-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vorbereiten oder Bearbeiten biologischer Zellen bzw. organischer Materialien (Prozessgut), genauer ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zerstörung bzw. zum Aufschluss der Oberfläche und/oder der Zellen von Biomasse im weitesten Sinne (Prozessgut) zur schnelleren Freisetzung und effektiveren Verwertung der Inhaltsstoffe. Sie kann z. B. für eine effizientere Bioenergiegewinnung, für industrielle Zwecke (Zuckergewinnung, Bioethanolherstellung, Ölgewinnung, Gewinnung ätherischer Öle, Stärkegewinnung), für die Vorbehandlung von Pflanzen oder Pflanzenteilen (z. B. Trocknung für die Gewürz-, Tee- oder Kräuterherstellung) oder für den Aufschluss tierischer Zellen zum Zwecke der Stofftrennung bzw. zur Weiterverarbeitung oder zum Freisetzen oder Eindringen von Substanzen eingesetzt werden.
-
Aus dem Stand der Technik sind bereits seit Langem eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen zur Bearbeitung von organischen oder anorganischen Stoffen bekannt. So wird z. B. mit der Druckschrift
US 4838154 A ein Verfahren zur Pasteurisierung flüssiger Lebensmittel vorgestellt, bei dem die zu pasteurisierenden flüssigen Lebensmittel durch eine z. B. rohrförmige Elektrodenanordnung strömen und dort gepulsten elektrischen Feldern ausgesetzt werden. Die Pasteurisation erfolgt durch die Einwirkung der gepulsten elektrischen Felder, deren Feldstärken 5...12 kV/cm und deren Impulsdauer 5...100 μs betragen. Die zu pasteurisierenden flüssigen Lebensmittel werden jeweils 2 bis 5 Impulsen ausgesetzt. Die verwendeten elektrischen Felder werden hier durch die Entladung hochgespannter Kondensatoren auf die Elektrodenanordnung erzeugt.
-
Aus der Druckschrift
DE 19534232 C2 ist weiterhin ein Verfahren zur Zerkleinerung und Zertrümmerung von Festkörpern bekannt. Die Zerkleinerung von Festkörpern findet hierbei durch die schnelle Entladung eines elektrischen Energiespeichers statt. Die Festkörper oder Festkörperfragmente sind in einer nicht oder nur schwach leitenden Prozessflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, einer hochspannungsisolierenden Flüssigkeit, einem Wasser-Glykol- oder Wasser-Alkohol-Gemisch, eingetaucht, in die ein System aus Hochspannungs- und geerdeten Elektroden hineinragt. Als elektrischer Energiespeicher dient ein Kondensator, der in einem Entladekreis impulsförmig entladen wird. Es folgt eine Entladung durch die Prozessflüssigkeit mit Feststoffen. Die Festkörper werden durch Schockwellen, verursacht durch interne Entladungen, explodiert.
-
Mit den Druckschriften
DE 10144486 C1 und
WO 03/02244 A1 wurde ein Verfahren und ein Reaktor zum nichtthermischen Aufschluss und zum Pasteurisieren organischen Prozessgutes durch Elektroporation vorgestellt. Das Verfahren dient der Gewinnung von Nahrungsmitteln bzw. Nahrungsmittelkomponenten, wobei das Prozessgut in bzw. mit einer Prozessflüssigkeit/Transportflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, durch einen tunnelförmigen Reaktor geströmt und dabei gepulsten elektrischen Feldern ausgesetzt wird. Hierzu sind in dem tunnelförmigen Reaktor Elektrodengruppen angeordnet, die mit pulsartiger Hochspannung beaufschlagt werden. Die Felder werden dadurch erzeugt, dass die in dem tunnelförmigen Reaktor mit rundem oder polygonalem mindestens aber viereckigem Querschnitt aus dielektrischem Material befindlichen Elektroden bzw. Elektrodengruppen über Hochspannungskabel und einen Schalter bzw. eine Funkenstrecke von einem Marx-Generator mit Hochspannung beaufschlagt werden. Mit Hilfe der Elektrodengruppen werden abwechselnd pulsartige elektrische Felder vielfältiger Richtung und Stärke erzeugt.
-
Mit der
DE 10144479 C2 wurde ein Elektroporationsreaktor zur kontinuierlichen Prozessierung von stückigen Produkten bekannt, bei dem jedoch auch das Prozessgut durch eine Prozessflüssigkeit transportiert und dort mit Hochspannung beaufschlagt wird. Der Reaktor besteht aus einer kreiszylindrischen Trommel, ähnlich einem Wasserrad, und fördert das stückige Prozessgut durch die Prozessflüssigkeit, die sich in der unteren Hälfte der Trommel befindet. Die Elektroden zur Beaufschlagung liegen im tiefsten Bereich.
