DE2918212A1 - Verfahren und einrichtung zum aufschliessen der zellen von biomassen u.dgl. - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum aufschliessen der zellen von biomassen u.dgl.

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DE2918212A1 DE19792918212 DE2918212A DE2918212A1 DE 2918212 A1 DE2918212 A1 DE 2918212A1 DE 19792918212 DE19792918212 DE 19792918212 DE 2918212 A DE2918212 A DE 2918212A DE 2918212 A1 DE2918212 A1 DE 2918212A1
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Description

VON KREISLER SCHON vVALD EISHOLD FC £ S VON KREISLER KELLER SELTING WERNER
PATENTANWÄLTE
Dr.-Ing. von Kreisler ti 973
Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden Dr. J. F. Fues, Köln Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln
, Dipl.-Ing. G. Selting, Köln
Dr. H.-K. Werner, Köln
4.5.1979 Sch/Sd
DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF
D-5000 KÖLN 1
Dipl.-Ing. F. J. Zucker, St. Andreasstraße 16, 4040 Neuss 21
Verfahren und- Einrichtung zum Aufschließen der Zellen von Biomassen u.dgl.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Aufschließen der Zellen von Biomassen oder von Biomasse enthaltenden Substraten, z.B. zum Freilegen von Zellinhaltsstoffen, zur Trennung von Zellinhalt und Zellhülle, zur Innenaktivierung von Enzymen u.dgl.
Zellen sowohl im Verband als auch in singularer Form, z.B. Mikroorganismen, Zellkulturen u.dgl., bedürfen in vielen technischen Prozessen einer Behandlung. Dabei werden im allgemeinen zwei Ziele verfolgt. Einerseits wünscht man eine Desintegration der Zelle zum Freilegen von Zellinhaltsstoffen oder zur Trennung von Zellinhalt und Zellhülle. Andererseits soll durch Erhitzung und/oder Desintegration eine Tötung von Mikroorganismen und Sporen bzw. eine Inaktivierung von Enzymen stattfinden.
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Telefon: (0221) 131041 - Telex: 8882307dopa d -Telegramm- Dompatent Köln
Man kennt den Aufschluß der Zellen durch mechanische Beanspruchung, z.B. Kugelmühlen, Hochdruckhomogenisatoren. Man hat auch schon den Aufschluß durch Entspannung, z.B. bei der French-Press, versucht. Ferner wird eine Sterilisation durch Erhitzung und Entspannung vorgenommen, z.B.
bei der Uperisation von Milch, bei der eine Aufheizung durch Dampf vorgenommen wird. Die bekannten Aufschlußmethoden lassen noch zu wünschen übrig. Bei der mechanisch ausgeübten Methode ist ein hoher mechanischer Verschleiß der Vorrichtung festzustellen. Bei dem Aufschluß durch Entspannung ergibt sich eine schlechte Beherrschbarkeit des Verfahrens, wodurch beispielsweise die French-Press-Methode nicht für den industriellen Einsatz geeignet ist. Bei der indirekten Erhitzung unter Dampfeindüsung ist eine schlechtere Energieausbeute festzustellen.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Aufschließen der Zellen von Biomassen oder von Biomasse enthaltenden Substraten durch Erwärmen und Entspannen auf einfache mechanische Weise schnell und mit hoher Ausbeute sowie schonend durchzuführen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Biomasse gegebenenfalls unter Druck auf Temperaturen über den Verdampfungspunkt von Wasser durch Friktion gebracht und danach in die Atmosphäre oder einen Unterdruck entspannt wird.
Durch eine Erwärmung durch Reibung des Gutes ohne einen wesentliehen Druck wird ein Aufplatzen der Zellen im weitesten Sinne erzielt. Wenn die durch die Friktionswärme entstandenen Temperaturen etwa 120 bis 130° und auch höher erreicht haben und das Gut sodann entspannt wird, ergibt sich sodann ein Freiwerden des Inhaltes der Zellen für die verschiedenen Zwecke. Durch die Friktion bestehen keine Wärmeübergangsprobleme, wodurch eine maximale Energieausbeute erreicht werden kann. Die Anwendung
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der Friktion ermöglicht eine Temperierung in kürzester Zeit. Dadurch wird eine thermische Belastung der Biomasse oder des zu sterilisierenden Gutes weitestgehend vermieden. Diese Behandlungsweise ist dann besonders geeignet, wenn kein Direktdampf erlaubt ist. Man erhält ferner sehr hohe Aufschlußraten bei minimalem mechanischen Verschleiß.
