhöhtem Gasdruck, vorzugsweise Luft oder Stickstoff, betrieben werden. Das Material müsste in diesem Falle allerdings ein- und ausgeschleust werden. Die Walzen, die sich beidseitig an die Walzengruppe zur Pulsapplikation anschließen sind ebenfalls isoliert zum Chassis. Über ein Impedanznetzwerk, das entweder aus diskreten Elementen (R, L, C) bestehen kann und/oder durch die Leitfähigkeit des Saftes gebildet wird, werden diese Walzen auf Zwischenpotentialen gehalten, um die Spannung zum Ein- und Ausgang hin abzubauen.
  • Alternativ zum Einsatz einer modifizierten Bandpresse kann Pressung und Transport auch durch mehrere kleine Walzen gegenüber einer großen Walze erfolgen. Während die große Walze elektrisch auf Massepotential liegt, wird über eine oder mehrere elektrisch zu Masse hin isolierte Walzen die Pulsspannung auf das gepresste Elektroprationsgut zwischen der großen und den kleinen Walzen appliziert. Wie bei der modifizierten Bandpresse erfolgt auch bei der Walze zunächst eine Vorpressung, durch die der Saft in einen u-förmigen abgedichteten Raum fließt, die den die große Walze eintaucht, und in dem die kleinen Walzen zur Pulsapplikation montiert sind. Die übrigen Überlegungen gelten entsprechend.
  • Die Lösung der Aufgabe ist den Ansprüchen 1 bis 13 beschrieben, wobei die Ansprüche 1 bis 10 den Elektroporationsreaktor mit Modifikationen und die Ansprüche 11 bis 13 das Verfahren beschreiben.
  • Nach Anspruch 1 besteht der Elektroporationsreaktor zum druckbehafteten Elektroporieren von biologischem Nutz- und Abfallgut als Prozessgut bei kontinuierlichem Prozessgutdurchsatz aus:
    • – zwei auf einstellbarem Abstand zueinander stehenden, einen Spalt bildenden Walzengruppen mit jeweils mindestens einer Walze, wobei die Drehachsen aller Walzen horizontal und parallel zueinander liegen und alle Walzen der beiden Walzengruppen im Prozess mit jeweils gleicher Umfangsgeschwindigkeit in Transportrichtung des Prozessguts drehen;
    • – einem beim Prozess stets flüssigkeitsgefüllten Gefäß, in das mindestens der durch die beiden Walzengruppen gebildete Spalt vollständig eingetaucht ist;
    • – einer flüssigkeitsdurchlässigen Transporteinrichtung, die während des Prozesses über außerhalb des Gefäßes positionierten Führungsrollen umläuft, die die Transporteinrichtung während des Prozesses mit der Umfangsgeschwindigkeit der Walzen durch den von den beiden Walzen gruppen gebildeten Spalt ziehen, wobei eine Walzengruppe an ein elektrisches Bezugspotential und die andere Walzengruppe mit wenigstens einer zentralen Untergruppe unmittelbar benachbarter Walzen direkt oder über die Flüssigkeit indirekt über eine Feldentlastungselektrode an den Ausgang einer Spannungsquelle angeschlossen ist; oder
    • – die beiden Walzengruppen in jeweils mindestens eine gleichartige Untergruppe unmittelbar benachbarter Walzen aufgeteilt sind und sich spiegelbildlich gegenüberstehen, wobei wenigstens je eine zentrale Untergruppe elektrisch direkt oder über die Flüssigkeit indirekt über je eine feststehende Feldentlastungselektrode an den zugeordneten Ausgang einer erdsymmetrischen Spannungsquelle angeschlossen sind.
