从生物材料中提取组分的方法

专利名称：从生物材料中提取组分的方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的从生物材料，特别是甜菜(Beta vulgaris)和/或甜菜片中分离组分的方法。
背景技术：
众所周知，机械和/或热力学方法常用于从大量的各种不同种类的生物材料、特别是诸如农产水果的植物原材料中获得有价值的组分。为了从生物材料中分离出这些组分，无论如何必须破坏细胞膜，特别是植物细胞的细胞膜。通常这可以通过机械力的作用，如切割、研磨、碾碎等得以实现。其他破碎生物材料细胞膜的方法是热力学破碎，该方法使细胞膜在温度的影响下变性，或者是热力学方法与机械方法结合使用。破壁处理后生物材料的可溶性组分被挤出，然后使用溶剂，通常是水，进行萃取；或者，如果是不溶性的物质，则被洗出。
此类从生物材料中分离组分的方法对制糖工业有着特别重要的意义，因为在中欧，众所周知是使用此类方法对甜菜(Beta vulgaris)进行处理，以从中获得糖(蔗糖)。对此，常规的方法是将洗好的甜菜在传统的切割机中切片，用大约70～75℃的热水将得到的甜菜片热烫后捣碎。在这个过程中，甜菜细胞壁热力学变性，即细胞壁被破坏，使得蔗糖分子能渗透出来。在接下来的萃取过程中，通常使用逆流萃取法，在大约68～70℃的温度下得到含有蔗糖的萃取液(原汁)。
众所周知，为了有效地萃取，必须加入大量的外来水(冷凝液)。为优化萃取过程，降低萃取后的甜菜片中剩余糖的含量，在已知方法中，通常相对于甜菜片数量的大约105～110％的原汁得到回收。该回收率可以从萃取物的量与所用的甜菜量的比例计算出来。接着即可进行萃取液的纯化。
除了在萃取过程中需要大量的外来水外，从生物材料中分离组分的加工过程还是一个高耗能的加工过程。特别是在通常的高于70℃的温度下进行生物材料的热力学破坏，需要输入较高的能量。即使是随后的萃取步骤中，也必须将大量的外来水加热至70℃以上，在接下来的处理过程中还需要进行高能耗的蒸发过程。因此，现有技术中需要一种破碎生物材料、特别是甜菜或甜菜细胞的方法，该方法能够降低能耗，并且，通过使用合适的下游工程方法，能够降低水和能量的消耗，以用于从生物材料中分离组分。
另一个重要的方面是萃取的生物材料能够被脱水的程度。例如在德意志联邦共和国每年有大约2700万吨的甜菜被处理用于制糖。在对切碎的甜菜进行含水逆流萃取后，产生1500万吨经过萃取的含水约为90％的用作牲畜饲料的甜菜碎片。为使产品便于保存和运输，必须对其进行进一步的脱水。脱水过程首先进行机械挤压，接着干燥至残留水含量约为10％。原则上，压榨程度越高意味着电能消耗也越多，相对地可以减少干燥过程中燃料的使用。因为机械脱水相比干燥过程在达到同一干物质含量时其成本大约低35％，因此改进压榨工艺是制糖业不断追求的目标。干燥过程的成本压力和与之相关的环保措施使得机械脱水被不断加以改进。在选择的16家工厂中计算出的压榨切片中干物质的平均含量从1976年的接近20％提高至1987年的平均约32％。然而，在压榨后干物质含量为20％的甜菜碎片中仍有约44％的水需要从甜菜碎片中去除，而如果甜菜碎片被压榨至于物质含量为30％，则该比例已经下降至约25％。这意味着能源的显著节约，按每个工厂每天处理10,000吨甜菜计算，每个季度可以节约大约500,000欧元(假定石油的价格150欧元/吨)。因此，迫切需要进一步改进对萃取后的生物材料，特别是甜菜碎片的压榨水平，也就是脱水。

发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的用于从生物材料中分离组分的方法，以及用于实施所述改进的方法的设备，所述改进的方法在具有较高的效率和经济性的特点同时，还相应地降低资源、诸如能源和水的消耗。
按照本发明，通过以下方法实现上述目的为了从生物材料中分离组分，在第一步a)中，对生物材料进行电穿孔，在第二步b)中，经电穿孔的生物材料的细胞浆液被分离，在第三步c)中，对从步骤b)中得到的材料进行萃取，在第四步d)中，从第二步b)得到的细胞浆液和第三步c)中得到的萃取液中分离组分。
