專利名稱：從生物材料中提取組分的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的從生物材料，特別是甜菜(Beta vulgaris)和/或甜菜片中分離組分的方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，機械和/或熱力學(xué)方法常用于從大量的各種不同種類的生物材料、特別是諸如農(nóng)產(chǎn)水果的植物原材料中獲得有價值的組分。為了從生物材料中分離出這些組分，無論如何必須破壞細(xì)胞膜，特別是植物細(xì)胞的細(xì)胞膜。通常這可以通過機械力的作用，如切割、研磨、碾碎等得以實現(xiàn)。其他破碎生物材料細(xì)胞膜的方法是熱力學(xué)破碎，該方法使細(xì)胞膜在溫度的影響下變性，或者是熱力學(xué)方法與機械方法結(jié)合使用。破壁處理后生物材料的可溶性組分被擠出，然后使用溶劑，通常是水，進(jìn)行萃取；或者，如果是不溶性的物質(zhì)，則被洗出。
此類從生物材料中分離組分的方法對制糖工業(yè)有著特別重要的意義，因為在中歐，眾所周知是使用此類方法對甜菜(Beta vulgaris)進(jìn)行處理，以從中獲得糖(蔗糖)。對此，常規(guī)的方法是將洗好的甜菜在傳統(tǒng)的切割機中切片，用大約70～75℃的熱水將得到的甜菜片熱燙后搗碎。在這個過程中，甜菜細(xì)胞壁熱力學(xué)變性，即細(xì)胞壁被破壞，使得蔗糖分子能滲透出來。在接下來的萃取過程中，通常使用逆流萃取法，在大約68～70℃的溫度下得到含有蔗糖的萃取液(原汁)。
眾所周知，為了有效地萃取，必須加入大量的外來水(冷凝液)。為優(yōu)化萃取過程，降低萃取后的甜菜片中剩余糖的含量，在已知方法中，通常相對于甜菜片數(shù)量的大約105～110％的原汁得到回收。該回收率可以從萃取物的量與所用的甜菜量的比例計算出來。接著即可進(jìn)行萃取液的純化。
除了在萃取過程中需要大量的外來水外，從生物材料中分離組分的加工過程還是一個高耗能的加工過程。特別是在通常的高于70℃的溫度下進(jìn)行生物材料的熱力學(xué)破壞，需要輸入較高的能量。即使是隨后的萃取步驟中，也必須將大量的外來水加熱至70℃以上，在接下來的處理過程中還需要進(jìn)行高能耗的蒸發(fā)過程。因此，現(xiàn)有技術(shù)中需要一種破碎生物材料、特別是甜菜或甜菜細(xì)胞的方法，該方法能夠降低能耗，并且，通過使用合適的下游工程方法，能夠降低水和能量的消耗，以用于從生物材料中分離組分。
另一個重要的方面是萃取的生物材料能夠被脫水的程度。例如在德意志聯(lián)邦共和國每年有大約2700萬噸的甜菜被處理用于制糖。在對切碎的甜菜進(jìn)行含水逆流萃取后，產(chǎn)生1500萬噸經(jīng)過萃取的含水約為90％的用作牲畜飼料的甜菜碎片。為使產(chǎn)品便于保存和運輸，必須對其進(jìn)行進(jìn)一步的脫水。脫水過程首先進(jìn)行機械擠壓，接著干燥至殘留水含量約為10％。原則上，壓榨程度越高意味著電能消耗也越多，相對地可以減少干燥過程中燃料的使用。因為機械脫水相比干燥過程在達(dá)到同一干物質(zhì)含量時其成本大約低35％，因此改進(jìn)壓榨工藝是制糖業(yè)不斷追求的目標(biāo)。干燥過程的成本壓力和與之相關(guān)的環(huán)保措施使得機械脫水被不斷加以改進(jìn)。在選擇的16家工廠中計算出的壓榨切片中干物質(zhì)的平均含量從1976年的接近20％提高至1987年的平均約32％。然而，在壓榨后干物質(zhì)含量為20％的甜菜碎片中仍有約44％的水需要從甜菜碎片中去除，而如果甜菜碎片被壓榨至于物質(zhì)含量為30％，則該比例已經(jīng)下降至約25％。這意味著能源的顯著節(jié)約，按每個工廠每天處理10,000噸甜菜計算，每個季度可以節(jié)約大約500,000歐元(假定石油的價格150歐元/噸)。因此，迫切需要進(jìn)一步改進(jìn)對萃取后的生物材料，特別是甜菜碎片的壓榨水平，也就是脫水。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的用于從生物材料中分離組分的方法，以及用于實施所述改進(jìn)的方法的設(shè)備，所述改進(jìn)的方法在具有較高的效率和經(jīng)濟(jì)性的特點同時，還相應(yīng)地降低資源、諸如能源和水的消耗。
按照本發(fā)明，通過以下方法實現(xiàn)上述目的為了從生物材料中分離組分，在第一步a)中，對生物材料進(jìn)行電穿孔，在第二步b)中，經(jīng)電穿孔的生物材料的細(xì)胞漿液被分離，在第三步c)中，對從步驟b)中得到的材料進(jìn)行萃取，在第四步d)中，從第二步b)得到的細(xì)胞漿液和第三步c)中得到的萃取液中分離組分。