-
Aus der
DE 10 2005 046 413 A1 ist ein weiteres Verfahren und eine zugehörige Schaltungsanordnung für die Elektroporation landwirtschaftlicher Produkte bekannt. Auch bei diesem Verfahren ist der Grundansatz, dass für einen Zellaufschluss hohe gepulste elektrische Feldstärken nötig sind, weshalb sich die Aufgabenstellung auf die Erzeugung impulsförmiger Spannungen von über 200 kV bei Stromstärken von einigen 10 kA bezieht. Hierzu wird ein mehrstufiger, triggerbarer Marx-Generator mit großer Lebensdauer vorgestellt. Der Nachteil derartiger Schaltungen ist eindeutig in den großen fließenden impulsförmigen (Entlade-)Strömen und dem damit einhergehenden Energieumsatz, also der Erwärmung (bis hin zur Verbrennung) des Prozessgutes, zu sehen.
-
Bei allen bisher betrachteten Schriften wird das Prozessgut, in den vorliegenden Fällen Nahrungsmittel oder Nahrungsmittelkomponenten bzw. pflanzliche und tierische Flüssigkeiten oder nichtleitende Feststoffe, einem Aufschluss- bzw. Bearbeitungsprozess in flüssiger Form oder als disperse Phase einer Dispersion zugeführt. In jedem Falle ist der Aufschlussprozess an eine Flüssigkeit gebunden, die direkten Kontakt zu den Elektroden hat. Es wird beispielsweise Wasser als Prozessflüssigkeit verwendet. Der Aufschluss bzw. die Aufbereitung des Prozessgutes findet bei allen bereits bekannten Verfahren durch das Anlegen einer hohen elektrischen Feldstärke bzw. durch den Stromfluss durch das zu bearbeitende Prozessgut (Flüssigkeit oder Dispersion) statt. Die beschriebenen impulsartigen Spannungs- und damit Feldstärkebelastungen der Dispersion, also des Gemisches aus Prozessgut und Prozessflüssigkeit, führen dementsprechend zu hohen dielektrischen Verlusten in der Dispersion selbst, was als bedeutender Nachteil aller dieser Verfahren zu sehen ist. Weiterhin ist der Transport einer Dispersion durch einen Reaktor an geschlossene rohrförmige Systeme gebunden bzw. muss gewährleistet werden, dass die Prozessflüssigkeit stets an den gewünschten Stellen im Reaktor verbleibt. Dies ist nicht nur sehr aufwendig und unpraktikabel, sondern der Einsatz von Pumpen und anderer Technik bedingt ebenfalls einen zusätzlichen Energieverbrauch.
-
Eine vermeintlich benötigte hohe elektrische Feldstärke wird in den bekannten Verfahren und Anordnungen durch die Entladung von Hochspannungskondensatoren, beispielsweise durch die Verwendung von Marx-Generatoren, erzeugt. Derartige Anlagen sind sehr volumen- und massereich und in Bezug auf einen möglichen Einsatzzweck schwer zu handhaben. Nachteilig ist ebenfalls, dass bei der Entladung in derartigen Anlagen ein Strom im Kiloamperebereich durch das Prozessgut fließt, was einen entsprechenden Energieumsatz im Prozessgut und damit eine Erwärmung des Prozessgutes zur Folge hat.
-
Weiterhin sind Lade- und Entladevorgänge von Kondensatoren verlustbehaftet und stets an Zeitkonstanten gebunden. Das Nachladen der Kondensatoren nach deren Entladung bedarf einer gewissen Zeit, insbesondere bei großen Kapazitäten als Energiespeicher, wie sie in Marx-Generatoren verwendet werden.
-
Neben den bereits genannten Verfahren und Vorrichtungen zur Bearbeitung von organischen oder anorganischen Stoffen gibt es noch Lösungen, bei denen keine Flüssigkeiten oder Dispersionen verwendet werden.
-
So z. B. wird mit
DE 19957775 C1 ein Verfahren zur Modifizierung von Holzoberflächen durch elektrische Entladungen bei Atmosphärendruck vorgestellt, bei dem eine Elektrode gegenüber der zu modifizierenden Holzoberfläche sowie zwischen dieser Elektrode und der Holzoberfläche eine dielektrische Schicht angeordnet sind. An die Elektrode wird eine Wechselhochspannung angelegt, wodurch sich eine „dielektrisch behinderte Entladung” zwischen der dielektrischen Schicht und der zu modifizierenden Holzoberfläche ausbildet. Bei der Wechselhochspannung kann es sich auch um Hochspannungspulse handeln, deren Abstand größer als ihre Dauer ist. Die hier beschriebene „dielektrisch behinderte Entladung” ist allerdings eine Form einer Koronaentladung. Das vorgestellte Verfahren wird zur Reinigung der Holzoberfläche (Entfernung von losen Bestandteilen), zur Verbesserung der Verleim- oder Beschichtbarkeit der Holzoberfläche (Verbesserung der Haftung), zur Konservierung und zum Ausbleichen der Holzoberfläche durch die Wirkung von Ozon eingesetzt. Die beschriebenen „dielektrisch behinderten Entladungen” wirken also lediglich auf die Oberfläche des Holzes.