  • Nach Anspruch 11 besteht das Verfahren zur druckbehafteten Elektroporation biologisch pflanzlichen Prozessguts in Flüssigkeit nach den Ansprüchen 1 bis 10 aus den Verfahrensschritten:
    • – des Vorpressens des Prozessguts am Eingang des Elektroprationsbereichs mit einem Vorpressdruck zwischen 0,10 und 100 daN/cm2;
    • – der Elektroporation des Prozessguts im Spaltbereich zwischen den beiden Walzengruppen unter einem mechanischem Druck zwischen 0,1 und 100 daN/cm2;
    • – dem Nachpressen des Prozessguts am Ausgang des Elektroporationsbereichs mit einem Pressdruck zwischen 0,1 und 100 daN/cm2.
  • In den Unteransprüchen 2 bis 10 sind zweckmäßige Ausgestaltungen des Elektroporationsreaktor beschrieben.
  • So verläuft nach Anspruch 2 die Verbindungslinie der Walzenmittelpunkte der einen Walzengruppe zu der Verbindungslinie der Walzenmittelpunkte der andern Walzengruppe parallel oder konvergiert in Transportrichtung des Prozessguts mit ihr. Dadurch wird dann das Prozessgut in dem Spalt beim Durchgang weiter verdichtet.
  • Aufeinander folgende Untergruppen einer Walzengruppe sind nach Anspruch 3 elektrisch leitfähig alleine über die Flüssigkeit oder zusätzlich definiert ohmsch oder gedämpft kapazitiv gekoppelt.
  • Die Walzen sind nach Anspruch 4 aus mechanisch formstabilem gegenüber dem Prozessgut inertem Material. Dabei können sie elektrisch leitfähig oder nicht leitfähig sein. Das schlägt sich in der Walzeneigenschaft nieder: es können nach Anspruch 5 sich gegenüberliegende Untergruppen aus den beiden Walzengruppen in ihren Eigenschaften gleichartig sein oder nach Anspruch 6 die innerhalb der Krümmung der Transporteinrichtung im konkaven Vorbereich liegende Walzengruppe aus einer Walze aus elektrisch leitfähigem Material bestehen, deren Durchmesser größer ist als der der Walzen der gegenüber liegenden Gruppe.
  • Aus Gründen der Feldentlastung sind die Walzen der beiden Walzengruppen nach Anspruch 6 an ihren beiden Enden mit einem elektrischen Feldentlastungsprofil versehen, wie es beispielsweise vom Einsatz von Feldentlastungstoroiden und Feldentlastungskugeln im hochspannungstechnischen Anlagenbau bekannt ist. Eine andere Maßnahme besteht darin, dass nach Anspruch 8 sich die Enden der Walzen der beiden Walzengruppen im Feldschatten der zugehörigen, feststehenden Feldentlastungselektrode befinden. In diesem Fall ist das Äußere der Feldentlastungselektrode mit einem Feldentlastungsprofil versehen.
  • Nach Anspruch 9 ist die aus einem Transportband bestehende Transporteinrichtung aus einer Lage aus leiterförmig angeordneten, über isolierende Bänder verbundenen, elektrisch leitfähigen Stäben aufgebaut, die im Abstand zwischen 1 und 20 mm aufeinander folgen (siehe DE 10 2004 025 046 A1 (intern PLA 04 30)).
  • Als Energiespeicher für den Elektroporationsreaktor kommt nach Anspruch 10 eine Spannungsquelle als Gleichspannungsquelle oder als Wechselspannungsquelle oder als Hochspannungsimpulsgenerator wie beispielsweise ein Marx-Generator in Frage.
  • Mit dem Elektroporationsreaktor steht eine Einrichtung für einen kontinuierlichen Prozess zur Elektroporation bei gleichzeitiger mechanischer Pressung im eigenen Saft bzw. in der eigenen Flüssigkeit bereit.
  • Die Elektroporation dient hier zur Unterstützung eines Trocknungsprozesses.
  • Parametersätze für die Pulsparameter sowie die Pressungen unterschiedlich biologischer Prozesssubstanzen sind einstellbar.