根据本发明，使用高压脉冲的电穿孔特别有利于生物材料的细胞的破壁，特别是甜菜细胞。因此，这些细胞不需要进行热力学破壁以用于下游的提取。根据本发明的方法，随后进行的生物材料的预处理有利于细胞浆液，特别是大部分细胞浆液的分离，从而有效地减少将在下游过程的提取步骤中被萃取的生物材料组分的量。该方法突出的优点是所需的外来水用量的显著减少，这些水用于上述细胞浆液分离后残留在生物材料中的组分的萃取过程。这也导致回收率、即萃取物的量与所使用的生物材料的量的比例的显著降低。
根据本发明，“生物材料”是指含有有价值的组分的植物原材料和农产品，主要是指含有重要组分蔗糖的甜菜和甘蔗，也包括含有重要组分菊粉的菊苣，以及用于榨油的含油种子、用于榨葡萄汁的葡萄或者用于获取植物染料(如胡萝卜素或香料)的水果。“生物材料”还包括用于分离淀粉的植物或植物组分。
与本发明相关，萃取是指一种使用合适的溶剂从固体或液体混合物，特别是生物材料中溶解出特定组分的方法，其中溶剂与被溶解的物质、即生物材料的组分之间不发生化学反应。当从生物材料中分离水溶性组分，如蔗糖、菊粉、淀粉时，优选使用水作为萃取剂，例如从甜菜，更确切地说从甜菜切片中获得糖时。在一个变化中，通过使用主要是非极性的溶剂和/或有机溶剂，可以从生物材料中额外地分离脂溶性组分。
在一个特别优选的实施例中，本发明的方法的步骤a)，即生物材料的电穿孔，是在导电介质中进行的，其中生物材料被置于高压电场中。优选的是以一种已知的方式，例如在导电的电极上施以电压，特别是高电压，使产生的高压电场穿过生物材料。优选的是使用脉冲状高压曲线，但也可以使用交流电场和直流电场。场强优选的是从约0.5～1.5kV/cm，特别是0.7～1.3kV/cm。在一个特别优选的变化中，用于放置生物材料的介质的导电性与生物材料的导电性相匹配，以便在生物材料体中产生最佳的磁力线；电导率优选的是从约0.2～2.5mS/cm，最好是0.4～2.1mS/cm。在另一个特别优选的变化中，将整个农作物植物，例如整个甜菜进行电穿孔。已经发现用这个方法相比将生物材料切碎后进行电穿孔能够降低所需的能耗。自然地，本发明还提供将生物材料以切碎的形式进行电穿孔，例如将甜菜以甜菜片的形式进行电穿孔。
根据本发明，在本发明的方法的步骤b)中，细胞浆液从生物材料中的分离优选的是在轻微的机械负载下进行。本发明中所称机械负载，也就是本发明的方法的步骤a)、b)、c)和d)中对生物材料的加压，在本方法的任何时间任何阶段总是低于2Mpa，特别是低于1Mpa，更好的是低于0.5Mpa。也就是说，根据本发明，整个方法中对生物材料施加的压力，或者说对生物材料的机械负载，优选的总是低于2Mpa，对生物材料不施加其他力和负载。根据本发明，特别优选的是对生物材料的机械负载被尽可能地减小，且压力的负载总是低于1Mpa，最好是低于0.5MPa。特别的，甚至是对生物材料不施加压力或机械负载。这个机械负载相比于现有技术已知的机械负载显著降低，现有技术的机械负载通常超过2MPa，主要是从约10～30Mpa，相当于生物材料被压榨的压力。
根据本发明，优选的轻微的机械负载，通常是通过简单地将生物材料进行滚动和/或转动来实现，例如在螺旋输送装置中，特别是在全螺旋输送装置中。现有技术中已知的、用于此类目的的其他设备，自然也可以用于滚动和/或转动生物材料。这些设备优选的是各种类型的螺旋输送装置，例如半封闭式螺旋输送装置，以及传送带、振动带或者转鼓。
发明人惊奇地发现，若生物材料，特别是甜菜或甜菜片，经电穿孔预处理后，施以非常轻微的机械负载(见上文)，就可以分离得到高比例的细胞浆液，因而生物材料中所含的组分的含量也较高。众所周知，传统的预处理，例如在萃取前，甜菜或甜菜片的热力破坏或电力破坏，要在超过2Mpa、主要上是从约10～30Mpa的高压下进行压榨，导致在压榨之后，需要传送至下一个步骤的甜菜或甜菜片在机械作用下发生了较大的形变，例如变成了糊状物。相反，本发明由于优选使用轻微的机械负载，在步骤b)中进行处理以分离细胞浆液的生物材料的形状和外形保持不变，接着以未发生机械变形的形状，简单的形式进入随后的步骤c)，即萃取过程。
