ES2209543T3 - Separacion y extraccion de constituyentes de plantas. - Google Patents
Separacion y extraccion de constituyentes de plantas.Info
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Abstract
Un método para separar componentes de material vegetal caracterizado porque el material está, al menos parcialmente fibrizado, y subsiguientemente se separa en una fracción de fibra y una corriente de jugo, de manera que la fracción de fibra comprende principalmente tejidos relativamente firmes tales como epidermis, esclerénquima y haces vasculares, y la corriente de jugo comprende principalmente tejidos blandos tales como parénquima y citosol.
Description
Separación y extracción de constituyentes de
plantas.
La invención se refiere a la separación y
recuperación de componentes de plantas.
Las plantas, como la mayoría de los organismos,
están formadas por células. Una célula vegetal consiste en una
membrana lipídica con un contenido generalmente acuoso, el citosol,
que contiene los diversos orgánulos celulares (asimismo rodeados de
membranas lipídicas), tales como núcleo, mitocondria, retículo
endoplásmico y cloroplastos y el citoesqueleto consistente en
microfilamentos y microtúbulos, que da a la célula su estructura
interna. También hay en la célula vegetal vacuolas que juegan el
importante papel de mantenimiento en tensión de la célula vegetal;
las vacuolas mantienen turgentes las células.
En los componentes constituyentes de una célula
vegetal se pueden distinguir "grosso modo" agua, que constituye
la mayor parte con mucho de una célula viva, componentes tales como
sales, (precursores de) lípidos, hidratos de carbono, aminoácidos y
nucleótidos, macromoléculas tales como almidones, proteínas y ácido
nucleico y multiplicidad de otras moléculas, incluyendo vitaminas y
pigmentos tales como clorofila, caroteno y xantofila.
Una célula vegetal está por lo general rodeada
por una pared celular que proporciona firmeza y estructura al tejido
vegetal. La pared celular está formada principalmente por
(hemi)celulosa y otros polímeros de hidratos de carbono
agregados a haces de fibras. Las plantas leñosas contienen además
una amplia cantidad de lignina, un polímero hecho de fenoles y
otros monómeros aromáticos.
Los tejidos de las plantas están formados por
células vegetales, todas las cuales, cuando están vivas, satisfacen
básicamente la anterior descripción. Se puede hacer una distinción
importante entre tejidos relativamente firmes que virtualmente no
comprenden células con cloroplastos u otros plastidios, y tejidos
relativamente blandos que las contienen. Los tejidos que no
comprenden generalmente células que contienen cloroplastos son, por
ejemplo, la epidermis o tejido de la piel de una planta, el
colénquima y esclerénquima o estroma de una planta y los haces de
fibras vasculares o tejido vascular, que comprende los vasos de
transporte importantes (vasos leñosos y tubos cribosos) de la
planta. Cuando una parte de una planta se lignifica fuertemente,
cosa que sucede en general con el tiempo, la mayor parte de las
células de la parte lignificada mueren y solo dejan residuos del
contenido de la célula. En particular se pierden el citosol y los
orgánulos presentes en ella, pero los haces de fibras vasculares,
piel y estromas generalmente dan a la planta forma y estructura y
por lo general quedan cuando la planta muere. Es característico que
estos tejidos relativamente firmes (en particular haces vasculares,
esclerénquima y epidermis) comprendan células que no tienen
virtualmente cloroplastos, mientras que una parte importante (al
menos en las partes aéreas de la planta hojas y tallos) de los
tejidos relativamente blandos, llamada también clorénquima, está
formada principalmente solo de células de parénquima que contienen
cloroplastos; aquí es sin duda donde tiene lugar la fotosíntesis.
Al parénquima que no contiene cloroplastos (tal como se puede
encontrar, por ejemplo, en frutos, semillas, raíces y tubérculos de
la planta, pero también en hojas y /o partes del tallo
subterráneos) corresponde principalmente el almacenamiento de
nutrientes, agua o gases. Este almacenamiento tiene lugar en
particular en orgánulos celulares relacionados con los
cloroplastos, conocidos generalmente como (pro)plastidios,
como en amiloplastos (almacenamiento y producción de hidratos de
carbono), elaioplastos (lípidos) y cromoplastos (pigmentos).
La manipulación o modificación genética de
plantas es la alteración de propiedades o características
transferibles de una planta a través de modernas técnicas
recombinantes o biotecnológicas. La técnica de la manipulación
genética se desarrolló en las plantas a un nivel experimental a
mediados de la década de los ochenta. En los primeros noventa, esto
condujo a los primeros productos preparados para comercialización.
Actualmente, la técnica se aplica principalmente a bacterias, hongos
y plantas. Además existen posibilidades para su aplicación a
animales. Las técnicas en animales no son aún óptimas ni
provechosas, y suponen problemas en el campo de la ética en lo
referente a animales de desarrollo superior.
Las propiedades transferibles son propiedades más
o menos sencillas, codificadas por un gen para un locus
particular. Una planta genéticamente modificada (o planta
transgénica) es un organismo vivo al que ha sido transferido un gen
con propiedades particulares, que ha sido identificado en un
organismo donante, a través de técnicas de manipulación genética
(recombinación de ADN). También es posible modificar genéticamente
una planta tal que no pueda ya activar o expresar un gen particular
tradicionalmente presente en la planta: el gen en cuestión es
entonces eliminado. Debido al gen transferido o eliminado, la
planta transgénica o modificada adquiere una nueva propiedad u otra
característica, a su vez transferible a la progenie. La
transferencia o eliminación de genes se puede llevar a cabo por el
uso, por ejemplo, de una bacteria tal como Agrobacterium
Tumefaciens, que es capaz de transferir material genético a una
célula vegetal mediante plasmidios. Los genes se incorporan
subsiguientemente al genoma de la célula infectada. Se pueden elegir
otros caminos de modificación, tales como bombardeo de una célula
vegetal con bolitas envueltas con fragmentos de ADN que incluyen el
gen que se va a transferir.
El empleo de moderna biotecnología en agricultura
ofrece nuevas posibilidades, como son en primer lugar la garantía de
ciertos rendimientos y una menor necesidad productos fitosanitarios
para utilizarlos en control de plagas y enfermedades, obteniéndose
al mismo tiempo productos de mayor calidad. Estimaciones desde 1998
muestran que las plantas transgénicas crecen a lo largo del mundo en
un área de 30 millones de hectáreas (comparadas con 14 millones de
hectáreas en 1997). Estas corresponden principalmente a Estados
Unidos (88%), SurAmérica (algodón en Argentina) (6%) y Japón (6%).
No se conocen los números correspondientes al área de China en la
que crecen cultivos transgénicos, pero se supone un porcentaje
probablemente considerable.
Además de las variedades actualmente
comercializadas mejoradas por manipulación genética - unos doce
cultivos de alimentos y no-alimentos - existe un
rápido y gigantesco progreso en expectativa en investigación en
este campo, aunque la mayoría de las aplicaciones estén aún en
estadio experimental. Las posibles mejoras son de mayor importancia,
en particular en el cultivo de cultivos de alimentos. Además, es
de esperar el desarrollo de plantas genéticamente modificadas para
productos en el sector de no-alimentos, que
constituye una fuente muy interesante de diversificación en
agricultura.
En principio, son concebibles dos tipos de
modificaciones genéticas. Un primer tipo se refiere a la
introducción de nuevas propiedades o características que promueven o
favorecen el crecimiento o cultivo de la cosecha en cuestión. Aquí
se pueden considerar, por ejemplo, la introducción de resistencia a
sequías y heladas, de manera que el cultivo pueda crecer en regiones
distintas de aquellas en las que crecían originariamente. La
introducción de nuevas propiedades y características que promueven o
son útiles para el crecimiento o cultivo de la cosecha en cuestión
también abarca la introducción de resistencia o tolerancia a
herbicidas, de manera que se pueda llevar a cabo el control de las
malas hierbas con el herbicida en cuestión alrededor del cultivo sin
que el cultivo modificado o recombinante sufra daño apreciable por
ello, o la introducción de resistencia a enfermedades o plagas.
Un segundo tipo se refiere a la introducción o
eliminación de genes que permiten al cultivo en cuestión dar un
producto final (recombinante) de más alta calidad potencialmente.
Aquí se consideran, por ejemplo, mejora del sabor o mejora del
mantenimiento de las propiedades de los productos. Sin embargo, una
aplicación más importante es la de incrementar o enriquecer la
planta con componentes valiosos o substancias de contenido. Ejemplos
de posibilidades contempladas en la modificación genética de plantas
son aumento en el contenido de vitaminas de una planta a través de
modificación genética; aumento y/o enriquecimiento en el contenido
de proteínas o amino ácidos, con lo que la planta produce
preferentemente proteínas o amino ácidos de alta calidad por
modificación genética; mejora del equilibrio entre ácidos grasos
saturados e insaturados a través de modificación genética.
