DE2505000A1 - Verfahren zur koagulation von protein - Google Patents

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K. SIEBERT G. GRÄTTINGER

Dipl.-Ing. Dlpl.-Ing., Dlpl.-Wlrtsch.-lng.

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den

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U.S.A.

Verfahren zur Koagulation von Protein

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Koagulation eines Proteins, bei welchem ein koagulierbares Protein mit einem Koagulationsmittel für Protein behandelt wird.

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Proteine entstammen den verschiedensten Quellen und sind bekanntermaßen wichtig für die richtige Ernährung von Menschen uprf Haustieren. Proteine finden ferner Verwendung als Bodennäx. rstoffe und werden in großem Umfang als Düngemittel verwendet. Um das Protein in ejLie nutzvolle Gestalt zu bringen, ist es oftmals notwendig, die Proteine aus einem geeigneten Quellenmaterial mit Hilfe eines Gases oder einer Flüssigkeit, in der Regel Wasser, zu extrahieren. Das extrahierte Protein wird in dem Gas oder der Flüssigkeit gelöst bzw, suspendiert. Das Gas oder die Flüssigkeit wird dann erwärmt und/oder mit verschiedenen bekannten Chemikalien behandelt, die das Protein in ihrem Trägermittel zur Ausflockung bringen. Das System zerfällt dann in zwei Phasen, nämlich einon Kuchen aus koaguliertem Protein und das Trägermedium. Das koagulierte Protein wird dann vom Trägermedium abgetrennt und getrocknet, wobei sich ein Proteinprodukt ergibt, das sich günstig handhaben, transportieren und mischen läßt.

Eine wichtige kommerzielle Quelle für Proteine ist tierisches Blut, beispielsweise Rinder- oder Schweineblut, welches in großen Mengen und bei niedrigen Kosten aus Schlachthöfen verfüghar ist. Bei tierischem Blut ist der Proteinanteil in einer Plasma genannten Flüssigkeit suspendiert. Die Gewinnung von Proteinen aus tierischem Blut ist von erheblicher kommerzieller Bedeutung, weshalb die Erfindung im folgenden in erster Linie anhand der Koagulation von Eiweiß aus vollem oder verdünntem tierischem Blut diskutiert wird. Es versteht sich jedoch, daß sich die Erfindung auch mit Vorteil auf die Koagulation von verschiedenen anderen koagulierbaren Proteinen anwenden läßt, und daß die Diskussion anhand von Blutproteinen nur als Beispiel dient.

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Blut wird wegen seines hohen Proteinanteils geschätzt und ist ein üblicher Zusat2 in Düngemitteln und Futtermitteln, um seine Vpi-wendung bei solchen Anwendungsfällen zu erleichtern, vird das Protein koaguliert _c so daß es sich in der oben beschriebenen Weise vom Rest- vies Blutes abtrennen läßt. Das abgetrennte Protein wird dann getrocknet, um die Feuchtigkeit, die ein Verderben des Proteinproäukts verursachen kann, zu entfernen. Ein trockenes Produkt läßt sich überdies einfacher handhaben und transportieren.

Techniken zur Koagulation von tierischem Blut sind seit vergleichsweise langer Zeit bekannt. Nach einem bekannten Verfahren wird das Blut thermisch koaguliert, indem es mit einem heißen Medium, wie beispielsweise Dampf, gemischt wird. Bekanntermaßen wird Blut auch durch Behandlung mit einem oder einer Reihe von chemischen Koagulationsmitteln, zu denen anorganische Salze, starke Elektrolyte, wie Schwefelsäure, Essigsäure, Salzsäure, und starke ionisierbare Basen, wie Natriumhydroxid und Lithiumhydroxid, gehören, behandelt. Dabei können Faktoren, wie die Art und die relativen Mengen der verwendeten Koagulationsmittel, und die Zeit und Temperatur beim Koagulationsprozeß einen bedeutenden Einfluß auf die Qualität des koagulierten Proteins haben. Bei weniger heftigen Koagulationsbehandlungen werden in der Regel weniger Proteinmoleküle zerstört, so daß sich qualitativ hochwertigere Produkte ergeben. Bei heftigen Koagulationsbehandlungen werden mehr Proteinmoleküle zerstört und es ergeben sich Produkte geringerer Qualität. Das qualitativ hochwertigere Protein wird als Futtermittel, das qualitativ minderwertigere als Düngemittel verwendet.

Die Mehrzahl der bekannten Koagulati ons verfahren für Blut wird chargenweise durchgeführt. Bei einem typischen Verfahren werden

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Dampfblasen in einen Blutbehälter eingeleitet. Der Wärme- und Stoffübergang in einem solchen Verfahren ist in der Regel schlecht. Darüberhinaus koaguliert dabei das Blut oftmals so, daß Binschltiße von unkoa.Tuliertem Blut entstehen, weshalb wegen der schlechten V/ärmeübergangseigenschaften der äußeren, koagulierten Materie lange Verweilzeiten notwendig sind, um den Koagulationsvorgang zuende zu bringen. Sobald die Koagulation als abgeschlossen beurteilt wird, wird der Behälter entleert und eine neue Charge Blut eingeführt.

Um einige der Probleme zu überwinden, die bei chargenweisen Verfahren zur Koagulation von Blut auftreten, wurden bereits mehrere kontinuierliche Verfahren zur Koagulierung von Blut vorgeschlagen. In einem dieser Verfahren, vrird das Blut durch ein perforiertes Rohr gepumpt und durch die Perforationslöcher Dampf in das Blut eingeleitet, um so die Koagulation herbeizuführen. Das perforierte Rohr ist mit einem Rohr konzentrisch, welches sich stromab bezüglich des perforierten Rohrs erstreckt. Die Länge dieses letzteren Rohres ist so gewählt, daß am Ausgang des Rohres die Koagulation beendet ist. Das Koagulationsprodukt wird dann zentrifugiert, um die Flüssigkeit teilweise zu entfernen und der Zentrifugenkuchen getrocknet. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die Neigung der Perforationslöcher und der Rohre mit koaguliertem Blut zu verstopfen. Das kann den Wärmeübergang vom Dampf auf das Blut erheblich beeinträchtigen, was zu einer reduzierten Koaguiationskapazität führt. Ferner kann die Ablagerung von Koagulierter Materie auf den Wänden der Rohre so weit gehen, daß Verstopfungen entstehen, die ein Abschalten der Anlage erforderlich machen, damit die Ablagerungen entfernt und ein kontinuierlicher Dfimpfstrom wiederhergestellt werden können. Ein weiteres Problem, das man bei diesem Verfahren häufig antrifft, ist die ungleichförmige Koagulation des Produkts,

