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Die Erfindung bezieht sich auf die
Abtrennung und Gewinnung von Komponenten aus Pflanzen.
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Pflanzen bestehen wie die meisten
Organismen aus Zellen. Eine Pflanzenzelle besteht aus einer Lipid-Membran
mit einem im Allgemeinen wässrigen
Inhalt, dem Cytosol, das die verschiedenen Zellorganellen (die gleichermaßen von
Lipid-Membranen
umgeben sind) enthält,
wie Kern, Mitochondrien, endoplasmatisches Retikulum und Chloroplaste,
und das Cytoskelett, das aus Mikrofilamenten Mikrotubuli besteht,
die der Zelle eine innere Struktur geben. In der Pflanzenzelle liegen
ebenfalls Vakuolen vor, die eine wichtige Rolle bei dem Unter-Spannung-Halten der Pflanzenzelle
spielen, die Vakuolen halten den Turgor der Zelle aufrecht.
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Die bestandteilbildenden Komponenten
einer Pflanzenzelle können
grob in Wasser, das bei weitem den größten Teil einer lebenden Zelle
ausmacht, Komponenten wie Salze, Lipide (Vorstufen derselben), Kohlenhydrate,
Aminosäuren
und Nucleotide, Makromoleküle
wie Stärken,
Proteine und Nucleinsäure
und eine Mehrzahl anderer Moleküle,
einschließlich
Vitaminen und Pigmenten wie Chlorophyll, Carotin und Xanthophyll unterteilt
werden.
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Eine Pflanzenzelle ist im Allgemeinen
von einer Zellwand umgeben, die dem Pflanzengewebe Festigkeit und
Struktur verleiht. Die Zellwand ist hauptsächlich aus (Hemi)cellulose
und anderen Kohlenhydrat-Polymeren aufgebaut, die zu Faserbündeln aggregiert
sind. Holzartige Pflanzen enthalten eine große Menge an Lignin, ein Polymer,
das aus Phenolen und anderen aromatischen Monomeren besteht.
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Pflanzengewebe besteht aus Pflanzenzellen,
die alle, wenn sie lebendig sind, grundsätzlich der obigen Beschreibung
genügen.
Eine wichtige Unterscheidung kann zwischen relativ festen Geweben,
die tatsächlich
kein Chloroplast oder andere Plastide-enthaltende Zellen enthalten,
und den relativ weichen Geweben getroffen werden, bei denen dies
im Allgemeinen der Fall ist. Gewebe, die im Allgemeinen keine Chloroplast-enthaltenden
Zellen enthalten, sind z. B. die Epidermis oder das Hautgewebe einer
Pflanze, das Kollenchym und das Sklerenchym oder Stroms einer Pflanze
und die Gefäßfaserbündel oder
das Leitgewebe, das die wichtigen Transportgefäße (Holzgefäße und Siebröhren) in
der Pflanze umfasst. Wenn ein Teil einer Pflanze stark lignifiziert
wird – im
Allgemeinen im Laufe der Zeit –,
stirbt die Mehrzahl der Zellen in dem lignifizierten Teil ab und nur
Rückstände des
Zelleinhalts bleiben zurück.
Insbesondere gehen das Cytosol und die Organellen, die darin vorliegen,
verloren, aber die Gefäßfaserbündel, die
Haut und Stromata (Spaltöffnungen)
geben im Allgemeinen der Pflanze eine Form und Struktur und liegen
im Allgemeinen noch vor, wenn die Pflanze tot ist. Charakteristischerweise
umfassen diese relativ festen Gewebe (insbesondere Gefäßbündel, Sklerenchym
und Epidermis) keine bis überhaupt
keine Chloroplast-enthaltenden Zellen, während ein wichtiger Teil (wenigstens in
den oberirdischen Blatt- und Stängelteilen
der Pflanze) der relativ weichen Gewebe – auch Chlorenchym genannt – hauptsächlich nur
aus Chloroplast-enthaltenden, parenchymatischen Zellen besteht;
tatsächlich
ist dies der Teil, wo die Photosynthese erfolgt. Kein Chloroplast
enthaltendes Parenchym (wie es z. B. in Früchten, Samen, Wurzeln und Knollen
der Pflanze gefunden werden kann, aber auch in unterirdischen Blatt-
und Stängelteilen)
ist hauptsächlich
an der Lagerung von Nährstoffen,
Wasser oder Gasen beteiligt. Eine solche Lagerung erfolgt insbesondere
in Zellorganellen, die den Chloroplasten verwandt sind, die im Allgemeinen
als (Pro)plastide bezeichnet werden, wie in Amyloplasten (Lagerung
und Herstellung von Kohlenhydraten), Elaioplasten (Lipide) und Chromoplasten
(Pigmente).
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Eine genetische Manipulation oder
Modifizierung von Pflanzen ist die Änderung übertragbarer Eigenschaften
oder Merkmale einer Pflanze durch moderne rekombinante oder biotechnologische
Techniken. Die Technik der genetischen Manipulation wurde in Pflanzen
auf experimentellem Niveau in der Mitte der achtziger Jahre entwickelt.
In den frühen
neunziger Jahren führte
dies zu den ersten vermarktungsfähigen
Produkten. Derzeit wird diese Technik hauptsächlich auf Bakterien, Pilze
und Pflanzen angewendet. Möglichkeiten
liegen jedoch auch bei Tieren vor. Die Techniken bei Tieren sind
in diesem Zusammenhang noch nicht optimal oder nicht profitabel
und bringen Probleme auf dem Gebiet der Ethik mit sich, wenn höher entwickelte
Tiere betroffen sind.
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Übertragbare
Eigenschaften sind mehr oder weniger einfache Eigenschaften, die
durch ein Gen für einen
bestimmten Locus codiert sind. Eine genetisch modifizierte Pflanze
(oder transgene Pflanze) ist ein lebender Organismus, auf den ein
Gen mit bestimmten Eigenschaften, das in einem Donor-Organismus
identifiziert wurde, durch genetische Manipulationstechniken (DNA-Rekombination) übertragen
wird. Es ist auch möglich,
eine Pflanze genetisch zu manipulieren, so dass sie ein bestimmtes
Gen nicht mehr aktivieren oder exprimieren kann, das herkömmlicherweise
in der Pflanze vorliegt: Das betreffende Gen wird dann eliminiert. Aufgrund
des übertragenen
oder eliminierten Gens eignet sich die transgene oder modifizierte
Pflanze eine neue Eigenschaft oder ein anderes Merkmal an, die wiederum
auf den Nachkommen übertragbar
sind. Die Übertragung
oder Eliminierung von Genen kann durchgeführt werden, indem man z. B.
ein Bakterium wie Agrobacterium tumefaciens verwendet, das genetisches
Material auf eine Pflanzenzelle durch Plasmide übertragen kann. Die Gene werden
anschließend
in das Genom der infizierten Zelle eingefügt. Andere Wege der Modifizierung
können
ausgewählt
werden, wie das Beschießen
einer Pflanzenzelle mit Kugeln, die mit DNA-Fragmenten umgeben sind,
welche das zu übertragende
Gen einschließen.
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Die Verwendung der modernen Biotechnologie
in der Landwirtschaft bietet neue Möglichkeiten, wobei auf den
ersten Blick bestimmte Ausbeuten garantiert werden und weniger phytosanitäre Produkte
zur Schädlings-
und Krankheitssteuerung entwickelt werden müssen und auch qualitativ hochwertige
Produkte erhalten werden.
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Schätzungen des Jahres 1998 zeigen,
dass transgene Pflanzen weltweit auf einer Fläche von 30 Millionen Hektar
(verglichen mit 14 Millionen Hektar im Jahre 1997) wachsen. Dies
geschieht hauptsächlich
in den Vereinigten Staaten (88%), Südamerika (Baumwolle in Argentinien)
(6%) und Japan (6%). Zahlenangaben über die Fläche in China, auf der transgene
Feldfrüchte
wachsen, sind nicht bekannt, aber der davon betroffene Prozentgehalt
ist wahrscheinlich beträchtlich.
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Zusätzlich zu den derzeit vermarkteten
Varietäten,
die durch genetische Manipulation verbessert sind – in etwa
zwölf Feldfrüchte, die
der Ernährung
dienen und nicht der Ernährung
dienen –,
ist ein schneller und gigantischer Fortschritt der Forschung auf
diesem Gebiet zu erwarten, selbst wenn die Mehrheit der Anwendungen
sich noch im Versuchsstadium befindet. Mögliche Verbesserungen sind
von großer
Bedeutung, insbesondere bei der Kultivierung von Feldfrüchten, die
der Ernährung
dienen (Nahrungsfeldfrüchte).
Zusätzlich dazu
existiert die erwartete Entwicklung von genetisch modifizierten
Pflanzen für
Produkte auf dem Nicht-Nahrungsmittel-Sektor,
die eine sehr interessante Quelle der Verschiedenartigkeit für die Landwirtschaft
sind.
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Im Prinzip sind zwei Typen von genetischen
Modifizierungen denkbar. Ein erster Typ betrifft das Einführen neuer
Eigenschaften oder Merkmale, die das Wachstum oder die Kultivierung
der betreffenden Feldfrucht fördern
oder für
dasselbe hilfreich sind. Zu berücksichtigen
sind hier z. B. das Einführen
von Trocken- oder Kältebeständigkeit,
so dass die Feldfrucht auch in Regionen wachsen kann, die von denjenigen
verschieden sind, in denen sie ursprünglich entwickelt wurde. Das
Einführen
neuer Eigenschaften oder Merkmale, die das Wachstum oder die Kultivierung
der betreffenden Feldfrucht fördern
oder für
dasselbe hilfreich sind, umfasst auch das Einführen einer Beständigkeit
oder Toleranz gegenüber
Herbiziden, so dass die Unkraut-Steuerung mit dem betreffenden Herbizid
in der Nähe
der Feldfrucht durchgeführt
werden kann, ohne dass die modifizierte oder rekombinante Feldfrucht
dadurch eine beträchtliche
Schädigung
erleidet, oder das Einführen
einer Beständigkeit
gegenüber
Krankheiten oder Schädlingen.
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Ein zweiter Typ betrifft das Einführen oder
Eliminieren von Genen, die die betreffende Feldfrucht dazu befähigen, ein
(rekombinantes) Endprodukt mit einer möglicherweise besseren Qualität zu ergeben.