根據(jù)本發(fā)明，使用高壓脈沖的電穿孔特別有利于生物材料的細(xì)胞的破壁，特別是甜菜細(xì)胞。因此，這些細(xì)胞不需要進(jìn)行熱力學(xué)破壁以用于下游的提取。根據(jù)本發(fā)明的方法，隨后進(jìn)行的生物材料的預(yù)處理有利于細(xì)胞漿液，特別是大部分細(xì)胞漿液的分離，從而有效地減少將在下游過程的提取步驟中被萃取的生物材料組分的量。該方法突出的優(yōu)點是所需的外來水用量的顯著減少，這些水用于上述細(xì)胞漿液分離后殘留在生物材料中的組分的萃取過程。這也導(dǎo)致回收率、即萃取物的量與所使用的生物材料的量的比例的顯著降低。
根據(jù)本發(fā)明，“生物材料”是指含有有價值的組分的植物原材料和農(nóng)產(chǎn)品，主要是指含有重要組分蔗糖的甜菜和甘蔗，也包括含有重要組分菊粉的菊苣，以及用于榨油的含油種子、用于榨葡萄汁的葡萄或者用于獲取植物染料(如胡蘿卜素或香料)的水果?！吧锊牧稀边€包括用于分離淀粉的植物或植物組分。
與本發(fā)明相關(guān)，萃取是指一種使用合適的溶劑從固體或液體混合物，特別是生物材料中溶解出特定組分的方法，其中溶劑與被溶解的物質(zhì)、即生物材料的組分之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)從生物材料中分離水溶性組分，如蔗糖、菊粉、淀粉時，優(yōu)選使用水作為萃取劑，例如從甜菜，更確切地說從甜菜切片中獲得糖時。在一個變化中，通過使用主要是非極性的溶劑和/或有機溶劑，可以從生物材料中額外地分離脂溶性組分。
在一個特別優(yōu)選的實施例中，本發(fā)明的方法的步驟a)，即生物材料的電穿孔，是在導(dǎo)電介質(zhì)中進(jìn)行的，其中生物材料被置于高壓電場中。優(yōu)選的是以一種已知的方式，例如在導(dǎo)電的電極上施以電壓，特別是高電壓，使產(chǎn)生的高壓電場穿過生物材料。優(yōu)選的是使用脈沖狀高壓曲線，但也可以使用交流電場和直流電場。場強優(yōu)選的是從約0.5～1.5kV/cm，特別是0.7～1.3kV/cm。在一個特別優(yōu)選的變化中，用于放置生物材料的介質(zhì)的導(dǎo)電性與生物材料的導(dǎo)電性相匹配，以便在生物材料體中產(chǎn)生最佳的磁力線；電導(dǎo)率優(yōu)選的是從約0.2～2.5mS/cm，最好是0.4～2.1mS/cm。在另一個特別優(yōu)選的變化中，將整個農(nóng)作物植物，例如整個甜菜進(jìn)行電穿孔。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)用這個方法相比將生物材料切碎后進(jìn)行電穿孔能夠降低所需的能耗。自然地，本發(fā)明還提供將生物材料以切碎的形式進(jìn)行電穿孔，例如將甜菜以甜菜片的形式進(jìn)行電穿孔。
根據(jù)本發(fā)明，在本發(fā)明的方法的步驟b)中，細(xì)胞漿液從生物材料中的分離優(yōu)選的是在輕微的機械負(fù)載下進(jìn)行。本發(fā)明中所稱機械負(fù)載，也就是本發(fā)明的方法的步驟a)、b)、c)和d)中對生物材料的加壓，在本方法的任何時間任何階段總是低于2Mpa，特別是低于1Mpa，更好的是低于0.5Mpa。也就是說，根據(jù)本發(fā)明，整個方法中對生物材料施加的壓力，或者說對生物材料的機械負(fù)載，優(yōu)選的總是低于2Mpa，對生物材料不施加其他力和負(fù)載。根據(jù)本發(fā)明，特別優(yōu)選的是對生物材料的機械負(fù)載被盡可能地減小，且壓力的負(fù)載總是低于1Mpa，最好是低于0.5MPa。特別的，甚至是對生物材料不施加壓力或機械負(fù)載。這個機械負(fù)載相比于現(xiàn)有技術(shù)已知的機械負(fù)載顯著降低，現(xiàn)有技術(shù)的機械負(fù)載通常超過2MPa，主要是從約10～30Mpa，相當(dāng)于生物材料被壓榨的壓力。
根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的輕微的機械負(fù)載，通常是通過簡單地將生物材料進(jìn)行滾動和/或轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，例如在螺旋輸送裝置中，特別是在全螺旋輸送裝置中?，F(xiàn)有技術(shù)中已知的、用于此類目的的其他設(shè)備，自然也可以用于滾動和/或轉(zhuǎn)動生物材料。這些設(shè)備優(yōu)選的是各種類型的螺旋輸送裝置，例如半封閉式螺旋輸送裝置，以及傳送帶、振動帶或者轉(zhuǎn)鼓。
發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，若生物材料，特別是甜菜或甜菜片，經(jīng)電穿孔預(yù)處理后，施以非常輕微的機械負(fù)載(見上文)，就可以分離得到高比例的細(xì)胞漿液，因而生物材料中所含的組分的含量也較高。眾所周知，傳統(tǒng)的預(yù)處理，例如在萃取前，甜菜或甜菜片的熱力破壞或電力破壞，要在超過2Mpa、主要上是從約10～30Mpa的高壓下進(jìn)行壓榨，導(dǎo)致在壓榨之后，需要傳送至下一個步驟的甜菜或甜菜片在機械作用下發(fā)生了較大的形變，例如變成了糊狀物。相反，本發(fā)明由于優(yōu)選使用輕微的機械負(fù)載，在步驟b)中進(jìn)行處理以分離細(xì)胞漿液的生物材料的形狀和外形保持不變，接著以未發(fā)生機械變形的形狀，簡單的形式進(jìn)入隨后的步驟c)，即萃取過程。