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bei welcher sich Einschlüsse von nicht koaguliertem Blut in koagulierter Materie ergeben. Im nachfolgenden Trocknungsschritt trocknet das Produkt an der Außenseite, im Inneren ist jedoch weiterhin Feuchtigkeit vorhanden, was zu einem Faulen des Produkts während der Lagerung führen kann. Um sich vor diesem Problem einer unvollständigen Koagulation zu schützen wird das Blut des öfteren mit chemischen Koagulationsmitteln vorbehandelt, um so das Blut zumindest teilweise vorzukoagulieren, was die Erzielung einer vollständigen Koagulation bei der Zuführung von Dampf erleichtert. Diese chemischen Vorbehandlungen sind jedoch in der Regel kostspielig und schwierig in der Praxis beizubehalten, weshalb sie unerwünscht sind.

Ein Verfahren, welches durch einen schlechten Wärmeübergang gekennzeichnet ist, ist auch im allgemeinen nicht für die ^Coagulation von frischem Blut geeignet. Blut wird in der Regel als frisch betrachtet, wenn es noch nicht in wesentlichem Umfang zu gerinnen begonnen hat. In den meisten Fällen ist es unbehandeltes Blut, das den tierischen Körper vor weniger als 3 Stunden verlassen hat. Wenn der Koagulationsprozeß unter schlechten Wärmeübergangsbedingungen stattfindet, ist es oftmals notwendig, vor der Weiterverarbeitung des Blutes zu warten, bis es teilweise zu gerinnen begonnen hat, um auf diese Weise die Anforderungen an das Koagulationssystem selbst herabzusetzen. Ein weiterer Nachteil eines Verfahrens mit schlechtem Wärmeübergang besteht darin, daß das Blut längere Zeit einer Erwärmung ausgesetzt ist, was zu einem Abbau der Blutproteine führen kann. Thermisch abgebautes Blutprotein, das als Zusatz für Futtermittel verwendet wird, hat einen geringeren Nährwert für das Tder als Proteine, die während ihrer Behandlung nur kurze Zeit einer Erwärmung ausgesetzt worden sind.

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Nach einem weiteren kontinuierlichen Koagulationsverf ahren wird das Blut einer Transportschnecke zugeführt, die es an einem perforierten Bereich vorbeiführt, wo die Einführung von Dampf stattfindet. Dieses Verfahien hat im wesentlichen die gleichen Nachteile wie das oben beschriebene Verfahren, welches von einem perforierten Rohr Gebrauch macht.

Die bekannten Koagulationsverfahren sind in der Regel durch relativ ineffiziente Wärme- und Stoffübergangsbedingungen gekennzeichnet_f Deshalb braucht es erhebliche Zeit, um Wärme von der Stelle ihrer Zuführung an ein entferntes Blutvolumen zu übertragen und das Blut auf die Temperatur zu bringen, bei der eine Gerinnung einsetzt. Seiest dann die Koagulation des Blutes ein, wird der Wärmeübergang weiter beeinträchtigt, da die Wärmeleitfähigkeit des Blutes mit zunehmender Koagulation abnimmt und das Blut zäher wird unr". sich von einer Flüssigkeit in einen Festkörper verwandelt. Ähnliche Überlegungen gelten auch für den Stoffübergang. Bei Verwendung eines chemischen Koagulationsmittels muß dieses von der Stelle seiner Zuführung an ein von dieser Stelle entferntes Blutvolumen herangebracht werden. Diese Heranbringung wird in dem Maße behindert, wie das Blut zwischen der Stelle der Zuführung des Mittels und dem betrachteten Blutvolumen gerinnt. Zusammenfassend gesagt, gerinnt das Blut stufenweise, wobei das der Zuführungsstelle für das Koagulationsmittel am nächsten liegende Blut zuerst und das davon weiter entfernt liegende Blut eine gewisse Zeit später gerinnt. Dieser Schrittweise Prozeß erfordert eine verhältnismäßig lange Zeit vom Beginn bis zur Vollendung.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Koagulationsverfahren ist deren Unwirksamkeit bei der Koagulation von Protein bzw. Blut, welches mit Wasser oder anderen Verdünnungsmitteln verdünnt worden ist. Verdünntes Blut läßt sich nur schwierig thermisch

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koagulieren, da sowohl das Verdünnungsmittel als auch das Blut auf die Koagulationstemperatur erwärmt werden müssen. Darüberhinaus ist es wegen der niedrigeren Proteinkonzentration im Verdünnten Blut oftmals schwierig, das Blutprotein zu einer Teilchengröße zu koagulieren, welche sich einfach von der Trägerflüssigkeit abtrennen läßt.

Die aufgezählten Schwierigkeiten werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß ein flüssiges Gemisch aus dem koaguIierbaren Protein und dem Koagulationsmittel für Protein turbulenten Strömungsbedingungen unterworfen wird.

Das flüssige Gemisch aus dem koagulierbaren Protein und dem Koagulationsmittel für Protein wird in einer turbulenten Mischzone hergestellt, in der die turbulenten Strömungsbedingungen aufrecht erhalten werden.