-
Ein prinzipiell ähnliches Verfahren wird in der
WO 2004/105810 A1 und
EP 1628688 B1 beschrieben, bei dem lebenden Zellen enthaltende biologische Materialien mit einem durch eine Gasentladung erzeugtem Plasma behandelt werden. Das erzeugte Plasma bewirkt hier jedoch das Abtöten von Mikroorganismen, beispielsweise bei Kariesbefall eines Zahnes, und wird in einem deutlich kleineren Gebiet erzeugt. Aus der Beschreibung geht hervor, dass hierfür die oxidative Wirkung von entstehendem freiem Sauerstoff bzw. von Ozon genutzt wird. Bei der Gasentladung bzw. dem erzeugten Plasma handelt es sich demnach um eine Entladung, die ebenfalls als Koronaentladung klassifiziert werden kann. Das Verfahren besteht darin, eine Elektrode im geringen Abstand über der zu behandelnden Oberfläche anzuordnen, wobei die Elektrode von einem massiven Festkörperdielektrikum ummantelt ist. Ähnliche Verfahren sind außerdem aus der
WO 2004/023927 A1 oder aus der
DE 10 2006 020 484 A1 und
EP 2024080 B1 bekannt, bei denen jeweils eine dielektrisch behinderte Gasentladung erzeugt wird, die zu einer uniformen Ausbildung des Plasmas führt.
-
Mit diesen bekannten Verfahren ist grundsätzlich keine Zerstörung von Schütt- oder Saatgut bzw. der zu behandelnden Oberfläche beabsichtigt und auch nicht realisierbar.
-
-
In der
DE 19802662 A1 wird z. B. ein Verfahren zur Herstellung von Verbundfolien beschrieben, welches sich dadurch auszeichnet, dass Koronaentladungen in Form kurzer Einzelimpulse erfolgen, die eine Frequenz von 10...30 kHz, eine Impulsbreite von weniger als 30 μs und eine Anstiegszeit von weniger als 5 μs aufweisen. Die Koronaentladung erfolgt zwischen zwei stabförmigen Elektroden, die jeweils einen elektrisch leitenden Kern und eine dielektrische Umhüllung aufweisen.
-
Bisher sind also Anordnungen, Schaltungsvarianten und Anlagen bekannt, die beispielsweise der Prüfung, Be- und Verarbeitung von Folien oder sehr dünnen Materialien dienen. Diese Schaltungen zur Erzeugung elektrischer Gasentladungen generieren lediglich Koronaentladungen. Diese Entladungen sind wesentlich zu kurz und nicht genug ausgeprägt, um einen Aufschluss von Biomasse zu erreichen.
-
Bei den bekannten Anordnungen, Schaltungsvarianten und Anlagen wird ein erster elektrischer Schwingkreis (oder auch Primärkreis) beispielsweise mit einem hochfrequenten Strom gespeist. Der Nachteil hierbei besteht darin, dass zusätzlich aufwendige Geräte oder Schaltungen benötigt werden, die diesen hochfrequenten Strom zur Verfügung stellen. Die Leistungen derartiger Geräte oder Schaltungen sind auch nach dem heutigen Stand der Technik sehr begrenzt. Andere Schaltungsvarianten nutzen für die Energieversorgung eine Gleichspannungsquelle. Die Erzeugung einzelner Impulse oder schwingungsähnlicher Vorgänge in einem Primärkreis findet dann mit Hilfe leistungselektronischer Bauelemente statt, welche einen fließenden Strom zerhacken. Die Stromtragfähigkeit und die Spannungsfestigkeit solcher leistungselektronischer Schalter sind ebenfalls sehr begrenzt. Das Öffnen und Schließen dieser leistungselektronischen Schalter muss durch eine zusätzliche Steuerschaltung getaktet werden, was die Schaltungsanordnung unnötig verkompliziert.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und ein verbessertes und energieeffizienteres Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung zum Vorbereiten oder Bearbeiten biologischer Zellen bzw. organischer Materialien (Prozessgut), genauer ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zerstörung bzw. zum direkten Aufschluss, d. h. ohne Überführung in eine disperse oder flüssige Phase, der Oberfläche und/oder der Zellen von Biomasse im weitesten Sinne (Prozessgut) zur schnelleren Verwertung der Inhaltsstoffe bereitzustellen, wobei ein direkter Kontakt zwischen Prozessgut und den verwendeten Hochspannungselektroden nicht erforderlich, aber auch nicht hinderlich ist.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe verfahrensseitig durch die Merkmale des ersten Patentanspruches und vorrichtungsseitig durch die Merkmale des sechsten Patentanspruches gelöst.