Zu berücksichtigen
sind hierbei z. B. eine Geschmacksverbesserung oder eine bessere
Beibehaltung von Eigenschaften von Produkten. Eine wichtigere Anwendung
besteht jedoch darin, die Pflanze mit wertvollen Komponenten oder
Inhaltsstoffen anzureichern oder den Gehalt derselben zu erhöhen. Eine
Zunahme des Vitamingehalts einer Pflanze durch genetische Modifizierung,
eine Erhöhung
und/oder Anreicherung des Protein- oder Aminosäuregehalts, wobei die Pflanze
vorzugsweise Proteine oder Aminosäuren hoher Qualität durch
genetische Modifizierung erzeugt, die Verbesserung des Gleichgewichts
zwischen gesättigten
und ungesättigten Fettsäuren durch
genetische Modifizierung sind alles Beispiele anvisierter Möglichkeiten
der genetischen Modifizierung bei Pflanzen.
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Ebenfalls beabsichtigt sind neue
Produktionsmöglichkeiten
für hochspezifische
Zusammensetzungen. Insbesondere die Herstellung von Impfstoffen
(auf der Basis von Pflanzen, die rekombinante Proteine oder Peptide
exprimieren), von Antibiotika (auf der Basis von Pflanzen, die mit
rekombinanten Enzymen oder Enzymsystemen versehen sind, die diese
Antibiotika herstellen können)
und anderer Faktoren, die für
die Human- oder Veterinärmedizin
wichtig sind (Hämoglobin,
Insulin, Koagulierungsfaktoren, Wachstumshormon, menschliche oder
tierische (Verdauungs)Enzyme usw.), sind Anwendungen der Einführung oder
Eliminierung von Genen, die die betreffende Feldfrucht dazu befähigen, ein
(rekombinantes) Endprodukt mit einer möglicherweise besseren Qualität zu ergeben.
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Die derzeitigen Anwendungen des Einführens neuer
Eigenschaften oder Merkmale, die das Wachstum oder die Kultivierung
der betreffenden Feldfrucht fördern
oder für
dasselbe hilfreich sind, wie aus dem Gebiet der Herbizid-Toleranz,
sind am weitesten vorangeschritten. Sie sind vielversprechend für die landwirtschaftliche
Produktion, das Produktionskosten-Management und im Hinblick auf
die Auswirkungen der landwirtschaftlichen Aktivität auf die
Umwelt. Die Beständigkeit
von Pflanzen gegenüber
Krankheiten, wie sie durch Transgenese erhalten werden, bietet klare
Vorteile für
das Wachstum oder die Kultivierung der betreffenden Pflanze, insbesondere
gibt es wenige konventionelle Mittel – und in einigen Fällen sogar
keine -, um Bakterien und Viren zu steuern. Wenn die Beständigkeit
der Pflanze von sich aus vorliegt, können Behandlungen in nahezu
allen Fällen
wegge lassen werden, und die Auswirkung auf die Ausbeute ist dann
beträchtlich
höher als nach
einer Behandlung.
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Im Falle des Einführens oder Eliminierens von
Genen – wobei
die betreffende Pflanze als Ergebnis ein (rekombinantes) Endprodukt
mit einer möglicherweise
besseren Qualität
ergeben kann – gibt
es auch Probleme einer anderen Art, die zu lösen sind. Wesentliche Fragen
im Hinblick auf die Gewinnungsmöglichkeit
des erwünschten
Produkts sind z. B.: wie soll das Produkt hoher Qualität gewonnen
werden?, wie trenne ich die (rekombinante) Komponente hoher Qualität von dem
anderen pflanzlichen Material ab?, muss die zu gewinnende Komponente
in bestimmten leicht zu erntenden Teilen der Pflanze vorliegen (Samen,
Früchte,
Knollen usw.) (was der Natur der genetischen Modifizierung strikte
Anforderungen auferlegt: es ist nicht nur notwendig, ein modifiziertes
Gen bereitzustellen, das das betreffende Produkt codiert, dieses
Gen muss auch an der richtigen Stelle exprimiert werden), oder muss
die betreffende Komponente aus allen Teilen der Pflanze gewonnen werden?
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Die bestehenden Gewinnungstechnologien
geben keine klaren Antworten und dies gilt insbesondere für Protein-Produkte,
für Produkte
mit relativ geringer Qualität,
für Produkte,
die in der Pflanze in einer relativ geringen Konzentration vorliegen,
und für
Produkte, die in der ganzen Pflanze proportional verteilt sind.
Es ist seit langem bekannt, verschiedene Komponenten aus pflanzlichen
Rohmaterialien zur weiteren Verwendung z. B. in Nahrungsmitteln
für den
menschlichen Verbrauch oder als Futter zum tierischen Verbrauch
durch mechanische Verfahren zu gewinnen. Oft werden Pflanzen einfach
zerkleinert oder zerbrochen, um sie zum Verbrauch geeignet zu machen,
wobei ein Beispiel das Zerstoßen
von Mais für
Viehfutter ist. Es ist jedoch klar, dass das Zerstoßen nicht
zu einer besseren Gewinnung einer rekombinanten Komponente beiträgt, die
in relativer Reinheit erhalten werden soll.
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Insbesondere die Komponenten, die
im Cytosol der Pflanzenzelle vorliegen, sind für menschliche Nahrungsmittel
oder Tierfutter außerordentlich
geeignet, da dieselben Aufbaumaterialien für entsprechende Komponenten
sein können,
die in tierischen Zellen gefunden werden. Aus diesem Grund werden
insbesondere spezielle Teile einer Pflanze, wie Samen, Knollen,
Wurzeln oder Früchte,
die besonders reich an z. B. Pflanzensaft, Zuckern, Protein, Öl oder Stärke sind,
zuweilen weiterreichenden Gewinnungsverfahren unterzogen, wie Pressen
oder Mahlen. Beispiele sind das Auspressen von Öl aus Oliven oder ölhaltigen
Samen, die Gewinnung von Protein aus Sojabohnen oder das Mahlen
von Kartoffeln oder Getreidekörnern,
um Mehl herzustellen. Ein anderes bekanntes Beispiel ist das Ausquetschen
von Saft aus Früchten
wie Weintrauben zum direkten Verbrauch oder für eine weitere Verarbeitung.
Im Fall von Weintraubensaft betrifft dies hauptsächlich das Wasser, die Zucker
und die Farbe und den Geschmack und die weitere Umwandlung in Wein.
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Ein Beispiel einer Gewinnung eines
pflanzlichen Rohmaterials, bei dem kein Auspressverfahren verwendet
wird, ist die Gewinnung von Zucker aus z. B. Zuckerrüben. Die
Rüben werden
im Allgemeinen in schmale Streifen geschnitten (die manchmal als
Schnitzel bezeichnet werden), wonach die Schnitzel mit heißem Wasser
in einem Diffusionsturm gespült
werden. Während
dieses Diffusionsverfahrens diffundiert der Zucker aus den Rübenzellen
heraus. Der Zucker wird aus den bereits beschädigten Zellen relativ leicht
freigesetzt, muss aber aus der intakten Rübenzelle – die natürlich in viel größerer Anzahl
vorhanden ist – durch
Osmose und/oder Dialyse freigesetzt werden. Diese Osmose und Dialyse
kann nur vorteilhaft durchgeführt
werden, wenn die Temperatur während
des gesamten Verfahrens exakt gesteuert wird, z. B. bei 72°C, und indem man
ausreichend große
Wassermengen verwendet. Es kann festgestellt werden, dass pro Tonne
Zuckerrüben wenigstens
1100 l Wasser notwendig sind. Durch ein Gegenstromprinzip wird das
zuckerreiche Wasser von den feuchten Schnitzeln (jetzt Pulpe genannt)
abgetrennt. Die feuchte Pulpe wird getrocknet, und das Zuckerwasser
(gegebenenfalls nach Filtration, Carbonisation und anderen Vorbehandlungen)
wird verdampft. Das Trocknen der Pulpe und das Verdampfen des zuckerreichen
Wassers zu einem dicken Saft, der auch Serum genannt wird, erfordert
viel Energie.
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Herkömmlicherweise wird auch eine
mechanische Verarbeitung auf Futtermittel-Feldfrüchte wie Gras, Luzerne und
andere frische oder grün
geerntete Pflanzen angewendet, oft als tatsächlich ganze Pflanze, und insbesondere
werden die Blatt- und/oder
Stängelteile
und in den meisten Fällen
ohne Einschluss der Wurzeln verwendet, um z. B. (tierische) Nahrungsmittel-Komponenten
zu gewinnen. Solche pflanzlichen Rohmaterialien werden im Allgemeinen
durch Auspressen (vorzugsweise gestoßen oder anderweitig zerkleinert)
von Blatt- und/oder Stängel-material
gewonnen, wobei ein Teil des pflanzlichen Materials als Presssaft
erhalten wird, während
der Rückstand
und gepresstes Material als Presskuchen bekannt sind. Diese Techniken
sind auch benutzbar, wenn das Material aus genetisch modifizierten
Pflanzen stammen sollte.
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Die Druckkräfte, die durch das Pressen
ausgeübt
werden, ergeben jedoch nur ein teilweises Öffnen (Zerreißen oder
Aufplatzen) von Pflanzenzellen in dem Material, so dass nur ein
Teil des wässrigen,
aber an Nahrungsmittelkomponenten reichen Cytosols, möglicherweise
mit Rückständen der
Organellen und der Lipid-Membran, die die Zelle umgibt, aus der
Zelle als Presssaft freigesetzt wird. Die Wirksamkeit eines solchen Verfahrens
ist daher gering. Presssaft wird im Allgemeinen weiter behandelt,
z. B. durch Sieben, wonach z. B. das Protein in dem Saft durch Koagulation
durch z. B. Säure-
und/oder Hitze-Behandlung gewonnen wird. Presssaft kann auch durch
(Ultra- oder Membran-)Filtration, Trocknung, Fermentierung oder
andere Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind, weiter verarbeitet
werden. Proteinreiche oder antderweitige hochwertige Nährstoffe
für den
menschlichen und tierischen Verbrauch, aber auch Pigmente wie Carotin
(Provitamin A) können
auf diese Weise aus Cytosol nur mit geringer Effizienz gewonnen
werden.
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Der sich ergebende relativ trockene
Presskuchen wird im Allgemeinen als weniger nahrungsmittelreich
angesehen: er enthält
relativ intakte Faserbündel,
die aus (nicht direkt) verdaubaren Cellulosefasern bestehen, anhaftenden
Presssaft und restliche Pflanzenzellen, die dem Einfluss des Pressens
nicht zugänglich waren.
Insbesondere diese restlichen Pflanzenzellen mit nicht gewonnenem
Cytosol verleihen dem Presskuchen noch Futterwerte, der im Allgemeinen
getrocknet und zerkleinert oder anderweitig als Komponente mit relativ
geringer Qualität
(Raufutter) in Futtermitteln verwendet wird, insbesondere für Wiederkäuer.