  • Mit dem Elektroporationsreaktor und dem mit ihm betriebenen Verfahren besteht eine deutliche Energieeinsparung im Vergleich zur Pressung und Trocknung von unbehandeltem Material, da weniger Verdampfungswärme aufzubringen ist. Damit einher geht eine Prozesszeitersparnis, da der thermische Trocknungsvorgang nach der Elektroporation schneller abläuft. Der Energieaufwand für die Elektroporation ist vergleichsweise gering.
  • Im Vergleich zur Silierung besteht kein chemischer Abbau der Zellmembran und anderer Zellinhaltsstoffe. Das Verfahren mit dem Elektroporationsreaktor ist ein rein physikalisch technischer Vorgang.
  • Anhand der Zeichnung mit den 1 bis 4 wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 das Bauprinzip mit zwei gleichen Walzengruppen;
  • 2 das Bauprinzip mit zwei verschiedenen Walzengruppen;
  • 3 den zeitlichen Abbau der Restfeuchte;
  • 4 die verbliebene Restfeuchte mit notwendiger Trocknungsenergie.
  • Das Bauprinzip mit zwei gleichen Walzengruppen 1, 2 ist in 1 dargestellt. Die zwei Walzengruppen 1, 2 mit jeweils fünf gleichen Walzen 3 stehen sich spaltbildend im Abstand von wenigen Zentimetern gegenüber. Zwischen beiden Walzengruppen 1, 2 läuft die flüssigkeitsdurchlässige Transporteinrichtung 7 gestreckt durch. Hierzu wird die Transporteinrichtung 7 über die im Bild linke und im Bild rechte Umlenkrolle 8 geführt. Beide Umlenkrollen 8 können nur umlenken oder eine davon antreiben oder beide antreiben. Die Drehrichtung ist beispielhaft und durch Drehpfeile an den Walzen 3 und Umlenkrollen 8 angedeutet. Die Anordnung aus den beiden Walzengruppen 1, 2, der Transporteinrichtung 7 und den beiden Umlenkrollen 8 sitzt in der Wanne 5 und ist darin in die Prozessflüssigkeit 10, dem Eigensaft aus dem Prozessgut 4 getaucht. Die Transporteinrichtung 7 taucht links in 1 senkrecht in die (Prozess-)Flüssigkeit 10 ein, wird untergetaucht an der im Bild linken Umlenkrolle 8 in die Waagrechte umgelenkt und durch den Spalt 6 zwischen den beiden spiegelsymmetrischen Walzengruppen 1, 2 gezogen. Rechts außerhalb der beiden Walzengruppen 1, 2 wird die Transporteinrichtung 7 an der rechten Umlenkrolle 8 wieder in die Vertikale umgelenkt und taucht danach aus der Prozessflüssigkeit 10 auf. Der weitere Verlauf der Transporteinrichtung 7 außerhalb des Prozessgefäßes 5 ist nicht mehr eingezeichnet. Die Führung derselben kann dort in der Art von kreisförmig bewegten Transportbändern nach dem Prinzip einer Bandpresse sein, die auf diesem Wege entladen und beladen werden.
  • Beide Walzengruppen 1, 2 liegen an zueinander entgegen gesetztem Hochspannungspotential, betragsmäßig zwischen ca. 10 und 60 kV, und sind aus Isolationsgründen zweckmäßiger Weise symmetrisch zu einem Bezugspotential, üblicherweise Erdpotential. Die im Bild obere Walzengruppe 2 wird im Betrieb auf ein positives elektrisches Potential gepulst, die untere auf das erdsymmetrische negative Potential. Jede Walzengruppe, zumindest eine zentrale Teilgruppe aus mindestens einer Walze, die sich spiegelbildlich gegenüber stehen, ist an ihren, hier nicht eingezeichneten Hochspannungspulsgenerator, bewährter Weise ein Marx-Generator, angeschlossen. Beide Marx-Generatoren werden hier erdsymmetrisch zueinander geladen und auf das im Spalt 6 zwischen den beiden Walzengruppen 1, 2 befindliche Prozessgut 4 entladen. Statt zweier getrennter Marxgeneratoren unterschiedlicher Polarität kann auch ein einziger mittig geerdeter Marxgenerator zum Einsatz kommen.