-
Bevorzugte weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 gekennzeichnet, während bevorzugte weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung in den Patentansprüchen 7 bis 11 angegeben sind.
-
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen dieselben Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile in den gesamten Figuren bezeichnen, näher erläutert wird. Es zeigt:
-
1 – eine Teilansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
-
2 – eine Teilansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
-
3 – eine Teilansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
-
4 – eine Teilansicht eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
-
5 – ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Hochspannungselektrode
-
6 – ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Hochspannungselektrode
-
7 – Möglichkeiten der magnetischen Kopplung der elektrischen Schwingkreise
-
8 – Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
-
9 – Graphische Darstellung der erfindungsgemäß erzeugten Hochspannung
-
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung bzw. Anlage zum Aufschluss von Biomasse, welches sich durch vielseitige und flexible Einsatzmöglichkeiten auszeichnet, vorgeschlagen, bei dem die geometrische Form der Hochspannungselektroden und die elektrischen Parameter der Vorrichtung bzw. der Entladung der Energiespeicher an das aufzuschließende Prozessgut angepasst werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch charakterisiert, dass das zu bearbeitende Prozessgut keine oder nur sehr geringe Rückwirkungen auf die auf das jeweilige Prozessgut abgestimmte Vorrichtung und die elektrischen Parameter des Aufschlussprozesses selbst (also die Gasentladungen) hat.
-
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass nicht wie in bisher bekannten Verfahren die Feldstärke, sondern elektrische Gasentladungen bzw. physikalische Plasmen auf das Prozessgut einwirken und durch den inneren Entladungsdruck den Aufschluss bewirken. Dabei werden die elektrischen Gasentladungen bzw. physikalischen Plasmen von einer Hochspannung mit hoher Frequenz verursacht, die von einer Vorrichtung durch die resonante bzw. nahezu resonante magnetische Kopplung von mindestens zwei elektrischen Schwingkreisen erzeugt wird. Das Prozessgut wird erfindungsgemäß den elektrischen Entladungen, die zwischen mindestens zwei, entsprechend geformten Elektroden zünden, ausgesetzt, indem es durch die Entladungsstrecke transportiert wird, wobei es sich bei den elektrischen Entladungen vorzugsweise um repetierende elektrische Gasentladungen handelt, die sich kanalförmig ausbilden (z. B. Funken-, Streamer-, Leaderentladungen oder Durchschlagprozesse). Erfindungsgemäß wird eine Vielzahl gewünschter paralleler Gasentladungskanäle erzeugt, die das aufzuschließende Prozessgut (Biomasse) vollständig oder teilweise durchdringen (physisch durchlöchern) und dadurch die Zellstruktur aufbrechen bzw. zerstören und die Inhaltsstoffe (leichter) austreten können. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufschluss von Biomasse beabsichtigt also die Zerstörung bzw. den Aufschluss der Oberfläche und/oder der Zellen eines Prozessgutes ohne einen wesentlichen Energieeintrag in das Prozessgut.