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Um z. B. Gräser mechanisch aufzuschließen, wird
herkömmlicherweise
ein Verfahren verwendet, das auf der Zerkleinerung von pflanzlichem
Rohmaterial durch Hammermühlen
und dem anschließenden
Ausquetschen des zerkleinerten Rohmaterials (hierin als Pulpe bezeichnet)
unter Verwendung von Schneckenpressen oder Riemenpressen basiert.
Die Pulpe wird dabei in eine Presskuchen-Fraktion und eine Presssaft-Fraktion aufgetrennt.
Die Saftfraktion wird als die Fraktion angesehen, in der die industriell
aus dem Pflanzenmaterial gewinnbaren Inhaltsstoffen enthalten sind.
Hammermühlen
bestehen typischerweise aus einem Rotor, auf dem frei bewegliche
Elemente angeordnet sind, die beim Drehen des Rotors mit dem pflanzlichen
Rohmaterial in Kontakt gebracht werden und es durch Schlagkraft
zerkleinern. Der zerkleinernde Effekt der Hammermühlen ist
relativ groß,
wenn das pflanzliche Material einen guten Turgor hat, d.h. wenn
die Pflanzenzellen unter Druck stehen. In diesem Fall bewirkt die
Schlagkraft ein Zerbrechen des Gewebes und bewirkt ein Freisetzen
der Inhaltsstoffe der Zelle mit der Gewebeflüssigkeit. Wenn der Turgor niedrig
ist, bewirkt ein Schlagen des Pflanzenmaterials, dass dasselbe komprimiert
wird. Das, Gewebe bleibt dann mehr oder weniger intakt, und das Ergebnis
besteht darin, dass der Zellinhalt in einem sehr viel geringeren
Ausmaß verfügbar wird.
Dies hat große
Konsequenzen für
das Gewinnungsvermögen
von insbesondere solchen Zellinhaltsstoffen, die in der pflanzlichen
Biomasse nur teilweise in gelöster
Form und zu einem anderen Teil in Form von festem, nicht gelöstem Material
vorliegen. Dies gilt u. a. für
pflanzliche Proteine, aber auch für Lipide und Pigmente, und
es ist klar, dass dies für
rekombinante Produkte nicht anders sein wird. Ebenfalls bekannt
sind (z. B. aus
US 5,464,160 )
auch Hammermühlen,
in denen relativ trockenes Material in zwei Fraktionen aufgetrennt
wird, wobei der so wertvolle Pflanzensaftstrom mit proteinreichem
Cytosol vernachlässigt
wird.
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In dem oben beschriebenen Verfahren
des Auspressens von pflanzlichem Material ist es allgemein von Bedeutung,
dass das Material verarbeitet wird, wenn es noch so frisch wie möglich, kurz
nach der Ernte, ist. Nur dann stehen die Pflanzenzellen in ausreichendem
Maße unter
Druck, um zum Aufplatzen oder Zerbrechen unter Druck befähigt zu
sein, so dass Cytosol freigesetzt wird. Wenn nach der Ernte bereit
einige Zeit vergangen ist, bevor die Pflanzenteile gepresst werden,
dann sind sie bereits in gewissem Maße ausgetrocknet, die vorliegenden
Pflanzenzellen haben einen Teil des notwendigen Turgors verloren
und sie sind zu schlaff, um unter Druck aufbrechen oder aufplatzen
zu können.
Demgemäß erfolgt
in einem nicht frischen Material die Gewinnung von Presssaft mit
noch geringerer Wirksamkeit. Das gleiche gilt für ein Material, das aus Pflanzen
stammt, die selbst bevor sie geerntet werden, bereits einen Teil
des Turgors in ihren Pflanzenzellen durch Austrocknen und/oder Reifung
verloren haben. Im Allgemeinen sind solche Pflanzen nicht mehr (vollständig) grün, sondern
erwerben ein braunes oder gelbes Aussehen. Lignifizierte Pflanzenteile
sind für
die obigen Verfahren gänzlich
ungeeignet, da die meisten Zellen in ihnen abgestorben sind oder
sie auf jeden Fall nur eine sehr geringe Cytosol-Fraktion enthalten
und somit nichts zur Gewinnung eines hochqualitativen Nahrungsmittels
beitragen.
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Im Allgemeinen wird pflanzliches
Material in eine (Press)kuchen-Fraktion (Pulpe) und eine (Press)saft-Fraktion
(Serum) aufgetrennt. Charakteristisch für dieses Verfahren ist die
nur teilweise Extraktion (zusammen mit dem Presssaft) der Zell-Inhaltsstoffe (Vakuolengehalt
und Cytoplasma mit Zellorganellen, die darin vorliegen, wie Chloroplaste
und Zellkerne); die Zellwände
werden in dem Presskuchen zusammen mit dem Rest des Zellinhalts
im Wesentlichen vollständig
zurückgelassen.
In dem Presskuchen sind alle Gewebe enthalten, die auch in dem Rohmaterial
enthalten sind, und zusätzlich
dazu auch ein Teil des Zellinhalts. Die Farbe des frischen Presskuchens
ist überwiegend
grün oder
gelb, da die Chloroplaste, in denen das Chlorophyll (Blattgrün) vorliegt,
nur teilweise mit dem Presssaft entfernt wurden. Das Pflanzenmaterial
wurde nur teilweise bis auf Gewebeniveau zermahlen, dies bedeutet,
dass noch erkennbare Fragmente von Blättern und Stängeln, zusätzlich zu
einzelnen Geweben wie isolierten Gefäßbündeln, vorliegen.
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Der Presssaft besteht im Wesentlichen
aus dem wässrigen
Inhalt der Zellen: dem Vakuolengehalt und dem Cytoplasma, in dem
Zellorganellen wie Chloroplaste in intakter oder zersetzter Form
vorliegen; Zellwand-Bestandteile fehlen im Wesentlichen, da sie
in dem Presskuchen zurückbleiben.
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Demgemäß ist die Gewinnbarkeit von
Protein und anderen teilweise löslichen
Substanzen in dem herkömmlichen
Verfahren der Fraktionierung gegenüber Variationen der Art der
pflanzlichen Biomasse stark anfällig,
insbesondere dem Vorliegen von Turgor, was sich typischerweise in
Unterschieden des Gehalts an Trockenmasse äußert.
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Das herkömmliche Verfahren der Fraktionierung
hat zur Folge, dass nach dem Ausquetschen der Pulpe nur ein Teil
der Zell-Inhaltsstoffe in dem Saftstrom endet und ein anderer Teil
in dem Presskuchen zurückbleibt.
Demgemäß enthält der Presskuchen
zusätzlich
zu dem größeren Teil
der Zellwände
noch einen Teil der Zell-Inhaltsstoffe und wird deswegen als Tierfutter
verwendet.
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Die bestehenden Auspressverfahren
zum Abtrennen von Komponenten hoher Qualität von Komponenten niedriger
Qualität
aus pflanzlichem Material hängen
somit relativ stark von dem Turgor der Zellen ab, der in dem pflanzlichen
Material vorliegt, was die Anwendung dieser Verfahren auf die Verwendung
von relativ frischem und grünem
Material einschränkt.
Die bestehenden Verfahren sind daher zum effizienten Gewinnen von
Komponenten hoher Qualität
aus genetisch modifizierten Pflanzen nicht sehr geeignet. Häufig enthält der sich
ergebende Presskuchen – auch
wenn frisches und/oder grünes
Material verwendet wird – noch
große Mengen
an nicht aufgeschlossenen Pflanzenzellen mit hochqualitativem Cytosol
in denselben, während
nur ein niedriger Preis für
den Presskuchen erhalten werden kann, da er tatsächlich nur als Komponente von
Tierfutter relativ niedriger Qualität geeignet ist. Die bestehenden
klassischen Verfahren könnten
also im Prinzip auf genetisch modifizierte Pflanzen angewendet werden,
die spezifisch modifiziert wurden, so dass exakt ihre Teile wie
Samen, Knollen, Wurzeln oder Früchte
z. B. an den erwünschten
rekombinanten Proteinen, Peptiden, Aminosäuren, Ölen und Kohlenhydraten reich
sind. Herkömmliche
Auspressverfahren wie sie z. B. für Gräser bekannt sind, sind jedoch
zu einer vollständigen
Abtrennung von Saft- und Faser-Fraktionen unfähig. Ein Diffusionsverfahren,
wie es in Bezug auf die Verarbeitung von Zuckerrüben beschrieben wurde, hat
auch große Nachteile.
Es erfordert so viel Wasser und Energie, dass die Gewinnung des
erwünschten
Rohmaterials – falls sie überhaupt
möglich
ist – sehr
kostspielig werden würde.
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Insbesondere jetzt, wo genetisch
modifizierte Zuckerrüben
und andere knollenförmige
und/oder Wurzelpflanzen in zunehmendem Maße oft als Feldfrucht gezüchtet werden,
besteht ein Bedarf an besseren Gewinnungsverfahren, die dann ebenso
bei nicht modifizierten Feldfrüchten
verwendet werden können.
Auch eine spezielle Lokalisierung der zu gewinnenden Komponente
erfordert mehr als die Modifizierung nur eines Gens. In den meisten
Fällen
ist es dann notwendig, die Pflanze zu modifizieren, so dass neben
der Herstellung des erwünschten
Produkts die Pflanze auch die modifizierten Systeme aufweist, um
die erwünschten
Produkte in solchen speziellen Teilen zu lagern. Die molekular-biologische
Kenntnis der Systeme, die in die Lagerung verwickelt sind, ist an
diesem Punkt im Allgemeinen ebenso ungenügend, um die Lagerung des Produkts
zu manipulieren, damit das erwünschte
Ergebnis erreicht wird. Eine gewebespezifische Expression von rekombinanten
Genen liegt noch im Anfangsstadium vor. Im Allgemeinen kann erwartet
werden, dass das erwünschte Produkt
auch und hauptsächlich
in den Blatt- und/oder Stängelteilen
der modifizierten Pflanze gefunden wird.
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Zur Gewinnung von Komponenten hoher
Qualität
aus genetisch modifizierten und nicht modifizierten Pflanzen, wie
z. B. aus Blatt- und/oder Stängelteilen,
Wurzeln oder Knollen, besteht ein Bedarf an besseren Verfahren,
die die Pflanzenzelle mit größerer Wirksamkeit
aufschließen
können,
als dies bei den bestehenden Verfahren der Fall ist, die die Cytosol-Fraktion
für eine
Gewinnung besser verfügbar
machen und die bessere Vermarktungsmöglichkeiten für das faserhaltige,
restliche Material gewähren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diesen Bedarf zu sättigen.