Bevorzugt werden das koagulierbare Protein und das Koagulationsmittel getrennt in die Turbulenzζone eingeführt, wo das Mischen, unter Bedingungen hoher Turbulenz, durch einen Rührflügel mit hoher Söherung (engl. high shear agitator blade) herbeigeführt wird, dessen Flügelspitzen mit hoher Geschwindigkeit rotieren, so daß sich an ihnen die genannten lokalen Mischzonen hoher Turbulenz ergeben. Das Protein und das Koagulationsmittel werden getrennt in einen Gebiet zugeführt, das sicherstellt, daß wesentliche Anteile von beiden in die Zone hoher Turbulenz eintreten und sie in einer für die Koagulation des Proteins geeigneten Mischung durchlaufen. Dae Protein und das Koagulationsmittel mischen sich in der Zone hoher Turbulenz unter Bedingungen sehr guten Wärme- und StoffÜbergangs, so daß nahezu augenblicklich eine extrem wirkungsvolle coagulation des Proteins in dieser Zone stattfindet. Das koagulierte Protein wird in Form eines fließfähigen Breis von feinverteilten Teilchen gebildet,

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deren Größe sich durch Veränderung der Geschwindigkeit des Rührflügels steuern läßt.

Es hat sich gezeigt, daß das Mischen und die Koagulation in einer sehr vorteilhaften Umgebung stattfinden, wenn das Protein und das Koagulationsmittel in die lokale Zone hoher Turbulenz geleitet werden. Die Teilchen des koagulierten Proteins, die in der Zone gebildet werden, sind klein und voneinander getrennt. Diese Teilchen sind in der· Trägerflüssigkeit suspendiert und bilden einen leicht fließfähigen Brei, welcher die kontinuierliche Natur des Verfahrens erleichtert. Das Verfahren kann kontinuierlich durch kontinuierliches Zuführen von Protein und Koagulationsmittel in die Zone hochturbulenter Strömung und kontinuierliches Abziehen des Breies aus koagulierten Proteinteilchen durchgeführt werden.

Es hat sich ferner gezeigt, daß es wegen der hohen Wirksamkeit des Verfahrens auch möglich ist, die das koagulierbare Protein enthaltende Flüssigkeit ohne nennenswerte Beeinträchtigung des Koagulatxonsprozesseszu verdünnen. Ein Vorteil der Verdünnung der Flüssigkeit besteht darin, daß der entstehende Brei noch fließfähiger wird und sich deshalb noch einfacher im kontinuierlichen Durchsatz handhaben läßt. Ferner braucht wegen des hochwirksamen Mischens im erfindungsgemäßen Verfahren das Protein nicht teilweise vorkoaguliert zu werden, so daß beispielsweise auch frisches Blut verarbeitet werden kann. Da im wesentlichen das gesamte Protein und Koagulieningsmittel die Zo:ie hocaturbulenter Strömung durchlaufen erhält man ein Produkt, welches nach dem Trocknungsschritt frei ist von irgenwelchen Feuchtigkeitseinschlüssen aus unkoagulierter oder teilweise koagulierter Substanz, die zu einem Verderben des Endprodukts führen könnten»

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Das vollständige und gleichförmige Trocknen des koagulierten Verfahrensprodukts wird durch die Möglichkeit, die Teilchengröße des koagulierten Proteins im oben beschriebenen BereicY zu steuern, erleichtert. Die vollständige und gleichförmige Trocknung wird außerdem nach durch die nichtklebende Natur der koagulierten Proteinteilchen erleichtert. Da die Teilchen nicht kleben, kommt es auch nicht zu einem Aufbauen oder Festkleben von Teilchen an den Innenwänden des Trockners, so daß die Trocknungskapazität des Trockners nicht beeinträchtigt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann kontinuierlich und mit hohem Wirkungsgrad eine große Vielfalt von Proteinen, die in einer Vielfalt von Flüssigkeiten gelöst oder suspendiert sein können, koagulieren, wobei sich als Produkt ein fließfähiger Brei ergibt, in welchem das koagulierte Protein in Form von in der Größe gleichförmigen, nichtklebenden Teilchen hoher QualitKc, die sich einfach aas dem Brei abtrennen sowie vollständig und gleichförmig trocknen lassen, anwesend ist. Dire geringe Teilchengröße des koagulierten Proteins und die nichtklebende Natur der Teilchen ergibt als Produkt einen fließfähigen Brei, welcher das Problem von Strömungsunterbrechungen, die durch Verstopfungen durch koagulierte Feststoffe verursacht werden, und damit ein Hauptproblem kontinuierlich arbeitender Koagulationssysteme der bekannten Technik überwindet.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeic:hnung_c Auf dieser ist

Fig. 1 ein schematisches Flußdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Koagulation von Prolein, Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht des Bodens des Koagulations-

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gefäßes der Fig. 1 , welche die Lage der turbulenten Mischzone und die Einführung des das koagulierbare Protein enthaltenden Mediums in die Zone in einzelnen zeigt,

Fig. 3 eine Schnittansicht längs Linie 3-3 der Fig.1, welche den im wesentlichen toroidalen Aufbau der Turbulenzzone und die Einführung des das koagulierbare Protein enthaltenden Mediums und des Koagulationsmittels in die Zone schematisch zeigt, und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Rührflügels mit hoher Scherung, welcher zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist.

Wie Fig. 1 zeigt, wird rohes tierisches Vollblut 1o (1oo% Blut) einem Vorratsbehälter 11 zugeführt, aus dem der Prozeß beschickt wird. Bei diesem Blut handelt es sich bevorzugt um Rinder-, Schaf-, Schweine- oder Geflügelblut, wie es aus Schlachthöfen erhältlich ist, und kann frisches (jünger als 3 Stunden, gerechnet vom verlassen des Tieres) oder gealterte^ Blut sein. Rohes Vollblut enthält ungefähr 8o - 85 % Wasser. Bei dem Blut 1o kann es sich jedoch auch um Schlachthof blut handeln, das bis zu einem gewissen Grade mit Bodenwaschmitteln oder anderen verdünnenden Substanzen verdünnt worden ist. Tierisches Blut ist zwar eine bevorzugte Quelle für koagulierbares Protein, jedoch können auch andere Flüssigkeiten, die koagulierbare Proteine enthalten, im erfindungsgemäßen Verfahren koaguliert werden, wobei beispielsweise an Sojabohnen? Baumwollsamen- und Kokosnußextrakte, süße und saure Molke aus Käsereien und pflanzliche Säfte, wie diejenigen, aus Luzernen-, Algen- und Wasserhyazinthenanpflanzungen, zu denken ist.