-
Zur Umsetzung des Verfahrens ist eine Vorrichtung notwendig, die elektrische Gasentladungen bzw. physikalische Plasmen, die erfindungsgemäß den Aufschluss von Biomasse bewirken, mit gewünschter Charakteristik bzw. notwendigen elektrischen Parametern generiert, wobei die Biomasse bzw. das Prozessgut mit ihren elektrischen und dielektrischen Eigenschaften ein Teil des elektrischen Kreises bzw. der elektrischen Vorrichtung ist, jedoch keine oder nur sehr geringe Rückwirkungen auf die elektrischen Parameter der Vorrichtung hat. Mit der Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens zum Aufschluss von Biomasse wird vor allem eine vorzugsweise hochfrequente Hochspannung generiert werden, die elektrische Gasentladungen bzw. physikalische Plasmen gewünschter Charakteristik erzeugt, und dabei so wenig Energie wie möglich umsetzt. Die Vorrichtung ist dabei räumlich klein und flexibel gestaltet, um beispielsweise die Integration der Vorrichtung in Reaktoren beliebiger Form und Größe zu gewährleisten. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung mindestens zwei elektrische Schwingkreise, die magnetisch miteinander gekoppelt sind. Im Gegensatz zu bereits bekannten Anordnungen zur Erzeugung elektrischer Entladungen ist als Energieversorgung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in erster Linie eine netzfrequente Wechselspannung oder aber auch bei Bedarf eine Gleichspannung denkbar, was einen flexiblen und netz- und länderübergreifenden Einsatz des Verfahrens ermöglicht. Ziel ist eine effektive Bearbeitung von Prozessgut verschiedenster Art mit elektrischen Gasentladungen bzw. physikalischen Plasmen, die Elektrodenabstände von bis zu 50 cm oder darüber hinaus überwinden. Als Schaltelement in einem ersten Schwingkreis dient ein passives Schalterelement, welches selbständig den ersten Schwingkreis schließt, um eine Schwingung mit seiner Eigenfrequenz zu ermöglichen und diesen dann auch wieder selbständig öffnet, um ein Nachladen der Energiespeicher zu gewährleisten. Leistungselektronische Bauelemente oder aufwendige zusätzliche Beschaltungen in Form von Steuerschaltungen oder Frequenzgeneratoren oder anders geartete Taktgeber entfallen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Prozessgut durch eine Hochspannungselektrodenanordnung gefördert oder eine Hochspannungselektrodenanordnung über das Prozessgut hinwegbewegt wird. Im Wirkbereich der Hochspannungseektrodenanordnung treffen elektrische Gasentladungen bzw. physikalische Plasmen auf der Oberfläche des aufzuschließenden Prozessgutes auf und durchdringen das zu bearbeitende Prozessgut teilweise oder vollständig, was zu einem Öffnen der Oberflächenstruktur und der biologischen Zellen und damit zur Freisetzung der Inhaltsstoffe der Zellen führt, wobei die elektrischen Gasentladungen bzw. physikalischen Plasmen dadurch charakterisiert sind, dass es sich um energiearme, repetierende Gasentladungen mit vorzugsweise hoher Frequenz (1/T0) und vorzugsweise hoher Wiederholungsrate (1/TW) (siehe 9) und gewünschter räumlicher Ausbreitung handelt, die als kanalförmige Entladungen, beispielsweise Funken-, Streamer-, Leaderentladungen, oder Durchschlagprozesse zu klassifizieren sind.
-
Erfindungsgemäß zündet eine Vielzahl gewünschter, paralleler, energiearmer, repetierender, elektrischer Gasentladungen bzw. physikalischer Plasmen zwischen mindestens zwei Hochspannungselektroden (1, 2) geeigneter Form und Ausdehnung, zwischen denen sich ein geschichtetes bzw. gemischtes Dielektrikum, bestehend aus dem aufzuschließenden bzw. zu behandelndem Prozessgut (3) und einem das Prozessgut umgebenden Gas, wie beispielweise Luft, CO2, N2, befindet. Zwischen den Hochspannungselektroden ist dabei eine elektrisch isolierende Gasstrecke zum Aufbau einer geeigneten Hochspannung und zum Zünden der elektrischen Gasentladungen bzw. physikalischer Plasmen mit der benötigten Entladungscharakteristik unabdingbar. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass bereits durch die energiearmen aber räumlich ausgedehnten, kanalförmigen Gasentladungen ein signifikantes und nachhaltiges Öffnen der biologischen Zellen des Prozessgutes erreicht wird, die in den Prozess eingeprägte Energie aber sehr gering gehalten werden kann und damit keine Notwendigkeit, der Bereitstellung großer Energiespeicher wie beispielsweise großer und massereicher Hochspannungskondensatoren besteht und somit die Gesamtenergiebilanz beispielsweise bei der Anwendung des Verfahrens zur Bioenergienngewinnung deutlich verbessert werden kann.
-
Zum erfindungsgemäßen Aufschluss des Prozessgutes (3) wird dieses mit einer auf das aufzuschließende Prozessgut abgestimmten Verweildauer bzw. einem auf das aufzuschließenden Prozessgut abgestimmten Durchsatz, also beispielsweise mit entsprechender Förder- oder Durchlaufgeschwindigkeit, durch eine Hochspannungselektrodenanordnung, bestehend aus mindestens zwei Hochspannungselektroden (1, 2), bewegt oder aber mindestens eine der Hochspannungselektroden mit entsprechender Geschwindigkeit über das Prozessgut hinwegbewegt, wobei die elektrischen Gasentladungen bzw. physikalischen Plasmen zwischen den Hochspannungselektroden zünden. Die Förderung des Prozessgutes (3) geschieht hierbei durch eine Fördereinrichtung (4), beispielsweise mit einem Förderband oder mit einer Drehscheibe, wobei die Fördergeschwindigkeit durch den Antrieb dieser Fördereinrichtung eingestellt werden kann. Die Fördereinrichtung (4) selbst kann aus einem elektrisch gut leitenden Material bestehen und gleichzeitig eine der Hochspannungselektroden darstellen (siehe 2). Es liegt aber auch im Bereich der Erfindung, dass sie aus einem dielektrischen Material besteht und lediglich zur Förderung des Prozessgutes (siehe 1) dient, wobei dann eine weitere Elektrode (2) in oder unter der Fördereinrichtung (4) platziert ist.