此外，本發(fā)明的優(yōu)勢還在于，由于采用了輕微的機械負(fù)載，在步驟b)中分離出的細(xì)胞漿液基本上是透明的，不夾帶組織成分，特別是懸浮物等；而這在高機械負(fù)載的條件下是難以避免的，因而本發(fā)明分離的細(xì)胞漿液是較純的形態(tài)。在另一個變化中，在步驟b)中分離出的細(xì)胞漿液通過添加絮凝劑被進(jìn)一步純化。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的方法的步驟b)是在對生物材料隨后的步驟c)的萃取之前進(jìn)行的預(yù)處理。根據(jù)本發(fā)明，這種預(yù)處理使得以一種特別有效的方式預(yù)先從生物材料中分離細(xì)胞漿液成為可能。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行預(yù)處理的生物材料，特別是由于本發(fā)明優(yōu)選使用輕微的機械負(fù)載，其具有較好的機械穩(wěn)定性，且松散地堆積在一起，因此萃取劑很容易穿過堆積的物質(zhì)，從而使萃取能夠特別有效地進(jìn)行。
本發(fā)明的方法的另一個優(yōu)點在于，由于大量的細(xì)胞漿液(其中含有高比例的組分)事先從生物材料中得到分離，顯著降低了下游提取過程從生物材料中分離組分的負(fù)擔(dān)。特別是所述生物材料為甜菜或甜菜片時，需要在隨后的下游提取中分離的蔗糖的數(shù)量被降低。在使用甜菜或甜菜片作為生物材料的優(yōu)選的實施例中，基于生物材料的總重，收率為約10～30％質(zhì)量百分比。
特別有利地，本發(fā)明的效果使得用于從生物材料中萃取組分所必需的外來水的用量明顯減少，本發(fā)明的回收率得以顯著降低，也就是說萃取量相對于所使用生物材料量的比例顯著降低。通過這個方法，回收率的值被降低到100％以下，基本上是降低到約90％。特別有利的是，本發(fā)明所帶來的回收率的降低使得萃取物的純度提高至90％以上，基本上是91.5～92.5％。其結(jié)果是，本發(fā)明的步驟c)萃取分離后，用于萃取物提純的石灰石(石灰漿)的使用量顯著減少，基本上是使用量減少到約15～30％。
不限于理論，一方面通過步驟a)中的電穿孔，因為通過電穿孔已經(jīng)打開了細(xì)胞，另一方面通過在步驟b)中從電穿孔后的生物材料中分離了大量的細(xì)胞漿液，使得隨后對于生物材料的萃取可以在顯著降低的溫度下進(jìn)行。因此，本發(fā)明的優(yōu)選方法的一個特點就是，萃取步驟c)可以在相比現(xiàn)有技術(shù)顯著降低的溫度下進(jìn)行，該溫度在10～65℃，優(yōu)選的是45～60℃，更好的是46～60℃。
當(dāng)然，萃取采用的溫度也可以根據(jù)生物材料的需要進(jìn)行調(diào)整，只要萃取仍能進(jìn)行，其溫度可以升高或降低。由于萃取溫度的降低，諸如甜菜片之類的生物材料的處理相比傳統(tǒng)的熱處理法條件更加溫和。由此本發(fā)明可以有利于提高生物材料的可壓榨性，例如對甜菜切片，干物質(zhì)(DM)可以提高約2個百分點。
本發(fā)明還提供了萃取物的純化方法，特別是稀漿液I和II，將在隨后的多步蒸發(fā)裝置中濃縮至干物質(zhì)含量約為70％。根據(jù)本發(fā)明，對于隨后將外來水從分離出的萃取物中蒸發(fā)出去所需的能耗會由于外來水量的減少而減少。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方案，從萃取液和/或稀漿液(從以本發(fā)明的方法處理的甜菜片的萃取液中獲得)中分離糖是在一個多級結(jié)晶裝置中進(jìn)行。萃取后的生物材料，特別是萃取后的甜菜片，隨后被機械脫水，然后與例如糖蜜混合，優(yōu)選的是在熱干燥后作為飼料，特別是作為顆粒飼料出售。
在一個優(yōu)選的實施例中，步驟c)中的萃取為堿性萃取，優(yōu)選使用堿化劑，例如石灰漿和/或生石灰。在這里，“堿性”是指含水介質(zhì)的pH值介于約pH7到約pH14(20℃)之間。在一個優(yōu)選的變化中，堿性萃取在pH值7.5至11之間進(jìn)行，特別是在pH值約為10，例如pH為10.2。