  • Die Auslegung der Anlage richtet sich nach den Erfordernissen des Prozessmaterials. Übliche Feldstärkewerte zur Elektroporation von Energiepflanzenmaterial liegen im Bereich zwischen 3 kV/cm und 20 kV/cm. Für einen konstanten Anpressdruck muss die Spaltbreite mit der Schütthöhe des Materials auf dem Transportband variieren. Für eine konstant gehaltene mittlere Feldstärke von beispielsweise 10 kV/cm muss bei einer Variation der Spaltbreite zwischen beispielsweise 2 cm und 5 cm die über dem Spalt 6 anliegende Spannung zwischen 20 kV und 50 kV variiert werden. Diese Variation kann durch eine automatische Regelung auf der Basis der erfassten Schüttdichte geschehen.
  • 2 zeigt ein Bauprinzip mit zwei unterschiedlichen Walzengruppen 1, 2. Die für das Prozessgut und die Anlegung der elektrischen Hochspannungspulse beide spaltbildenden Walzengruppen 1, 2 bestehen aus einer einzigen großen Walze 3 der im Bild oberen Walzengruppe 2 und der sich daran umfängliche auf Abstand anschmiegenden, den Spalt 6 bildenden unteren Walzengruppe 1 aus hier beispielsweise drei gleichen Walzen 3. Hier ist elektrisch ein unipolare Betrieb angedeutet, die große Walze 3 ist nämlich auf Erd- bzw. Massepotential geschaltet und bei der unteren Walzengruppe 1 mit den drei gleichen Walzen 3 zumindest die mittlere an den Ausgang des (nicht angedeuteten) Marx-Generators.
  • Die Transporteinrichtung 7 für das zu prozessierende Gut 4 ist hier das geschlossene Band, das über vier Führungsrollen 8 umläuft. Das Transportband hängt zwischen den beiden im Bild oberen Führungsrollen 8 entlang eines Umfangs auf Abstand zur großen Walze 3 durch und liegt auf der im Bild unteren Walzengruppe 1 auf. Die Schräge 11 seitlich oberhalb der im Bild linken oberen Führungsrolle 8 bildet mit der großen Walze 3 eine Art trichterförmige Einschüttvorrichtung für das zu prozessierende Gut, das dadurch vor dem eigentlichen Prozess schon eine Vorverdichtung erfährt. Über die rechte obere Führungsrolle 8, deren Drehachse tiefer liegt als die der großen Walze 3 der oberen Walzengruppe 2 wird das prozessierte Gut 4 ausgeleitet, bzw. ausgeworfen.
  • Der unterhalb ihre Drehachse liegende Bereich der großen Walze 3, der oberen Walzengruppe 2, das zwischen den beiden Walzengruppen 1, 2, die untere Walzengruppe 1 berührende Transportband 7 und die untere Walzengruppe 1 sind in die von der Wanne 5 gefassten Flüssigkeit 10 getaucht, so dass der Prozessbereich völlig darin eingetaucht ist.
  • In beiden 1 und 2 ist der Strom des Prozessguts, der Massenstrom, durch den von den beiden Walzengruppen gebildeten Spalt 6 mit dem dick gezeichneten Pfeil darin angedeutet.
  • In Laborversuchen wurde die Trocknung von jungen Maispflanzen, Luzerne und Gras bei unterschiedlichen Pulsparametern durchgeführt. Hierfür wurde ein Elektroporationsreaktor mit festem Elektrodenabstand von 6 cm und von oben absenkbarem Pressstempel zum Einsatz mit einer handelsüblichen Laborpresse konstruiert und gebaut. Als Pulsspannungsquelle diente ein zweistufiger Marx-Generator. Es wurde der Verarbeitungsprozess aus Vorpressung, Elektroporation im eigenen Saft unter Pressdruck, Nachpressung bei 200 bar für 15 min und Trocknung im Umluftofen bei 105°C für verschiedene Pulsparameter durchgeführt.