-
Die Förderung des Prozessgutes (3) durch die Hochspannungselektrodenanordnung, bestehend aus mindestens zwei Hochspannungselektroden (1, 2), zwischen denen die elektrischen Gasentladungen zünden, kann ebenso durch ein Fallen des Prozessgutes entlang einer Fallstrecke (siehe 3) realisiert werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass für die Förderung des Prozessgutes kein weiterer Energieaufwand erforderlich ist und eine gute Durchmischung des Prozessgutes mit der Luft oder dem umgebenden Gas stattfindet.
-
Um die Förder- bzw. Durchlaufgeschwindigkeit des Prozessgutes (3) durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zu variieren, kann das Prozessgut auch auf einer schiefen Ebene durch die Hochspannungselektrodenanordnung bewegt werden bzw. sich durch Rutschen selbst bewegen (siehe 4). Dabei bestimmt der Neigungswinkel der schiefen Ebene die Durchlaufgeschwindigkeit des Prozessgutes. Die schiefe Ebene kann aus einem elektrisch gut leitfähigen Material bestehen und gleichzeitig eine der Hochspannungselektroden darstellen oder aber aus einem dielektrischen Material gefertigt sein und lediglich zur Förderung des Prozessgutes dienen.
-
Prinzipiell besteht die Hochspannungselektrodenanordnung, die das Prozessgut in Form eines geschichteten bzw. gemischten Dielektrikums bestehend aus einem Gas, wie beispielweise Luft, CO2, N2, und dem aufzuschließenden bzw. zu behandelndem Prozessgut durchläuft, aus mindestens zwei, sich gegenüber stehenden Hochspannungselektroden (1, 2), wobei mindestens eine erste Elektrode (2) als Erd- bzw. Bezugselektrode ausgeführt ist und an mindestens eine zweite Elektrode (1) eine hochfrequente repetierende Hochspannung (siehe 9) angelegt wird, sodass sich zwischen den beiden Elektroden elektrische Gasentladungen bzw. physikalische Plasmen mit der benötigten Entladungscharakteristik ausbilden. Mindestens eine der Elektroden kann hierbei auch ein Bestandteil der Fördereinrichtung sein.
-
Die Form und räumliche Ausdehnung der Hochspannungselektroden ist entscheidend für die Charakteristik und die räumliche Verteilung der elektrischen Gasentladungen bzw. physikalischen Plasmen und damit für die Effektivität des Verfahrens und muss auf das Prozessgut und die Durchlaufgeschwindigkeit des Prozessgutes abgestimmt sein. Sich gegenüberstehende großflächige, ebene Elektroden mit glatter Oberfläche rufen ein relativ homogenes elektrisches Feld hervor, was bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine räumlich feine Verteilung der elektrischen Gasentladungen bewirkt, wobei der Ort der Zündung der elektrischen Gasentladung wesentlich von dem Prozessgut selbst bestimmt wird. Hochspannungselektroden mit sich gegenüberstehenden großflächigen, ebenen Elektroden, beispielsweise plattenförmigen Elektroden, zylinderförmigen Elektroden oder Kugelelektroden mit hinreichend großem Durchmesser sind also vorteilhaft für den Aufschluss verschiedenen Prozessgutes. Daneben kann mit Spitzen- bzw. Kugelelektroden mit geringen Durchmessern nur ein räumlich stark begrenzter Entladungsraum erzeugt werden, wobei der Ort der Entladungszündung jedoch eindeutig definiert ist. Mit derartigen Elektroden kann folglich ein stark inhomogenes elektrisches Feld hervorgerufen und der Ort der Zündung der elektrischen Gasentladung genau festgelegt werden. Um eine flächige und räumlich ausgedehnte Beaufschlagung des Prozessgutes, also eine Vielzahl gewünschter paralleler Gasentladungskanäle, zu erreichen, erscheinen derartige Elektrodenanordnungen aber zunächst ungeeignet zu sein.