Die Behandlungsmethode gemäß der Erfindung eignet sich bevorzugt für Biomassen mit einem hohen Trockensubstanzanteil. Der Feststoffanteil kann so groß sein, daß die Biomasse gerade noch pumpbar ist, wo z.B. ein Hochdruckhomogenisator wegen mangelnder Mobilität der Masse versagt bzw. durch Dampfinjektion eine Verdünnung stattfindet.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung zeichnet sich die Einrichtung zum Aufschließen der Zellen von Biomassen u.dgl. . 15 durch Friktionswärme dadurch aus, daß bei Verwendung einer Kreiselmaschine, bei der ein Rotor und ein Stator mit zueinandergekehrten radialen Flächen miteinander zusammenwirken, zwischen Rotor und Stator ein Reibungswärme in vorbestimmter Höhe erzeugender Spalt für das kontinuierlich durchgeführte Gut und an dem Austrittsquerschnitt des Spaltes ein Entspannungsraum vorgesehen sind, in dem mindestens Atmosphärendruck herrscht.
Bei einer solchen Ausbildung der Einrichtung läßt sich das Gut durch Friktion zwischen Rotor und Stator schlagartig auf die Temperatur der Wasserverdampfung und höher bringen. Der Prozeß geht in einem Bruchteil einer Sekunde vor sich. Am Ende des Weges durch den Rotor-Stator-Spalt erfolgt eine Expansion in die Atmosphäre oder in ein Vakuum, wodurch die dampfgefüllten und somit unter innerem Druck stehenden Zellen auch unter möglicher gleichzeitiger mechanischer Beanspruchung zum Platzen gebracht werden. Da dieser Vorgang nur
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Bruchteile von Sekunden braucht, erfolgt eine minimale thermische Belastung des Gutes. Es ergibt sich eine sehr schonende Behandlung des Gutes bei außerordentlich hohem Wirkungsgrad. Gleichzeitig mit dem Platzen der Zellen kann durch Wasserverdampfung und/oder evaporative Kühlung der Zellaufschluß oder das zu sterilisierende Gut gekühlt werden.
Vorteilhaft ist der Spalt zwischen Rotor und Stator so gestaltet, daß die Spaltwände zum Austrittsquerschnitt desselben im Querschnitt gesehen - spitzwinklig aufeinander zulaufen.
Die Spaltwände können aber auch parallel zueinander verlaufend angeordnet sein. Die Größe des engsten Spaltquerschnittes liegt im allgemeinen in dem Bereich von 2,um bis 200,Um je nach Art des Gutes. Die Drehzahl des Rotors kann vorzugsweise von 500 upm bis 3000 upm " gehalten werden. Der Abstand der Spaltwände in axialer Richtung ist zweckmäßig veränderbar vorgesehen. Hierzu erfolgt eine Verstellung des Stators, wobei die Verschiebung des Stators zur Spaltänderung in Abhängigkeit von der Temperatur des Gutes am Austrittsquerschnitt geregelt werden kann. Die dem Spalt zugekehrten Wandflächen des Rotors und des Stators weisen bevorzugt eine Rauhung auf. Diese kann beispielsweise durch eine entsprechende Metall-Legierung erreicht werden. Ferner kann im Abstand vom Austrittsquerschnitt des Ringspaltes eine teilweise oder ganz " ringsum verlaufende Prallflache angeordnet sein, so daß das Gut von dieser Prallfläche in den entsprechend groß bemessenen Entspannungsraum gelangt. Dies dient auch dazu, daß die Möglichkeit geschaffen ist, den aus den Zellen ausgetretenen Dampf besser von Zellbestandteilen abzutrennen und leicht abführen zu können
Die Einrichtung kann so ausgebildet werden, daß zu beiden Seiten der Rotorscheibe Durchgangsspalte für das Gut vorgesehen, sind. Im allgemeinen wird der Eintrittsquerschnitt des Spaltes
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am kleinen Durchmesser des Rotors angeordnet werden, so daß das Gut von innen nach außen strömt. Man kann aber auch die Ausbildung so treffen, daß der Eintrittsquerschnitt des Spaltes am Außendurchmesser des Rotors sich befindet. Dabei wird das Gut von außen nach innen zwangsweise entgegen der natürlichen Förderrichtung durch die Einrichtung gefahren.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele nachstehend erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zum Aufschließen der Zellen von Biomassen im Schnitt und im Schema.