También se contemplan nuevas posibilidades de
producción para composiciones muy específicas. En particular, la
producción de vacunas (basada en plantas que expresan proteínas o
péptidos recombinantes), de antibióticos (basada en las plantas a
las que se equipa con enzimas o sistemas de enzimas recombinantes
capaces de producir estos antibióticos), y de otros factores
importantes para medicina y veterinaria (hemoglobina, insulina,
factores de coagulación, hormona del crecimiento, enzimas humanas o
de animales (digestivas), etc.) son aplicaciones de la introducción
o eliminación de genes que permiten al cultivo en cuestión producir
un producto final potencialmente de mayor calidad
(recombinante).
Las actuales aplicaciones de introducción de
nuevas propiedades o características que promueven o favorecen el
crecimiento o cultivo de la cosecha en cuestión, tal como en el área
de la tolerancia a herbicidas, han progresado mucho. Constituyen una
promesa para la producción agrícola, gestión de costes de producción
así como en relación con consecuencias medioambientales de actividad
agrícola. La resistencia de plantas a enfermedades obtenida a través
de transgénesis ofrece claras ventajas para el crecimiento o
cultivo de la planta en cuestión: en particular existen muy pocos
medios convencionales, y en algunos casos ninguno, para controlar
bacterias y virus. Si la resistencia de la planta es inherente, se
pueden omitir los tratamientos en casi todos los casos, y el efecto
sobre el rendimiento es significativamente más alto que con el
tratamiento.
Sin embargo, en el caso de la introducción o
eliminación de genes, como resultado de lo cual el cultivo en
cuestión puede producir un producto final (recombinante) de mayor
calidad potencialmente, los problemas a superar son de diferente
orden. Las cuestiones esenciales respecto a la capacidad de
recuperación del producto deseado son, por ejemplo: cómo es el
producto de alta calidad que se recupera; cómo separar el componente
(recombinante) de alta calidad del otro material vegetal; el
componente que ha de recuperarse ¿debe estar presente en ciertas
partes de la planta fáciles de recolectar (semillas, frutos,
tubérculos, etc.) (lo cual dicta estrictamente los requerimientos en
relación con la naturaleza de la modificación genética: no
solamente es necesario proporcionar un gen modificado que codifica
para el producto en cuestión, sino que también este gen necesita
ser expresado en el lugar correcto) o debe el componente en
cuestión ser recuperado de todas las partes de la planta?.
Las tecnologías de recuperación existentes no
tienen claras las contestaciones, y esto se mantiene en particular
para productos proteína, para productos de relativamente baja
calidad, para productos que están presentes en la planta a una
concentración relativamente baja, y para productos que se
distribuyen proporcionalmente a través de la planta. Hace tiempo que
se conoce la recuperación de varios componentes desde la materia
prima vegetal para posterior uso en, por ejemplo, alimentos para
consumo humano o piensos para animales a través de métodos
mecánicos. Frecuentemente, las plantas simplemente se trituran o
seccionan para hacerlas adecuadas para el consumo, siendo un ejemplo
el seccionado de maíz para forraje. Esta claro, sin embargo, que el
seccionado no contribuye a una mejor recuperación de un componente
recombinante que ha de ser obtenido con relativa pureza.
En particular, los componentes presentes en el
citosol de la célula vegetal son extraordinariamente adecuados para
alimento humano o forraje para animales, ya que pueden ser
materiales de construcción para los correspondientes componentes que
se encuentran en células animales. Por esta razón, partes
específicas de la planta en particular, tales como semillas,
tubérculos, raíces o frutas que son específicamente ricas en, por
ejemplo, jugo, azúcares, proteína, aceite o almidón son a veces
sometidas a métodos de recuperación para un mayor enriquecimiento,
tales como prensado o molido. Entre los ejemplos están el prensado
de aceite de olivas o semillas oleaginosas, la recuperación de
proteína de las alubias, o el molido de patatas o granos para
obtener harina. Otro ejemplo conocido es el exprimido para zumo de
frutas tales como las uvas, para consumo directo o para posterior
procesado. En el caso de zumo de uva, esto concierne principalmente
al agua, azúcares, color y sabor, y la posterior conversión a
vino.
Un ejemplo de recuperación de una materia prima
vegetal donde no se utiliza método de prensado, es la recuperación
del azúcar de, por ejemplo, remolacha azucarera. Por lo general se
cortan las remolachas en tiras estrechas (citadas a veces como
"virutas") después de lo cual se inundan estas tiras con agua
caliente en una torre de difusión. Durante este proceso de difusión,
el azúcar se difunde a través de las células de la remolacha. El
azúcar es liberado de manera relativamente fácil desde las células
que han quedado partidas, pero ha de ser liberado de las células de
remolacha intactas - que están presentes, naturalmente, en número
mucho mayor - a través de ósmosis y/o diálisis. Esta ósmosis y
diálisis se puede únicamente hacer provechosa cuando la temperatura
es controlada con precisión a través del proceso, por ejemplo a
72ºC, y utilizando cantidades de agua suficientemente grandes. Se
puede establecer que por cada tonelada de remolacha azucarera se
necesitan al menos 1100 litros de agua. A través del principio de
contra-corriente, el agua rica en azúcar se separa
de las virutas húmedas (ahora llamadas pulpa). La pulpa húmeda se
seca y se evapora el agua con azúcar (opcionalmente después de la
filtración, carbonatación u otros
pre-tratamientos). El secado de la pulpa y
evaporación del agua rica en azúcar hasta un zumo espeso, llamado
también suero, requiere mucha energía.
Tradicionalmente se ha aplicado un procesado
mecánico a los cultivos de pienso, tales como heno, alfalfa y otras
plantas recogidas en fresco y verdes que, frecuentemente
constituyen el total de la planta, y en particular la hoja y/o
parte del tallo y, en la mayoría de los casos sin incluir las
raíces, se utilizan para recuperar, por ejemplo, componentes de
alimento (para animales). Esta materia prima vegetal se recuperan
por lo general a través del prensado de material de hojas y/o
tallos (preferiblemente seccionado o desmenuzado de otra forma)
con lo que se obtiene una parte del material vegetal como un jugo de
prensa, mientras que el material residual y prensado se conoce como
torta de prensa. Esta técnicas se pueden emplear también cuando el
material proviene de plantas modificadas genéticamente.
Sin embargo, las fuerzas de presión ejercidas por
el prensado solo originan por lo general una apertura parcial
(estallido o explotado) de las células vegetales del material, de
manera que solo queda liberada como jugo de prensa una porción del
citosol acuoso pero rico en componente alimenticio, y es posible que
con residuos de los orgánulos y la membrana lipídica que rodea la
célula. La eficacia de tal método es, por lo tanto, baja. El jugo
de prensa se trata posteriormente por lo general, por ejemplo por
tamizado, después de lo cual, por ejemplo, la proteína del jugo se
recupera por coagulación a través de, por ejemplo, un tratamiento
con ácido y/o térmico. El jugo de prensa se puede procesar
posteriormente por filtración (ultrafiltración o filtración con
membrana), secado, fermentación u otros métodos conocidos por los
especialistas. Los nutrientes para consumo humano y animal ricos en
proteína u otra forma de alta calidad, pero también los pigmentos
tales como caroteno (provitamina A) solo se pueden recuperar del
citosol de esta manera solamente con bajo rendimiento.
La torta de prensa relativamente seca resultante
se considera por lo general como menos rica en alimento: contiene
los haces de fibras relativamente intactos compuestos (no
directamente) de fibras de celulosa digerible, jugo de prensa
adherente y células vegetales residuales a las que no se ha podido
tener acceso con el prensado. Especialmente, estas células de
plantas residuales aún con citosol sin recuperar dan valor de
forraje a la torta de prensa, que generalmente se seca y, se
utiliza en forma de aglomerados, u otra forma, como componente de
relativamente baja calidad (pienso) en forrajes, en particular para
rumiantes.
Para el acceso mecánico, por ejemplo heno, se
utiliza tradicionalmente un método que se basa en la desintegración
de la materia prima vegetal por medio de trituradoras de martillos
seguido de exprimido de la materia prima desintegrada (designada
aquí como pulpa) utilizando prensas de tornillo o prensas de cinta.
La pulpa se separa así en una fracción de torta de prensa y una
fracción de jugo de prensa. La fracción de jugo se considera como la
fracción en que están contenidas las substancias recuperables
industrialmente del material vegetal. La trituradora de martillos
consiste típicamente en un rotor sobre el que están dispuestos
elementos fijos o libremente móviles de manera que al girar el
rotor se ponen en contacto con la materia prima vegetal y esta se
desintegra por la fuerza del impacto. El efecto disgregante de las
trituradoras de martillos es relativamente grande cuando el material
vegetal tiene una buena turgencia, es decir cuando las células
vegetales están tensas. En este caso, la fuerza del impacto hace
que el tejido estalle y queden liberados los constituyentes del
contenido celular con el fluido del tejido. Si la turgencia es
baja, el batido del material vegetal causará compresión del mismo.