-
Um dennoch elektrische Entladungen sowohl über ein definiertes Raumgebiet als auch mit der gewünschten Charakteristik zu erzeugen, wurden Elektrodenanordnungen entwickelt, die die Vorteile homogener und inhomogener Anordnungen kombinieren. Ordnet man z. B. Kugel- oder Spitzenelektroden (6 oder 7) mit dem benötigten Krümmungsradius auf einer ebenfalls leitfähigen Grundplatte (5) an, können Entladungen mit der gewünschten Charakteristik über ein definiertes Gebiet erzeugt werden. Mit derartigen Elektrodenanordnungen ist also die Erzeugung einer Vielzahl paralleler Gasentladungskanäle möglich. Schematische Darstellungen derartiger Elektroden sind in 5 bzw. 6 gezeigt. Mit Hilfe dieser Kamm- bzw. Bürstenelektroden gelingt es, das Prozessgut (3) mit räumlich definiert verteilten elektrischen Gasentladungskanälen zu beaufschlagen bzw. zu durchdringen.
-
Das vorgestellte Verfahren zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das Prozessgut (3) eine Hochspannungselektrodenanordnung, bestehend aus mindestens zwei sich gegenüber stehenden Hochspannungselektroden (1, 2), wobei mindestens eine dieser Elektroden als Erd- bzw. Bezugselektrode ausgeführt ist und an mindestens eine andere Elektrode eine vorzugsweise hochfrequente repetierende Hochspannung angelegt wird, durchläuft und dort von elektrischen, kanalförmigen Gasentladungen bzw. physikalischen Plasmen getroffen und teilweise oder vollständig durchdrungen wird, was zu einem Öffnen der Oberflächenstruktur und der biologischen Zellen des Prozessgutes und damit zur Freisetzung der Inhaltsstoffe der Zellen führt. Die elektrischen Gasentladungen bzw. physikalischen Plasmen sind dadurch charakterisiert, dass es sich um energiearme, repetierende Gasentladungen mit hoher Frequenz und hoher Wiederholungsrate und gewünschter räumlicher Ausbreitung handelt, die als kanalförmige Entladungen, beispielsweise Funken-, Streamer-, Leaderentladungen oder Durchschlagprozesse zu klassifizieren sind, wobei diese elektrischen Gasentladungen bzw. physikalischen Plasmen dadurch erzeugt werden, dass eine repetierende Hochspannung (siehe 9) mit hoher Frequenz (1/T0) und hoher Wiederholrate (1/TW) an die beschriebene Elektrodenanordnung angelegt wird und diese Hochspannung durch eine Vorrichtung erzeugt bzw. generiert wird, die speziell auf das erfindungsgemäße Verfahren abgestimmt ist.
-
Eine schematische Darstellung für ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in
8 dargestellt. Die Vorrichtung zur Erzeugung bzw. zum Generieren einer repetierenden Hochspannung mit vorzugsweise hoher Frequenz besteht hierbei aus der magnetischen Kopplung von mindestens zwei elektrischen Schwingkreisen, wobei die magnetische Kopplung lose oder fest ausgeführt werden kann und beispielsweise darin besteht, dass die Induktivität bzw. Spule eines erstens Schwingkreises koaxial die Induktivität bzw. Spule des zweiten Schwingkreises umschließt, wobei die Induktivität des zweiten Schwingkreises vom Magnetfeld der Induktivität des ersten Schwingkreises durchsetzt wird und die magnetische Kopplung über die umschlossene Fläche und/oder den Abstand der beiden Spulen zueinander eingestellt werden kann. Ein Beispiel für diese Kopplungsart ist schematisch in
7 (links) dargestellt. Die magnetische Kopplung kann aber auch dadurch realisiert werden, dass die Induktivität eines ersten Schwingkreises von der Primärspule und die Induktivität des zweiten Schwingkreises von der Sekundärspule eines Hochspannungstransformators gebildet werden (
7 (rechts)), wobei der Hochspannungstransformator mit oder ohne Magnetwerkstoff, wie beispielsweise Ferrit oder Eisen, ausgeführt werden kann. Der erste Schwingkreis der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass er aus mindestens einer ersten Induktivität (
8), die, wie bereits beschrieben, magnetisch mit einer zweiten Induktivität (
11) eines zweiten Schwingkreises gekoppelt ist, mindestens einer Kapazität (
9) und einem Schaltelement (
10) zum Schließen und Öffnen des ersten elektrischen Schwingkreises besteht. Das Schaltelement (