Fig. 2 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Einrichtung dar, bei der das zu behandelnde Medium gegen die natürliche Förderrichtung zwangsweise durchgefahren wird, wobei die Einrichtung im Schnitt schematisch veranschaulicht ist.
Die Vorrichtung 1 zum Aufschließen der Zellen von Biomassen u.dgl. weist ein Gehäuse 2 auf, in dem eine Welle 3 mittels der Lager 4 drehbar gelagert ist, die durch einen (nicht dargestellten) Antrieb, z.B. einen Elektromotor, angetrieben werden kann. Am freien Ende der Welle 3 ist ein Rotor 5 in Form einer Scheibe mit der Welle über Spannringelemente 6 drehfest verbunden. Der Rotorscheibe 5 steht eine Statorscheibe 7 gegenüber, die von der Buchse 8 getragen wird und durch Zapfen 9 gegen Drehung gesichert ist. Zwischen dem Rotor 5 und dem Stator 7 befindet sich ein Spalt 11, dessen Eintrittsquerschnitt bei 12 größer ist als der Austrittsquerschnitt 13 am Außendurchmesser von Rotor und Stator. Mit 14 ist der Einlaß, mit der Vakuumanschluß und mit 23 der Auslaß bezeichnet. Das Gut wird durch den in der Längsachse der Vorrichtung befindlichen Einlaß in den Raum 16 zugeführt. Nach Verlassen des Spaltes 11
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gelangt das Gut in den Entspannungsraum 17, der als Ringraum eine erhebliche radiale Abmessung aufweist. Beispielsweise kann die radiale Abmessung des ringförmigen Entspannungsraumes 17 gleich oder größer als die radiale Länge des Spaltes 11 betragen. In einem vorbestimmten Abstand von dem Austrittsquerschnitt 13 des Spaltes 11 kann eine teilweise oder ganz rings"um verlaufende Prallfläche 18 angeordnet sein. An den Auslaß 15 kann sich eine Vakuumanlage anschließen, durch die eine schnelle Abkühlung des Gutes erreicht wird.
Der Stator 7 kann auf der Buchse 8 in axialer Richtung verstellbar angeordnet sein. Hierzu kann eine Verstellvorrichtung 19 und 10 gesehen werden. Beispielsweise kann die Verstellvorrichtung einen Hydraulikzylinder 10 aufweisen und eine Rückstellschraube 20 mit Tellerfedern 21. Das Gehäuse 2 wird auf der Seite des Stators durch eine Deckelplatte 22 abgeschlossen.
Die sich gegenüberstehenden planen Flächen von Rotor und Stator sind vorzugsweise mit einer Aufrauhung versehen. Dies kann bereits durch Wahl einer geeigneten Metall-Legierung erzielt werden. Die Größe des Spaltes 11 am Austrittsende 13 kann bis auf etwa mm eingestellt bzw. herunterregeregelt werden. Infolge der Fliehkraftwirkung des Rotors und des sich verjüngenden Spaltes zwischen Rotor und Stator wird das Gut durch Friktion auf die Temperatur der Wasserverdampfung und höher gebracht, was augenblicklich und praktisch schlagartig erfolgt. Danach erfolgt eine Expansion in dem Raum 17, was zur Folge hat, daß die dampfgefüllten und unter innerem Druck stehenden Zellen zum Platzen gebracht werden. Das Durchlaufen des Spaltes 11 durch das Gut benötigt infolge der hohen Umdrehungszahlen der Welle 3 und des Rotors 5 nur Bruchteile
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von Sekunden, so daß das Gut für die vorgesehene Zweckbestimmung praktisch nur einer minimalen thermischen Belastung ausgesetzt ist. Das ganze erfolgt in einem raschen kontinuierlichen Verfahren.