  • Aus Wägungen zwischen den Arbeitsschritten sowie während der Trocknung wurde der Entsaftungsgrad bestimmt.
  • 3 und 4 zeigen beispielhaft den Restfeuchtegehalt sowie die Trocknungsenergien für junge Maispflanzen bei Variation der Pulsanzahl. Zur Erzielung einer Restfeuchte von 20%, wie sie für einen BTL-Prozess mindestens erforderlich ist, verkürzt sich die Trocknungszeit von 100 min ohne Elektroporation auf 25 min bei Applikation von 80 Pulsen. Die Trocknungsenergien in 4 berücksichtigen die Erwärmung um 80 K des zu verdampfenden Wassers sowie die Verdampfungswärme der verdampften Wassermenge im Säulenteil „Verdampfung”, und die applizierte Pulsenergie, errechnet aus der Integration über dem Produkt aus gemessenem Strom und gemessener Spannung über der Probe, im Säulenteil „Elektroporation”. Die Einsparung ergibt sich aus der Differenz zur Behandlung ohne Elektroporation. Dargestellt sind die Energien für die Behandlungsziele „0% Restfeuchte” und „20% Restfeuchte”. Bei beiden Diagrammen wurden doppelt-exponentielle Pulse mit einem Scheitelwert von Ê = 7 kV/cm und einer Halbwertsbreite von 1,6 μs angewendet. Der Vorpressdruck bei 3 betrug 20 bar, bei 4 100 bar, jeweils im Pressenzylinder gemessen. Dies entspricht Flächendrücken von 17,5 daN/cm2 und 86,5 daN/cm2. Es sei darauf hingewiesen, dass Verluste und technische Wirkungsgrade in den Laborversuchen nicht berücksichtigt werden konnten.
  • 1
    Walzengruppe
    2
    Walzengruppe
    3
    Walze
    4
    Prozessgut
    5
    Gefäß, Wanne
    6
    Spalt
    7
    Transporteinrichtung
    8
    Führungsrolle, Umlenkrolle
    9
    Feldentlastungselektrode
    10
    Flüssigkeit
    11
    Schräge
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102004025046 A1 [0023]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Vorobiev et al. [0003]
    • - Bouzrara, Vorobiev: ”Non-thermal pressing and washing of fresh sugarbeet cossettes combined with a pulsed electric field”, Zuckerindustrie 126 (2001), Nr. 6, S. 463–466 [0003]
    • - Bouzrara, Vorobiev: ”Beet juice extraction by pressing and pulsed electric fields”, Int. Sugar J. 102 (2000), S. 194–200 [0003]
    • - Vorobiev und Bouzrara [0005]

Claims (13)

  1. Elektroporationsreaktor zum druckbehafteten Elektroporieren von biologischem Nutz- und Abfallgut als Prozessgut bei kontinuierlichem Prozessgutdurchsatz, bestehend aus: zwei auf einstellbarem Abstand zueinander stehenden, einen Spalt bildenden Walzengruppen mit jeweils mindestens einer Walze, wobei die Drehachsen aller Walzen horizontal und parallel zueinander liegen und alle Walzen der beiden Walzengruppen im Prozess mit jeweils gleicher Umfangsgeschwindigkeit in Transportrichtung des Prozessguts drehen, einem beim Prozess stets flüssigkeitsgefüllten Gefäß, in das mindestens der durch die beiden Walzengruppen gebildete Spalt vollständig eingetaucht ist, einer flüssigkeitsdurchlässigen Transporteinrichtung, die während des Prozesses über außerhalb des Gefäßes positionierten Führungsrollen umläuft, die die Transporteinrichtung während des Prozesses mit der Umfangsgeschwindigkeit der Walzen durch den von den beiden Walzengruppen gebildeten Spalt ziehen, wobei eine Walzengruppe an ein elektrisches Bezugspotential und die andere Walzengruppe mit wenigstens einer zentralen Untergruppe unmittelbar benachbarter Walzen direkt oder über die Flüssigkeit indirekt über eine Feldentlastungselektrode an den Ausgang einer Spannungsquelle angeschlossen ist oder die beiden Walzengruppen in jeweils mindestens eine gleichartige Untergruppe unmittelbar benachbarter Walzen aufgeteilt sind und sich spiegelbildlich gegenüberstehen, wobei wenigstens je eine zentrale Untergruppe elektrisch direkt oder über die Flüssigkeit indirekt über je eine feststehende Feldentlastungselektrode an den zugeordneten Ausgang einer erdsymmetrischen Spannungsquelle angeschlossen sind.
