PL210160B1 - Sposób i urządzenie do ekstrakcji składników z materiału biologicznego - Google Patents

Description

Przedmiotowy wynalazek dotyczy sposobu ekstrakcji składników z materiału biologicznego a także urządzenia do realizacji tego sposobu.

Jest rzeczą powszechnie wiadomą, że z wielkiej różnorodności różnych materiałów biologicznych, w szczególności z surowców roślinnych takich, jak pochodzące z upraw owoce, korzenie i bulwy, uzyskiwane są, technologiami mechanicznymi i/lub termicznymi, składniki o dużej wartości. Aby móc wydzielić te składniki z materiału biologicznego w każdym przypadku musi być dokonywane otwarcie błon materiału komórkowego, zwłaszcza komórek roślin. Następuje to z zasady przez nacisk mechaniczny taki, jak krojenie, ucieranie, walcowanie, itp. Inne sposoby służące otwieraniu błon komórek materiału biologicznego obejmują termiczne otwieranie komórek, podczas którego błony komórek ulegają denaturacji w wyniku oddziaływania temperatury, albo też przez połączenie sposobu termicznego i sposobu mechanicznego. Po procesie otwierania komórek rozpuszczalne składniki materiału biologicznego wyekstrahowuje się pod ciśnieniem przy pomocy środka rozpuszczającego, którym najczęściej jest woda, a gdy składniki są nierozpuszczalne są one wypłukiwane.

Takie sposoby uzyskiwania składników z materiału biologicznego mają szczególne znaczenie dla przemysłu cukrowniczego, bowiem jak wiadomo w Europie Środkowej dla otrzymania cukru (sacharozy) buraki cukrowe (Beta vulgaris) muszą być przerabiane tą technologią prowadzącą do uzyskania cukru. Zazwyczaj umyte buraki kraje się przy tym w konwencjonalnych maszynach tnących a następnie tak otrzymaną krajankę sparza się gorącą wodą o temperaturze od ok. 70 do 75°C. Podczas tej operacji komórki buraków poddane zostają denaturacji termicznej, co oznacza, że ścianki komórek zostają otwarte i stają się przepuszczalne dla cząsteczek sacharozy. W kolejnym procesie ekstrakcji, realizowanym zazwyczaj metodą przeciwprądową, w temperaturze od ok. 68 do 70°C uzyskuje się ekstrakt zawierający sacharozę, czyli surowy sok dyfuzyjny.

Jak wiadomo, aby umożliwić efektywną ekstrakcję należy dodać znaczną ilość wody dyfuzyjnej (kondensatu). W celu optymalizacji przebiegu ekstrakcji oraz dla zmniejszenia pozostałości cukru w ekstrahowanej krajance w znanych technologiach odcią ga się okoł o 105% do 110% soku dyfuzyjnego - w odniesieniu do ilości krajanki. Wielkość odciągu oblicza się ze stosunku masy ekstraktu do użytej masy buraków. W dalszej kolejności można przeprowadzać oczyszczanie soku ekstraktu.

Oprócz tego, że do przeprowadzenia ekstrakcji niezbędna jest znaczna ilość wody dyfuzyjnej, technologia stosowana przy obróbce materiału biologicznego do uzyskania z niego składników jest również procesem bardzo energochłonnym. Szczególnie duże zapotrzebowanie na energię związane jest z operacją termicznego wyodrębniania materiału biologicznego w zwyczajowo stosowanych temperaturach powyżej 70°C. Ale przecież także w kolejnym etapie procesu ekstrakcji musi być zaangażowana znaczna ilość wody dyfuzyjnej o temperaturze ponad 70°C, która w dalszym przebiegu procesu musi być odparowana, co też kosztuje. Z istniejącego aktualnie stanu techniki wynika, więc potrzeba opracowania mniej energochłonnego sposobu otwierania komórek materiału biologicznego, w szczególności buraków cukrowych lub krajanki buraków cukrowych. Z istniejącego stanu techniki wynika również potrzeba - przy pomocy odpowiednio ustawionych etapów technologicznych - zmniejszenia ilości wody i energii potrzebnej do uzyskania składników z materiału biologicznego.