10) wird hierbei vorzugsweise durch eine Funkenstrecke gebildet und weist die Eigenschaft auf, den ersten Schwingkreis nach Erreichen einer bestimmten Ladespannung der ersten Kapazität (
9) selbsttätig zu schließen, wobei die Ladespannung und die Kapazität den Energieeintrag in den ersten Schwingkreis bestimmen. Nach dem Schließen des Schaltelementes (
10), also beispielsweise nach dem Zünden der Funkenstrecke, findet im ersten Schwingkreis der Vorrichtung eine elektrische Schwingung mit der Eigenfrequenz (1/T
0) dieses Schwingkreises statt. Die Eigenfrequenz
wird hierbei durch die erste Induktivität (
8) und die erste Kapazität (
9) des ersten Schwingkreises bestimmt. Die Elemente L und C werden also so gewählt, dass eine hochfrequente Schwingung mit der gewünschten Frequenz entsteht. Gegenüber anderen Verfahren bzw. Schaltungen ist von Vorteil, dass hier keine Schwingungen oder Impulse durch externe Anregung aufgeprägt werden müssen. Der erste Schwingkreis generiert Schwingungen mit seiner Eigenfrequenz, ohne zusätzliche Elemente bzw. ohne externen Anstoß. Das Schaltelement (
10) öffnet nach Abklingen der elektrischen Schwingung den ersten Schwingkreis selbständig, beispielsweise durch Wiederverfestigung einer Funkenstrecke. Durch die bereits beschriebene magnetische Kopplung des ersten Schwingkreises mit zumindest einem zweiten Schwingkreis wird durch Übertragung der magnetischen Energie der Spulen die Schwingung auf den zweiten Schwingkreis übertragen, wodurch der zweite Schwingkreis ebenfalls zu einer elektrischen Schwingung mit seiner Eigenfrequenz angeregt wird und zwischen den Hochspannungselektroden (
1,
2) eine hochfrequente repetierende Hochspannung (siehe
9) entsteht.
-
Um eine möglichst energieeffiziente Anregung des zweiten bzw. weiterer Schwingkreise zu erreichen, wird erfindungsgemäß das Prinzip der Resonanz angewendet, das heißt, die Eigenfrequenz des zweiten bzw. weiterer Schwingkreise muss der Eigenfrequenz des ersten, anregenden Schwingkreises möglichst entsprechen.
-
-
Der zweite oder weitere Schwingkreise werden durch die zweite Induktivität (11) des zweiten Schwingkreises und/oder die Induktivitäten weiterer Schwingkreise und eine jeweils an diese angeschlossenen Hochspannungselektrodenanordnung, bestehend aus mindestens zwei, sich gegenüber stehenden Hochspannungselektroden (1, 2), wobei mindestens eine dieser Elektroden als Erd- bzw. Bezugselektrode ausgeführt ist, gebildet, wobei die Kapazität des zweiten Schwingkreises oder weiterer Schwingkreise hauptsächlich durch die geometrische Kapazität der angeschlossenen Hochspannungselektrodenanordnung und dem zwischen den Elektroden befindlichen geschichteten bzw. gemischten Dielektrikum, bestehend aus einem Gas, wie beispielsweise Luft, CO2, N2, und dem aufzuschließenden bzw. zu behandelnden Prozessgut (3), gebildet wird.
-
Auch der parallele Betrieb mehrerer erster Schwingkreise die jeweils mit einem oder mehreren weiteren Schwingkreisen magnetisch gekoppelt sind, liegt im Bereich der Erfindung. Die parallel betriebenen ersten Schwingkreise können dabei gleiche oder aber unterschiedliche Eigenfrequenzen und eine Phasenverschiebung aufweisen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Hochspannungselektrode
- 2
- Bezugselektrode
- 3
- Prozessgut
- 4
- Fördereinrichtung
- 5
- leitfähige Grundplatte/Grundelektrode
- 6
- Spitzenelektrode
- 7
- Kugelelektrode
- 8
- Induktivität des ersten Schwingkreises
- 9
- Kapazität des ersten Schwingkreises
- 10
- Schaltelement
- 11
- Induktivität des zweiten Schwingkreises
- 12
- Kapazität des zweiten Schwingkreises
- T0
- Kehrwert der Eigenfrequenz
- T
- Wiederholrate
-
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
-
- US 4838154 A [0002]
- DE 19534232 C2 [0003]
- DE 10144486 C1 [0004]
- WO 03/02244 A1 [0004]
- DE 10144479 C2 [0005]
- DE 102005046413 A1 [0006]
- DE 19957775 C1 [0011]
- WO 2004/105810 A1 [0012]
- EP 1628688 B1 [0012]
- WO 2004/023927 A1 [0012]
- DE 102006020484 A1 [0012]
- EP 2024080 B1 [0012]
- DE 1034766 A [0014]
- DE 1564166 B [0014]
- DE 2410060 A1 [0014]
- DE 8807090 U1 [0014]
- DE 3923694 C1 [0014]
- DE 4235766 C1 [0014]
- DE 4438533 A1 [0014]
- DE 19802662 A1 [0014, 0015]