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Die Erfindung stellt ein Verfahren
zum Abtrennen von Komponenten aus pflanzlichem Material bereit, dadurch
gekennzeichnet, dass das Material wenigstens teilweise zu Fasern
aufgeschlossen wird und anschließend in eine Faserfraktion
und in einen Pflanzensaftstrom aufgetrennt wird, so dass die Faserfraktion
im Wesentlichen relativ feste Gewebe wie Epidermis, Sklerenchym
und Gefäßbündel umfasst,
und der Pflanzensaftstrom im Wesentlichen weiche Gewebe wie Parenchym
und Cytosol umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Erfindung
ein Verfahren zum Abtrennen eines Saftstroms bereit, der insbesonde re
Chloroplasten umfasst, jedoch auch dass Parenchym, das insbesondere
andere Plastide wie Amyloplaste, Elaioplaste und Chromoplaste umfasst,
sich leicht von der Faserfraktion abtrennen lässt. Die Erfindung stellt ein
neues Verfahren der Fraktionierung bereit, das aus wenigstens zwei
Schritten besteht: einem ersten Schritt, in dem das pflanzliche
Material durch die Wirkung von Scherkräften zerfasert wird, und einem
zweiten Schritt, in dem die Faserfraktion vom Rest abgetrennt wird.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist auf alle
pflanzlichen Materialien, die Fasern enthalten, anwendbar, die sowohl
aus kultivierten Pflanzen (Feldfruchtpflanzen) als auch wilden Pflanzen
sowie Überkreuzungsprodukten
stammen.
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Ein Verfahren gemäß der Erfindung ist auf pflanzliches
Material anwendbar, das genetisch modifiziert sein kann oder genetisch
nicht modifiziert sein kann, hauptsächlich umfassend Blatt- und/oder
Stängelteile, wie
pflanzliche Biomasse, die aus kultiviertem Grasland, Feldfrüchten für Nahrungsmittel
wie Viehfuttergräser und
Mais, Luzerne, Klee und andere Schmetterlingsblüter-Pflanzen, Faserfeldfrüchten wie
Flachs und Hanf, und den Oberseiten von Feldfrüchten, die normalerweise nur
wegen ihrer Samen, Früchte
oder Knollen wachsen gelassen werden, wie Getreide, Rüben, Erbsen,
Bohnen, Kartoffeln, Karotten, Cassava und Süßkartoffel stammt. Das Verfahren
gemäß der Erfindung
ist auch auf die Verarbeitung konventioneller Samen, Früchte oder
Knollen anwendbar, wie Getreide, Zuckerrübe, Jerusalem-Artichocke, Rüben, Erbsen,
Bohnen, Kartoffeln, Karotten, Cassava und Süßkartoffel, und auf genetisch
modifizierte Pflanzen, die speziell modifiziert wurden, so dass
exakt ihre Teile, wie Samen, Knollen, Wurzeln oder Früchte, z.
B. reich an den erwünschten
rekombinanten Proteinen, Peptiden, Aminosäuren, Ölen und Kohlenhydraten sind.
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Die Fraktionierung von pflanzlicher
Biomasse bedeutet die Auftrennung in eine Anzahl von Fraktionen. Bei
der Fraktionierung von Biomasse werden neue Produktströme mit anderen
Anwendungsmöglichkeiten
als dem Rohmaterial an sich gebildet. Demgemäß stellen diese neuen Produktströme zusammen
oft einen größeren Wert
dar als die ursprüngliche
Biomasse. Die Erfindung stellt eine neue Technik bereit, die auf
der Zerfaserung und der anschließenden Defibrierung von pflanzlicher
Biomasse basiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
stellt die Erfindung ein Verfahren zum Abtrennen von Komponenten
aus pflanzlichem Material bereit, dadurch gekennzeichnet, dass das
Material wenigstens teilweise mechanisch zu Fasern aufgeschlossen
wird und anschließend
in eine Faserfraktion und in einen Saftstrom aufgetrennt wird, wobei
die Faserfraktion (siehe z. B. die 1 und 2, auch zum Vergleich mit
einem herkömmlichen
Verfahren) im Wesentlichen relativ feste Gewebe wie Epidermis, Sklerenchym
und Gefäßbündel umfasst, und
der Saftstrom (siehe z. B. die 6 und 7, auch zum Vergleich mit
einem herkömmlichen
Verfahren) im Wesentlichen weiche Gewebe wie Parenchym und Cytosol
enthält.
Die mechanische Zerfaserung wird z. B. durch die Behandlung des
Materials in einem Mischer bewirkt. Vorzugsweise – sicherlich
wenn die Anwendung im industriellen Maßstab erwünscht ist – erfolgt die Zerfaserung gemäß der Erfindung
mit einer Apparatur wie einem (Druck)refiner mit Mahlscheiben, wie
sie in der Zellstoff- und Papierindustrie verwendet werden, oder
in einer Apparatur von äquivalenter
Wirkung, durch die das pflanzliche Material zu Fasern aufgeschlossen
werden kann, um eine Auftrennung in einer Faser-Fraktion, die hauptsächlich relativ
feste Gewebe wie Epidermis, Sklerenchym und Gefäßbündel umfasst, und den Saftstrom
zu ermöglichen,
der hauptsächlich
weiche Gewebe wie Parenchym und Cytosol umfasst. Bei der Zerfaserung
wird das Gefäßgewebe
mit dem Sklerenchym und der Epidermis (zusammen die Faserfraktion)
von dem anderen Gewebe, im Wesentlichen Parenchym-Gewebe, mechanisch
abgespalten. Das Parenchym-Gewebe wird gleichzeitig aufgeschlossen,
und die Inhaltsstoffe der Zelle desselben (Cytosol und Parenchym)
werden dadurch im Wesentlichen vollkommen verfügbar. Die Zerfaserung kann
unter Verwendung von Refinern erfolgen, wie sie in Zellstoff- und
Papierindustrie verwendet werden, um Holz und Holzzellstoff zu Fasern
aufzuschließen.
Die Raffination, in diesem Falle die Zerfaserung, erfolgt typischerweise
unter Zugabe von Feuchtigkeit zu dem Pflanzenmaterial. Das Ergebnis
ist dann eine Aufschlämmung
von einem zu Fasern aufgeschlossenen Material, aus dem die Fasern
entfernt werden können.
Die Faserfraktion (Faserstrom), die somit gewonnen wird, ist aufgrund
ihrer Natur und Zusammensetzung u. a. für die folgenden Anwendungen
geeignet: als Rohmaterial für
Papier und Pappe (feste Pappe, Faltpappe und Formpappe), als Rohmaterial
zur Herstellung von Materialien für Holzfaserplatten (Weichplatte,
Hartplatte, Spanplatte, MDF, HDF und MDF/HDF-Formteile) und Verbundstoffe,
als Rohmaterial für feuchtigkeitabsorbierende
Materialien wie Windeln, Damenbinden usw., als Rohmaterial für die Herstellung von
Wachstumsmedien (Topferde-Kompost und -Substrate), Mulchsorten (als
Schutz gegen Erosion und als Unkraut- und Krankheitsunterdrücker), als
Bodenverbesserer oder als Brennstoff.
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Bei der Defibrierung wird die freigelegte
Faser z. B. durch Sieben von den anderen Pflanzen-Bestandteilen
abgetrennt. Durch Waschen und Sieben kann die Faser weiterhin gereinigt
werden, und so viele Nichtfaser-Bestandteile wie möglich können noch
aus dem Waschwasser gewonnen werden. Die defibrierte Aufschlämmung besteht
dann aus einer Mischung von zugefügtem Wasser, Gewebeflüssigkeit,
Zellen-Inhaltsstoffen und fein dispergierten Zellwänden, die
aus dem Parenchym-Gewebe stammen. Aus der defibrierten Aufschlämmung oder
dem defibrierten Saftstrom können
Inhaltsstoffe in mehr oder weniger reiner Form gewonnen werden,
wie: (rekombinante) Proteine, Peptide und (hochqualitative) Aminosäuren, Impfstoffe,
Antibiotika oder andere Faktoren, die für die Medizin wichtig sind,
Enzyme, Pigmente, Lipide, Fettsäuren,
Stärken,
lösliche Zucker
und (Zellwand)-Kohlenhydrate zur Verwendung als Viehfutter, zur
menschlichen Ernährung
oder als Substrat für
Fermentierungen, oder durch Einengen können Futtermittel- oder Nahrungsmittel-Produkte
mit hohem Nährstoffgehalt
hergestellt werden, und zwar als Ergebnis des Vorliegens von hochqualitativen
Proteinen, Peptiden, Aminosäuren
oder anderen Komponenten, und/oder als Ergebnis des Entfernens der
nicht verdaubaren oder schlecht verdaubaren Faserfraktion.
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Die defibrierte Aufschlämmung kann
in nachfolgenden Schritten weiterhin fraktioniert, werden. Eine Möglichkeit
besteht z. B. in dem Abtrennen aller festen Teile durch Zentrifugieren,
dem ein Koagulierungsschritt durch Erwärmen, Ansäuern oder etwas Anderweitiges
vorausgehen kann oder nicht vorausgehen kann. Eine andere Möglichkeit
besteht in der Umwandlung der parenchymatischen Zellwände in lösliche Zucker
unter Verwendung von Zellwand-aufspaltenden Enzymen (Pectinasen,
Cellulasen usw.), und somit in der Zugabe derselben zur Fraktion
von gelöster
Substanz in der defibrierten Aufschlämmung.
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Charakteristisch für das Verfahren,
wie es durch die Erfindung beabsichtigt wird, ist das Auftrennen auf
Gewebeniveau in eine Faserfraktion, die die relativ festen Gewebe
(Gefäßbündel, Sklerenchym
und Epidermis) enthält,
und eine defibrierte Fraktion, die die relativ weichen Gewebe (Parenchym)
mit ihren Inhaltsstoffen enthält.
Kurz zusammengefasst ist der Unterschied zwischen dem herkömmlichen
und dem neuen Verfahren die Extraktion von Gewebeflüssigkeit
(traditionell) gegenüber
Gewebefraktionierung (neues Verfahren). Das neue Verfahren ergibt
die Gewinnung von Komponenten aus Pflanzen mit hoher Wirksamkeit,
während
in einem herkömmlichen
Verfahren große
Mengen an hochqualititativer Komponente z. B. in dem ausgepressten Material
zurückbleiben,
oder damit eine sehr hohe Energieanforderung verbunden ist.
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Auswählbar für eine Verarbeitung gemäß einem
durch die Erfindung bereitgestellten Verfahren sind insbesondere
auch genetisch modifizierte Feldfrucht-Pflanzen, wobei die Pflanze
so abgeändert
wird, dass sie vorzugsweise eine oder mehrere Komponenten in z.