此外，本发明的优势还在于，由于采用了轻微的机械负载，在步骤b)中分离出的细胞浆液基本上是透明的，不夹带组织成分，特别是悬浮物等；而这在高机械负载的条件下是难以避免的，因而本发明分离的细胞浆液是较纯的形态。在另一个变化中，在步骤b)中分离出的细胞浆液通过添加絮凝剂被进一步纯化。
根据本发明，本发明的方法的步骤b)是在对生物材料随后的步骤c)的萃取之前进行的预处理。根据本发明，这种预处理使得以一种特别有效的方式预先从生物材料中分离细胞浆液成为可能。已经发现，根据本发明进行预处理的生物材料，特别是由于本发明优选使用轻微的机械负载，其具有较好的机械稳定性，且松散地堆积在一起，因此萃取剂很容易穿过堆积的物质，从而使萃取能够特别有效地进行。
本发明的方法的另一个优点在于，由于大量的细胞浆液(其中含有高比例的组分)事先从生物材料中得到分离，显著降低了下游提取过程从生物材料中分离组分的负担。特别是所述生物材料为甜菜或甜菜片时，需要在随后的下游提取中分离的蔗糖的数量被降低。在使用甜菜或甜菜片作为生物材料的优选的实施例中，基于生物材料的总重，收率为约10～30％质量百分比。
特别有利地，本发明的效果使得用于从生物材料中萃取组分所必需的外来水的用量明显减少，本发明的回收率得以显著降低，也就是说萃取量相对于所使用生物材料量的比例显著降低。通过这个方法，回收率的值被降低到100％以下，基本上是降低到约90％。特别有利的是，本发明所带来的回收率的降低使得萃取物的纯度提高至90％以上，基本上是91.5～92.5％。其结果是，本发明的步骤c)萃取分离后，用于萃取物提纯的石灰石(石灰浆)的使用量显著减少，基本上是使用量减少到约15～30％。
不限于理论，一方面通过步骤a)中的电穿孔，因为通过电穿孔已经打开了细胞，另一方面通过在步骤b)中从电穿孔后的生物材料中分离了大量的细胞浆液，使得随后对于生物材料的萃取可以在显著降低的温度下进行。因此，本发明的优选方法的一个特点就是，萃取步骤c)可以在相比现有技术显著降低的温度下进行，该温度在10～65℃，优选的是45～60℃，更好的是46～60℃。
当然，萃取采用的温度也可以根据生物材料的需要进行调整，只要萃取仍能进行，其温度可以升高或降低。由于萃取温度的降低，诸如甜菜片之类的生物材料的处理相比传统的热处理法条件更加温和。由此本发明可以有利于提高生物材料的可压榨性，例如对甜菜切片，干物质(DM)可以提高约2个百分点。
本发明还提供了萃取物的纯化方法，特别是稀浆液I和II，将在随后的多步蒸发装置中浓缩至干物质含量约为70％。根据本发明，对于随后将外来水从分离出的萃取物中蒸发出去所需的能耗会由于外来水量的减少而减少。
根据本发明的优选方案，从萃取液和/或稀浆液(从以本发明的方法处理的甜菜片的萃取液中获得)中分离糖是在一个多级结晶装置中进行。萃取后的生物材料，特别是萃取后的甜菜片，随后被机械脱水，然后与例如糖蜜混合，优选的是在热干燥后作为饲料，特别是作为颗粒饲料出售。
在一个优选的实施例中，步骤c)中的萃取为碱性萃取，优选使用碱化剂，例如石灰浆和/或生石灰。在这里，“碱性”是指含水介质的pH值介于约pH7到约pH14(20℃)之间。在一个优选的变化中，碱性萃取在pH值7.5至11之间进行，特别是在pH值约为10，例如pH为10.2。
在碱性萃取中，在任何情况下都排除与生物材料之间发生化学反应是不可能的，特别地，会形成大量高分子量的果胶酸钙。在常用的70～75℃的萃取温度下，碱性萃取中不希望出现的化学反应非常剧烈，以致于在某些情况下会形成大量的果胶酸钙，大大削弱分离出来的萃取物的过滤，这些萃取物最好是通过汁液提纯的方法进行纯化，因此这种方法在实践中难以实现。相比之下，本发明的在较低温度下进行的碱性萃取法，可以减少那些高分子量化合物的形成，因此在过滤提纯后的萃取物、特别是在甜菜片萃取时通过汁液提纯分离稀浆液I和/或稀浆液II时，有可能实现小于lmm/g的过滤系数。