Das Blut aus dem Speicherbehälter 11 wird in einem Verdünnungsbehälter 13 überführt, wo es mit Wasser 14 oder einem anderen

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geeigneten inerten flüssigen Verdünnungsmittel, wie Blutserum oder aus dem Koagulationsprodukt in einem späteren Verfahrensschritt abgetrennten Wasser, gemisch*- wird. In der Regel wird soviel Verdünnungsmittel zugegeben, caß sich ein Gemisch ergibt, welches maximal ungefähr 5o % Verdünnungsmittel enthält. Wie oben befceits diskutiert, verleiht das Verdünnungsmittel dem sich ergebenden Brei bzw. koaguliertem Protein eine zusätzliche Fließfähigkeit, was für die kontinuierliche Durchführbarkeit des Verfahrens von Wichtigkeit ist.

Falls das aus dem Schlachthof kommende Blut bereits .verdünnt ist, besteht unter Umständen die Möglichkeit, den Verdünnungsschritt auszulassen oder das Ausmaß der Verdünnung zu reduzieren. Das verdünnte Blut enthält bevorzugt bis zu ungefähr 60 - 9o % Rohblut und ungefähr 1o - 4o % zugesetztes· Wasser oder Verdünnungsmittel und noch bevorzugter "jigefeKr 75 -85 % Rohblut und ungefähr 15 - 25 % zugesetztes Wasser oder Verdünnungsmittel. Je mehr Wasser dem Rohblut zugesetzt wird, desto mehr Wärme ist notwendig, um das Gemisch auf die Koagulationstemperatur für das Protein zu bringen. Die Zugabe übermäßiger Mengen an Wasser zum Rohblut ist vom wirtschaftlichen Standpunkt her nicht wün sehenswert. '

Das Verdünnte Blut 15 wird mit Hilfe einer Speisepumpe 17 einem Koagulationsbehälter 16 zugeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Koagulationsbehälter zylindrisch und mit einem Rührflügel 18 hoher Scherung ausgerüstet, welcher mit einem Antriebsmotor 19 über eine Welle 2o verbunden ist. Der Rührflügel 18 kann aus den zahlreich vorhandenen Arten von Rührflügeln ausgewählt werden, die speziell für die Erzeugung hoher Turbulenzen konzipiert sind. In der Regel werden solche Flügel als Hochs eher rührflügel beschrieben und sind dem Fachmann bekannt. Sie sind in der Regel so ausgelegt, daß sie bei hohen Geschwindig-

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keiten aber gleichzeitig mit minimaler Flüssigkeitsströmung, verglichen, mit anderen Typen von Rührflügeln, bei welchen ein Großteil der auf den Rührflügel übertragenen mechanische*. Energie für cias Umrühren der Flüssigkeit verwendet wird, arbeiten. Diese Flügel sind in der Regel durch eine im Verhältnis zu den üblicherweise verwendeten Mischflügeln kleine Flügelzone gekennzeichnet. Der sogenannte Rührflügel mit "modifizierter scheibe", bei welchem der Rand der Scheibe einen Sägezahnaufbau hat, hat sich als besonders wirkungsvoll herausgestellt. Der komerziell verfügbare Hochscher-Standardrührflügel der Firma Cowles ist ein Beispiel für einen geeigneten Rührflügel mit modifizierter Scheibe.

Wie in Fig. 1 gezeigt, wird das verdünnte Blut 17 kontinuierlich im Boden des Koagulationsbehälters 16 unter den Rührflügel 18 zugeführt. Das bevorzugte Koagulationsmittel ist Dampf 21, welcher durch die Wände des Koagulationsbehälters 16 kontinuierlich an zwei um ungefähr 18o° versetzten Punkten in einer Höhe von in der Regel derjenigen des Rührflügels 18 zugeführt wird. Jedes beliebige geeignete Proteinkoagulationsmittel oder eine Kombination von solchen Mitteln, ohne oder mit Dampf, kann verwendet werden, allerdings wird Dampf ohne ein zusätzliches Koagulationsmittel bevorzugt.

Durch das Drehen des Rührflügels 18 wird das Volumen der im Koa~j gulationsbehälter befindlichen Flüssigkeit in Bewegung gesetzt und es bildet sich ein Wirbel 24. Der Koagulatiousxjehälter ist an seiner Oberseite mit einem überlauf 23 (siehe jTig. 1) versehen, welcher mit dem Inneren des Koagulationsbehälters 16 in Verbindung steht. Das obere Ende 22 des Wirbels 24 läuft kontinuierlich in den überlauf 23 aus und wird in einem Sammeltank 25 gesammelt. Was an der Oberseite des Wirbels in den

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überlauf 23 ausläuft, ist ein fließfähiger Brei 26 aus feinen koagulierten Blutteilchen 29. Der Brei 26 wird einer Zentrifuge 27 durch eine Breipumpe 28 zugdeitet, wo. die koagulierten Feststoffteilchen 3o des Bluts vcn dem Blutserum und Wasser 31 abgetrennt werden, weiche dann in den Kreislauf zurückgeführt werden können, falls sie als Verdünnungsmittel für das Blut dienen sollen. Zur Durchführung dieses Vorgangs können auch andere geeignete Mittel zur Trennung von Feststoffen und einer Flüssigkeit, wie beispielsweise Filter oder verschiedene Arten von Sedimentationsapparaturen, verwendet werden. Die Blutfeststoffteilchen 3o werden dann einem Trockner 31 zugeführt, wo sie nach herkömmlichen Verfahren getrocknet werden, wobei sich ein trockenes Blutprodukt 32 ergibt, welches als Zusatz für Düngemittel, Futtermittel oder andere Zusammensetzungen, bei denen koaguliertes Blut ein nützlicher Bestandteil ist, eignet.