在堿性萃取中，在任何情況下都排除與生物材料之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)是不可能的，特別地，會形成大量高分子量的果膠酸鈣。在常用的70～75℃的萃取溫度下，堿性萃取中不希望出現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)非常劇烈，以致于在某些情況下會形成大量的果膠酸鈣，大大削弱分離出來的萃取物的過濾，這些萃取物最好是通過汁液提純的方法進(jìn)行純化，因此這種方法在實踐中難以實現(xiàn)。相比之下，本發(fā)明的在較低溫度下進(jìn)行的堿性萃取法，可以減少那些高分子量化合物的形成，因此在過濾提純后的萃取物、特別是在甜菜片萃取時通過汁液提純分離稀漿液I和/或稀漿液II時，有可能實現(xiàn)小于lmm/g的過濾系數(shù)。
堿性物質(zhì)，例如石灰漿、氫氧化鈣、蔗糖酸鈣或者生石灰，最好是在電穿孔(步驟a))之后馬上加入生物材料，特別是甜菜、甘蔗、或菊苣中，特別是在步驟b)對生物材料進(jìn)行進(jìn)一步處理前加入中間進(jìn)料罐中。在另一個變化中，堿性物質(zhì)在步驟b)中分離細(xì)胞漿液時加入。在另一個變化中，堿性物質(zhì)在進(jìn)行萃取前(步驟c))即刻加入。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，生物材料，特別是甜菜或甜菜片、甘蔗或者菊苣的堿化處理是通過直接往切割機中加入堿化劑來實現(xiàn)的。這種方法的優(yōu)點是對生物材料進(jìn)行了部分的消毒。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，生物材料的堿化處理是通過將堿性劑加入到生物材料的貯藏罐、特別是甜菜貯藏罐中，或者加入到貯藏罐的輸送通道、特別是甜菜貯藏罐的輸送通道中來實現(xiàn)的。這種方法的優(yōu)點是對生物材料進(jìn)行了部分的消毒。
根據(jù)本發(fā)明，堿化劑通常主要以水溶液的形式加入生物材料中，最好是通過噴射。在另一個變化中，至少一種堿性物質(zhì)，特別是石灰例如生石灰，是以固體形式、最好是粉末的形式被加入到生物材料中。
根據(jù)本發(fā)明的方法，往生物材料中加入堿性物質(zhì)最好是在較早的階段，優(yōu)選的是在步驟b)或者該步驟之前即刻，根據(jù)本發(fā)明，特別有利的是分離后的細(xì)胞漿液在從生物材料分離的過程中直接進(jìn)行純化。在一個優(yōu)選的實施例中，甜菜或甜菜片中的非糖物質(zhì)，主要是蛋白質(zhì)被事先以這種方法去除。即便如此，仍有很大一部分的非糖物質(zhì)吸附或者積聚在甜菜片，即便是在萃取完成之后。當(dāng)然，隨后可以用已知的方式對分離后的細(xì)胞漿液進(jìn)行一個補充的提純過程。
此外，往生物材料中加入堿性物質(zhì)可以在加工過程中降低生物材料的受污染的危險，提高生物材料和分離后細(xì)胞漿液的微生物學(xué)穩(wěn)定性。與此相關(guān)地，微生物學(xué)穩(wěn)定性約為104CFU/ml。
根據(jù)本發(fā)明的方法，在另一個優(yōu)選的變化中，最好在步驟b)中，往生物材料中加入至少一種輔料。本發(fā)明中“輔料”是指一種混合物或純化學(xué)物質(zhì)，在分離的組分中，特別是分離的食品中無任何功能。這些輔料可以是加工過程中使用的物質(zhì)，例如冷凝液，也可以是生產(chǎn)過程中用的水、溶劑、消毒劑，例如甲醛或者消泡劑。最好也可以是絮凝用的酸，例如陽離子或者陰離子絮凝用酸，或者用于引入堿性和/或鈣離子的物質(zhì)，例如石灰漿、生石灰、氫氧化鈣、蔗糖酸鈣、硫酸鈣和其他鈣鹽和/或鋁鹽。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選加入的至少一種輔料通常以溶液的形式加入生物材料，最好是通過噴射。在另一個變化中，至少一種輔料以固體，最好以粉末的形式被加入。加入的輔助材料也會對分離的細(xì)胞漿液進(jìn)行初步的純化。
本發(fā)明中一個突出的優(yōu)點是，步驟a)中對生物材料的電穿孔打開了細(xì)胞壁，這使得在步驟b)中將細(xì)胞漿液從生物材料中分離出來時，往生物材料中加入堿和/或鈣離子非常便利。特別要指出的是，根據(jù)本發(fā)明，步驟a)的電穿孔和步驟c)的堿性萃取的組合可以進(jìn)一步提高生物材料的可脫水性，例如在使用本發(fā)明的方法進(jìn)行壓榨后，干物質(zhì)的含量提高了約8％。
因此，本發(fā)明還涉及一種提高萃取后的生物材料、特別是甜菜片的可壓榨性的方法，隨之而來的是壓榨后的干物質(zhì)含量的提高，該方法的特點是，在第一步對生物材料，特別是甜菜進(jìn)行電穿孔，在接下來的步驟中對經(jīng)電穿孔的生物材料，特別是經(jīng)電穿孔的甜菜，或甜菜片、甘蔗或者菊苣進(jìn)行堿性萃取，隨后獲得了具有更高可壓榨性的萃取的生物材料。
本發(fā)明還涉及一種獲得萃取后生物材料，特別是萃取后甜菜切片、甘蔗或者菊苣中較高干物質(zhì)含量的方法，特別是干物質(zhì)含量約為38％，該方法的特點是，在第一步對生物材料，特別是甜菜進(jìn)行電穿孔，在接下來的步驟中對電穿孔后的生物材料、特別是電穿孔后的甜菜或甜菜片進(jìn)行堿性萃取，在接下來的步驟中對電穿孔后的生物材料、特別是電穿孔后的甜菜或甜菜片，最好是以已知的方式進(jìn)行壓榨，最后得到具有更高干物質(zhì)含量的萃取的生物材料。