El tejido permanece entonces más o menos intacto y el resultado es
que el contenido celular queda disponible en mucha menor medida.
Esto tienen importantes consecuencias en cuanto a la
recuperabilidad en particular de aquellos constituyentes del
contenido celular que están presentes en la biomasa vegetal en forma
solo parcialmente disuelta y por otra parte en la forma de materia
sólida, sin disolver. Esto es así, entre otros casos, en el caso de
proteínas vegetales, pero también para lípidos y pigmentos, y se
comprenderá que no sea diferente en el caso de productos
recombinantes. Son conocidas también (por ejemplo, por la Patente
estadounidense 5.464.160) las trituradoras de martillos donde el
material relativamente seco se separa en dos fracciones, mientras
se desecha la tan valiosa corriente de jugo con citosol rico en
proteínas.
En los métodos anteriormente descritos de
prensado de material vegetal, es importante en general que el
material sea procesado mientras está aún lo más fresco posible,
enseguida después de su recolección. Solamente entonces están las
células de las plantas lo suficientemente tensas para que exploten o
estallen bajo presión para que el citosol sea liberado. Cuando,
después de la recolección, ha pasado un tiempo hasta que las
plantas se prensan, éstas se han secado ya en alguna medida, por lo
que han perdido una gran parte de la necesaria turgencia y están
demasiado flojas para poder explotar o estallar bajo presión. Según
esto, en el material no-fresco, la recuperación del
jugo de prensado procederá con aún menos eficacia. Lo mismo se
mantiene para el material derivado de plantas que, incluso antes de
ser recolectadas, ya han perdido una gran parte de la turgencia en
sus células vegetales a través del secado y/o maduración. En
general, estas plantas ya no están (completamente) verdes sino que
adquieren aspecto marrón o amarillo. Las partes de planta
lignificadas no se pueden elegir en absoluto para los métodos
anteriores, ya que en ellas han muerto la mayoría de las células, o
en cualquier caso contienen solamente una fracción de citosol muy
pequeña y por lo tanto no contribuye a la recuperación de alimento
de alta calidad.
En general, el material vegetal se separa en una
fracción de torta de prensa, (pulpa) y una fracción de jugo de
prensa (suero). La característica de este método es la extracción
solo parcial (junto con el jugo de prensa) de los constituyentes
del contenido de las células (contenido de las vacuolas y
citoplasma con orgánulos celulares allí presentes, tales como
cloroplastos y núcleos celulares); las paredes celulares quedan
substancialmente en la torta de prensa junto con el resto del
contenido celular. En la torta de prensa están contenidos todos los
tejidos que constituyen también el contenido de la materia prima, y
además también una parte del contenido de las células. El color de
la torta de prensa fresca es predominantemente verde o amarillo
donde los cloroplastos con clorofila (el verde de las hojas), solo
han sido parcialmente separados con el jugo de prensa. El material
vegetal solo ha sido desintegrado parcialmente a nivel de tejidos;
esto significa que aún hay fragmentos reconocibles de hojas y
tallos además de tejidos individuales tales como haces vasculares
aislados.
El jugo de prensa consiste substancialmente en el
contenido acuoso de células; el contenido de las vacuolas y el
citoplasma que tienen en él los orgánulos de las células tales como
cloroplastos en forma intacta o desintegrada; los constituyentes de
las paredes celulares están substancialmente ausentes ya que se han
quedado en la torta de prensa.
Como consecuencia de ello, la recuperabilidad de
proteína y otras substancias parcialmente solubles en el método
tradicional de fraccionamiento es muy susceptible de variaciones de
la naturaleza de la biomasa vegetal, en particular la presencia de
turgencia, que se refleja típicamente en diferencias en el
contenido de materia seca.
El método tradicional de fraccionamiento tiene
como consecuencia que al exprimir la pulpa, solamente una parte de
los constituyentes del contenido celular terminan en la corriente
de jugo y otra parte queda en la torta de prensa. Según esto, la
torta de prensa contiene aún, además de la mayor parte de las
paredes celulares, una parte de los constituyentes del contenido de
las células y, en virtud de ello, se utiliza como forraje.
Los métodos de prensado existentes para separar
componentes de alta calidad de componentes de baja calidad del
material vegetal son así fuertemente dependientes de la turgencia
de las células presentes en el material vegetal, lo que limita la
aplicación de estos métodos a un material relativamente fresco y
verde. Los métodos existentes no son por tanto muy adecuados para la
recuperación con eficacia de componentes de alta calidad de las
plantas genéticamente modificadas. Frecuentemente, la torta de
prensa resultante, también cuando se utiliza material fresco y/o
verde, contiene aún grandes cantidades de células de la planta a las
que no se ha accedido que tienen citosol de alta calidad en ellas,
mientras que solo se puede obtener un bajo precio para la torta de
prensa ya que de hecho solo es adecuada como componente de
relativamente baja calidad de forraje. Los métodos clásicos
existentes podrían también en principio aplicarse a plantas
genéticamente modificadas que han sido modificadas específicamente
de manera que partes precisas de ellas tales como semillas,
tubérculos, raíces y frutos son ricos en, por ejemplo, proteínas
recombinantes, péptidos, amino ácidos, aceites e hidratos de
carbono. Sin embargo, los métodos de prensado tradicional, tales
como los conocidos por ejemplo para hierbas, son incapaces de una
separación completa de fracciones de jugo y fibras. Ha sido descrito
un proceso de difusión en relación con el procesado de remolacha
azucarera, que tiene también importantes desventajas. Requiere tanta
agua y energía que la recuperación de la deseada materia prima, en
el caso de que se pueda hacer, sería muy cara. En particular ahora
que el cultivo de remolacha azucarera modificada genéticamente y
otros tubérculos y/o raíces va en creciente aumento, son necesarios
mejores métodos de recuperación, que se puedan utilizar también en
cultivos sin modificar. Además, la localización específica del
componente que se va a recuperar requiere la modificación de más de
un solo gen. En la mayor parte de los casos, será entonces necesario
modificar la planta, de manera que además de producir el deseado
producto, tenga también sistemas modificados para almacenar los
productos deseados en aquellas partes específicas. El conocimiento
biológico-molecular de los sistemas implicados en el
almacenamiento es en este punto generalmente insuficiente en cuanto
a la manipulación del almacenamiento del producto así como también
para que se alcance el resultado deseado La expresión específica
para tejidos de genes recombinantes está aún en su infancia. En
general se puede esperar que el producto deseado se encuentre
también, y principalmente, en parte de las hojas y/o tallos de la
planta modificada.
Existe la necesidad de mejores métodos para la
recuperación de los componentes de alta calidad desde plantas
modificadas genéticamente o no modificadas, tal como, por ejemplo,
desde partes de hojas y/o tallos, raíces o tubérculos, métodos
mejores que puedan permitir el acceso a células de la planta con
mayor eficacia que los métodos existentes, puedan hacer más
disponible la fracción de citosol para su recuperación, y
conduzcan a mejores posibilidades de comercialización para el
material residual que contiene fibra. El objeto de la invención es
satisfacer esta necesidad.
La invención proporciona un método para
separación de componentes del material de una planta, caracterizado
porque el material está al menos parcialmente fibrizado y
subsiguientemente se separa en una fracción de fibra y una corriente
de jugo, de manera que la fracción de fibra comprende principalmente
tejidos relativamente firmes tales como la epidermis, esclerénquima
y haces vasculares y la corriente de jugo contiene principalmente
tejidos blandos tales como parénquima y citosol. En un modo de
realización preferido, la invención proporciona un método de
separación de una corriente de jugo que comprende en particular
cloroplastos, pero también la separación fácil del parénquima que
comprende en particular otros plastidios, tales como amiloplastos,
elayoplastos y cromoplastos, de la fracción de fibra. La invención
proporciona un nuevo método de fraccionamiento, que consiste en al
menos dos etapas: una primera etapa en la que el material vegetal se
fibriza por la acción de fuerzas de cizalla y una segunda etapa en
que la fracción de fibra se separa del resto.
El método según la invención es aplicable a todos
los material vegetales que contienen fibra provenientes tanto de
plantas cultivadas (plantas de cosecha) como de plantas silvestres,
así como de productos de cruce.