B. dem Cytosol oder in der Zellorganelle exprimiert. Auch in genetisch
modifizierten Pflanzen (und insbesondere in solchen, bei denen die
Ansammlung einer (rekombinanten) Komponente hoher Qualität, wie sie
durch genetische Manipulation erhalten wird, über verschiedene Teile einer
Pflanze verteilt ist) ist der richtige Zugang zur Pflanzenzelle
und deren Inhalt von großer
Bedeutung, so dass ein Produkt, dass durch moderne biotechnologische
Manipulation einer solchen Kultivierungsfeldfrucht erhalten wird,
mit der größten Effizienz
gewonnen werden kann, die möglich
ist. Die Anwendung eines Verfahrens gemäß der Erfindung ermöglicht es
z. B., auch genetisch modifizierte Pflanzen mit der größten Wirksamkeit
zu verwenden, wenn die Komponente, deren Menge durch die genetische
Modifizierung erhöht wurde
oder die ne novo vorliegt, wie ein Impfstoff, ein Antibiotikum oder
ein anderer Faktor, der in der (Veterinär)Medizin wichtig ist, oder
(rekombinante) hochqualitative Proteine, Peptide oder Aminosäuren, anteilmäßig in dem
Parenchym aller Blatt-, Stängel- und/oder Wurzel-
oder Knollenteile vorliegt, und zwar aufgrund der tatsächlich vollständigen Gewinnung
der Plastide, wie Chloroplaste, Amyloplaste, Elaioplaste und Chromoplaste, die
in dem Parenchym vorliegen, die durch die Verwendung eines Verfahrens
gemäß der Erfindung
leicht von der Faserfraktion abtrennbar sind.
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Die Erfindung ermöglicht auch die Abtrennung
von Komponenten von Wurzel- und/oder
Knollenteilen von Feldfrüchten,
die genetisch modifiziert sein können
oder nicht genetisch modifiziert sein können, wie die Zuckerrübe. In einer
Ausführungsform
des Verfahrens gemäß der Erfindung
werden gewaschene Zuckerrüben in
vorher zerkleinerter oder vorher geschnittener Form in einen Refiner
dosiert. Während
des Verfahrensschritts wird das knollenförmige Gewebe zu einer Pulpe
zerfasert. Nach dem Zerfaserungsschritt wird die Faserfraktion von
dem Saftstrom abgetrennt, z. B. durch Sieben, Filtrieren oder Zentrifugieren,
und die feste Fraktion wird gegebenenfalls mit Wasser gewaschen,
um die Komponenten zu gewinnen, die noch darin gelöst sein können. Die
flüssige
Fraktion oder der Saftstrom kann nach dem Zentrifugieren weiterhin
verarbeitet werden, um die Zucker auf eine Weise zu gewinnen, die
in der Zuckerindustrie konventionell ist (Carbonisieren, Einengen,
Kristallisieren, Zentrifugieren usw.). Unter Verwendung des Verfahrens
gemäß der Erfindung
ist der herkömmliche
Diffusionsschritt nicht mehr notwendig. Es werden nicht 1100 l Wasser
gewonnen, sondern ein bereits hochkonzentrierter Saftstrom ist das
Ergebnis. Neben dem direkten Einsparen von Kosten als Ergebnis des
Eliminierens des Diffusionsschrittes ist die Konzentration des Zuckers
in dem Serum oder Saftstrom höher als
diejenige in dem Strom des Diffusionsschrittes. Darüber hinaus
bedeutet die Eliminierung des Diffusionsschrittes eine Einsparung
der insgesamt erforderlichen Wassermenge, mit der eine Einsparung
von Verdampfungs- und Trocknungskosten verbunden ist. Durch Befolgen
eines Verfahrens gemäß der Erfindung
wird der Zuckerverlust (normalerweise etwa 2%) dahingehend stark
reduziert, dass die gesamte Zuckermenge, die in der Rübe vorliegt,
in dem Serum verbleibt. Auch aufgrund der Zerfaserung wird die Faserfraktion
der Zuckerrübe
besser verdaubar als die herkömmliche
Pulpe, wenn sie als Bestandteil von Futtermitteln verwendet wird. Auch
für genetisch
modifizierte Rüben
wie z. B. Rüben
mit einem erhöhten
Fructose-Oligosaccharid-Gehalt oder einer erhöhten Aminosäure-Synthese erfolgt die Verarbeitung
vorzugsweise auf die Weise, wie sie durch die Erfindung bereitgestellt
wird.
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Die Erfindung stellt auch eine Apparatur
zur praktischen Durchführung
eines Verfahrens gemäß der Erfindung
bereit. Eine solche Apparatur ist durch Einrichtungen gekennzeichnet,
die für
die Zerfaserung gemäß der Erfindung
geeignet sind, wobei das relativ feste Gefäßgewebe mit z. B. dem Sclerenchym
und der Epidermis (zusammen die Faserfraktion) von dem anderen im
Wesentlichen parenchymatischen Gewebe mechanisch abgespalten wird.
Das parenchymatische Gewebe wird gleichzeitig zugänglich,
und die Zell-Inhaltsstoffe desselben (Cytosol und Parenchym) werden
dadurch im Wesentlichen vollständig
verfügbar. "Zerfaserung" soll hierin bedeuten,
dass das Pflanzenmaterial solchen Kräften ausgesetzt wird, dass
die relativ festen Gewebe tatsächlich
vollständig
von den relativ weichen Geweben abgespalten werden. Als Ergebnis
der Kräfte,
die diese Zerfaserung bewirken, wird die große Mehrheit – wenn nicht
tatsächlich
alle – der
Pflanzenzellen zugänglich,
so dass das Cytosol freigesetzt wird. Dieses Cytosol, das als Saftstrom
im Allgemeinen auch Rückstände der
Organellen und der die Zelle umgebenden Lipidmembran und parenchymatische
Zellwände
einschließt,
kann relativ einfach durch Sieben oder durch andere Trennmittel,
die dem Fachmann bekannt sind, von der Faser-Komponente abgetrennt
werden.
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Ein erster Vorteil der Erfindung
besteht darin, dass die Wirksamkeit des Verfahrens nicht von dem
Turgor der Pflanzenzellen abhängt,
die in dem Material vorliegen, so dass die Pflanzenzellen mit größerer Effizienz
aufgeschlossen werden können,
als dies bei den oben beschriebenen Auspressverfahren herkömmlicherweise
der Fall ist.
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Ein zweiter Vorteil der Erfindung
besteht darin, dass die Erfindung zwei Produktströme bereitstellt,
die als solche sehr rein sind. Ein erster – die Faserfraktion – enthält hauptsächlich Cellulose
und Hemicellulose, die prinzipiell aus den Elementen C, H und O
bestehen (was von sich aus Vorteile für eine saubere Verbrennung
ergibt), und ein zweiter enthält
alle wertvollen und komplexen Inhaltsstoffe und z. B. die rekombinante Komponente
(die rekombinanten Komponenten), die in dem Parenchym und Cytosol
gefunden werden sollen, und die weiterhin relativ einfach abgetrennt
werden können.
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Die zwei Produktströme können z.
B. durch Sieben voneinander getrennt werden. Andere Trennverfahren
sind auch denkbar, z. B. Zentrifugieren, Verarbeitung durch (Hydro)zyklon
und Zentrisieben und Dekantieren oder Sedimentieren oder Kombinationen
dieser Verfahren. Bei der Defibrierung wird die freigesetzte Faser
von den anderen Pflanzenbestandteilen z. B. durch Sieben abgetrennt.
Durch Waschen und Sieben kann die Faser weiterhin gereinigt werden,
und so viele Nichtfaser-Bestandteile wie möglich noch aus dem Waschwasser
gewonnen werden. Die defibrierte Aufschlämmung besteht dann aus einer
Mischung von zugefügtem Wasser,
Gewebeflüssigkeit,
Zell-Inhaltsstoffen und fein dispergierten Zellwänden, die aus dem parenchymatischen
Gewebe stammen.
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Ein erster Produktstrom, wie er durch
die Erfindung beabsichtigt wird, ist ein (im Allgemeinen hochqualitativer)
Saftstrom, der aus einer wässrigen
Lösung/Suspension
von tatsächlich
allen hochqualitativen (rekombinanten) Komponenten oder Nährstoffen
aus dem pflanzlichen Material (wie Zucker, Proteine, Lipide, Pigmente
und dergleichen) besteht. Durch das Entfernen der Zellwandfaser-Komponenten
(nährstoffmäßig von geringer
Qualität)
wird (auf Trockenmassenbasis) dieser relativ hochqualitative Produktstrom
gebildet, aus dem die verschiedenen Komponenten weiterhin auf relativ
einfache Weise isoliert werden können.
Das defibrierte Produkt oder der Saftstrom besteht im Wesentlichen
aus Parenchym, teilweise als intakte Zellen, teilweise als zerkleinertes
Zellenmaterial. Die Farbe des defibrierten Produkts ist typischerweise
grün, und
zwar aufgrund des Vorliegens intakter oder zerbrochener Chloroplaste,
manchmal braun-grün
durch die Braunfärbung während der
Fraktionierung. Makroskopisch ist es eine Flüssigkeit. Mikroskopisch sind
prinzipiell intakte und aufgespaltene Parenchym-Zellen und Zellorganellen
wie Chloroplaste in dieser Flüssigkeit
sichtbar.
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Der Saftstrom solcher genetisch modifizierten
Pflanzenmaterialien gemäß der Erfindung
wird weiterhin behandelt, z. B. durch Sieben, wonach z. B. das (rekombinante)
Protein, Peptide, Aminosäuren
und andere (rekombinante) Komponenten in dem Saft z. B. durch Koagulieren
mittels z. B. Säure-
und/oder Hitzebehandlung gewonnen werden. Der Saftstrom kann auch
weiterhin durch (Ultra- oder
Membran)filtration, Trocknung, Fermentation oder andere Verfahren
behandelt werden, die dem Fachmann bekannt sind. Proteinreiche oder anderweitig
hochqualitative Nährstoffe
für den
menschlichen und tierischen Verbrauch, aber auch Pigmente wie Carotin
(Provitamin A) und spezielle rekombinante Produkte, können auf
diese Weise aus Cytosol gewonnen werden, auch aus den Blatt- und/oder
Stängelteilen.
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Der zweite Produktstrom – die Faserfraktion,
wie sie durch die Erfindung bereitgestellt wird – besteht aus relativ harten
Geweben. Diese sind typischerweise die Gefäßbündel, das Sclerenchym und die
Epidermis. Der Zellinhalt fehlt bei diesen Geweben oder wurde während der
Fraktionierung und während
des Waschens tatsächlich
vollständig
entfernt. Demgemäß besteht
die Faser hauptsächlich
aus Zellwand-Komponenten. Chloroplaste fehlen praktisch in einem
reinen Faserpräparat.