Dalszym ważnym aspektem sprawy jest zdolność odwadniania ekstrahowanego biologicznego materiału. Dla przykładu, w celu wyprodukowania cukru każdego roku przerabia się w Republice Federalnej Niemiec około 27 milionów ton buraków cukrowych. Po przeprowadzonej w wodzie ekstrakcji przeciwprądowej rozdrobnionych buraków pozostaje 15 milionów ton ekstrahowanej krajanki, stosowanej, jako pasza dla bydła, zawierającej ok. 90% wody. Aby produkt ten nadawał się do przechowywania i transportu musi zostać w znacznym zakresie odwodniony. Odwadnianie nastę puje gł ównie na drodze mechanicznego wyciskania (wytłaczania) i następującego potem suszenia, tak aby zawartość wody wynosiła ok. 10%. Zasadniczo wyższy stopień wyciskania (wytłaczania) oznacza większe zużycie energii elektrycznej, a jest to cena za zmniejszone zużycie paliwa używanego do suszenia. Ponieważ dotychczas koszty mechanicznego odwadniania do zawartości suchej substancji wynoszącej około 35% są wyraźnie korzystniejsze niż dla suszenia, stałym celem przemysłu cukrowniczego jest poprawienie operacji wyciskania. Nacisk wywierany przez koszty suszenia i związane z suszeniem przedsięwzięcia podejmowane w obszarze ochrony środowiska doprowadziły już do tego, że stałemu poprawianiu i ulepszaniu podlegają operacje odwadniania mechanicznego. Przeciętna zawartość suchej masy w krajance prasowanej, określona dla 16 wybranych fabryk, wzrosła z niecałych 20% w roku 1976 do przeciętnej wartości ok. 32% w roku 1987. Jeśli po wyciśnięciu (wytłoczeniu) ekstrahowanej krajanki do zawartości

PL 210 160 B1 suchej substancji 20% usuwane bywa jeszcze około 44% zawartej w krajance wody, wówczas przy wyciśnięciu ekstrahowanej krajanki do zawartości substancji suchej wynoszącej 30% udział ten obniża się do około 25%. Oznacza to znaczącą oszczędność energii, która dla fabryki przerabiającej dziennie 10000 ton buraków, wynosić może kwotę około 500000 EUR na kampanię (przy założeniu ceny oleju 150 EUR za tonę). Dlatego właśnie istnieje pilna potrzeba dalszego udoskonalenia podatności biologicznego materiału, zwłaszcza w postaci krajanki buraków cukrowych, na poddawanie go, po ekstrakcji, operacji wyciskania, czyli inaczej mówiąc, aby ulepszona została podatność materiału na odwadnianie.

Celem przedmiotowego wynalazku jest zapewnienie udoskonalonego sposobu ekstrakcji składników z materiału biologicznego, jak również urządzenia do realizacji udoskonalonego sposobu, przy czym udoskonalony sposób charakteryzuje się wysoką sprawnością i ekonomicznością przy równoczesnym małym zużyciu zasobów energetycznych i wodnych.

Przedmiotem wynalazku jest sposób ekstrakcji składników z materiału biologicznego, znamienny tym, że obejmuje etapy:

a) elektroporację materiału biologicznego,

b) oddzielenie soku komórkowego z poddanego elektroporacji materiału biologicznego przez zastosowanie niewielkiego nacisku mechanicznego, przy czym materiał biologiczny pozostaje niezmieniony pod względem kształtu i struktury, a następnie skierowanie materiału biologicznego w mechanicznie niezmienionej postaci do etapu ekstrakcji,

c) zasadową ekstrakcję poddanego elektroporacji materiału biologicznego przy wartości pH wynoszącej od 7 do 14, zmierzonej w 20°C, oraz

d) otrzymywanie składników wypełniających komórki materiału biologicznego w postaci soku komórkowego i ekstraktu.

W jednym z korzystnych wariantów wykonania sposobu wedł ug wynalazku materia ł biologiczny w etapie (a) poddaje się działaniu pola wysokiego napięcia w oś rodku przewodzącym. W innym korzystnym wariancie wykonania sposobu według wynalazku

W etapie (b) sok komórkowy oddziela się poprzez nacisk mechaniczny, przede wszystkim przez zgniatanie. W szczególnie korzystnym przypadku nacisk mechaniczny na materiał biologiczny wynosi zawsze mniej niż 0,5 MPa.

W kolejnym korzystnym wariancie wykonania sposobu według wynalazku etap (b) prowadzi się w ś limaku, a w szczególnoś ci w ś limacznicy. W nastę pnym korzystnym wariancie wykonania sposobu według wynalazku w etapie (b) do materiału biologicznego dodaje się środki pomocnicze, korzystnie wapno i/lub mleko wapienne. W dalszym korzystnym wariancie wykonania sposobu według wynalazku etap (c) prowadzi się w temperaturze od 0 do 65°C, a w szczególności od 45 do 60°C. W innym korzystnym wariancie wykonania sposobu według wynalazku, jako materiał biologiczny stosuje się buraki cukrowe (Beta vulgaris) i/lub krajankę buraków cukrowych. W alternatywnym, korzystnym wariancie wykonania sposobu według wynalazku, jako materiał biologiczny stosuje się cykorię.