Un método según la invención es aplicable a
material vegetal que puede estar o no estar genéticamente
modificado, que comprende principalmente partes de hojas y/o partes
de tallos, tales como biomasa vegetal proveniente de los prados y
pastizales, cultivos de piensos tales como heno y maíz, alfalfa,
trébol, y otras plantas papilonáceas, cultivos de fibra tales como,
lino y cáñamo, y las partes aéreas de plantas que se cultivan
normalmente solo por sus semillas, frutos o tubérculos, tales como
cereales, remolachas, guisantes, alubias, patatas, zanahorias,
manioca, batata. El método según la invención es aplicable también
al procesado de semillas convencionales, frutos o tubérculos, tales
como cereales, remolacha azucarera, alcachofa de Jerusalén,
remolacha, guisantes, alubias, patatas, zanahorias, manioca, batatas
y plantas genéticamente modificadas que han sido modificadas
específicamente, de manera que partes precisas tales como semillas,
tubérculos, raíces o frutas se enriquezcan en, por ejemplo, las
deseadas proteínas recombinantes, péptidos, amino ácidos, aceites e
hidratos de carbono.
Fraccionamiento de biomasa vegetal significa la
separación en una serie de fracciones. Por fraccionamiento de
biomasa, se forman nuevas corrientes de productos con otras
posibilidades de aplicación que la propia materia prima. De esta
manera, estas nuevas corrientes de productos unidas representan
muchas veces más valor que la biomasa original. La invención
proporciona una nueva técnica que se basa en la fibrización y
subsiguiente desfibración de biomasa vegetal.
En un modo de realización preferido, la invención
proporciona un método para separación de componentes de material
vegetal, caracterizado porque el material es fibrizado mecánicamente
al menos parcialmente y a continuación separado en una fracción de
fibra y una corriente de jugo, comprendiendo principalmente la
fracción de fibra (véanse, por ejemplo, las Figuras 1 y 2, también
para comparación con un método tradicional) tejidos relativamente
firmes tales como epidermis, esclerénquima y haces vasculares, y
conteniendo la corriente de jugo (véanse, por ejemplo, las Figuras 6
y 7, también para comparación con un método tradicional)
principalmente tejidos blandos tales como parénquima y citosol. La
fibrización mecánica se efectúa, por ejemplo, por tratamiento del
material en una mezcladora. Preferiblemente, cuando se desea una
aplicación a escala industrial, la fibrización se hace, según la
invención, con un aparato tal como un refinador (presión), con
discos de molido, tal como el empleado en la industria de pulpa y
papel, o en una aparato de acción equivalente en el que el material
vegetal se puede fibrizar para poderlo separar en una fracción de
fibra que comprende principalmente tejidos relativamente firmes
tales como epidermis, esclerénquima y haces vasculares, y la
corriente de jugo comprende solo tejidos blandos tales como
parénquima y citosol. En la fibrización, el tejido vascular con el
esclerénquima y la epidermis (el conjunto de la fracción de fibra)
se disocia mecánicamente del otro tejido que es substancialmente de
parénquima. Este tejido de parénquima es al mismo tiempo accesible y
los constituyentes del contenido celular del mismo (citosol y
parénquima) se hacen así disponibles substancialmente por completo.
La fibrización se puede hacer utilizando refinadores tales como los
utilizados en la industria de la pulpa y papel para fibrizar la
madera y la pulpa de madera. El refino, en este caso fibrización,
tiene lugar típicamente humedeciendo el material vegetal. El
resultado es entonces una suspensión espesa de material fibrizado
del que pueden separarse las fibras. La fracción de fibras
(corriente de fibras), que así se recupera, es adecuada según su
naturaleza y composición, entre otras aplicaciones, para las
siguientes: como materia prima para papel y cartón (cartón sólido,
cartón plegado y cartón conformado), como materia prima para
producción de materiales de cartón de fibra (cartón blando, cartón
duro, cartón hueco, MDF, HDF y partes conformadas de MDF/HDF) y
material compuesto, como materia prima para materiales que absorben
humedad, tales como pañales, toallitas sanitarias, etc., como
materia prima para la preparación de medios de cultivo (compost y
substratos para tiestos), camas de paja (como protección frente a
la erosión, y como supresor de malas hierbas y enfermedades, como
mejorador del suelo o como combustible.
En la desfibración, se separa la fibra liberada,
por ejemplo a través de un tamiz, de los demás constituyentes de la
otra planta. A través del lavado y tamizado, la fibra se puede luego
purificar y se pueden aún recuperar los posibles componentes
no-fibra con el agua de lavado. La suspensión espesa
desfibrada consiste entonces en una mezcla de agua añadida, fluido
de tejido, constituyentes del contenido celular y paredes celulares
finamente dispersas procedentes del tejido de parénquima. Desde la
suspensión espesa desfibrada o corriente de jugo, se pueden
recuperar, en estado más o menos puro, sustancias del contenido
tales como: proteínas (recombinantes), péptidos y amino-ácidos (de
alta calidad), vacunas, antibióticos u otros factores importantes en
medicina, enzimas, pigmentos, lípidos, ácidos grasos, almidones,
azúcares solubles e hidratos de carbono (paredes celulares) para
alimento del ganado, nutrición humana, o como substrato para
fermentaciones, o, por concentración, se pueden obtener productos
de forraje o alimentos con alto valor nutritivo como resultado de
la presencia de proteínas de alta calidad, amino-ácidos u otros
componentes y/o como resultado de la separación de la fracción de
fibra indigerible o poco digerible.
La suspensión espesa desfibrada se puede además
fraccionar en subsiguientes etapas. Una posibilidad es, por ejemplo,
la separación de todas las partes sólidas por centrifugación, que
puede ir precedida o no por una etapa de coagulación a través de
calentamiento, acidificación u otra operación. Otra posibilidad es
convertir las paredes celulares de parénquima en azúcares solubles
mediante enzimas de escisión de las paredes celulares (pectinasas,
celulasas, etc.) y añadirlo entonces a la fracción de sustancia
disuelta en la suspensión espesa desfibrada.
La característica del método tal como es
contemplado por la invención es la escisión a nivel de tejido en una
fracción de fibra que contiene tejidos relativamente firmes (haces
vasculares, esclerénquima y epidermis) y una fracción desfibrada
que contiene tejidos relativamente blandos (parénquima). En
resumen, la diferencia entre el método tradicional y el nuevo es la
extracción del fluido del tejido (tradicional) frente al
fraccionamiento del tejido (nuevo método). El nuevo método
proporciona la recuperación de componentes de las plantas con un
alto rendimiento, mientras que en el método tradicional se quedan
atrás grandes cantidades de componente de alta calidad en, por
ejemplo, el material prensado, o se requiere un gasto grande de
energía.
Las plantas elegibles para su procesado por el
método de la invención son, en particular, las plantas de cultivo
modificadas genéticamente también, donde las plantas han sido
alteradas para expresar de manera preferencial uno o más componentes
en, por ejemplo el citosol o en un orgánulo celular. Además, en las
plantas genéticamente modificadas (y en particular aquellas donde la
acumulación de un componente de alta calidad (recombinante) obtenido
por manipulación genética se extiende a través de distintas partes
de la planta), es de gran importancia un acceso apropiado a la
célula de la planta y a su contenido, de manera que pueda
recuperarse el producto obtenido a través de la manipulación por la
moderna manipulación biotecnológica, desde dicho cultivo con el
mayor rendimiento posible. La aplicación de un método según la
invención, por ejemplo, permite también utilizar con elevado
rendimiento plantas modificadas genéticamente donde el componente
que, a través de la modificación genética, ha incrementado su
cantidad o está presente ex novo, tal como una vacuna, un
antibiótico u otro factor que sea importante en medicina
(veterinaria), o proteínas (recombinantes) de alta calidad,
péptidos de amino ácidos, está presente proporcionalmente en el
parénquima de toda la hoja, tallo y/o partes de la raíz o de
tubérculos, debido a la recuperación virtualmente completa de los
plastidios, tales como cloroplastos, amiloplastos, elayoplastos y
cromoplastos, presentes en el parénquima, fácilmente separables de
la fracción de fibra por el empleo de un método según la
invención.
La invención proporciona también la separación de
componentes de la raíz y/o partes de tubérculo del cultivo que puede
estar o no estar genéticamente modificado, tal como remolacha
azucarera. En un modo de realización de un método según la
invención, las remolachas azucareras lavadas se introducen,
midiendo, en un refinador de pre-seccionado o
pre-cortado. Durante esta etapa del proceso, el
tejido tuberoso se fibriza hasta una pulpa. Después de la etapa de
fibrización, la fracción con fibra se separa de la corriente de
jugo, por ejemplo a través de tamizado, filtración o
centrifugación, y la fracción sólida se lava opcionalmente con agua
para recuperar los componentes que pueden estar aún disueltos en
ella. La fracción líquida o corriente de jugo se puede además
procesar después de la centrifugación, para recuperar los azúcares
de la manera convencional en la industria azucarera (carbonatación,
concentración, cristalización, centrifugación, etc.). Por
utilización del método según la invención, no es necesaria la etapa
convencional de difusión. No se recuperan los 1100 litros de agua,
sino que se obtiene como resultado una corriente de jugo altamente
concentrado. Además de un ahorro directo en costes como resultado de
la eliminación de la etapa de difusión, la concentración del azúcar
en el suero o corriente de jugo será más alta que la de la
corriente de la etapa de difusión. Junto a esto, la eliminación de
la etapa de difusión significará un ahorro de la cantidad total de
agua requerida, con un ahorro inherente de evaporación y costes de
secado. Siguiendo un método según la invención, la pérdida de
azúcar (normalmente aproximadamente 2%) se reducirá mucho en la
cantidad total de azúcar presente en la remolacha que se queda en el
suero. Además, debido a la fibrización, la fracción de fibra de la
remolacha azucarera es más digerible que la pulpa convencional, al
utilizarla como ingrediente de forrajes. También para remolachas
modificadas genéticamente, tales como, por ejemplo, remolachas que
tienen un contenido en oligosacáridos-fructosa
incrementado o una síntesis de amino ácidos incrementada, el
procesado se hace preferiblemente según la invención.