Die Vorrichtung 30 der Fig. 2 ist so eingerichtet, daß das zu behandelnde Medium gegen die natürliche Förderrichtung zwangsweise durchgefahren wird. In dem Gehäuse 31 ist die Antriebswelle 32 mittels der Wälzlager 33 drehbar gelagert und weist am vorderen Ende die Rotorscheibe 34 auf, die mittels des Keils 35 mit der Welle 32 drehfest verbunden ist. Zu beiden Seiten der Rotorscheibe 34 befinden sich die Statorscheiben 36 und 37, die mittels der Stifte 38, die in Quernuten 39 der Ringscheibe 36 und "37 eingreifen, gegen Verdrehung gesichert sind. Zu beiden Seiten der Stator-Ringscheiben 36 und 37 sind Gehäuseplatten 40 und 41 vorgesehen. Hierbei ist die Gehäuseplatte 41 an dem Gehäuse 31 anschlagend angeordnet, während die Gehäuseplatte 41 innerhalb des Gehäusemantels 42 verschiebbar gelagert ist. Die Spalte 43 und 44 zwischen der Rotorscheibe 34 und den beiden Statorscheiben 36 und 37 sind so ausgebildet, daß die Spalte am äußeren Durchmesser einen größeren Eintrittsquerschnitt aufweisen als am inneren Durchmesser der Statorscheiben 36 und 37. Der Einlaß für das Gut ist mit 45 und der Auslaß mit 46 bezeichnet. Auf der Innenseite der Statorscheiben 36 und 37 befindet sich der Entspannungsraum 47 und 48, die durch die Bohrungen 49 miteinander in Verbindung gebracht sind.
Auf die verschiebbare Gehäuseplatte 40 wirkt ein Druckbolzen 50, der in einer Deckelplatte 51 eingeschraubt ist und mittels der Handhabe 52 von Hand verstellbar ist. Mit 53 ist eine Kontermutter bezeichnet. Mittels des Druckbolzens 50 wird die Gehäuseplatte 40 so weit in Richtung zu der Rotorscheibe 34
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verschoben, daß am Austrittsquerschnitt bei der Entspannungskammer 48 auf beiden Seiten der gewünschte Spalt eingestellt ist. Durch den Einlaß 55 kann Wärmeaustauschmedium zugeführt werden. Die Vorrichtung 54 ist eine Leckagesicherung für die O-Ring-Dichtung.
Bei der Vorrichtung der Fig. 2 wird das zu behandelnde Gut durch den Einlaß 45 am Außenumfang des Gehäuses unter Druck den Spalten 43 und 44 zwischen Rotor 34 und den beiden Statoren 36 und 37 entgegen der durch den umlaufenden Rotor 34 entstehenden Fliehkraftwirkung zugeführt, worauf das Gut am Austrittsquerschnitt der Spalte 43 und 44 in den Entspannungsraum 47, 48, 49 gelangt und von dort durch den Auslaß 46 abgeführt wird. Hierbei wird das Gut noch einer intensiveren Friktionsreibung unterworfen, mit dem Ziel, daß die Zeit zur Entspannung etwas verlängert wird.
Beide Vorrichtungen können mit thermisch geregeltem Spalt oder mit durchsatzgeregelter Temperatur gefahren werden.
Die beschriebenen Vorrichtungen sind für die Durchführung der Aufschließung der Zellen des Mediums für die verschiedensten Zwecke verwendbar.
Zum Aufschluß von Biomassen zur Freilegung von Zeilinhaltsstoffen wird das Kulturmedium oder die Waschflüssigkeit so weit entfernt, daß z.B. eine Bakterienmasse gerade noch pumpbar ist. Diese wird in einer der beschriebenen Vorrichtungen so weit erhitzt, daß die Zellen bei der Expansion zerplatzen. Die Temperatur ist hierbei abhängig von der Beschaffenheit der Zelle. Durch evaporative Kühlung wird das Gut gleichzeitig gekühlt. So können auf sehr schonende Weise Zellinhaltsstoffe freigelegt werden, die dann weiter aufgearbeitet werden können.
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In gleicher Weise können die Zellen aufgeschlossen werden mit dem Ziel, intrazellulares Wasser freizulegen, um eine weitestgehende, schonende Konzentration oder Trocknung von Biomassen zu erreichen.
Weiterhin ist eine gezielte Fermentation mittels der Vorrichtungen ermöglicht. Bei der Herstellung von z.B. Frischkäse werden oft Mischkulturen von Bakterien eingesetzt, wodurch die Prozeßführung schwieriger wird. Durch die schonende Erhitzung des Gutes durch Friktion mit anschließender Expansion und eventuell evaporativer Kühlung kann der Prozeß wie folgt durchgeführt werden: Fermentation mit Kultur A, Inaktivierung durch Friktion, Fermentation mit Kultur B usw.; sodann abschließende Sterilisation durch Friktion.