Die Farbe der gewaschenen Faser variiert typischerweise von weiß nach gelb
oder hellbraun. Zuweilen kann sich eine hellgrüne Farbe als Ergebnis des Durchtränkens mit
Chlorophyll während
der Gewinnung ergeben. Makroskopisch hat die Faserfraktion hauptsächlich wegen
des filamentartigen Charakters der Gefäßbündel eine Faserstruktur. Mikroskopisch
sind zusätzlich
zu den filamentartigen Strukturen von Gefäßbündeln und Sclerenchym typischerweise
auch Stücke von
Epidermisgewebe erkennbar, die aus Lagen einer Zellschichtdicke
bestehen. Die Gefäßbündel sind
aus verschiedenen Zellen aufgebaut, die Holzgefäße und Siebröhren einschließen. In
Abhängigkeit
von dem Ausmaß der
Zerfaserung treten auch Fasern auf, die nur aus einer Zelle bestehen,
und weiterhin die Rückstände von
Zellwänden
und (spiralförmige,
netzartige oder ringförmige)
Zellwandverdickungen. Typisch für
die Epidermis-Schichten ist das Vorliegen von Spaltöffnungen
und kieselsäurehaltigen
Zähnen
oder Haaren.
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Der Faserstrom, wie er durch die
Erfindung angesehen wird, besteht im Wesentlichen ausschließlich aus
einem nassen, festen Faserstrom (hauptsächlich Cellulose und Hemicellulose),
der grundsätzlich
keinen Nährwert
hat, da diese Fraktion nicht direkt und mikrobiologisch nur in geringem
Maße verdaubar
ist. Das Fehlen von Verdaubarkeit ermöglicht es jedoch, den Faserstrom
für Nicht-Nahrungsmittel-Anwendungen
zu verwenden, und zwar im Gegensatz z. B. zu dem Presskuchen, der
aus den oben beschriebenen herkömmlichen Auspressverfahren
stammt, bei dem der Presskuchen tatsächlich nur für Futter-Anwendungen geeignet
ist und bald verrotten würde,
wenn er nicht zu einem Futtermittel verarbeitet und verbraucht werden
würde.
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Z. B. stellt die Erfindung die Verwendung
einer Faserfraktion für
die Herstellung von Energie bereit. Die Faserfraktion enthält prinzipiell
die Kohlenhydrate Cellulose und Hemicellulose (die hauptsächlich aus
den Elementen C, H und O bestehen) und die ein ausgezeichneter Brennstoff
sind und somit mit hoher Wirksamkeit in brauchbare Energie umgewandelt
werden können,
z. B. in einer kombinierten Wärme-
und Energiestation, und bei denen erwartet werden kann, dass sie
keine oder eine geringe Emission schädlicher Substanzen beim Verbrennen
zur Folge haben. Die Verarbeitung von Pflanzenmaterial gemäß einem
Verfahren, wie es durch die Erfindung beabsichtigt ist, mit der
anschließenden
Verwendung der sich ergebenden Faserfraktion als Brennstoff trägt zur Reduktion
der CO2-Emission bei, da das hierin eingesetzte
Material ein nicht-fossiler Brennstoff ist. Auch als solche ist
die Verbrennung der Faserfraktion für die Umgebung sauberer, da
die Faserfraktion kaum – falls überhaupt – durch
Salz-Rückstände (z.
B. K-, Na-, Cl-, P-Verbindungen) und Protein-Rückstände (in die S- und N-Verbindungen
eingebaut sind) verunreinigt ist, welche normalerweise in trockenen
Pflanzen vorliegen. Diese Salz-Rückstände und
Protein-Rückstände, die
aus dem Cytosol stammen, wurden zusammen mit dem Saftstrom von der
Faserfraktion abgetrennt. Die Verbrennung der Faserfraktion (in
der hauptsächlich
C-, H- und O-Verbindungen vorliegen, die durch die Verbrennung in
H2O und CO2 überführt werden)
hat somit eine sehr viel geringere Auswirkung auf die Umwelt als
die Verbrennung von anderem Pflanzenmaterial, in dem alle diese
Salz-Rückstände und
Protein-Rückstände noch
vorliegen. Die Protein-Ver brennung trägt insbesondere zur Emission
von Schwefel- und Stickstoff-Verbindungen
wie Schwefel- und Stickoxiden bei, und nicht verbrennbare Salz-Rückstände tragen zum restlichen Aschevolumen
bei. Nach der Verbrennung einer Faserfraktion gemäß der Erfindung
ist die Emission von z. B. Schwefel- und Stickoxiden und das restliche
Aschevolumen, in dem die Salz-Rückstände vorliegen,
sehr viel geringer.
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Da das Fasermaterial organischen
Ursprungs ist, ist es z. B. auch als Torfersatz in z. B. Topferde
oder in Gartenbau-Substraten anwendbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird das Pflanzenmaterial in einem derartigen Maße zerfasert,
dass z. B. das Fasermaterial hauptsächlich aus elementaren Fasern
besteht, so dass die so gewonnene Faser-Komponente oder der Faserstrom
z. B. für
eine weitere Verarbeitung zu Pappe und/oder Papier geeignet ist
oder als (natürliche)
Faser in Verbundmaterialien, zusammen mit und in Verstärkung von (künstlichen)
Harzen, verwendet werden kann.
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Beispiele von pflanzlichem Material,
das mit einem Verfahren gemäß der Erfindung
behandelt werden kann, sind genetisch modifizierte (Futtermittel)feldfrüchte, wie
Gräser
(Getreide wie Weizen, Roggen und einschließlich Mais), Luzerne, aber
auch Ernterückstande
von Feldfrüchten,
deren Blatt- und/oder
Stängelteile normalerweise
nicht verarbeitet werden, wie die Oberteile von Kartoffel oder Zucker(rübe), die
im Allgemeinen nach der Ernte auf dem Feld zurückgelassen werden. Die hohe
Wirksamkeit eines Verfahrens gemäß der Erfindung
macht die Verarbeitung solcher pflanzlicher Materialien profitabel.
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Die Erfindung stellt weiterhin ein
Verfahren zum Abtrennen von Komponenten aus pflanzlichem Material
bereit, das eine relativ lange Zeitspanne vorher geerntet wurde
und bereits wenigstens teilweise ausgetrocknet ist, oder das nicht
länger
als frisch und grün
qualifiziert werden kann, sondern eine mehr holzartige und/oder
trockene Eigenschaft, z. B. durch Reifung, angenommen hat. Ein solches
Material ist nicht für
die Verarbeitung in einem Auspressverfahren geeignet, ist aber jetzt
hervorragend verarbeitbar, da der Turgorgehalt der Pflanzenzelle,
die aufgeschlossen werden soll, nicht wichtig ist, wenn ein Verfahren
gemäß der Erfindung
verwendet wird.
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Die Erfindung stellt einen Refiner
oder eine Apparatur mit vergleichbarer Wirkung bereit und die Verwendung
einer solchen Apparatur z. B. zum Abtrennen von Komponenten von
pflanzlichem Material, das (noch) keine Lignifizierung aufweist
oder nur einen geringen Lignifizierungsgrad aufweist, und in dem
das Parenchym vorliegt. Dieses Parenchym mit dem darin vorliegenden
Cytosol ist die Basis des Saftstroms, wie er durch die Erfindung
beabsichtigt ist. Ein Refiner wird üblicherweise verwendet, um
Holzschnitzel zu Fasern aufzubrechen, um Pulpe zur Produktion von
Papier und/oder Pappe herzustellen. Die Erfindung stellt die Verarbeitung
einer genetisch modifizierten Feldfrucht durch einen Refiner bereit.
Refiner werden im Allgemeinen nicht für frisches und/oder grünes Material
verwendet, da Holz prinzipiell aus totem oder lignifiziertem Gewebe besteht,
aus dem der größte Teil
des Parenchyms mit den Chloroplasten verschwunden ist. Unterschiedliche Typen
von Refinern sind dem Fachmann bekannt. Es gibt z. B. Refiner mit
konischen Scheiben oder flachen Scheiben. Die Erfindung stellt die
Verwendung beider Typen und/oder gleichwertiger Apparaturen, z.
B. Komposit-Mahlscheiben vom konvexen/konkaven Typ, in einem durch
die Erfindung bereitgestellten Verfahren bereit.
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Die Erfindung wird nun weiterhin
in dem experimentellen Teil der Beschreibung erklärt, ohne
dass sie darauf beschränkt
ist.
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Experimenteller Teil
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Die Erfindung wurde durch Versuche
mit der herkömmlichen
Technik verglichen. Dies erfolgte unter Verwendung eines Laborprotokolls
und industrieller Gerätschaften.
Basierend darauf, dass die Natur der Faserfraktion bewertet werden
kann und das Gewinnungsvermögen
von Inhaltsstoffen in den beiden Verfahren verglichen werden kann.
Die nachstehend aufgeführten
Ergebnisse erläutern
den Unterschied in dem Gewinnungsvermögen von Protein und anderen
Inhaltsstoffen.
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Herkömmliches Verfahren
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In den Versuchen im Labormaßstab wurde
das herkömmliche
Verfahren des Mahlens und Pressens durch Aufschwemmen von Material
in einem Tecator-Homogenisator
und Ausquetschen der Pulpe unter Verwendung einer angepassten Zugdruckbank
(draw pressure bench) von Lloyd Instruments simuliert. Sie wurde mit
einer Schale versehen, die eine perforierte Bodenplatte (Oberfläche 50 cm2) hat, in die 15 Minuten lang 100 g frische
Pulpe bei einem Druck bis zu 10 bar eingepresst wurden. Das ursprüngliche
Material und der Presssaft wurden auf den Stickstoffgehalt analysiert,
und das Gewinnungsvermögen
von Protein wurde als die Menge an rohem Protein (Menge an Stickstoff,
multipliziert mit 6,25) in dem Saft berechnet, ausgedrückt als Prozentgehalt
der Menge an rohem Protein in dem ursprünglichen Material.
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In einem größeren Maßstab wurde eine Hammermühle des
Typs Jenz A30 verwendet, um Gras zu zerkleinern, und die so erhaltene
Gras-Pulpe wurde in einer Vetter-Schneckenpresse mit einem Kompressionsverhältnis von
1 : 7,65 und einer Perforierung der Zylinderwand von 0,7 mm ausgequetscht.
Indem man das Pflanzenmaterial einmal oder mehrere Male durch die
Hammermühle
führte,
konnte das Material in einem größeren oder
kleineren Ausmaße
aufgespalten werden.
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Neues Verfahren
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In den Versuchen im Labormaßstab wurde
das neue Verfahren simuliert, indem man frisches Gras in einer Schneidevorrichtung
fein zerkleinerte, dann 30 g des fein geschnittenen Grases mit 400
ml Wasser vermischte und dasselbe 10 Minuten lang in einem Mischer
zu Fasern aufschloss, die Aufschlämmung auf einem 850 μm-Sieb von
dem Mischer absiebte und die abgesiebte Faserfraktion wusch und
trocknete. Die Faser wurde auf den Stickstoff-, Asche- und Zellwand-Gehalt untersucht,
und so wurde die Zusammensetzung der defibrierten Aufschlämmung berechnet.