Zur Erzeugung der gewünschten turbulenten Strömungsbedingungen im Köagulationsbehälter 16, rot5.ert der Rührfitigel 18 beispielsweise mit einer Geschwindigkeit an der Flügelspitze von wenigstens ungefähr 45o Meter pro Minute und im allgemeinen mit einer Geschwindigkeit von zwischen 45o und 195o Meter pro Minute. Die Geschwindigkeit an der Flügelspitze in Meter pro Minute wird berechnet durch Multiplikation des Umfangs des Rührflügels (ausgedrückt in Meter) mit seiner Anzahl von Umdrehungen pro Minute. Bevorzugte Geschwindigkeiten an der Flügelspitze für Blut sind ungefähr 145o - 16oo Meter: pro Minute, weil sich ganz allgemein gezeigt hat, daß diese Geschwindigkeiten einen wohlkoagulierten fließfähigen Brei von wünschenswerter Teilchengröße erzeugen. Die Bedingungen einer hochturbulenten Strömung in dem Koagulationsbehälter 16 ergeben die gewünschte Fließkonsistenz des Breis aus koagulierten Teilchen, verhindern die Bildung von großen Agglomeraten aus koagulierten Teilchen und sorgen für

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eine im wesentlichen augenblickliche Koagulation des Proteins. Bei zu geringer Geschwindigkeit der Spitze des, Rührflügels 18 nimmt die Turbulenz soweit ab, daß sie für einen schnellen Stoff- und Wärmeübergang nicht mehr ausreicht. Die Größe der 'koagulierten Teilchen wird dann übermäßig groß und beeinträchtigt die kontinuierliche Natur des Verfahrens insoweit, als dadurch der entstehende Brei weniger fließfähig wird. Wird andererseits die Geschwindigkeit der Flügelspitze zu groß, so kommt es zu einem unzureichenden Wachstum der koagulierten Teilchen, so daß diese zu klein und deshalb schwierig aus dem Brei 26 abzutrennen sind.

Die Teilchengröße der koagulierten Blutteilchen 29 wird durch die Geschwindigkeit an der Spitze des Rührflügels 18 kontrolliert, wobei niedrigere Spitzengeschwindigkeiten größere Teilchen und höhere Spitzengeschwindigkeit kleinere Teilchen erzeugen. Die koagulierten Blutteilchen 29 sind typischerweise nahezu kugelförmig und weisen einen mittleren Teilchendurchmesser von ungefähr o,5 mm bis 3 mm auf. Ein bevorzugter Bereich für die Teilchengröße liegt zwischen ungefähr 1 ,5 mm und 3 mm, wobei dieser Bereich normalerweise mit einer Flügelspitzengeschwindigkeit von ungefähr 144o bis 152o Meter pro Minute erzielbar ist. Bei Teilchengrößen unterhalb ungefähr o,5 mm kann es schwierig werden, diese vom Blutserum und Wasser abzutrennen. Auf der anderen Seite können mit Teilchengrößen, die größer als 3 mm sind, die Trocknungszeiten übermäßig lang werden.

Wenn der Rührflügel 18 rotiert, erzeugt er in dem Gesamtvolumen der indem Koagulationsbehälter 16 enthaltenen Flüssigkeit eine kleine, lokalisierte Zone 4o hochturbulenter Strömung in unmittelbare:- Nähe der Spitze 41 des Rührflügels 18. Wie am besten in Fig. 2 zu sehen, hat die Zone 4o bei Betrachtung im Schnitt gemäß den Fig. 1 und 2 den ungefähren Aufbau einer Ellipse, wo-

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bei sich- die Zone bezüglich der Spitze 41 des Rührfitigels 18 nach außen und nach oben und nach unten erstreckt. Obwohl die genauen Grenzen der Zone 4o etwas diffus sind, erstreckt sie sich typischerweise von der Flügelspitze 41 um eine Strecke nach außen, die etwa dem halben Durchmesser des Rührflügels gleich ist. Auch die Ausdehnung der Zone 4o nach oben und nach unten bezüglich des Rührflügels 18 ist typischerweise ungefähr der halbe Durchmesser des Rührflügels 18. Wenn also der Durchmesser des Rührflügels 18 1o cm betrug, erstreckte sich öie Zone 4o bezüglich der Spitze 41 um ungefähr 5 cm nach außen und ferner bezüglich der Spitze 41 um ungefähr 5 cm nach oben und unten, so daß die, bei Betrachtung gemäß Fig. 2, vertikale Gesamtabmessung der Zone ungefähr 1o cm betrug. In der Hraufsioht hat die Zone 4o einen im wesentlichen toroidalen Aufbau, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Bei der auf der Zeichnung gezeigten Ausführungsform ist offensichtlich, daß die Zone 4o nur einon kleinen Teil des im Koagulationsbehälter 16 enthaltenen FlM^sigkeitsvolumen belegt.

Das verdünnte Blut 15 wird in den Koagulationsbehälter unter dem Rührflügel 18 und etwas außerhalb der Mitte des Bodens des Behälters zugeführt, während der Dampf in der Nähe der Spitze 41 des Rührflügels 18 durch die Wände des Koagulationsbehälters zugeführt wird. Durch die Wirkung des Rührflügels 18 wird das Blut 15 bezüglich der Zu füh rungs stelle nach oben und außen gezogen, wie in den Fig. J,2 und 3 schematisch durch die Pfeile angedeutet ist. Der Dampf und das Blut werde« beide unter so hohem Druck in den Koagulationsbehälter eingeschossen, daß beide in wesentlichen Mengen in die Zone 4o durchdringen können, wo sie sich unter Bedingungen eines hochwirksamen Wärme- und Stoff Übergangs mischen und das Blut nahezu augenblicklich koaguliert. Unter solchen Bedinaungen ist die Teilchengröße kontrollierbar, ein übermäßiges Wachsen der Teilchen wird verhindert,

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und der sich ergebende Brei 26 verbleibt in einem fließfähigen Zustand, in welchem er kontinuierlich und nach Belieben aus dem Köagulationsbehälter abgezogen werden kann.