Przedmiotem wynalazku jest również urządzenie do ekstrakcji składników z materiału biologicznego sposobem określonym powyżej, zaopatrzone, w co najmniej jedno urządzenie do prowadzenia elektroporacji oraz co najmniej jeden ekstraktor, charakteryzujące się tym, że pomiędzy urządzeniem do prowadzenia elektroporacji i ekstraktorem posiada zamontowaną, co najmniej jedną ślimacznicę do przejmowania materiału biologicznego poddanego wcześniej elektroporacji, która to ślimacznica ma perforację na płaszczu zewnętrznym i/lub na powierzchni toru ślimakowego, a ponadto pomiędzy urządzeniem do prowadzenia elektroporacji i co najmniej jedną ślimacznicą urządzenie do ekstrakcji składników z materiału biologicznego posiada co najmniej jeden szyb przekaźnikowy, przy czym w szybie przekaźnikowym i ś limacznicy nastę puje oddzielenie soku komórkowego z poddanego elektroporacji materiału biologicznego przez zastosowanie niewielkiego nacisku mechanicznego, przy czym materiał biologiczny pozostaje niezmieniony pod względem kształtu i struktury. W korzystnym przypadku realizacji urządzenia według wynalazku, co najmniej jedna ślimacznica jest ukształtowana, jako podajnik ślimakowy, zaś ślimak w dolnym punkcie posiada odcinek do przejmowania materiału biologicznego poddanego wcześniej elektroporacji, natomiast w górnym punkcie posiada odcinek do oddawania transportowanego materiału biologicznego, przy czym między tymi odcinkami znajduje się odcinek pochyły. W dalszym korzystnym wariancie wykonania urządzenie według wynalazku dodatkowo posiada, co najmniej jedno urządzenie dozujące do dozowania środków pomocniczych.

W wyniku elektroporacji, przeprowadzonej wedł ug przedmiotowego wynalazku z zastosowaniem impulsów wysokonapięciowych, uzyskuje się szczególnie korzystne otwarcie komórek materiału biologicznego, zwłaszcza komórek buraków. Tym samym przestaje być konieczne termiczne otwieranie tych

PL 210 160 B1 komórek w celu przeprowadzenia w dalszej kolejności procesu ekstrakcji. Przeprowadzone równolegle wstępne przygotowanie materiału biologicznego umożliwia uprzednie oddzielenie soku komórkowego, w szczególnoś ci wielkiej lub znacznej części soku komórkowego, w nastę pstwie czego - korzystnie zostaje zredukowana ilość składników materiału biologicznego, jakie mają być z niego wyekstrahowane w trakcie kolejnego etapu ekstrakcji według wynalazku. Wynika z tego dalej szczególnie korzystne wymierne zmniejszenie wymaganej ilości wody dyfuzyjnej, jaka musi być użyta do ekstrakcji składników, wciąż pozostającej w materiale biologicznym po oddzieleniu soku komórkowego. Prowadzi to też do wymiernego zmniejszenia odciągu, to znaczy stosunku ilości ekstraktu do ilości użytego materiału biologicznego.

W kontekś cie przedmiotowego wynalazku pod pojęciem „materiału biologicznego” należy rozumieć surowce roślinne i produkty rolne zawierające wartościowe składniki. Głównie są to buraki cukrowe i trzcina cukrowa, zawierające ważny składnik - sacharozę, ale też i cykoria zawierająca ważny składnik w postaci inuliny, jak również ziarna roślin oleistych służące do uzyskiwania oleju, winogrona dla uzyskiwania soku winogronowego albo owoce, jakie mogą być zastosowane do otrzymania barwników roślinnych, takich jak karoten, lub do uzyskiwania substancji zapachowych. Pod tym pojęciem należy też rozumieć rośliny lub ich części, z których uzyskuje się krochmal.

W zwią zku z przedmiotowym wynalazkiem podczas ekstrakcji odbywa się proces oddzielania, którego celem jest uwalnianie określonych substancji składowych przy zastosowaniu stosownych środków rozpuszczających, w szczególności zaś uwalnianie składników ze stałych lub ciekłych mieszanin substancji, zwłaszcza z materiału biologicznego, przy czym między rozpuszczalnikiem i uwalnianymi substancjami, czyli składnikami materiału biologicznego, nie zachodzą żadne reakcje chemiczne. Przy uzyskiwaniu z materiału biologicznego rozpuszczalnych w wodzie składników, takich jak sacharoza, inulina, krochmal, jako środek ekstrakcji stosuje się przede wszystkim wodę. Jest tak na przykład przy otrzymywaniu cukru z buraków cukrowych lub z krajanki buraków cukrowych. W innym wariancie sposobu z materiału biologicznego uzyskiwać można dodatkowo, albo wyłącznie, składniki rozpuszczalne w tłuszczach, przez zastosowanie przeważnie niepolarnych i/lub organicznych środków rozpuszczających.