碱性物质，例如石灰浆、氢氧化钙、蔗糖酸钙或者生石灰，最好是在电穿孔(步骤a))之后马上加入生物材料，特别是甜菜、甘蔗、或菊苣中，特别是在步骤b)对生物材料进行进一步处理前加入中间进料罐中。在另一个变化中，碱性物质在步骤b)中分离细胞浆液时加入。在另一个变化中，碱性物质在进行萃取前(步骤c))即刻加入。
在本发明的一个优选实施例中，生物材料，特别是甜菜或甜菜片、甘蔗或者菊苣的碱化处理是通过直接往切割机中加入碱化剂来实现的。这种方法的优点是对生物材料进行了部分的消毒。
在本发明的一个优选实施例中，生物材料的碱化处理是通过将碱性剂加入到生物材料的贮藏罐、特别是甜菜贮藏罐中，或者加入到贮藏罐的输送通道、特别是甜菜贮藏罐的输送通道中来实现的。这种方法的优点是对生物材料进行了部分的消毒。
根据本发明，碱化剂通常主要以水溶液的形式加入生物材料中，最好是通过喷射。在另一个变化中，至少一种碱性物质，特别是石灰例如生石灰，是以固体形式、最好是粉末的形式被加入到生物材料中。
根据本发明的方法，往生物材料中加入碱性物质最好是在较早的阶段，优选的是在步骤b)或者该步骤之前即刻，根据本发明，特别有利的是分离后的细胞浆液在从生物材料分离的过程中直接进行纯化。在一个优选的实施例中，甜菜或甜菜片中的非糖物质，主要是蛋白质被事先以这种方法去除。即便如此，仍有很大一部分的非糖物质吸附或者积聚在甜菜片，即便是在萃取完成之后。当然，随后可以用已知的方式对分离后的细胞浆液进行一个补充的提纯过程。
此外，往生物材料中加入碱性物质可以在加工过程中降低生物材料的受污染的危险，提高生物材料和分离后细胞浆液的微生物学稳定性。与此相关地，微生物学稳定性约为104CFU/ml。
根据本发明的方法，在另一个优选的变化中，最好在步骤b)中，往生物材料中加入至少一种辅料。本发明中“辅料”是指一种混合物或纯化学物质，在分离的组分中，特别是分离的食品中无任何功能。这些辅料可以是加工过程中使用的物质，例如冷凝液，也可以是生产过程中用的水、溶剂、消毒剂，例如甲醛或者消泡剂。最好也可以是絮凝用的酸，例如阳离子或者阴离子絮凝用酸，或者用于引入碱性和/或钙离子的物质，例如石灰浆、生石灰、氢氧化钙、蔗糖酸钙、硫酸钙和其他钙盐和/或铝盐。根据本发明，优选加入的至少一种辅料通常以溶液的形式加入生物材料，最好是通过喷射。在另一个变化中，至少一种辅料以固体，最好以粉末的形式被加入。加入的辅助材料也会对分离的细胞浆液进行初步的纯化。
本发明中一个突出的优点是，步骤a)中对生物材料的电穿孔打开了细胞壁，这使得在步骤b)中将细胞浆液从生物材料中分离出来时，往生物材料中加入碱和/或钙离子非常便利。特别要指出的是，根据本发明，步骤a)的电穿孔和步骤c)的碱性萃取的组合可以进一步提高生物材料的可脱水性，例如在使用本发明的方法进行压榨后，干物质的含量提高了约8％。
因此，本发明还涉及一种提高萃取后的生物材料、特别是甜菜片的可压榨性的方法，随之而来的是压榨后的干物质含量的提高，该方法的特点是，在第一步对生物材料，特别是甜菜进行电穿孔，在接下来的步骤中对经电穿孔的生物材料，特别是经电穿孔的甜菜，或甜菜片、甘蔗或者菊苣进行碱性萃取，随后获得了具有更高可压榨性的萃取的生物材料。
本发明还涉及一种获得萃取后生物材料，特别是萃取后甜菜切片、甘蔗或者菊苣中较高干物质含量的方法，特别是干物质含量约为38％，该方法的特点是，在第一步对生物材料，特别是甜菜进行电穿孔，在接下来的步骤中对电穿孔后的生物材料、特别是电穿孔后的甜菜或甜菜片进行碱性萃取，在接下来的步骤中对电穿孔后的生物材料、特别是电穿孔后的甜菜或甜菜片，最好是以已知的方式进行压榨，最后得到具有更高干物质含量的萃取的生物材料。
在另一个优选的变化中，附加在方法步骤a)和b)之间的另一个步骤是，对生物材料进行切割，例如将甜菜切割成甜菜切片。这可以进一步增加从电穿孔后的生物材料分离细胞浆液的便利性。
在本方法的另一个优选的变换中，是在步骤b)中，在螺杆输送段附加安装有输送井或者缓冲井用于接收生物材料。在输送井以及在全螺旋输送装置中施加在生物材料上的初始机械压力始终低于2MPa，最好是低于1MPa，更好的是低于0.5Mpa。特别好的是不施加初始压力。当然优选使用的传输井用于在将生物材料输送进螺旋输送装置前进行临时存储和积累，因此在生物材料上施加的压力可以忽略。特别地，在输送井中积累的生物材料足够高时，会以一种已知的方式以较高的效率输送进螺旋输送装置，螺旋输送装置会显示出较好的装填度。