Die beschriebenen Vorrichtungen eignen sich weiterhin zur Pasteurisierung oder Sterilisierung von Produkten (z.B. Frischkäsezubereitungen, rekombinierte Milchkonzentrate, Kakao- oder Schokolademassen, Fruchtpulpen u.dgl.) durch Erhitzung mittels Friktion mit entweder sofortiger Expansion nach den Arbeitswerkzeugen oder mit Verweilzeit unter Druck und späterer Expansion, um eine längere Temperatureinwirkung zur Inaktivierung von Enzymen und Mikroorganismen zu geben.
Ferner kann auch eine Homogenisation mit Pasteurisierung oder Sterilisation von Früchten durchgeführt werden. Das Aufschließen von Zellen kann auch vor einer Trocknung vorgenommen werden, um das Wasser und Restwasser auszutreiben. Auf diese Weise erhält man einen sehr schonenden Trocknungsprozeß für Biomassen u.dgl.
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Claims (1)

  1. Ansprüche
    . Verfahren, zum Aufschließen der Zellen von Biomassen od. dgl. oder von Biomasse enthaltenden Substraten, z.B. zum Freilegen von Zellinhaltsstoffen, zur Trennung von ZeIlinhalt-und Zellhülle, zur Inaktivierung von Enzymen u.dgl., mittels Erwärmen und Entspannen, dadurch gekennzeichnet, daß die Biomasse od.dgl., gegebenenfalls unter Druck, auf Temperaturen über dem Verdampfungspunkt von Wasser durch Friktion gebracht und danach in die Atmosphäre oder in einen Unterdruck entspannt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Biomassen od.dgl. mit einem hohen Trockensubstanzanteil, d„
    h. eine gerade noch pumpbare Masse, der Friktionsbehandlung unterworfen werden.
    3. Einrichtung zum Aufschließen der Zellen von Biomassen od. dgl. oder von Biomasse enthaltenden Substraten, z.B. zum Freilegen von Zellinhaltsstoffen, zur Trennung von Zellinhalt und Zellhülle, zur Inaktivierung von Enzymen u.dgl., nach Anspruch 1 oder 2, unter Verwendung einer Kreiselmaschine, bei der ein Rotor und ein Stator mit zueinander gekehrten radialen Flächen miteinander zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Rotor (5,34) und Stator (7,36,37) ein Reibungswärme in vorbestimmter Höhe erzeugender Spalt (11,43,44) für das kontinuierlich durchgeführte Gut und am Austrittsquerschnitt des Spaltes ein Entspannungsraum (17,47) vorgesehen sind, der mindestens mit der Atmosphäre in Verbindung steht»
    ο Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die planen Spaltwände des Spaltes (11,43,44) zum Äustritts-
    Ö30Ö
    querschnitt desselben - im Querschnitt gesehen - spitzwinklig zulaufen.
    5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltwände des Spaltes parallel zueinander verlaufen.
    6. Einrich'tung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandflächen des Spaltes (11,43,44) eine Rauhung aufweisen.
    7„ Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zu beiden Seiten der Rotorscheibe (34) Durchgangsspalte (43,44} für das Gut vorgesehen sind.
    8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Spaltwände voneinander in axialer Richtung veränderbar ist, und daß die Verstellung des Stators in Abhängigkeit von der Temperatur des Gutes am Austrittsquerschnitt geregelt wird«
    9„ Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Entspannungsraum an eine Unterdruckvorrichtung, z.B. einen Kondensator od.dgl., angeschlossen ist»
    1Oo Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet,- daß das Gut dem Spalt zwischen Rotor und Stator unter einem Druck vorbestimmter Höhe zuführbar ist=
    11= Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand von dem Austrittsquerschnitt des Ringspaltes (11) eine teilweise oder ganz ringsum verlaufende Prallfläche (18) angeordnet ist.
    12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsquerschnitt des Spaltes (11) am Innendurchmesser des zugehörigen Stators (7) vorgesehen ist, und daß das Gut in der Vorrichtung von innen nach außen strömt.
    13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsquerschnitt des Spaltes (43,44) am Außendurchmesser des Rotors (34) vorgesehen ist, und daß da;. Gut in der Vorrichtung von außen nach innen zwangsweise entgegen der natürlichen Förderrichtung durch den Spalt gedrückt wird.
    030045/0 531
    INSPECTEE
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