  2. Elektroporationsreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslinie der Walzenmittelpunkte der einen Walzengruppe zu der Verbindungslinie der Walzenmittelpunkte der andern Walzengruppe parallel verläuft oder in Transportrichtung des Prozessguts mit ihr konvergiert.
  3. Elektroporationsreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinander folgende Untergruppen einer Walzengruppe elektrisch leitfähig alleine über die Flüssigkeit oder zusätzlich definiert ohmsch oder gedämpft kapazitiv gekoppelt sind.
  4. Elektroporationsreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzen aus mechanisch formstabilem gegenüber dem Prozessgut inertem Material sind.
  5. Elektroporationsreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die sich gegenüberliegenden Untergruppen aus den beiden Walzengruppen in ihren Eigenschaften gleichartig sind.
  6. Elektroporationsreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb der Krümmung der Transporteinrichtung liegende Walzengruppe aus einer Walze aus elektrisch leitfähigem Material besteht, deren Durchmesser größer ist als der der Walzen der gegenüber liegenden Gruppe.
  7. Elektroporationsreaktor nach den Ansprüchen 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzen der beiden Walzengruppen an ihren beiden Enden mit einem elektrischen Feldentlastungsprofil versehen sind.
  8. Elektroporationsreaktor nach den Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Enden der Walzen der beiden Walzengruppen im Feldschatten der zugehörigen, feststehenden Feldentlastungselektrode befinden.
  9. Elektroporationsreaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aus einem Transportband bestehende Transporteinrichtung aus einer Lage aus leiterförmig angeordneten, über isolierende Bänder verbundenen, elektrisch leitfähigen Stäben besteht, die im Abstand zwischen 1 und 20 mm aufeinander folgen.
  10. Elektroporationsreaktor nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die die Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle oder eine Wechselspannungsquelle oder ein Hochspannungsimpulsgenerator ist.
  11. Verfahren zur druckbehafteten Elektroporation biologisch pflanzlichen Prozessguts in Flüssigkeit nach den Ansprüchen 1 bis 10, bestehend aus den Verfahrensschritten: – Vorpressen des Prozessguts am Eingang des Elektroprationsbereichs mit einem Vorpressdruck zwischen 0,10 und 100 daN/cm2; – Elektroporation des Prozessguts im Spaltbereich zwischen den beiden Walzengruppen unter einem mechanischem Druck zwischen 0,1 und 100 daN/cm2; – Nachpressen des Prozessguts am Ausgang des Elektroporationsbereichs mit einem Pressdruck zwischen 0,1 und 100 daN/cm2.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Elektroporationsbereich ein vorgebbarer Flüssigkeitspegel über eine Flüssigkeitszufuhr von gefilterter Flüssigkeit oder über einen Flüssigkeitsüberlauf eingestellt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit der Eigensaft des Prozessguts und/oder im Prozessgut gebundenes Wasser verwendet wird.
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