在一个变换中，本发明优选使用的螺旋输送装置的外壳和/或螺纹输送段(即螺纹)上贯穿有穿孔。也就是说，螺旋输送装置上设有穿孔，通过这些穿孔从生物材料中分离出的细胞浆液可以从螺旋输送装置流出。特别优选的是在外壳和螺纹上贯穿有穿孔。在生物材料通过螺旋输送装置被传输时，流出的细胞浆液，也就是传输液液，通过螺旋输送装置上设有穿孔的螺纹和/或外壳，汇集在通常安装于螺旋输送装置上的，特别是围绕螺旋输送装置的收集槽中。收集槽一般与排液管相连，优选的是位于最低点。
在另一个变换中，输送井，也就是用于电穿孔后的生物材料在输送进螺杆段前进行生物材料收集的的缓冲井，具有一个排出口，最好是安装在缓冲井的最低处。缓冲井中的从生物材料中分离出的细胞浆液优选的主要通过该排出口排出。
本发明还因此涉及一种用于从生物材料中分离组分的设备，该设备通常用于实施本发明的方法。根据本发明，该设备包括一套装置，特别是一个用于对生物材料进行电穿孔的容器、和至少一个用于接收电穿孔后的生物材料的全螺旋输送装置、用于将细胞浆液从生物材料分离、一个用于萃取生物材料的萃取器。根据本发明，该至少一个全螺旋输送装置的外壳和/或螺纹贯穿有穿孔。一个收集槽用于收集从全螺旋输送装置中分离出的细胞浆液，该收集槽环绕该全螺旋输送装置，优选的，该收集槽是密封式安装在全螺旋输送装置上。根据本发明，该全螺旋输送装置的功能主要是对生物材料进行滚动，也就是说对其施加轻微的机械负载。该功能与全螺旋输送装置的其他功能，即通过该装置输送生物材料，优选的是从电穿孔装置向萃取装置传输。
根据本发明，所述萃取装置优选的是一种混合沉降式萃取塔。在一个变换中，所述萃取装置是一个螺旋槽式萃取装置，例如DDS一萃取器。在另一个变换中，所述萃取装置是一种转鼓蜂房式萃取装置，例如RT转鼓。
在另一个优选的实施例中，本发明的设备包含一种切片机/切碎机，也就是一种切割机，优选的是一种安装在从生物材料电穿孔装置到全螺旋输送装置的输送线上的转鼓式切割机，该切割机还会将电穿孔后的生物材料在输送到全螺旋输送装置前进行切碎。在一个变换中，切片机/切碎机还配备有一个用于在切割前收集电穿孔后生物材料的中间贮藏罐，贮藏罐首先通过生物材料的堆积为其切割提供必要的压力。
在用于排出输送后的生物材料的螺杆段，最好还设置一个碎片容器，在该容器中收集了从螺旋输送装置中排出的生物材料，用于随后在萃取装置中对生物材料进行萃取。
在本发明的设备的一个优选实施例中，还设置有至少一个用于加入辅料和/或碱性物质的计量装置。在一个变换中，该计量装置具有至少一个洗涤管，该洗涤管带有至少一个与之相连的的喷头，用于将辅料的溶液和/或诸如石灰浆等碱化剂喷射到主要位于全螺旋输送装置中的生物材料上。在另一个变换中，所述至少一个计量装置用于加入固体物，特别是粉末状物，特别地，该装置是一个风动进料器和/或一个螺旋进料器。
所述计量装置优选的安装在全螺旋输送装置的计量区，特别是其外壳上方。在一个变换中，所述计量装置安装在中间贮藏罐的计量区。在另一个变换中，所述计量装置安装在碎物容器的计量区中。在这里，“计量区”是指被计量物质的限定空间，这些物质就是上述的辅料、碱化剂等，他们通过所选定的计量装置被加入到生物材料中。
在另一个优选的变换中，用于接收电穿孔后生物材料的螺杆段，优选的是安装在螺旋输送装置起点处的一个较低位置，而用于排出传输后的生物材料的螺杆段，优选的是安装在螺旋输送装置末端的一个较高位置，这个较高位置位于上述较低位置的上方。也就是说本发明提供的全螺旋输送装置是沿着一个坡度进行安装，其中生物材料在全螺旋输送装置中从较低位置向较高位置逆向于坡度进行输送。
其他优选实施例在下面的权利要求中予以陈述。


本发明中的装置将通过附图作更详细的说明图1是本发明的一套优选设备的示意图，该设备包括一个用于生物材料电穿孔的装置(1)，一个用于切割电穿孔后的生物材料、带有中间贮藏罐(2)和输送井(4)的切割机(3)，一个设有穿孔的全螺旋输送装置(5)，其上带有一个接收槽、至少一个用于向生物材料中加入辅助材料的计量装置(6)，一个用于收集从输送井和全螺旋输送装置流出浆液的排出口(7)，和一个萃取器(8)。