Die Faserausbeute wurde als die Menge an Trockenmasse in der Faserfraktion
bestimmt, ausgedrückt
als Prozentgehalt der Menge an Trockenmasse in dem Ausgangsmaterial.
Das Gewinnungsvermögen
an Protein wurde als die Menge an rohem Protein in der defibrierten
Aufschlämmung berechnet,
ausgedrückt
als Prozentgehalt der Menge an rohem Protein in dem Ausgangsmaterial.
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Das neue Verfahren wurde auch mit
einem 12 inch Sprout-Waldron-Druckrefiner mit Mahlscheiben des Typs
D2A505 getestet. Die Raffination oder Zerfaserung von frischem Gras
erfolgte unter atmosphärischen Bedingungen
bei einem Scheibenabstand von 0,04 mm unter Zugabe von Wasser bis
zu einer Konsistenz von etwa 2% Trockenmasse. Die Faser wurde dann
auf einem Sieb mit Öffnungen
von 140 um gesiebt.
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Das neue Verfahren wurde auch im
halbtechnischen Maßstab
getestet, wobei man einen Sunds Disk Refiner vom Typ RO 20 FLUFF,
Seriennummer 3838, Jahr der Herstellung 1985, verwendete, der mit
Mahlscheiben mit einem großen
oder kleinen Widerstand gegenüber
dem Durchsatz versehen ist. Mit diesem Refiner wurde u. a. die Auswirkung
des Scheibentyps und des Scheibenabstandes auf den Durchsatz und
die Faser-Zusammensetzung untersucht.
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Die Raffination erfolgte unter atmosphärischen
Bedingungen mit zerkleinertem Gras mit oder ohne Zugabe von Wasser.
Die Zerfaserung von Pflanzenoberteilen der Kartoffel wurde auch
getestet.
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Das Gras, das sowohl von kultiviertem
Grasland als auch natürlichen
Böden stammte,
wurde in frischer zerkleinerter Form verarbeitet. Proben des zerfaserten
Materials wurden per Hand gespült
und gesiebt und auf den Stickstoff- und Aschegehalt analysiert.
Das Gewinnungsvermögen
von rohem Protein wurde auf der Basis eines durchschnittlichen Faseranteils
von 33% der Gras-Trockenmasse berechnet.
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Die Kartoffel-Oberteile stammten
aus Stärkekartoffel-Pflanzen
während
der vollen Wachstumsphase der Kartoffel-Pflanze. Die Oberteile wurden
mechanisch abgezogen und anschließend zu einem gewissen Grad
zerkleinert. Die Kartoffel-Oberteile
bestanden aus Stängeln
und Blättern.
Die Kartoffel-Oberteile wurden ohne vorheriges Waschen mit dem Refiner
verarbeitet, während
sie frisch waren, ohne dass Wasser zugegeben wurde. Das zu Fasern
aufgeschlossene Material wurde per Hand ausgequetscht.
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Versuchsergebnisse
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Beschreibung der Figuren
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1 und 2 (im
Detail)
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Presskuchen von Gras (links) und
Grasfaser (rechts), die aus dem perennierenden Roggengras (Lolium
perenne) stammen.
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In dem Presskuchen ist die grüne Farbe
aufgrund des Vorliegens von Chloroplasten deutlich sichtbar. Auch
sind Blattfragmente durch ihre Größe (Querschnitt größer als
1 mm) und die charakteristischen Rippen auf der Oberseite des Blattes
erkennbar. Die Grasfaser unterscheidet sich durch die helle Farbe
(tatsächlich vollständige Abwesenheit
von Chloroplasten), die Filamentstruktur und den geringeren Durchmesser
der einzelnen Fasern (in diesem Fall sehr viel kleiner als 1 mm).
Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Zahlen ist 1 cm.
-
3
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Suspension von Grasfaser aus perennierendem
Roggengras (Lolium perenne).
-
Sichtbar sind faserartige Strukturen
(Gefäßbündel) eines
Durchmessers von einigen Mikrometern im Zehnerbereich und Epidermis-Schichten
eines kleinsten Durchmessers von bis zu einigen Hunderten von μm.
-
4
-
Mikroskopische Aufnahme der Epidermis
in einer Grasfaser, die aus dem perennierenden Roggengras (Lolium
perenne) stammt.
-
Charakteristisch ist das Vorliegen
von Spaltöffnungen
in perennierendem Roggengras, die in der Epidermis auf der Oberseite
des Blattes konzentriert sind. Das kompaktere Gewebe auf der Seite
der Spaltöffnungen
ist darunter liegendes Sclerenchym. Die ausgedehnten Epidermiszellen
haben einen Querschnitt von etwa 20 μm.
-
5
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Mikroskopische Aufnahme von Gefäßbündeln in
Grasfaser, die aus dem perennierenden Roggengras (Lolium perenne)
stammt.
-
Charakteristisch für Gefäßbündel ist
ihr Aufbau aus mehreren Zellen und das Vorliegen von Gefäßen mit
netzartigen Verdickungen. Der Durchmesser der Faser in der Mitte
der Figur ist etwa 50 μm.
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6
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Mikroskopische Aufnahme von Parenchymzellen
im Saftstrom von defibriertem Gras, das aus dem perennierenden Roggengras
(Lolium perenne) stammt. Dieser Saftstrom gehört zu der Faserfraktion der 1 und 2.
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Charakteristisch für Parenchymzellen
in Grasblättern
ist das reichliche Vorliegen von Chloroplasten. Einige Parenchymzellen
wurden jedoch während
der Fraktionierung zerbrochen: nur die Zellwand ist noch sichtbar,
die Chloroplaste treten isoliert in der umgebenden Flüssigkeit
auf. Die Größe dieser
Parenchymzellen ist etwa 20 * 40 μm.
Die in dieser Figur gezeigte Fraktion wurde vor dem Photographieren
verdünnt,
um die relativ große
Menge an Parenchymzellen in dem Saftstrom gemäß der Erfindung erkennen zu
lassen.
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7
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Mikroskopische Aufnahme von Parenchymzellen
im Presssaft von Gras, das aus dem perennierenden Roggengras (Lolium
perenne) stammt. Dieser Presssaft gehört zu dem Presskuchen der 1 und 2. Die in dieser Figur gezeigte Fraktion
wurde vor dem Photographieren eingeengt, um die relativ kleine Menge
an Parenchymzellen in dem Presssaft erkennen zu lassen.
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8
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Verfahrensdiagramm zum Zerfasern
oder Raffinieren von Gras.
-
9
-
Verfahrensdiagramm zum Zerfasern
oder Raffinieren von Gras.
-
10
-
Verfahrensdiagramm zum Zerfasern
oder Raffinieren von Gras.
-
Zerfaserung
Tabelle
1: Faserzusammensetzung und Faserausbeute von kultivierten Gräsern, gemäß Spezies
und Varietät, im
Durchschnitt während
der Saison und einiger anderer Feldfrüchte
-
Die Zerfaserung von pflanzlicher
Biomasse ergibt eine Faserfraktion, die in Abhängigkeit von der Art des Materials
von weniger als 10% bis mehr als 30% der Trockenmasse variieren
kann. Die exakte Zahl ist auch von der Maschenwei te des Siebs, mit
dem die Faser abgetrennt wird, und der Intensität des Waschens abhängig. Die
Faserfraktion im Falle von Lolium perenne besteht typischerweise
aus mehr als 80% Zellwandmaterial und hat einen Stickstoffgehalt
von größenteils
weniger als 6 g bis 8 g pro kg Trockenmasse und einen Aschegehalt
von größenteils
weniger als 50 g bis 100 g pro kg Trockenmasse.
-
Tabelle
2: Zusammensetzung der Faser
-
Die Zusammensetzung der Faserfraktion
ist mit derjenigen für
die Versuche mit dem Refiner und den Versuchen gemäß dem Laborprotokoll
vergleichbar.
-
Defibrierung
Tabelle
3: Zusammensetzung von Gras und der defibrierten Gras-Aufschlämmung
-
Zusätzlich zu den Zell-Inhaltsstoffen
(wie Protein) enthält
die defibrierte Aufschlämmung
auch einen Teil der Zellwände
aus dem Pflanzenmaterial. Dies sind im Wesentlichen die Zellwände aus
dem weichen Parenchym-Gewebe, die sich nach der Zerfaserung abspalten
und anschließend
bei der Defibrierung das Sieb als fein dispergiertes Material passieren.
Die in der defibrierten Aufschlämmung
vorliegende Menge ist teilweise vom Durchmesser der Sieblöcher abhängig.
-
Tabelle
4: Gewinnungsvermögen
von rohem Protein aus kultivierten Gräsern, gemäß Spezies und Varietät, im Durchschnitt
während
der Saison und von einigen anderen Pflanzenmaterialien nach dem
Mahlen und Pressen und nach der Defibrierung.
-
Die Defibrierung ergibt eine Aufschlämmung, die
größtenteils
mehr als 70% und vorzugsweise mehr als 80% oder 90% des gesamten
rohen Proteins aus dem pflanzlichen Material enthält. Dieses
Protein kann daraus durch Zentrifugieren gewonnen werden, dem eine
Koagulation in der Wärme
vorausgehen kann oder nicht vorausgehen kann.
-
In dem herkömmlichen Verfahren der Fraktionierung
ist das Gewinnungsvermögen
von rohem Protein größtenteils
geringer als 50%.
-
Tabelle
5: Vergleich des Protein-Gewinnungsvermögens aus Gras nach wiederholtem
Durchgang durch eine Hammermühle
und dem anschließenden
Ausquetschen in einer Schneckenpresse und nach der Zerfaserung gemäß der Erfindung
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Selbst nach einem wiederholten Zermahlen
von Gras in einer Hammermühle
und dem anschließenden
Ausquetschen in einer Schneckenpresse wurde gefunden, dass das Protein-Gewinnungsvermögen weniger
als die Hälfte
des Gewinnungsvermögens
ausmacht, das nach der Zerfaserung von Gras gemessen wird.
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Verfahrensdiagramme zur Raffination
von unterirdischen Teilen von Feldfrüchten wie Knollen und Wurzeln.
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Gewaschene Zuckerrüben werden
in vorher zerstoßener
oder vorher geschnittener Form in einen Refiner dosiert. Während dieses
Verfahrensschritts wird das knollenartige Gewebe zu Pulpe zerfasert.