La invención proporciona también un aparato para
practicar un método de la invención. Este aparato se caracteriza por
mecanismos adecuados para la fibrización según la invención, con los
que el tejido vascular relativamente firme, por ejemplo, con el
esclerénquima y la epidermis (que constituyen conjuntamente la
fracción de fibra) se disocia mecánicamente del otro,
substancialmente el tejido de parénquima. Este tejido de parénquima
resulta al mismo tiempo accesible y los constituyentes del
contenido celular del mismo (citosol y parénquima) se hacen así
substancialmente disponibles por completo. Por "fibrización"
se entiende aquí que el material vegetal es expuesto a fuerzas
tales que disocian virtualmente por completo los tejidos
relativamente firmes de los tejidos relativamente blandos. Como
resultado de la acción de las fuerzas que efectúan esta
fibrización, se podrá acceder a la gran mayoría, si no virtualmente
a todas, las células de la planta, de manera que queda liberado el
citosol. Este citosol, como corriente de jugo que incluye
generalmente también residuos de los orgánulos y membranas
lipídicas que rodean la célula y paredes celulares de parénquima,
puede separarse de manera relativamente sencilla del componente de
fibra a través de tamizado u otros medios de separación conocidos
por los especialistas en la técnica.
Una primera ventaja de la invención es que la
eficacia del método no depende de la turgencia de las células de la
planta presentes en el material, de manera que las células de la
planta pueden quedar accesibles con mayor eficacia que en los
métodos de prensado convencionales antes descritos.
Una segunda ventaja de la invención es que la
invención proporciona dos corrientes de producto que como tales son
muy puras. Una primera, la fracción de fibra, contiene
principalmente celulosa y hemicelulosa, que consisten principalmente
en elementos C, H y O (que proporcionan en si mismos la ventaja de
una combustión limpia); la segunda contiene todas las sustancias de
contenido valioso y complejo y, por ejemplo, el (los)
componente(s) recombinante(s) que se encuentran en el
parénquima y citosol, y que se pueden además separar de forma
relativamente sencilla.
Las dos corrientes de producto se pueden separar
una de otra, por ejemplo, por tamizado. También se pueden aplicar
otros métodos de separación, por ejemplo centrifugación, procesado
por (hidro)ciclón y centri-tamizado y
decantación o sedimentación, o combinación de estos métodos. En la
desfibración, la fibra liberada se separa de los otros
constituyentes de la planta mediante tamizado por ejemplo, la fibra
se puede purificar además por lavado y tamizado pudiéndose aún
recuperar de esta forma muchos posibles constituyentes
no-fibra del agua de lavado. La suspensión espesa
desfibrada consiste entonces en una mezcla de agua añadida, fluido
de tejido, constituyentes del contenido celular y paredes de
células finamente dispersas procedentes del tejido de
parénquima.
Una primera corriente de producto, tal como se
contempla en la invención es una corriente de jugo (generalmente de
alta calidad) que consiste en una solución/suspensión acuosa de
componentes de alta calidad (recombinantes) o nutrientes del
material vegetal (tales como azúcares, proteínas, lípidos,
pigmentos, y similares). Por separación de los componentes de fibra
de pared celular (de baja calidad nutricional), se forma (sobre la
base de materia seca) esta corriente de producto de relativamente
alta calidad, desde la cual se pueden aislar luego los diversos
componentes de manera relativamente sencilla. El color del producto
desfibrado es típicamente verde debido a la presencia de
cloroplastos intactos o rotos, a veces pardo-verde
por pardeamiento durante el fraccionamiento. Macroscópicamente es un
líquido. Microscópicamente, en este líquido son visibles células de
parénquima principalmente intactas y desintegradas y orgánulos
celulares tales como cloroplastos.
La corriente de jugo de tales materiales de
planta modificada genéticamente según la invención se trata además,
por ejemplo por tamizado, después de lo cual se recuperan por
ejemplo la proteína (recombinante), péptidos, aminoácidos, y otros
componentes (recombinantes) del jugo, por ejemplo por coagulación
tratando con ácido y/o calor por ejemplo. La corriente de jugo se
puede tratar además por filtración (ultrafiltración o filtración con
membrana), secado, fermentación, u otros métodos conocidos por los
especialistas en la técnica. Los nutrientes ricos en proteína o de
otra forma de alta calidad para consumo humano y animal, pero
también los pigmentos tales como caroteno (provitamina A), y
productos recombinantes específicos, se pueden recuperar de esta
forma desde citosol, y también desde partes de la hoja y/o
tallos.
La segunda corriente de producto, la fracción
fibra tal como proporciona la invención, consiste en tejidos
relativamente duros. Estos son típicamente haces vasculares, el
esclerénquima y la epidermis. El contenido de célula está ausente de
estos tejidos o se separa virtualmente por completo durante el
fraccionamiento y lavado. Por consiguiente, la fibra consiste
predominantemente en componentes de paredes celulares. Los
cloroplastos están virtualmente ausentes en una preparación de
fibra pura. El color de la fibra lavada oscila típicamente del
blanco al amarillo o marrón claro. A veces, puede aparecer un color
verde claro como resultado de la impregnación con clorofila durante
la recuperación. Macroscópicamente, la fracción de fibra tiene una
estructura de fibra que es debida principalmente al carácter
filamentoso de los haces vasculares. Microscópicamente, además de
las estructuras filamentosas de los haces vasculares y
esclerénquima, son reconocibles típicamente también piezas de
tejidos de epidermis, consistentes en láminas de grosor de capa
monocelular. Los haces vasculares están formados por varias células
incluyendo los vasos leñosos y tubos cribosos. Dependiendo de la
extensión de la fibrización, aparecen además fibras monocelulares, y
también los residuos de paredes celulares y espesamientos de paredes
celulares (en espiral, reticulado o de forma de anillo). Es típico
de las láminas de epidermis la presencia de estomas y dientes o
pelos silíceos.
La corriente de fibra contemplada en la invención
consiste substancialmente exclusivamente en una corriente de fibra
sólida húmeda (principalmente celulosa y hemicelulosa) que
básicamente no tiene valor nutritivo ya que esta fracción no es
digerible directamente y microbiológicamente lo es solo en pequeña
medida. Sin embargo, la ausencia de digestibilidad hace posible el
uso de corriente de fibra para aplicaciones que no son alimenticias,
en contraste con, por ejemplo, la torta de prensa que procede de
los métodos de prensado tradicionales antes descritos donde la torta
de prensa es de hecho solo adecuada para aplicaciones de forraje y
se pudre pronto si no se prepara para alimento y se come.
Por ejemplo, la invención proporciona el uso de
fracción de fibra para la producción de energía. La fracción de
fibra contiene principalmente los hidratos de carbono celulosa y
hemicelulosa (compuestos principalmente de los elementos C, H y O),
que son eminentemente combustibles y por tanto pueden convertirse
con alto rendimiento en energía útil en, por ejemplo, una estación
combinada de calefacción y energía, y que es de esperar que no
produzcan emisiones, o produzcan muy pocas, de substancias tóxicas,
al quemarse. El procesado del material vegetal por un método según
la invención, seguido del uso de la fracción de fibra resultante
como combustible, contribuirá a la reducción de emisiones de
CO_{2}, ya que lo que interviene aquí no es combustible fósil.
Además, la combustión de la fracción de fibra será más limpia para
el ambiente, ya que es difícil que la fracción de fibra esté
contaminada con residuos de sales (tales como compuestos de K, Na,
Cl, P) y residuos de proteína (que incorporan compuestos de S y N)
que aparecen normalmente en plantas secas. Estos residuos de sales
y residuos de proteínas, procedentes del citosol, han sido
separados, junto con la corriente de jugo, de la fracción de fibra.