在另一個優(yōu)選的變化中，附加在方法步驟a)和b)之間的另一個步驟是，對生物材料進(jìn)行切割，例如將甜菜切割成甜菜切片。這可以進(jìn)一步增加從電穿孔后的生物材料分離細(xì)胞漿液的便利性。
在本方法的另一個優(yōu)選的變換中，是在步驟b)中，在螺桿輸送段附加安裝有輸送井或者緩沖井用于接收生物材料。在輸送井以及在全螺旋輸送裝置中施加在生物材料上的初始機械壓力始終低于2MPa，最好是低于1MPa，更好的是低于0.5Mpa。特別好的是不施加初始壓力。當(dāng)然優(yōu)選使用的傳輸井用于在將生物材料輸送進(jìn)螺旋輸送裝置前進(jìn)行臨時存儲和積累，因此在生物材料上施加的壓力可以忽略。特別地，在輸送井中積累的生物材料足夠高時，會以一種已知的方式以較高的效率輸送進(jìn)螺旋輸送裝置，螺旋輸送裝置會顯示出較好的裝填度。
在一個變換中，本發(fā)明優(yōu)選使用的螺旋輸送裝置的外殼和/或螺紋輸送段(即螺紋)上貫穿有穿孔。也就是說，螺旋輸送裝置上設(shè)有穿孔，通過這些穿孔從生物材料中分離出的細(xì)胞漿液可以從螺旋輸送裝置流出。特別優(yōu)選的是在外殼和螺紋上貫穿有穿孔。在生物材料通過螺旋輸送裝置被傳輸時，流出的細(xì)胞漿液，也就是傳輸液液，通過螺旋輸送裝置上設(shè)有穿孔的螺紋和/或外殼，匯集在通常安裝于螺旋輸送裝置上的，特別是圍繞螺旋輸送裝置的收集槽中。收集槽一般與排液管相連，優(yōu)選的是位于最低點。
在另一個變換中，輸送井，也就是用于電穿孔后的生物材料在輸送進(jìn)螺桿段前進(jìn)行生物材料收集的的緩沖井，具有一個排出口，最好是安裝在緩沖井的最低處。緩沖井中的從生物材料中分離出的細(xì)胞漿液優(yōu)選的主要通過該排出口排出。
本發(fā)明還因此涉及一種用于從生物材料中分離組分的設(shè)備，該設(shè)備通常用于實施本發(fā)明的方法。根據(jù)本發(fā)明，該設(shè)備包括一套裝置，特別是一個用于對生物材料進(jìn)行電穿孔的容器、和至少一個用于接收電穿孔后的生物材料的全螺旋輸送裝置、用于將細(xì)胞漿液從生物材料分離、一個用于萃取生物材料的萃取器。根據(jù)本發(fā)明，該至少一個全螺旋輸送裝置的外殼和/或螺紋貫穿有穿孔。一個收集槽用于收集從全螺旋輸送裝置中分離出的細(xì)胞漿液，該收集槽環(huán)繞該全螺旋輸送裝置，優(yōu)選的，該收集槽是密封式安裝在全螺旋輸送裝置上。根據(jù)本發(fā)明，該全螺旋輸送裝置的功能主要是對生物材料進(jìn)行滾動，也就是說對其施加輕微的機械負(fù)載。該功能與全螺旋輸送裝置的其他功能，即通過該裝置輸送生物材料，優(yōu)選的是從電穿孔裝置向萃取裝置傳輸。
根據(jù)本發(fā)明，所述萃取裝置優(yōu)選的是一種混合沉降式萃取塔。在一個變換中，所述萃取裝置是一個螺旋槽式萃取裝置，例如DDS一萃取器。在另一個變換中，所述萃取裝置是一種轉(zhuǎn)鼓蜂房式萃取裝置，例如RT轉(zhuǎn)鼓。
在另一個優(yōu)選的實施例中，本發(fā)明的設(shè)備包含一種切片機/切碎機，也就是一種切割機，優(yōu)選的是一種安裝在從生物材料電穿孔裝置到全螺旋輸送裝置的輸送線上的轉(zhuǎn)鼓式切割機，該切割機還會將電穿孔后的生物材料在輸送到全螺旋輸送裝置前進(jìn)行切碎。在一個變換中，切片機/切碎機還配備有一個用于在切割前收集電穿孔后生物材料的中間貯藏罐，貯藏罐首先通過生物材料的堆積為其切割提供必要的壓力。
在用于排出輸送后的生物材料的螺桿段，最好還設(shè)置一個碎片容器，在該容器中收集了從螺旋輸送裝置中排出的生物材料，用于隨后在萃取裝置中對生物材料進(jìn)行萃取。
在本發(fā)明的設(shè)備的一個優(yōu)選實施例中，還設(shè)置有至少一個用于加入輔料和/或堿性物質(zhì)的計量裝置。在一個變換中，該計量裝置具有至少一個洗滌管，該洗滌管帶有至少一個與之相連的的噴頭，用于將輔料的溶液和/或諸如石灰漿等堿化劑噴射到主要位于全螺旋輸送裝置中的生物材料上。在另一個變換中，所述至少一個計量裝置用于加入固體物，特別是粉末狀物，特別地，該裝置是一個風(fēng)動進(jìn)料器和/或一個螺旋進(jìn)料器。
所述計量裝置優(yōu)選的安裝在全螺旋輸送裝置的計量區(qū)，特別是其外殼上方。在一個變換中，所述計量裝置安裝在中間貯藏罐的計量區(qū)。在另一個變換中，所述計量裝置安裝在碎物容器的計量區(qū)中。在這里，“計量區(qū)”是指被計量物質(zhì)的限定空間，這些物質(zhì)就是上述的輔料、堿化劑等，他們通過所選定的計量裝置被加入到生物材料中。