Nach dem Zerfaserungsschritt wird die Faserfraktion von dem Saftstrom
abgetrennt, z. B. durch Sieben, Filtration oder Zentrifugation,
und die feste Fraktion wird gegebenenfalls mit Wasser gewaschen,
um die Komponenten zu gewinnen, die noch darin gelöst sein
können.
Die flüssige
Fraktion oder der Saftstrom kann weiterhin nach dem Zentrifugieren
verarbeitet werden, um die Zucker auf eine Weise zu gewinnen, die
in der Zuckerindustrie gebräuchlich
ist (Carbonisieren, Einengen, Kristallisieren, Zentrifugieren usw.).
Unter Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist der konventionelle
Diffusionsschritt nicht mehr notwendig. Nicht 1100 l Wasser werden
gewonnen, sondern ein bereits hoch konzentrierter Saftstrom ist
das Ergebnis. Neben dem direkten Einsparen von Kosten als Ergebnis
des Eliminierens des Diffusionsschrittes ist die Konzentration des
Zuckers in dem Serum oder Saftstrom höher als diejenige in dem Strom
des Diffusionsschrittes. Darüber
hinaus bedeutet die Eliminierung des Diffusionsschrittes eine Einsparung
der insgesamt erforderlichen Wassermenge, mit der eine Einsparung
von Verdampfungs- und Trocknungskosten verbunden ist. Durch Befolgen
eines Verfahrens gemäß der Erfindung
wird der Zuckerverlust (normalerweise etwa 2%) dahingehend stark
reduziert, dass die gesamte Zuckermenge, die in der Rübe vorliegt,
in dem Serum verbleibt. Auch aufgrund der Zerfaserung wird die Faserfraktion
der Zuckerrübe
besser verdaubar als die herkömmliche
Pulpe, wenn sie als Bestandteil von Futtermitteln verwendet wird.
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Die Ergebnisse der Tests mit dem
Sunds Disk Refiner sind in der Tabelle 6 zusammengefasst.
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Die Auswahl des Plattentyps und des
Scheibenabstandes bestimmen der Grad der Zerfaserung, sie bestimmen
aber das Protein-Gewinnungsvermögen
nur in einem geringen Maße.
Ein großer
Durchsatz war in Kombination mit einem hohen Protein-Gewinnungsvermögen (in
diesem Fall > 85%)
sowohl mit proteinreichem kultivierten Gras als auch mit einem natürlichen
Gras mit geringem Proteingehalt möglich.
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Pflanzenoberteile von Kartoffeln
sind mit dem Refiner gut verarbeitbar. In der Faserfraktion ist
der Gehalt an holzartigen Fasern relativ hoch, weil die ursprünglichen
Pflanzenoberteile von Kartoffeln nicht nur aus Blattgewebe, sondern
auch aus Stängelgewebe
bestanden. Der hohe Aschegehalt in den Fasern von Kartoffel-Oberteilen wurde
in großem
Maße durch
den hohen Sandgehalt in den Oberteilen verursacht, weil das Rohmaterial
nicht gewaschen wurde.
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Verfahrensdiagramme zur Raffination
von Feldfrüchten,
die hauptsächlich
Blatt- und/oder
Stängelteile wie
Gras aufweisen.
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Vorbehandlung
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Die beigefügten Verfahrensdiagramme (siehe
die 8 bis 10) beginnen mit der Zuführung von
zerkleinertem Gras, wie es auch bei der Verarbeitung von Gras und
Luzerne in Grastrocknern üblich
ist. Normalerweise liegt die Zerkleinerungslänge in der Größenordnung
von einigen cm, sie kann aber auch größer oder kleiner sein. Für den Refinertest
wurde frisches Gras vorher in einem Pierrot-Guillotine-Schneider auf eine Länge von
6 mm zerkleinert, mit anderen Worten sehr kurz gemacht. Wahrscheinlich
ist eine solche geringe Länge nicht
notwendig; das Raffinieren oder Zerfasern von gepresstem Gras (einer
Teilchenlänge
von wahrscheinlich einigen cm) stellt keine Probleme dar.
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Waschen
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Ein Waschschritt ist in der Praxis
wahrscheinlich notwendig, um Sand zu entfernen und dadurch die Abnutzung
der Gerätschaften
zu reduzieren und eine sauberere Produktausbeute zu ermöglichen.
Dieser Waschschritt kann jedoch übersprungen
werden, wenn Sand und andere Verunreinigungen nicht vorliegen.
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Sulfit-Zugabe
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Die Zugabe von Sulfat kann notwendig
sein, muss es aber nicht sein, um eine unerwünschte Komplexbildung zwischen
Proteinen und Polyphenolen zu verhindern. Auf der Basis vorhergehender
Versuche im Hinblick auf die Verarbeitung von Grassaft ist bekannt,
dass eine solche Komplexbildung die Nährwerte von Grasproteinen reduziert.
Die Verhältnisse
während
der Raffination können
jedoch verschieden sein. Ein schneller Temperaturanstieg während der
Raffination kann augenblicklich die enzymatische Aktivität stoppen (Bleicheffekt)
und die Bildung von Polyphenolen hemmen.
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Raffination: Grundlegendes
Diagramm (8)
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Das Raffinieren von Gras ist im Prinzip
mit und ohne Flüssigkeitszugabe
während
der Raffination möglich.
In einem ersten Test mit frischem Gras (15% Trocken masse) erfolgte
das Verfahren nicht auf einfache Weise, ohne dass reichlich Wasser
bis zu einem Prozentgehalt an Trockenmasse von etwa 2% zugemischt wurde.
Die Notwendigkeit der Flüssigkeitszugabe
ist wahrscheinlich teilweise von dem Typ des Refiners und der Natur
des Grases (Faserigkeit) abhängig.
Ausgequetschtes Gras (26% Trockenmasse) konnte ohne Wasserzugabe
raffiniert werden. Ob überhaupt
Wasser zugemischt wird, und wenn, wie viel Wasser zugemischt wird,
hat Konsequenzen für
den Temperaturanstieg während
der Raffination und daher auf das Ausmaß der Protein-Denaturierung
und somit auf die nachfolgenden Schritte in dem Verfahren.
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Das grundlegende Diagramm schließt nach
der Raffination die folgenden Verfahrensschritte ein: Absieben der
Faser, Koagulieren in der Wärme
der Refiner-Flüssigkeit
mit anschließendem
Abtrennen des Proteinkuchens mittels eines Dekanters und Verdampfen
der entproteinierten Flüssigkeit.
Zwei extreme Varianten dieses grundlegenden Diagramms sind denkbar:
eine mit einer minimalen Zugabe von Flüssigkeit während der Raffination und eine
andere unter Zugabe einer großen
Flüssigkeitsmenge.
Das grundlegende Diagramm ändert
sich dann in Variante A (9)
bzw. Variante B (10).
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Raffination: Variante
A (9):
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Nach der minimalen Zugabe von Rückführflüssigkeit,
erfolgt möglicherweise
ein beträchtlicher
Temperaturanstieg während
der Raffination: in dem Test mit dem ausgequetschten Gras auf über 70°C. Protein-Koagulation
und Pasteurisierung erfolgen dann bereits während der Raffination, und
möglicherweise
kann dann ein separater Koagulationsschritt ausgelassen werden.
In diesem Fall wird das Verfahrensdiagramm zu Raffination – Sieben – Dekantieren – Verdampfen
vereinfacht; siehe Variante A des grundlegenden Diagramms.
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Raffination: Variante
B (10):
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Variante B: Im Falle der Zugabe einer
großen
Menge an Rückführflüssigkeit
kann der Temperaturanstieg während
der Raffination limitiert bleiben: in dem Test mit frischem Gras
auf etwa 35°C.
Als Ergebnis kann wahrscheinlich ein Teil des Proteins in Lösung bleiben.
In diesem Fall sind nach der Raffination zwei alternati ve Wege denkbar.
Der einfachste besteht darin, die Flüssigkeit nach dem Absieben
der Faser in der Hitze zu koagulieren und zu dekantieren. In diesem
Falle wird ein Proteinkuchen gebildet, und eine entproteinierte
Flüssigkeit
kann verdampft werden (siehe das grundlegende Diagramm). Ein komplizierterer
Weg (Variante B) umfasst nach dem Absieben der Faser das anfängliche
Dekantieren, wobei ein roher Proteinkuchen erhalten wird (roh, d.
h. im Gemisch mit fein zerteilten parenchymatischen Zellwänden, die
das Sieb passieren), die anschließende Koagulation in der Hitze und wiederum ein
Dekantieren. In diesem zweiten Dekantierschritt wird ein reinerer
Proteinkuchen erhalten.
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Absieben der Fasern
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Zum Absieben der Fasern können Zentrisiebe
verwendet werden, die dem Fachmann bekannt sind, um Kartoffelfaser
abzutrennen. In dem Test wurde ein geneigtes Sieb verwendet, auf
dem ein Drahtgewebe mit Öffnungen
von 140*140. um ausgestreckt ist. Im Labormaßstab wurde ein Sieb mit einem
Lochdurchmesser von 850 μm
und 250 μm
verwendet. Versuche mit demselben ergaben, dass die meisten Fasern
auf einem relativ groben Sieb abgetrennt werden können. Die
feinere Faserfraktion kann zu der gesamten Faserfraktion oder über enzymatisches
Zerfließen
zu den Melassen, dem Konzentrat oder Saftstrom gegeben werden.
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Waschen und Trocknen der
Faser
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Die Faser, die durch Sieben abgetrennt
wurde, kann mit gelöster
und suspendierter Substanz verunreinigt sein. Demgemäß ist dann
ein Waschen mit entproteinierter Rückführflüssigkeit notwendig, an das
sich ein Entfernen von Feuchtigkeit durch Pressen/Zentrifugieren
und Trocknen anschließt.
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Trocknen des Proteinkuchens
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Der proteinreiche Kuchen, der durch
Dekantieren abgetrennt wird, kann auf die gleiche Weise getrocknet
werden, wie derjenigen, die dem Fachmann von z. B. Kartoffelprotein
bekannt ist. Im Falle des Vorliegens einer relativ großen Lipidfraktion
hat die Zugabe eines Antioxidationsmittels einen verbessernden Effekt.
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Verdampfung von entproteinierter
Flüssigkeit
Die entproteinierte Flüssigkeit
kann verdampft werden, um einen zuckerreichen Sirup zu bilden.
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Erweiterte Arbeitsweise
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Das grundlegende Diagramm kann erweitert
werden, um Verfahren zum Zwecke der weiteren Raffination des rohen
Proteinkuchens einzuschließen.
Ein mögliches
Hinzufügen
ist das enzymatische Zerfließen
der parenchymatischen Zellwände
in dem rohen Proteinkuchen. Die Zucker, die sich daraus ergeben,
können
z. B. zu den Melassen, dem Konzentrat oder dem Saftstrom gegeben
werden.