La combustión de la fracción de fibra (que tiene aquí
principalmente compuestos de C, H y O que son convertidos por la
combustión en H_{2}O y CO_{2}) supondrá por tanto un impacto
medioambiental mucho menor que la combustión de otro material de
plantas en que todos estos residuos de sales y residuos de proteínas
están presentes aún. La combustión de proteínas contribuye en
particular a la emisión de compuestos de azufre y nitrógeno tales
como óxidos de azufre y nitrógeno, y los residuos de sales
incombustibles contribuirán al volumen de cenizas residuales. Al
quemarse la fracción de fibra según la invención, serán mucho
menores la emisión de, por ejemplo, óxidos de azufre y de nitrógeno
y el volumen de cenizas residual con los residuos de sales.
Dado que el material de fibra es de origen
orgánico, es aplicable también, por ejemplo, como sustitutivo de
turba en, por ejemplo, tierra para tiestos o en substratos
hortícolas.
En un modo de realización preferido de la
invención, el material vegetal se fibriza en tal medida que, por
ejemplo, el material de fibra consiste principalmente en fibras
elementales, para que el componente de fibra o corriente de fibra
así obtenida sea adecuada para, por ejemplo, procesarla después
para obtener cartón y/o papel, o utilizarla como fibra (natural) en
materiales compuestos junto con resinas (artificiales) y su
reforzamiento.
Entre los ejemplos de material vegetal que se
puede tratar con un método según la invención están los cultivos
(forraje) modificados genéticamente tales como hierbas (de
cereales, incluidos trigo, cebada y maíz), alfalfa, pero también
residuos de la recolección de cultivos cuyas hojas y/o tallos no se
procesan normalmente, tales como las partes aéreas de patata o de la
remolacha (azucarera) que generalmente se dejan en el campo tras la
recolección. El elevado rendimiento de un método según la presente
invención hace rentable el procesado de tales materiales
vegetales.
La invención proporciona además un método para
separar componentes del material vegetal que han sido recolectados
un tiempo atrás relativamente largo y está ya, al menos
parcialmente, seco, o que no pueda ya clasificarse como fresco y
verde, sino que ha adquirido un carácter leñoso y/o seco por ejemplo
por maduración. Este material no es adecuado para procesarlo en un
método de prensado, pero se puede procesar ahora muy adecuadamente
ya que la extensión de la turgencia de las células de la planta para
que sean accesibles no es importante cuando se emplea un método
según la invención.
La invención proporciona un refinador, o aparato
de acción comparable, y la utilización de tal aparato, por ejemplo
para separación de los componentes del material vegetal que no
presenta (aún) lignificación, o que presenta lignificación en grado
menor, y en que está presente parénquima. Este parénquima con el
citosol presente en él es la base de la corriente de jugo tal como
es contemplada en esta invención. Para romper las virutas de madera
en fibras con el propósito de obtener la pulpa para producción de
papel y/o cartón, se utiliza generalmente un refinador. La
invención proporciona el procesado en un refinador de un cultivo
genéticamente modificado. Los refinadores no se utilizan
generalmente para material fresco y/o verde ya que la madera
consiste principalmente en tejido muerto o lignificado del que ha
desaparecido la mayor parte del parénquima, con cloroplastos. Los
especialistas en la técnica conocen diferentes tipos de
refinadores. Existen, por ejemplo, refinadores con discos cónicos o
con discos planos. En la invención se utilizan ambos tipos, y/o
aparatos equivalentes, por ejemplo discos trituradores de material
compuesto tipo convexo/cóncavo, en un método de la invención.
La invención se explica ahora con más detalle en
la sección experimental de la descripción, sin que ésta haya de
considerarse limitativa.
La invención se comparó, experimentalmente, con
la técnica tradicional. Esto se hizo empleando un protocolo de
laboratorio y equipo industrial. Se basa en que se puede comprobar
la naturaleza de la fracción de fibra y se puede comparar la
recuperabilidad de las substancias del contenido en los dos métodos.
Los resultados mostrados aquí ilustran la diferencia en la
recuperabilidad de proteína y otras substancias del contenido.
En los experimentos a escala de laboratorio, se
simuló el método tradicional de molido y prensado con material de
pulpa en una Homogeneizadora Tecator y exprimiendo la pulpa
empleando un banco de prensa punzonadora adaptada de Lloyd
Instruments. Se proveyó de un cubilete que tenía una placa del fondo
perforada (superficie de 50 cm^{2}) donde se prensaron 100 gramos
de pulpa fresca durante 15 minutos a una presión de operación de 10
bar. El material original y el jugo de prensa se analizaron en
cuanto a contenido de nitrógeno y se calculó la recuperabilidad de
proteína como cantidad de proteína bruta (cantidad de nitrógeno
multiplicada por 6,25) en el jugo expresada como porcentaje de la
cantidad de proteína bruta en el material original.
A una escala mayor, se empleó una trituradora de
martillos del tipo Jenz A30 para disgregar la hierba y se exprimió
la pulpa de hierba así obtenida en una prensa de tornillo Vetter con
una relación de compresión de 1:7,65 y una perforación de pared del
cilindro de 0,7 mm. Haciendo pasar el material vegetal a través de
una trituradora de martillos una vez o varias veces, el material
podía desintegrarse en mayor o menor extensión.
En los experimentos a escala de laboratorio, el
nuevo método se simuló por seccionado fino de la hierba fresca con
cuchilla, mezclando después 30 g de piezas de hierba finamente
cortadas con 400 ml de agua, y fibrizando las mismas en una
mezcladora durante 10 minutos, tamizando la suspensión espesa de la
mezcladora en un tamiz de 850 micras, y lavando y secando la
fracción de fibra separada por el tamizado. La fibra se analizó en
cuanto a contenidos de nitrógeno, ceniza y paredes celulares y se
calculó con ello la composición de la suspensión espesa
desfibrizada. El rendimiento en fibra se determinó como la cantidad
de materia seca en la fracción de fibra como porcentaje de la
cantidad de materia seca en el material de partida. La
recuperabilidad de proteína se calculó como la cantidad de proteína
bruta en la suspensión espesa desfibrada expresada como porcentaje
de la cantidad de proteína bruta en el material original.
El nuevo método se ensayó también con un
refinador de presión Sprout-Waldron de 12 pulgadas
(200 mm), con discos de molido del tipo D2A505. El refinado o
fibrización de la hierba fresca se hizo en condiciones atmosféricas
a una distancia de discos de 0,04 mm, con adición de agua a una
consistencia de aproximadamente 2% de materia seca. La fibra se
tamizó entonces en un tamiz de orificios de 140 micras.
El nuevo método se ensayó también a escala
semi-industrial empleando Sund Disks Refiner tipo RO
20 FLUFF no. de serie 3838, año de manufactura 1985, provisto de
discos de trituración con alta o baja resistencia en relación con la
capacidad de producción. Con este refinador, se estudió entre otros
el efecto de tipo de disco y distancia entre discos sobre la
producción y composición de las fibras.
El refinado tuvo lugar en condiciones
atmosféricas con hierba seccionada, con o sin adición de agua. Se
ensayó también la fibrización de la parte aérea de la planta de
patata.
Se procesó en fresco, en forma seccionada, la
hierba de campo cultivado y la de suelos naturales. Las muestras
del material fibrizado se enjuagaron a mano y se tamizaron y
analizaron en cuanto a contenido de nitrógeno y contenido de
cenizas. Se calculó la recuperabilidad de proteína bruta sobre la
base de una proporción media de fibra de 33% de la materia seca de
hierba.
Se utilizaron partes aéreas de las plantas de
patata para almidón durante la fase de crecimiento completo de la
planta de patata. Se indrodujeron mecánicamente estas partes aéreas
de las plantas y a continuación se trituraron en una cierta medida.
Las partes aéreas de las plantas consistían en tallos y hojas. Las
partes aéreas de las plantas, se procesaron, sin previo lavado, con
la refinadora mientras estaban frescas, sin adición de agua. El
material fibrizado se exprimió a mano.
Figura 1 y Figura 2
(detalle)
En la torta de prensa sobresale mucho el color
verde debido a la presencia de cloroplastos. Además, los fragmentos
de hojas son reconocibles por su tamaño (sección transversal
superior a 1 mm) y las nervaduras características de la parte de
encima de la hoja. La fibra de hierba se distingue por el color
claro (ausencia virtual de cloroplastos), la estructura filamentosa
y el pequeño diámetro de las fibras individuales (en este caso
mucho más pequeños que 1 mm). La distancia entre números sucesivos
es 1 cm.
Son visibles estructuras fibrosas (haces
vasculares) de un diámetro de unas pocas decenas de micras y láminas
de epidermis de un diámetro el más pequeño inferior a unos pocos
cientos de micras.
Es característica la presencia de estomas en la
hierba de centeno perenne, concentrados en la epidermis de la parte
de encima de la hoja. El tejido más compacto del lado de los estomas
es el esclerénquima subyacente. Las células de epidermis alargadas
tienen una sección transversal de aproximadamente 20 micras.
Son característicos de los haces vasculares su
formación desde varias células y la presencia de vasos con espesores
reticulados. El diámetro de la fibra del centro de la Figura es de
aproximadamente 50 micras.