具体实施例方式
以下通过实施例对本发明作更详细地说明。
实施例1、电穿孔后生物材料的碱性萃取洗涤直接收获或者存储的甜菜，接着以粗略切割的形式或者不切割的形式，于电穿孔装置(1)中以0.7～1.5kv/cm的高压脉冲进行电穿孔。与此同时，甜菜或甜菜切片置于一种导电能力为0.4～2.1ms/cm的导电介质中。通过已知的方式以电穿孔的方式打开细胞壁。
电穿孔后的甜菜或甜菜切片被输送到直接位于切割机(3)上方的中间贮藏罐(2)中，从贮藏罐出来后被输送至切割机(3)中进行切割，然后通过输送井输送至全螺旋输送装置(5)中，该全螺旋输送装置的外壳和螺纹上钻有穿孔，以便使甜菜切片中流出的细胞浆液，也就是输送带上的浆液排出。石灰浆经计量后加入中间贮藏罐中，以降低微生物活性。
封闭的全螺旋输送装置的任务是，将电穿孔后的甜菜切片变成碎片后输送至萃取装置(8)的碎物容器中。全螺旋输送装置沿着输送方向有一个向上的坡度。也就是说全螺旋输送装置的最低点直接位于切割机(3)和螺旋输送装置(5)之间的输送点(4)的下方。其最高点直接位于切片碎块的坠物井前。用作缓冲井的输送井(4)安装在切割机的出口和全螺旋输送装置的进口之间，此处，全螺旋输送装置起到输送作用。新鲜的电穿孔后的甜菜切片收集在输送井(4)中。排出口(7)安装在螺旋输送装置的最低位置。该排出口用于收集在螺旋输送过程中和/或在输送井中机械加压时从电穿孔后的甜菜切片中流出的细胞浆液。
螺旋输送装置(5)一方面需要将电穿孔后的甜菜切片变成碎片后进行运送，另一方面需要将碎片材料在逆向坡度运输时进行机械冲击，更确切地说是进行滚动。在这里，输送井中的初始机械压力总是低于2Mpa。该最大压力值适用于整个装置，也就是说在从切割机到碎片的通道上所述装置中经电穿孔的切片在任何时间点所受到的压力均小于2MPa。
在通过螺旋输送装置(5)输送甜菜切片的过程中流出的输送浆液通过螺旋输送装置穿孔的外壳流出，并收集在环绕全螺旋输送装置的收集槽中，并在螺旋输送装置的最低点流入上述排出口(7)中。在经电穿孔的甜菜切片输送至全螺旋输送装置的过程中，来自经电穿孔的甜菜切片的细胞浆液从全螺旋输送装置的穿孔和螺旋输送装置外壳的穿孔中流出并聚集，然后被送至排出口(7)流入安装在全螺旋输送装置下方的收集槽。在这里，收集槽是将全螺旋输送装置密封封闭起来的。
在螺旋输送装置的收集槽和外壳之间沿螺旋输送装置的轴向安装有洗涤管。洗涤管上安装有用作计量装置(6)的喷头，通过该喷头，辅料从外面被喷射到全螺旋输送装置的外壳上。在一种改进的方案中，在全螺旋输送装置内部从全螺旋输送装置的起点开始沿全螺旋输送装置的输送方向向上直至全螺旋输送装置的某个点安装多个带有喷头的计量点，在螺旋输送装置正常工作时，甜菜切片在螺旋输送装置内有大约5分钟的停留时间。辅料通过计量后喷射到输送中的甜菜切片堆中。通过中间贮藏罐和全螺旋输送装置内的辅料的添加点可以在甜菜切片变成碎片的过程中加入蔗糖酸钙溶液。作为替换，也可以选择向甜菜切片内加入石灰浆或者干石灰。溶液的大部分将被甜菜切片所吸收。在这里，甜菜切片吸收了钙，并准备用于以已知的方式进行碱性萃取。未被甜菜切片吸收的蔗糖酸钙或石灰或石灰浆聚集在螺旋输送装置的最低点，并在那里与细胞浆液，也就是输送液一起被排出并进行进一步的处理。
在螺旋输送装置中被滚压的甜菜切片通过碎物容器被送入逆流萃取单元，并在该单元中被萃取，然后萃取物被收集。萃取的温度在45～60℃之间；优选明显高于45℃的温度，但最高为60℃。萃取装置可以是混合沉降式萃取塔、螺旋槽式萃取装置，或者转鼓蜂房式萃取装置。在萃取装置中，甜菜切片在与萃取剂(所谓的清水)的逆流中被萃取。
接着进行石灰浆一碳酸一浆液提纯。提纯后的萃取物(稀浆液I和II)按传统方式进行进一步处理；也就是说在浆液浓缩成糖浆后在结晶器中通过进一步蒸发和连续结晶分离出糖。分离出的碳酸钙浆按传统方式通过压滤机进行脱水，并作为肥料，即所谓的碳石灰(Carbokalk)进行出售。