在另一個優(yōu)選的變換中，用于接收電穿孔后生物材料的螺桿段，優(yōu)選的是安裝在螺旋輸送裝置起點處的一個較低位置，而用于排出傳輸后的生物材料的螺桿段，優(yōu)選的是安裝在螺旋輸送裝置末端的一個較高位置，這個較高位置位于上述較低位置的上方。也就是說本發(fā)明提供的全螺旋輸送裝置是沿著一個坡度進(jìn)行安裝，其中生物材料在全螺旋輸送裝置中從較低位置向較高位置逆向于坡度進(jìn)行輸送。
其他優(yōu)選實施例在下面的權(quán)利要求中予以陳述。


本發(fā)明中的裝置將通過附圖作更詳細(xì)的說明圖1是本發(fā)明的一套優(yōu)選設(shè)備的示意圖，該設(shè)備包括一個用于生物材料電穿孔的裝置(1)，一個用于切割電穿孔后的生物材料、帶有中間貯藏罐(2)和輸送井(4)的切割機(3)，一個設(shè)有穿孔的全螺旋輸送裝置(5)，其上帶有一個接收槽、至少一個用于向生物材料中加入輔助材料的計量裝置(6)，一個用于收集從輸送井和全螺旋輸送裝置流出漿液的排出口(7)，和一個萃取器(8)。
具體實施例方式
以下通過實施例對本發(fā)明作更詳細(xì)地說明。
實施例1、電穿孔后生物材料的堿性萃取洗滌直接收獲或者存儲的甜菜，接著以粗略切割的形式或者不切割的形式，于電穿孔裝置(1)中以0.7～1.5kv/cm的高壓脈沖進(jìn)行電穿孔。與此同時，甜菜或甜菜切片置于一種導(dǎo)電能力為0.4～2.1ms/cm的導(dǎo)電介質(zhì)中。通過已知的方式以電穿孔的方式打開細(xì)胞壁。
電穿孔后的甜菜或甜菜切片被輸送到直接位于切割機(3)上方的中間貯藏罐(2)中，從貯藏罐出來后被輸送至切割機(3)中進(jìn)行切割，然后通過輸送井輸送至全螺旋輸送裝置(5)中，該全螺旋輸送裝置的外殼和螺紋上鉆有穿孔，以便使甜菜切片中流出的細(xì)胞漿液，也就是輸送帶上的漿液排出。石灰漿經(jīng)計量后加入中間貯藏罐中，以降低微生物活性。
封閉的全螺旋輸送裝置的任務(wù)是，將電穿孔后的甜菜切片變成碎片后輸送至萃取裝置(8)的碎物容器中。全螺旋輸送裝置沿著輸送方向有一個向上的坡度。也就是說全螺旋輸送裝置的最低點直接位于切割機(3)和螺旋輸送裝置(5)之間的輸送點(4)的下方。其最高點直接位于切片碎塊的墜物井前。用作緩沖井的輸送井(4)安裝在切割機的出口和全螺旋輸送裝置的進(jìn)口之間，此處，全螺旋輸送裝置起到輸送作用。新鮮的電穿孔后的甜菜切片收集在輸送井(4)中。排出口(7)安裝在螺旋輸送裝置的最低位置。該排出口用于收集在螺旋輸送過程中和/或在輸送井中機械加壓時從電穿孔后的甜菜切片中流出的細(xì)胞漿液。
螺旋輸送裝置(5)一方面需要將電穿孔后的甜菜切片變成碎片后進(jìn)行運送，另一方面需要將碎片材料在逆向坡度運輸時進(jìn)行機械沖擊，更確切地說是進(jìn)行滾動。在這里，輸送井中的初始機械壓力總是低于2Mpa。該最大壓力值適用于整個裝置，也就是說在從切割機到碎片的通道上所述裝置中經(jīng)電穿孔的切片在任何時間點所受到的壓力均小于2MPa。
在通過螺旋輸送裝置(5)輸送甜菜切片的過程中流出的輸送漿液通過螺旋輸送裝置穿孔的外殼流出，并收集在環(huán)繞全螺旋輸送裝置的收集槽中，并在螺旋輸送裝置的最低點流入上述排出口(7)中。在經(jīng)電穿孔的甜菜切片輸送至全螺旋輸送裝置的過程中，來自經(jīng)電穿孔的甜菜切片的細(xì)胞漿液從全螺旋輸送裝置的穿孔和螺旋輸送裝置外殼的穿孔中流出并聚集，然后被送至排出口(7)流入安裝在全螺旋輸送裝置下方的收集槽。在這里，收集槽是將全螺旋輸送裝置密封封閉起來的。
在螺旋輸送裝置的收集槽和外殼之間沿螺旋輸送裝置的軸向安裝有洗滌管。洗滌管上安裝有用作計量裝置(6)的噴頭，通過該噴頭，輔料從外面被噴射到全螺旋輸送裝置的外殼上。在一種改進(jìn)的方案中，在全螺旋輸送裝置內(nèi)部從全螺旋輸送裝置的起點開始沿全螺旋輸送裝置的輸送方向向上直至全螺旋輸送裝置的某個點安裝多個帶有噴頭的計量點，在螺旋輸送裝置正常工作時，甜菜切片在螺旋輸送裝置內(nèi)有大約5分鐘的停留時間。輔料通過計量后噴射到輸送中的甜菜切片堆中。通過中間貯藏罐和全螺旋輸送裝置內(nèi)的輔料的添加點可以在甜菜切片變成碎片的過程中加入蔗糖酸鈣溶液。作為替換，也可以選擇向甜菜切片內(nèi)加入石灰漿或者干石灰。溶液的大部分將被甜菜切片所吸收。在這里，甜菜切片吸收了鈣，并準(zhǔn)備用于以已知的方式進(jìn)行堿性萃取。未被甜菜切片吸收的蔗糖酸鈣或石灰或石灰漿聚集在螺旋輸送裝置的最低點，并在那里與細(xì)胞漿液，也就是輸送液一起被排出并進(jìn)行進(jìn)一步的處理。
在螺旋輸送裝置中被滾壓的甜菜切片通過碎物容器被送入逆流萃取單元，并在該單元中被萃取，然后萃取物被收集。萃取的溫度在45～60℃之間；優(yōu)選明顯高于45℃的溫度，但最高為60℃。萃取裝置可以是混合沉降式萃取塔、螺旋槽式萃取裝置，或者轉(zhuǎn)鼓蜂房式萃取裝置。在萃取裝置中，甜菜切片在與萃取劑(所謂的清水)的逆流中被萃取。