Der Rührflügel 18 ist im Koagulationsbehälter zwischen der Einlaßöffnung für das Blut und dem überlauf 23, über den die koagulierten Blutteilchen den Koagulationsbehälter verlassen ι angeordnet. Ist der Rührflügel 18 zu weit von den Einlaßöffnungen für das Blut und den Dampf angeordnet, so ist die durch ihn geschaffene Turbulenz in dem Bereich, wo sich der Dampf und das Blut mischen zu gering, und das vermischen der beiden Komponenten geschieht nicht augenblicklich. Unter solchen Bedingungen können die Teilchen aus koaguliertem Blut agglomerieren und wachsen und dabei eine Verstopfung der Einläße und Auslaße des Koagulationsbehälters mit koaguliertem Blut verursachen. Befindet sich andererseits der Rührflügel 18 zu nahe an der Einlaßöffnung für das Blut, so kann sich eine unvollständige Koagulation als Folge einer Umgehung der Turbulenzzone mit dem Ergebnis einer schlechten Mischung zwischen Dampf und Blut ergeben. Typischerweise sollte der Abstand zwischen der Einlaßöffnung für das Blut und den Rührflügel ungefähr zwischen dem o,25- und 1,25-fachen des Flügeldurchmessers liegen, wobei Abstände im unteren und mittleren Teil des Bereiches für größere Flügeldurchmesser bevorzugt werden. Beispielsweise soll für einen Flügel mit 1o cm Durchmesser der Abstand ungefähr zwischen 2,5 und 12,5 cm liegen, während für einen «rrößeren Rührflügel von 3o cm Durchmesser der Abstand im Bereich zwischen 7,5 und 2o cm liegen kann.

Der Dampf wird typischerweise durch die Wand des Koagulationsbehälters <un Stellen eingeführt, die .im wesentlichen in einer

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Ebene mit dem Rührflügel liegen.

Der Zwischenraum 35 zwischen dem äußeren Rand der Zone 4o und der Wand des Koagulationsbehälters (siehe Fig. 1,2 und 3) sollte nicht so groß sein, daß ein wesentlicher Teil des eingeschossenen Bluts und Dampfes nach oben durch den Wirbel 24 entkommen kann, ohne die Zone 4o zu durchlaufen. Es sollte zwar ein Zwischenraum zwischen der Zone 4o und der Wand bestehen, jedoch sollte dieser nicht ungebührlich groß sein, da es ja ein Ziel der Erfindung ist/ so viel Dampf 21 und Blut 15 wie möglich in die Zone 4o einzuführen, derart, üaß ein erheblicher Anteil des eingeführten Bluts und Dampfes sich eine geringe Zeit bevor er den Koagulationsbehälter durch den überlauf 23 verläßt, in der Zone 4o wiederfindet. Im Hinblick darauf beträgt der Durchmesser des Rührflügels 18 wenigstens ungefähr 3o % und vorzugsweise ungefähr 35 - 6o % des Durchmessers des Koagulationsbehälters 16, so daß die Turbulenzzone 4o wenigstens ungefähr 4o % , und vorzugsweise ungefähr 55 - 1oo % des Abstandes zwischen der Spitze 41 des Rührflügels 18 und der Wand des Koagulationsbehälters 16 besetzt.

Ein Abfallen der Temperatur des Blutgemischs im Koagulafcionsbehälter unter 85°C kann eine unvollständige Koagulation, zur Folge haben. Temperaturen zwischen ungefähr 85 C und dem Siedepunkt des Gemischs ergeben zufriedenstellende Resultate, wobei Temperaturen zwischen 88°C und 96°C für die meisten Anwendungsfälle bevorzugt werden. Die Verweilzeiten im Koagulatioiisbehälter betragen typischerweise zwischen 15 und 35 Sekunden, wobei bei niedrigeren Arbeitstemperaturen längere Zeiten und bei höheren Arbeitstemperaturen kürzere Zeiten benötigt werden. Wegen dieser kurzennVerweilzeiten führt die im Koagulationsbehälter vorhandene hohe Temperatur nicht zu einem nennenswerten Abbau des Proteins des Bluts, weshalb das Blutprodukt einen höheren Prozentanteil

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an nutzbarem Protein aufweist, als bei vielen bekannten Verfahren, welche wegen der schlechten Wärmeübergangsbedingungen das Blut über la ngere Zeit hohen Temperaturen aussetzen.

Die Zufuhrgeschwindigkeiten für den Dampf und das Blut werden während der Anfahrphase des Verfahrens solange eingestellt, bis die gewünschte stabile, stationäre Arbeitstemperatur im Koagulationsbehälter erreicht ist. Eine zu hohe Zufahr geschwindigkeit für das Blut kann die Temperaturen im Koagulationsbehälter absenken und eine unvollständige Koagulation zur Folge haben. Eine zu niedrige Zufuhrgeschwindigkeit kann übermäßige Verweilzeiten im Koagulationsbehälter verursachen und die Erzeugung von tibe'rir.äßig feinen Blutteilchen, die sich nur schwer aus dem Brei 26 abtrennen lassen, zu Folge haben. Es versteht sich für den· Fachmann, daß geeignete Blut- und DampfZuführungsraten in einem sehr bre.icen Bereich liegen können und von solchen Faktoren, wie Größe und Form des Koagulationsbehälters, de m Verdünnungsgrad des Blutes, der Dampf temperatur und der Art und der Geschwindigkeit des Rührflügels 18 abhängen.

Bei Anwendung übermäßig hoher Dampfdrucke, kann der Dampf durch den Wirbel 24 blasen und eine Zersteubung des Inhalts des Koagulatorbehälters bewirken. Ist andererseits der Dampfdruck zu niedrig, so kann der Dampf die Zone 4o nicht durchdringen, mit der Folge einer wegen des zu geringen Wärmeangebots unvollständigen Koagulation des Blutes. Bevorzugte Dampfdrucke erzeugen ein vollständig koaguliertes Blut bei Temperatüren zwischen 88 und 96 C. Dampf drucke zwischei 3,5 atü haben sich als geeignet erwiesen.

zwischen 88 und 96 C. Dampfdrucke zwischen ungefähr o,7 und

Es kann nun. ermessen werden, daß das erfindungsgemäße Verfahren durch sorgsame Ausrichtung des Protein- und Koagulationsmittelstromes auf eine lokalisierte Zone hochturbulenter Strömung ein

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kontinuierliches und im wesentlichen momentanes Koagulieren von Protein gestattet, wobei sich ein pumpbarer, fließfähiger Etei aus feinverteilten koagulierten Teilchen ergibt, die dann in sehr effizienter Weise abgetrennt und gleichförmig getrocknet wexxien können.

Die folgenden Beispiele dienen einer weiteren Veranschaulichung der Erfindung.