在全螺旋输送装置和/或输送井中分离出的细胞浆液在进行碱化后加入絮凝酸。输送液按照传统方式输送至静态倾析器。将倾析器中的碎屑抽出，送入与萃取工序平行进行的预加灰装置中。另一方面，倾析器中的清液可进一步与萃取工序得到的稀浆液合并使用。与此同时，获得的萃取物按照传统方式进行浆液提纯。
萃取后的甜菜切片在螺旋压力机中进行压榨。压榨出的压榨水被重新送入萃取装置中。压榨后的碎片按传统方式进行加热脱水，也即在低温干燥器、高温干燥器或者蒸发干燥器中进行脱水。
实施例2、中试规模的方法接下来对中试规模试验(处理的甜菜量6kg/h)进行描述，以便对该方法的优点进行说明。
甜菜的切割和碱化处理步骤甜菜在场强为0.7～1.5kV/cm的电穿孔装置中进行电穿孔，接着在中试规模的切碎机/粉碎机(亚历山大公司产品)中切碎。然后将甜菜切片送入混合器中，并加入石灰浆(熟石灰溶液)处理。在这里，注意确保切片的温度低于20℃。熟石灰溶液的量(浓度220g CaO/l)，对应于每100克甜菜中加入0.3～0.5g有效碱性物质CaO。碱化后的甜菜送入型号为DDS的槽式螺旋输送装置中。螺旋输送装置的外壳和螺纹上设有穿孔。甜菜切片通过螺旋输送装置在轻微的滚压下进行输送。在输送过程中，相对于所用甜菜总量的大约20～30％的碱化的甜菜细胞浆液被分离出来。碱性甜菜浆液(pH11～12)被收集。
萃取处理步骤碱性甜菜切片送入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(使用石灰浆(pH＝9.5；80°dH)轻微碱化和硬化的水)以与切片材料逆流的方向传送。在半连续式的操作中，预先去除浆液的甜菜切片以每小时4.8千克的速度进行萃取，基于甜菜切片的量，清水的加入量为60～80％。萃取在的60℃的温度下进行，相对于传统方法有所降低。
特别有利的是，该方法消耗较少的能量，并且对甜菜切片的处理比较柔和。其优点还表现在较好的萃取质量(高纯度)以及下游对甜菜切片进行压榨时具有较好的可压榨性。
本实验中，碱性萃取和电穿孔组合的主要优点，表现在相对于传统方法萃取后的甜菜切片具有较高的可压榨性(在冲压机中进行压榨)，压榨后切片中的干物质含量明显较高，提高约8％。例如干物质含量从传统方法的30％提高至38％。这使得在随后的甜菜切片加热脱水过程中所消耗的能量明显降低。
萃取液纯度介于91.5～92.5％之间，明显高于传统方法。传统方法萃取出的重要的非糖物质，例如碱性处理时被萃取出来的似蛋白质的物质和胶质仍然留在甜菜切片中，因而提高了在随后的颗粒饲料加工中生产的饲料的价值。
在该方法实现工业化后，压榨萃取后的甜菜切片所获得的压榨水被送回萃取装置中。这有利于压榨水的高纯度，其纯度约为89％。
浆液提纯处理步骤碱性的输送浆液和碱性的萃取物被合并。浆液提纯在实验室规模的浆液提纯装置(带温度控制的三口烧瓶)中进行。混合物加入石灰浆(浓度为220g CaO/l)(直至萃取物碱性为0.4～0.6g CaO/100ml)。然后浆液的碱化处理在85℃的条件下进行。该步骤用于分解那些影响后续处理的转化糖和酰胺。接下来的步骤基本上与传统方法一致。在第一和第二次碳酸化过程中，通过通入二氧化碳使碳酸钙沉淀出来，碳酸钙与浆液中的非糖物质吸附结合，并通过随后的过滤步骤从浆液中去除。在浆液提纯的最后获得提纯的萃取物。
试验表明，提纯后的萃取物具有较高的质量，也就是说相对于传统方法(超过1000I.E.)色泽较浅(约600～800I.E.)。提纯后萃取物在随后进行的浆液浓缩步骤中的热稳定性也较高。在一个实验室测试中(浓缩液回流一小时)浆液色泽变化只有约25I.E.。该方法的缺点是可溶性钙离子、即所谓石灰盐的含量相对较高。
用于在温和的温度和碱性条件下进一步预碱性化目的预加灰的步骤可以被省略。
分离出的碳酸钙沉淀物相比传统方法含有更少的非糖物质。这可以提高碳石灰肥料的价值。
结果概述-通过在全螺旋输送装置和输送井中对甜菜施加机械压力进行预处理，大部分的细胞浆液被从甜菜中分离出来。相应地，细胞浆液的得率约为所加入甜菜量的10～30％。