接著進(jìn)行石灰漿一碳酸一漿液提純。提純后的萃取物(稀漿液I和II)按傳統(tǒng)方式進(jìn)行進(jìn)一步處理；也就是說在漿液濃縮成糖漿后在結(jié)晶器中通過進(jìn)一步蒸發(fā)和連續(xù)結(jié)晶分離出糖。分離出的碳酸鈣漿按傳統(tǒng)方式通過壓濾機進(jìn)行脫水，并作為肥料，即所謂的碳石灰(Carbokalk)進(jìn)行出售。
在全螺旋輸送裝置和/或輸送井中分離出的細(xì)胞漿液在進(jìn)行堿化后加入絮凝酸。輸送液按照傳統(tǒng)方式輸送至靜態(tài)傾析器。將傾析器中的碎屑抽出，送入與萃取工序平行進(jìn)行的預(yù)加灰裝置中。另一方面，傾析器中的清液可進(jìn)一步與萃取工序得到的稀漿液合并使用。與此同時，獲得的萃取物按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行漿液提純。
萃取后的甜菜切片在螺旋壓力機中進(jìn)行壓榨。壓榨出的壓榨水被重新送入萃取裝置中。壓榨后的碎片按傳統(tǒng)方式進(jìn)行加熱脫水，也即在低溫干燥器、高溫干燥器或者蒸發(fā)干燥器中進(jìn)行脫水。
實施例2、中試規(guī)模的方法接下來對中試規(guī)模試驗(處理的甜菜量6kg/h)進(jìn)行描述，以便對該方法的優(yōu)點進(jìn)行說明。
甜菜的切割和堿化處理步驟甜菜在場強為0.7～1.5kV/cm的電穿孔裝置中進(jìn)行電穿孔，接著在中試規(guī)模的切碎機/粉碎機(亞歷山大公司產(chǎn)品)中切碎。然后將甜菜切片送入混合器中，并加入石灰漿(熟石灰溶液)處理。在這里，注意確保切片的溫度低于20℃。熟石灰溶液的量(濃度220g CaO/l)，對應(yīng)于每100克甜菜中加入0.3～0.5g有效堿性物質(zhì)CaO。堿化后的甜菜送入型號為DDS的槽式螺旋輸送裝置中。螺旋輸送裝置的外殼和螺紋上設(shè)有穿孔。甜菜切片通過螺旋輸送裝置在輕微的滾壓下進(jìn)行輸送。在輸送過程中，相對于所用甜菜總量的大約20～30％的堿化的甜菜細(xì)胞漿液被分離出來。堿性甜菜漿液(pH11～12)被收集。
萃取處理步驟堿性甜菜切片送入DDS型的螺旋槽式萃取器，并在其中被萃取。甜菜切片和萃取用水(使用石灰漿(pH＝9.5；80°dH)輕微堿化和硬化的水)以與切片材料逆流的方向傳送。在半連續(xù)式的操作中，預(yù)先去除漿液的甜菜切片以每小時4.8千克的速度進(jìn)行萃取，基于甜菜切片的量，清水的加入量為60～80％。萃取在的60℃的溫度下進(jìn)行，相對于傳統(tǒng)方法有所降低。
特別有利的是，該方法消耗較少的能量，并且對甜菜切片的處理比較柔和。其優(yōu)點還表現(xiàn)在較好的萃取質(zhì)量(高純度)以及下游對甜菜切片進(jìn)行壓榨時具有較好的可壓榨性。
本實驗中，堿性萃取和電穿孔組合的主要優(yōu)點，表現(xiàn)在相對于傳統(tǒng)方法萃取后的甜菜切片具有較高的可壓榨性(在沖壓機中進(jìn)行壓榨)，壓榨后切片中的干物質(zhì)含量明顯較高，提高約8％。例如干物質(zhì)含量從傳統(tǒng)方法的30％提高至38％。這使得在隨后的甜菜切片加熱脫水過程中所消耗的能量明顯降低。
萃取液純度介于91.5～92.5％之間，明顯高于傳統(tǒng)方法。傳統(tǒng)方法萃取出的重要的非糖物質(zhì)，例如堿性處理時被萃取出來的似蛋白質(zhì)的物質(zhì)和膠質(zhì)仍然留在甜菜切片中，因而提高了在隨后的顆粒飼料加工中生產(chǎn)的飼料的價值。
在該方法實現(xiàn)工業(yè)化后，壓榨萃取后的甜菜切片所獲得的壓榨水被送回萃取裝置中。這有利于壓榨水的高純度，其純度約為89％。
漿液提純處理步驟堿性的輸送漿液和堿性的萃取物被合并。漿液提純在實驗室規(guī)模的漿液提純裝置(帶溫度控制的三口燒瓶)中進(jìn)行。混合物加入石灰漿(濃度為220g CaO/l)(直至萃取物堿性為0.4～0.6g CaO/100ml)。然后漿液的堿化處理在85℃的條件下進(jìn)行。該步驟用于分解那些影響后續(xù)處理的轉(zhuǎn)化糖和酰胺。接下來的步驟基本上與傳統(tǒng)方法一致。在第一和第二次碳酸化過程中，通過通入二氧化碳使碳酸鈣沉淀出來，碳酸鈣與漿液中的非糖物質(zhì)吸附結(jié)合，并通過隨后的過濾步驟從漿液中去除。在漿液提純的最后獲得提純的萃取物。
試驗表明，提純后的萃取物具有較高的質(zhì)量，也就是說相對于傳統(tǒng)方法(超過1000I.E.)色澤較淺(約600～800I.E.)。提純后萃取物在隨后進(jìn)行的漿液濃縮步驟中的熱穩(wěn)定性也較高。在一個實驗室測試中(濃縮液回流一小時)漿液色澤變化只有約25I.E.。該方法的缺點是可溶性鈣離子、即所謂石灰鹽的含量相對較高。
用于在溫和的溫度和堿性條件下進(jìn)一步預(yù)堿性化目的預(yù)加灰的步驟可以被省略。
分離出的碳酸鈣沉淀物相比傳統(tǒng)方法含有更少的非糖物質(zhì)。這可以提高碳石灰肥料的價值。
結(jié)果概述-通過在全螺旋輸送裝置和輸送井中對甜菜施加機械壓力進(jìn)行預(yù)處理，大部分的細(xì)胞漿液被從甜菜中分離出來。相應(yīng)地，細(xì)胞漿液的得率約為所加入甜菜量的10～30％。