Beispiel 1

in diesem Beispiel wurden die koagulierten Blutteilchen :«;τι wesentlichen in Einklang mit dem in Fig. 1 dargestellten Verfahren hergestellt. Der Koagulationsbehälter war ein zylindrischer Tank aus rostfreiem Stahl (316 stainless steel) mit einem Innendurchmesser von ungefähr 27 cm und einer Höhe von ungefähr 38 cm. Das Blut wurde kontinuierlich durch den Boden des Behälters durch eine öffnung mit einem Durchmesser von 12,5 ιατα eingespritzt, deren Mittelpunkt gegenüber der Mitte des Behälterbodens um ungefähr 25 mm versetzt war. Der Dampf wurde kontinuierlich durch zwei in der Wand des Behälters befindliche Einlaßöffnungen von 12,5 mm Durchmesser eingestrahlt, die sich um 18o versetzt ungefähr 9 cm oberhalb des Behälterbodens befanden. Der Hochscher-Rührf lügel hatte einen Durchmesser von 1o cm, an seinem Rand ein Sägezahnmuster (Cowles Standard Impeller) und war aaf einer Antriebswelle etwa 9 cm oberhalb des Behälterbodens montiert. Der Flügel nahm ungefähr 38% des Durchmessers des Koagulationsbehälters ein. Die lokalisierte Turbulenzzone erstreckte sich von der Flügelspitze um ungefähr den halben Flügeldurchmesser (oder 5 cm) radial nach außen, so daß die 'Turbulenzzone ungefähr 5 cm der 8,5 cm zwischen der Flügelspitze und der Wand des Koagulationsbehälters oder 64' * dieses Abstandes einnahm. Dies reichte aus sicherzustellen, daß nicht wesentliche Mengen des Blutes und Dampfes den Prozeß durch

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Vermeidung des Durchganges durch die an der Spitze des Rührflügels befindliche Turbulenzzone kurzschlossen. .

An der Oberseite des Koägulationsbehälters befand sich ein halbkreisförmiger überlauf, der während des Betriebs kontinuierlich aus dem Koagulatonsbehälter überlaufende Substanz aufnahm. Dieser überlauf hatte einen Radius von 7,5 cm und leitete die überlaufende Substanz in einen Sammeltank, von wo sie durch eine Pumpe einer Zentrifuge eingespeist wurde.

Um das Verfahren zu starten wurde der Kagulationsbehälter mit Wasser gefüllt und dann Dampf solange in das Wasser eingesprudelt bis die Temperatur des Inhalts des KOagulationcbehälters etwa 93 C betrug. Während dieses Vorwärmens wurde der Speicherbehälter mit frischem Rinderblut gefüllt, welches vorher nicht mit irgendwelchen Zusätzen behandelt worden wa*;. Dieses Blut wurde dann in den Verdünnungsbehälter geleitet, wo es mit soviel Wasser gemischt wurde, daß sich ein verdünntes Blut mit einem Anteil von ungefähr 8o Gew.-% rohem Vollblut und 2o Gew.-% zugefügtem Wasser ergab.

Sobald das Vorwärmen des Koagulatcfconsbehälterinhalts auf ungefähr 93°C abgeschlossen war, wurden die Zentrifuge, der Hochseher-Rührflügel, die Speisepumpe für das Blut und die Breipumpe (siehe Fig. 1) gestartet. Im Koagulationsbehälter wurde ein Wirbel erzeugt, der dazu führte, daß ein Teil des Inhalts in den überlauf ausfloß. Die Umdrehungszahl des Rührflügels wurde auf ungefähr 5ooo Umdrehungen pro Minute eingestellt, was einer Geschwindigkeit der Flügelspitze von ungefähr 157o Metern pro Minute entsprach. Das Blut und der Dampf wurden getrennt in die Zone hoher Turbulenz an der Spitze des Rührflügels eingeführt, wo die Koagulation des Bluts begann. Sobald eine gute Koagulation des Blutes eingesetzt hatte, die sich in einem Auftreten von im

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wesentlichen kugelförmigen Teilchen der richtigen Größe (1,6 - 3,2 mm Durchmesser) in dem in den Oberlauf ablaufenden Brei äußerte_fwurde die Geschwindigkeit der Speisepumpe für das Blut allmählich gesteigert, bis sich die Koagulationstemperatur auf einem Wert zwischen ungefähr 9o und 93°C stabilisierte. An diesem Punkt begann der stationäre Betrieb, in welchem koaguliertes Blut kontinuierlich aus dem Koagulationsbehälter abgezogen und zur Gewinnung der Teilchen in die Zentrifuge gepumpt wird. Unter stabilen Betriebsbedingungen betrug die Strömungsgeschwindigkeit des verdünnten Bluts 3oo Liter pro Stunde und der Dampfverbrauch ungefähr 41 kg pro Sturze. Die gewonnenen Blutteilchen wurden dann gemäß normaler Verfahrensweisen getrocknet, und es ergab sich ein Produkt dus im wesentlichen kugelförmigen Teilchen aus trockenem koaguliertem Blut, die in der Mehrzahl einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von zwischen ungefähr 1,6 und 3,2 mm hatten.

Beispiel 2

Koagulierte Molketeilchen wurden über im wesentlichen das gleiche Verfahren, wie es in Fig. 1 und im obigen Beispiel 1 beschrieben ist, hergestellt, jeodeh mit Ausnahme mehrerer Änderungen im Verfahren, die im folgenden aufgeführt sind.

Die verwendete Molke stammte aus Weißkäse. Sie war frisch (5 Stunden zuvor dem Faß entnommen) und hatte einen pH-Wert von 4,6, der sie als saure Molke klassifizierte. Die Molke enthielt ungefähr 6 % Feststoffe und o,8 % Protein. Die Molke kam direkt aus dem Käsefaß ohne weitere Bearbeitung.