-通过预先分离细胞浆液，减少了在随后的萃取中分离的糖的数量，这可以显著降低回收率至大约90％。
-通过降低回收率，使得萃取物的纯度提高至大约92％。
-电穿孔后的甜菜切片在较低的温度下进行逆流萃取，即在45～60℃之间的温度下，最好总是高于45℃，并低于60℃的条件下进行萃取。相应地，萃取时对甜菜切片的温和处理进一步有利于提高萃取物的质量(纯度)。
-甜菜切片在碱性萃取后的可压榨性提高。干物质含量提高8％，例如从30％提高至38％。
-所需的清水量的减少降低了需要蒸发的水的量。
-输送浆液的预先分离增加了下游浆液提纯中的分离处理量。由于其纯度较高，对溶解于输送浆液中非糖物质的预先分离是可能实现的。
-高纯度输送液和随后的萃取过程中得到的萃取物的混合物的纯度相比传统方法所得浆液的纯度更高。
-甜菜切片和从甜菜切片中分离出的细胞浆液的碱化使其微生物学稳定性提高至104CFU/mL。
权利要求
1.一种从生物材料中分离组分的方法，包括以下步骤a)对生物材料进行电穿孔，b)从电穿孔后的生物材料中分离细胞浆液，c)对生物材料进行萃取，和d)从所述细胞浆液和萃取物中获得生物细胞材料的组分。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，所述生物材料在导电介质中被置于高压电场。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，细胞浆液从生物材料的分离通过机械负载的方式，最好是滚压的方式。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述生物材料的机械负载总是低于2MPa。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤b)在螺旋输送机、最好是全螺旋输送机中进行。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)，往生物材料中加入辅料，最好是石灰和/或石灰浆。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤c)在0～65℃的温度下，最好是45～60℃下进行。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤c)包括碱性萃取。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述生物材料包括甜菜(Betavulgaris)和/或甜菜片。
10.一种用于从生物材料中分离组分的设备，特别是根据权利要求1～9中的任一项，具有至少一种用于对所述生物材料进行电穿孔的装置(1)，以及至少一种用于接收所述经电穿孔的生物材料的全螺旋输送装置(5)。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述至少一个全螺旋输送装置(5)，特别是其外壳和/或其螺纹，钻有穿孔，用于排出从生物材料中分离出的细胞浆液。
12.如权利要求10或11所述的设备，其特征在于，所述至少一个全螺旋输送装置(5)是一个螺旋输送机，该螺旋输送装置上用于接收电穿孔后的生物材料的螺杆段位于较低位置，而螺旋输送装置上用于输出输送的生物材料的螺杆段位于较高位置，在两个螺杆段之间有一个坡度。
13.如权利要求10～12中任一项所述的设备，其特征在于，还包括一个用于萃取所述生物材料的萃取装置(8)。
14.如权利要求10～13中任一项所述的设备，其特征在于，还包括至少一个用于测量辅料的测量装置。
全文摘要
本发明涉及一种改进的方法、用于从生物材料、特别是甜菜(Beta vulgaris)中提取组分。
文档编号C13B20/02GK1726291SQ200380106422
公开日2006年1月25日 申请日期2003年12月18日 优先权日2002年12月18日
发明者斯特凡·弗伦策尔, 托马斯·米歇尔贝格尔, 京特·维特 申请人:曼海姆/奥克森富特旭德楚克股份公司