Esta corriente de jugo pertenece a la fracción de
fibra de las Figuras 1 y 2.
La abundante presencia de cloroplastos es
característica de las células de parénquima en las hojas de hierba.
Algunas células del parénquima, sin embargo, se han roto durante el
fraccionamiento: solamente la pared celular es aún visible, los
cloroplastos aparecen aislados en el fluido circundante. El tamaño
de estas células de parénquima es de aproximadamente 20x40 micras.
La fracción mostrada en esta Figura se diluyó antes de ser
fotografiada para sacar una cantidad relativamente grande de células
de parénquima a la corriente de jugo según la invención.
Este jugo de prensa pertenece a la torta de
prensa de las Figuras 1 y 2. La fracción mostrada en esta Figura se
concentró antes de ser fotografiada para sacar una relativamente
pequeña cantidad de células de parénquima al jugo de prensa.
(Tabla pasa a página
siguiente)
\newpage
- *) 4n = tetraploide; 2n = diploide;
\hskip0,7cmVr. = floración temprana; Lt. floración tardía
- **) dm: materia seca
La fibrización de la biomasa vegetal conduce a
una fracción de fibra que, dependiendo de la naturaleza del
material, puede variar desde menos del 10% a más del 30% de la
materia seca. El número exacto depende también de la malla del tamiz
con el que se separa la fibra y de la intensidad del lavado. La
fracción de fibra del caso de Lolium perenne consiste
típicamente en más de 80% de material de pared celular y tiene un
contenido de nitrógeno casi siempre más bajo que
6-8 g por Kg de materia seca y un contenido de
cenizas casi siempre más bajo de 50-100 g de
materia seca.
| Refinador | Protocolo de laboratorio | ||
| Ceniza | (g/kg d.m.) | 22,3 | 26,0 |
| Nitrógeno | (g/kg d.m.) | 5,3 | 4,4 |
| Paredes | |||
| celulares | (g/kg d.m.) | 808 | 792 |
La composición de la fracción de fibra es
comparable en los experimentos con el refinador y los experimentos
según el protocolo de laboratorio.
Desfibración
| Hierba | Suspensión espesa desfibrada | |||
| Refinador | Protocolo lab. | |||
| Cenizas | (g/kg d.m.) | 92,6 | 138 | 139 |
| Nitrógeno | (g/kg d.m.) | 31,0 | 47,4 | 48,7 |
| Paredes | ||||
| celulares | (g/kg d.m.) | 544 | 375 | 438 |
Además de los constituyentes del contenido
celular (tales como proteína), la suspensión espesa desfibrada
contiene también una parte de paredes de células del material de
planta. Estas son substancialmente paredes de células del tejido de
parénquima blando que se desintegra al fibrizarse y
subsiguientemente, al desfibrarse, pasa el tamiz como material
finamente disperso. La cantidad presente en la suspensión espesa
desfibrada depende parcialmente del diámetro de los orificios del
tamiz.
| Especies/variedad | Triturado+prensado (%) | Desfibrización (%) |
| Hierbas | ||
| Lolium perenne 4n Vr* | 30 | 95 |
| Lolium perenne 2n Vr. | 23 | 94 |
| Lolium perenne 4n Lt. | 22 | 95 |
| Lolium perenne 2n Lt. | 16 | 94 |
| Lolium multiflorum 4n | 41 | 96 |
| Lolium multiflorum 2n | 35 | 95 |
| Phleum pratense | 11 | 94 |
| Festuca arundinacea | 21 | 94 |
| Dactylis glomerata | 31 | 93 |
| Festuca pratensis | 17 | 94 |
| Especies/variedad | Triturado+prensado (%) | Desfibrización (%) |
| Otros materiales | ||
| Alfalfa | 52 | 95 |
| Hojas y tallos jóvenes de patata | 51 | 98 |
| Hojas y tallos viejos de patata | 42 | 95 |
| Hojas y tallos de guisante | 16 | 95 |
| Hojas y tallos de remolacha | 24 | 95 |
La desfibración conduce a una suspensión espesa
que contiene la mayoría de las veces más del 70%, y preferiblemente
más del 80% o del 90% de toda la proteína bruta del material
vegetal. Esta proteína se puede recuperar de ella por
centrifugación, que puede o no estar precedida de coagulación por el
calor.
En el método tradicional de fraccionamiento, la
recuperabilidad de proteína bruta es en la mayoría de las veces
menor de 50%.
| Recuperabilidad de proteína (%) | |
| Trituradora de martillos + prensa de tornillo | |
| Pasos a través de la trituradora de martillos | |
| 1x | 28 |
| 2x | 30 |
| 4x | 35 |
| 8x | 43 |
| Fibrización según la invención | 93-96 |
Incluso tras desintegración repetida de hierba en
trituradora de tornillo seguido de exprimido en una prensa de
tornillo, se encontró que la recuperabilidad era menor de la mitad
de la recuperabilidad de la proteína medida tras fibrización de la
hierba.
Diagrama del proceso para refinado de partes
subterráneas de cultivos tales como tubérculos y raíces.
Se introducen, midiéndolas, remolachas azucareras
lavadas en forma pre-seccionada o
pre-cortada en un refinador. Durante esta etapa del
proceso, el tejido tuberoso se fibriza hasta una pulpa. Después de
la etapa de fibrización, la fracción de fibra se separa de la
corriente de jugo, por ejemplo a través de tamizado, filtración o
centrifugación, y la fracción sólida se lava opcionalmente con agua
para recuperar los componentes que pueden estar aún disueltos en
ella. La fracción líquida o corriente de jugo se puede además
procesar después de centrifugación, para recuperar los azúcares de
la manera convencional en la industria azucarera (carbonatación,
concentración, cristalización, centrifugación, etc.). Empleando el
método de la presente invención, no se necesita ya la etapa
convencional de difusión. No se recuperan 1100 litros de agua, sino
que el resultado es una corriente de jugo altamente concentrada.
Además de un ahorro directo de costes como resultado de la
eliminación de la etapa de difusión, la concentración de azúcar en
el suero o corriente de jugo será más alta que la de la corriente
de la etapa de difusión. Además, la eliminación de la etapa de
difusión significará un ahorro de la cantidad total de agua
requerida, con el ahorro inherente de los costes de evaporación y
secado. Siguiendo un método según la presente invención, la pérdida
de azúcar (normalmente de aproximadamente 2%) se reducirá mucho ya
que la cantidad total de azúcar presente en la remolacha queda en
el suero. Además, debido a la fibrización, la fracción de fibra de
la remolacha azucarera es más digerible que la pulpa convencional
cuando se utiliza como ingrediente de forrajes.
Los resultados de los ensayos con el Sunds Disc
Refiner se recogen en la Tabla 6.
La selección del tipo de placa y distancia entre
discos determina la extensión de la fibrización pero solo determina
la recuperabilidad de proteína en una ligera extensión. Es posible
una alta capacidad de producción en combinación con una alta
recuperabilidad de proteína (en este caso >85%) tanto con
hierbas cultivadas ricas en proteínas como con hierbas naturales
bajas en proteínas.
Las partes aéreas de la patata se pueden procesar
bien con el refinador. En la fracción de fibra el contenido de
fibras leñosas es relativamente alto debido a que las partes aéreas
de patata originales consisten no solo en tejidos de hojas sino
también en tejido de tallos. El alto contenido en cenizas en las
fibras de las partes aéreas de las patatas es debido en gran medida
al alto contenido en arena en las partes aéreas debido a no haberse
lavado la materia prima.
| Materia prima | Composición de la materia prima | disco | |||
| d.m. | cenizas | N | Resistencia de placa | Distancia de discos | |
| (g/kg fresco) | (g/kg d.m.) | (g/kg d.m.) | mm | ||
| hierba de cultivo | 154 | 91 | 19,3 | alta | 0,4 |
| hierba de cultivo | 142 | 183 | 36,1 | alta | 0,10 |
| '' | '' | '' | '' | alta | 0,50 |
| '' | '' | '' | '' | alta | 1,00 |
| '' | '' | '' | '' | baja | 0,05 |
| '' | '' | '' | '' | baja | 0,10 |
| '' | '' | '' | '' | baja | 0,50 |
| '' | '' | '' | '' | baja | 1,00 |
| hierba natural | 215 | 138 | 12,1 | baja | 0,10 |
| partes aéreas de la patata | 104 | 342 | 23,5 | alta | 0,20 |
| '' | 119 | 344 | 27,0 | baja | 0,20 |
| Materia prima | producción | Composición fibra | Recuperabilidad de proteína | |
| ceniza | N | |||
| (kg d.m./hora) | (g/kg d,m.) | (g/kg d.m.) | (%) | |
| hierba de cultivo | - | 13 | 5 | 91 |
| hierba de cultivo | 39 | 31 | 14 | 87 |
| '' | 55 | 27 | 15 | 86 |
| '' | 104 | 38 | 15 | 86 |
| '' | 157 | 49 | 14 | 87 |
| '' | 135 | 41 | 14 | 87 |
| '' | 139 | 54 | 15 | 86 |
| '' | 211 | 82 | 20 | 82 |
| hierba natural | - | 41 | 6 | 84 |
| parte aérea de patata | - | 473 | 15,2 | - |
| '' | - | 374 | 19,0 | - |
Diagramas de procesado para refinado de cultivos
que tienen principalmente partes de hojas y/o tallos tales como
hierbas.