Der Koagulationsbehälter war ein zylindrischer Tank aus rostfreiem Stahl (316 stainless steel) mit einem Innendurchmesse·: von ungefähr 27 cm und einer Höhe von ungefähr 38 cm, wie oben beschrieben. Die Molke wurde kontinuierlich durch den Boden des Gefäßes durch eine öffnung mit einem Durchmesser von 12,5 mm eingespritzt. Der Dampf wurde kontinuierlich durch zwei Einlaß-

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öffnungen mit einem Durchmesser von 12 ,5 mm eingestrahlt, die um 18o versetzt in einer Höhe von 9 cm über dem Behälterboden angeordnet waren. Der Hochseher-Rührflügel hatte wiederum ei^en Durchmesser von 1o cm und war das gleiche MOdell wie in Beispiel 1, jedoch war er 23 cm über dem Behälterboden auf einer Antriebswelle montiert. Der Rührflügel nahm nach wie vor ungefähr 38 % des Durchmessers des Koagulationsbehälters ein.

ISn das Verfahren zu starten, wurde der Koagulationsbehälter mit Wasser gefüllt und Dampf solange eingeführt, bis eine Temperatur von 8θ C erreicht war. Während des Vorwärmens des Koagulationsbohälters wurde ein Speicherbehälter mit frischer Molke gefüllt.

Sobald das Vorwärmen des Koagulationsbehälterinhalts abgeschlos'sen war, wurden die Speisepumpe und der Scherflügel gestartet. Dabei bildete sich ein Wirbel, der dazu führte, daß ein Teil des Inhalts in den überlauf ausfloß. Der Rührflügel wurde auf eine Rotationsgeschwindigkeit von 3ooo Umdrehnungen pro Minute eingestellt, was einer Geschwindigkeit der Flügelspitze von ungefähr 9 4o m pro Minute entspricht.

Sowohl die Molke als auch der Dampf wurden unterhalb des Rührflügels eingeführt. Auf diese Weise wurde die Verweilzeit in dem Koagulationsbehälter erhöht, und machte eine niedrigere Geschwindigkeit des Rührflügels möglich. Die Natur des Proteins und die Teilchengröße waren so geartet, daß die Koagulation im Prozeßstrom nicht erkennbar war. Deshalb wurden Proben in verschiedenen Abständen während des Laufs entnommen. Die Proben wurden in ?ooc riL-Bechergläsern gesammelt. Die Bechergläser gestatteten eine unbehinderte Beobachtung der koagulierten Teilchen, sobald sich die Turbulenz gelegt hatte.

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Sobald-eine gute Koagulation eingesetzt hatte, wurde die Zuführung der Molke allmählich gesteigert, bis sich die Temperatur des Koagulationsgefäßes auf einem Wert von ungefähr 93°C stabilisierte. Die Temperatur wurde auch weiterhin durch Variation der Dampfzuführung gesteuert. Unter stabilen Betriebsbedingungen betrug die Strömungsgeschwindigkeit der r-iolke ungefähr 19o ltr. pro Stunde und der Dampf verb rauch ungefähr 32 kg pro Stunde.

Es zeigte sich, daß in dem erfindunqscremäßen Verfahren ungefähr 5o % des in rbher saurer Melke mit einem pH-Wert von 4,6 enthaltenen Proteins im wesentlichen schlagartig koaguliert werden konnten. Im dem bekannten Verfahren zur Aufbereitung von saurer Molke zur Sprühtrocknung wird die Rohmolke 2o Minuten lang oder mehr Temperaturen zwischen 74 und 88 C ausgesetzt, um Teile des Proteins zu koagulieren und zu fällen.

Sobald das Protein koaguliert ist, kann es aus der Molke abgetrennt und bei der Käseherstellung oder bei anderen Molkereiprodukten, wie Joghurt, wiederverwendet werden. Das Protein könnte auch getrocknet und als Zusatz in anderen Nahrungs- oder Futtermitteln verwendet werden.

- Patentansprüche -

5 0 9 8 H - /

Claims (1)

1. Pat ent. ansprüche

   (Iy Verfahren zur Koagulation von Protein, bei welchem ein koaguliert)ares Protein mit einem Koagulationsmittel für Protein behandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein flüssiges Gemisch aus dem koaguliert) aren Protein und dem Koagulationsmittel für Protein turbulenten Strömungsbedingungenunterworfen wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Gemisch aus dem koagulierbaren Protein und dem Koagulationsmittel in einer in einem Flüssigkeitsvolumen aufrecht erhaltenen turbulenten Mischzone erzeugt wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Protein und das Koagulationsmittel getrennt in Üe Mischzone eingeführt werden.

   4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die turbulente Mischzone einen geringen Teil des gesamten Flüssigkeitsvolumere ausmacht.

   5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die turbulente Mischzone im Flüssigkeitsvolumen durch Rühren des Flüssigkeitsvolumens nit einem Hochs eher-Rühr flügel erzeugt wird, der mit ei^er Flügelspitzengeschwindigkeit von wenigstens ungefähr 45o m pro Minute betrieben wird, wobei die Turbulenzzone in der Flüssigkeit an der Spitze des Rührflügels erzeugt wird.

   6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rührflügel mit einer Flügelspitzengeschwindigkeit von zwischen

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   ungefähr 45o und 195o Meter pro Minute betrieben wird, daß das koagulierbare Protein und das Koagulationsmittel für das Protein in getrennten Strömen in die Zone zur Erzeugung fein verteilter Teilchen von koavTuliertem Protein eingeführt und ein fließfähiges Gemisch aus fein verteilten Teilchen aus koaguliertem Protein kontinuierlich abgezogen wird.

   7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das in öle Turbulenzzone eingeführte Protein ferner zwischen O und ungefähr 50 % eines inerten flüssigen Verdünnungsmittels aufweist. .

   8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Koagulationsmittel Dampf verwendet wird.

   9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hoagulierbare Protein Blut und das Koagulierungsmittel ein Blutkoagulierungsmittel ist, und daß ein wesentlicher Teil des Bluts und des Blutkoagulierungsmittels durch die Turbulenzzone geführt wird.

   To, Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in die Turbulenzzone (a) ein Strom von Blutflüssigkeit mit ungefähr 6o bis 1oo % Blut und 0 bis ungefähr 4o % eines inerten flüssigen Verdünnungsmittels und (b) ein Strom des Koagulationsmittels geführt wird.

   11. Verfahren nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte flüssige Verdünnungsmittel Wasser ist.

   22. Januar 1975/958 d

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