-通過預(yù)先分離細(xì)胞漿液，減少了在隨后的萃取中分離的糖的數(shù)量，這可以顯著降低回收率至大約90％。
-通過降低回收率，使得萃取物的純度提高至大約92％。
-電穿孔后的甜菜切片在較低的溫度下進(jìn)行逆流萃取，即在45～60℃之間的溫度下，最好總是高于45℃，并低于60℃的條件下進(jìn)行萃取。相應(yīng)地，萃取時對甜菜切片的溫和處理進(jìn)一步有利于提高萃取物的質(zhì)量(純度)。
-甜菜切片在堿性萃取后的可壓榨性提高。干物質(zhì)含量提高8％，例如從30％提高至38％。
-所需的清水量的減少降低了需要蒸發(fā)的水的量。
-輸送漿液的預(yù)先分離增加了下游漿液提純中的分離處理量。由于其純度較高，對溶解于輸送漿液中非糖物質(zhì)的預(yù)先分離是可能實現(xiàn)的。
-高純度輸送液和隨后的萃取過程中得到的萃取物的混合物的純度相比傳統(tǒng)方法所得漿液的純度更高。
-甜菜切片和從甜菜切片中分離出的細(xì)胞漿液的堿化使其微生物學(xué)穩(wěn)定性提高至104CFU/mL。
權(quán)利要求
1.一種從生物材料中分離組分的方法，包括以下步驟a)對生物材料進(jìn)行電穿孔，b)從電穿孔后的生物材料中分離細(xì)胞漿液，c)對生物材料進(jìn)行萃取，和d)從所述細(xì)胞漿液和萃取物中獲得生物細(xì)胞材料的組分。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟a)中，所述生物材料在導(dǎo)電介質(zhì)中被置于高壓電場。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步驟b)中，細(xì)胞漿液從生物材料的分離通過機械負(fù)載的方式，最好是滾壓的方式。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述生物材料的機械負(fù)載總是低于2MPa。
5.如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，步驟b)在螺旋輸送機、最好是全螺旋輸送機中進(jìn)行。
6.如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在步驟b)，往生物材料中加入輔料，最好是石灰和/或石灰漿。
7.如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，步驟c)在0～65℃的溫度下，最好是45～60℃下進(jìn)行。
8.如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，步驟c)包括堿性萃取。
9.如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述生物材料包括甜菜(Betavulgaris)和/或甜菜片。
10.一種用于從生物材料中分離組分的設(shè)備，特別是根據(jù)權(quán)利要求1～9中的任一項，具有至少一種用于對所述生物材料進(jìn)行電穿孔的裝置(1)，以及至少一種用于接收所述經(jīng)電穿孔的生物材料的全螺旋輸送裝置(5)。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少一個全螺旋輸送裝置(5)，特別是其外殼和/或其螺紋，鉆有穿孔，用于排出從生物材料中分離出的細(xì)胞漿液。
12.如權(quán)利要求10或11所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少一個全螺旋輸送裝置(5)是一個螺旋輸送機，該螺旋輸送裝置上用于接收電穿孔后的生物材料的螺桿段位于較低位置，而螺旋輸送裝置上用于輸出輸送的生物材料的螺桿段位于較高位置，在兩個螺桿段之間有一個坡度。
13.如權(quán)利要求10～12中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，還包括一個用于萃取所述生物材料的萃取裝置(8)。
14.如權(quán)利要求10～13中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，還包括至少一個用于測量輔料的測量裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的方法、用于從生物材料、特別是甜菜(Beta vulgaris)中提取組分。
文檔編號C13B20/02GK1726291SQ200380106422
公開日2006年1月25日 申請日期2003年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月18日
發(fā)明者斯特凡·弗倫策爾, 托馬斯·米歇爾貝格爾, 京特·維特 申請人:曼海姆/奧克森富特旭德楚克股份公司