Los diagramas de procesado adjuntos (véanse
Figuras 8 a 10) parten de un suministro de hierba seccionada como
ocurre en el procesado convencional de hierba y alfalfa en secadores
de pastos. Normalmente, las longitudes de las secciones son del
orden de unos pocos centímetros, pero pueden ser más largas o más
cortas. Para el ensayo del refinador, se trocea previamente la
hierba fresca con una cuchilla de guillotina Pierret a una longitud
de partícula de 6 mm, es decir, muy cortas. Presumiblemente no sea
necesaria una longitud tan corta; el refinado o fibrización de la
hierba prensada (de una longitud de partícula de presumiblemente
unos pocos centímetros) no ha presentado problema alguno.
En la práctica será probablemente necesaria una
etapa de lavado para eliminar la arena y reducir así el desgaste del
equipo y permitir la producción de un material más limpio. Esta
etapa de lavado, sin embargo, puede obviarse si no hay arena ni
otros contaminantes.
Se puede necesitar la adición de sulfito, pero
puede no serlo, para evitar la indeseable formación de complejos
entre proteínas y polifenoles. Basándose en anteriores experiencias
sobre el procesado de jugo de hierbas, se sabe que esta formación de
complejos reduce los valores nutritivos de las proteínas de
hierbas. Las circunstancias durante el refino, sin embargo, pueden
ser diferentes. Una rápida elevación de la temperatura durante el
refino puede detener instantáneamente la actividad (efecto de
blanqueo) e inhibir la formación de polifenoles.
El refinado de hierba es en principio posible con
y sin adición de líquido durante el refinado. En un primer ensayo,
con hierba fresca (15% de materia seca), el proceso no transcurre
fácilmente sin mezcla generosa de agua a un porcentaje de materia
seca de aproximadamente 2%. La necesidad de adición de líquido
depende parcialmente con probabilidad del tipo de refinador y la
naturaleza de la hierba (fibrosidad). La hierba exprimida (26% de
materia seca) podría ser refinada sin adición de agua. Siendo así,
la cantidad de agua que se mezcla tiene consecuencias en cuanto a
elevación de la temperatura durante el refinado, y por tanto en la
extensión de la desnaturalización de la proteína y de aquí en las
subsiguientes etapas del proceso.
El diagrama básico incluye, después del refinado,
las siguientes etapas de proceso: tamizado de separación de la
fibra, coagulación por calor del líquido del refinador seguido de
separación de la torta de proteína mediante un decantador y
evaporación del líquido desproteinizado. Son concebibles dos
variantes extremas de este diagrama básico: una con una adición
mínima de líquido durante el refinado y la otra con amplia adición
de líquido. El diagrama básico se cambia entonces a la variante A
(Figura 9) y la variante B (Figura 10), respectivamente.
Al adicionar una cantidad mínima del líquido de
retorno, tendrá lugar posiblemente una elevación substancial de la
temperatura durante el refino: en este ensayo con hierba exprimida
por encima de 70ºC. La coagulación y pasteurización de proteína
tendrán lugar ya durante el refinado y posiblemente se puede saltar
una etapa de coagulación separada. En este caso, el diagrama de
proceso queda reducido a refinado - tamizado - decantación -
evaporación: véase variante A del diagrama básico.
Variante B. En el caso de una amplia adición de
líquido de retorno, la elevación de la temperatura durante el
refinado puede quedar limitada: en el ensayo con hierba fresca a
aproximadamente 35ºC. Como resultado de ello, presumiblemente quede
una parte de la proteína en solución. En este caso, después del
refinado, se pueden concebir dos caminos alternativos. El más
sencillo es, después del tamizado para separar la fibra, coagular
por calor el líquido y decantar. En este caso se forma una torta de
proteína y un líquido desproteinizado que puede evaporarse (véase el
diagrama básico). Un camino más complejo (variante B) comprende,
tras la separación de la fibra por tamizado, una decantación
inicial en la que se obtiene una torta de proteína bruta (bruta, es
decir, con mezcla de paredes celulares de parénquima finamente
divididas que pasan el tamiz), seguido de coagulación por calor y de
nuevo decantación. En esta segunda etapa de decantación, se obtiene
una torta de proteína más pura.
Para la separación de las fibras por tamizado se
pueden emplear centri-tamices, como son conocidos
por los especialistas en la técnica para separación de la fibra de
patata. En el ensayo se utilizó un tamiz inclinado, que llevaba
tensada sobre él una malla de alambre con orificios de 140x140
micras. A escala de laboratorio, se utilizó un tamiz con un diámetro
de orificio de 850 y 250 micras. Las experiencias llevadas a cabo
con él indican que la mayor parte de las fibras se pueden separar
sobre un tamiz relativamente grueso. La fracción de fibra más fina
se puede añadir a la fracción total de fibra o, vía delicuescencia
enzimática, a las melazas, concentrado o corriente de jugo.
La fibra que se separa por tamizado puede estar
contaminada con substancia disuelta y suspendida. Según esto, el
lavado con líquido de retorno desproteinizado es entonces necesario,
seguido de separación de la humedad a través de
prensado/centrifugación y secado.
La torta rica en proteína que se separa por
decantación puede secarse de la misma manera que la conocida por los
especialistas en la técnica para, por ejemplo, proteína de patata.
En el caso de la presencia de fracción lipídica relativamente alta,
la adición de un producto antioxidante tiene efecto mejorador.
El líquido desproteinizado se puede evaporar para
formar un jugo rico en azúcar.
El diagrama básico se puede extender a procesos
con otros propósitos que el refinado de la torta de proteína bruta.
Una adición posible es el producto de la delicuesciencia
enzimática de las paredes celulares de parénquima en la torta de
proteína bruta. Los azúcares que esto produce pueden, por ejemplo,
añadirse a las melazas, concentrado o corriente de jugo.
Claims (21)
1. Un método para separar componentes de material
vegetal caracterizado porque el material está, al menos
parcialmente fibrizado, y subsiguientemente se separa en una
fracción de fibra y una corriente de jugo, de manera que la
fracción de fibra comprende principalmente tejidos relativamente
firmes tales como epidermis, esclerénquima y haces vasculares, y la
corriente de jugo comprende principalmente tejidos blandos tales
como parénquima y citosol.
2. Un método según la reivindicación 1, donde la
corriente de jugo comprende cloroplastos.
3. Un método según las reivindicaciones 1 ó 2,
donde el material se fibriza mecánicamente.
4. Un método según la reivindicación 3, donde el
material se fibriza por medio de un refinador.
5. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones 1-4, donde la fracción de fibra se
separa de la corriente de jugo por tamizado.
6. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones 1-5, donde el material vegetal
proviene de una planta genéticamente modificada.
7. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones 1-7, donde el material vegetal
proviene al menos de las partes subterráneas tales como raíces o
tubérculos de una planta.
8. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones 1-7, donde el material vegetal
proviene de un cultivo.
9. Una fracción de fibra obtenida por el método
según cualquiera de las reivindicaciones 1-8.
10. Utilización de una fracción de fibra según la
reivindicación 9.
11. Utilización de una fracción de fibra según
la reivindicación 9 para la producción de energía o para la
producción de cartón y/o papel.
12. Una corriente de jugo obtenida por el método
d cualquiera de las reivindicaciones 1-8.
13. Una corriente de jugo según la reivindicación
12 que contiene más del 55%, preferiblemente más del 75%,
preferiblemente más del 90% de proteína bruta de materia
vegetal.
14. Utilización de la corriente de jugo según las
reivindicaciones 12 ó 13.
15. Utilización de una corriente de jugo según
cualquiera de las reivindicaciones 12 ó 13 para la producción de
alimento
16. Utilización de una corriente de jugo según
la reivindicación 12 o la 13 para la recuperación o purificación de
al menos una substancia del contenido.
17. Utilización de una corriente de jugo según
la reivindicación 16 para la recuperación de un hidrato de carbono,
tal como almidón o azúcar.
18. Utilización de una corriente de jugo según
la reivindicación 12 ó 13 para la recuperación o purificación de
productos recombinantes.
19. Un aparato para llevar a cabo el método
según cualquiera de las reivindicaciones 1-8.
20. Un aparato según la reivindicación 18 que
comprende al menos un refinador.
21. Un aparato en el que se lleva a cabo un
método según cualquiera de las reivindicaciones
1-8.
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