W szczególnie preferowanym wariancie realizacji etap a) sposobu wedł ug wynalazku, a mianowicie elektroporacja materiału biologicznego, przebiega w ośrodku przewodzącym, przy czym materiał biologiczny wystawiany jest na działanie pola wysokiego napięcia. W optymalnym wariancie przewiduje się, że działające na materiał biologiczny pole wysokiego napięcia będzie wytwarzane w znany sposób, na przykład przez elektrody przewodzące prąd, do których przykładane będzie napięcie, zwłaszcza wysokie napięcie. Preferowane jest stosowanie przebiegów wysokiego napięcia w formie impulsów, przewiduje się jednak również pola napięcia zmiennego okresowo lub pola napięcia stałego. Natężenie pola wynosi najczęściej około 0,5 do 1,5 kV/cm, a najkorzystniej zawarte jest ono w przedziale od 0,7 do 1,3 kV/cm. W szczególnie preferowanym wariancie przewodnictwo oś rodka, w którym znajduje się materiał biologiczny, jest tak dopasowywane do przewodnictwa materiału biologicznego, aby osiągane było optimum przebiegu linii pola wewnątrz materiału biologicznego, i wynosi najczęściej około 0,2 do 2,5 mS/cm, a najkorzystniej zawarte jest ono w przedziale od 0,4 do 2,1 mS/cm. W szczególnie preferowanym wariancie do procesu elektroporacji stosuje się cał e owoce lub bulwy, na przykład całe buraki cukrowe. Stwierdzone zostało, że dzięki temu zapotrzebowanie na energię niezbędne do przeprowadzenia elektroporacji, w porównaniu do zapotrzebowania na energię niezbędnego do obróbki rozdrobnionego materiału biologicznego, jest istotnie zmniejszone. Oczywiście przewiduje się również, że do operacji elektroporacji dostarczany będzie materiał biologiczny w formie rozdrobnionej, na przykład, jako krajanka buraków cukrowych.

Zgodnie z wynalazkiem preferowane jest wyodrębnianie soku komórkowego z materiału biologicznego, z zastosowaniem ograniczonego nacisku mechanicznego, następujące w etapie b) sposobu według wynalazku. Według wynalazku przewiduje się, że nacisk mechaniczny, czyli siła wywierana na materiał biologiczny w etapie a), w etapie b), w etapie c) i w etapie d) sposobu według wynalazku jest zawsze, to znaczy w każdym momencie i w każdej fazie sposobu, mniejsza niż 2 MPa, korzystnie mniejsza niż 1 MPa, a najkorzystniej - mniejsza niż 0,5 MPa. Oznacza to, że według wynalazku preferowane ciśnienie wywierane na materiał biologiczny lub inaczej mówiąc nacisk mechaniczny na materiał biologiczny podczas całej operacji technologicznej jest zawsze poniżej granicy 2 MPa, zaś na materiał biologiczny nie jest wywierany wpływ żadnych innych sił i obciążeń. Zgodnie z wynalazkiem szczególnie cenne jest to, że nacisk mechaniczny na materiał biologiczny jest zredukowany maksymalnie, zaś ciśnieniowe obciążenie zawsze jest mniejsze niż 1 MPa, a nawet jest mniejsze niż 0,5 MPa. Oznacza to,

PL 210 160 B1 że na materiał biologiczny nie jest praktycznie wywierane ciśnienie ani nie jest on poddawane mechanicznemu naciskowi. W stosunku do znanego ze współczesnego stanu techniki dużego nacisku mechanicznego na materiał biologiczny przy stosowanym ciśnieniu powyżej 2 MPa, a najczęściej zawartym w przedziale od około 10 do około 30 MPa i odpowiadającym sprasowaniu materiału biologicznego, stanowi to znaczące zmniejszenie.

Preferowany ograniczony nacisk mechaniczny według wynalazku uzyskuje się zazwyczaj przez prostą operację wałkowania (zbijania) i/lub przerzucania materiału biologicznego, na przykład w ślimaku, która najlepiej, jeśli ma postać ślimacznicy. Dla operacji wałkowania (zbijania) i/lub przerzucania materiału biologicznego mogą być oczywiście stosowane także i inne znane urządzenia służące do tego samego celu. Najlepiej do tego nadają się wszystkie rodzaje przenośniki ślimakowych, takich jak ślimaki półotwarte, ale też i taśmociągi transportowe, wstrząsarki taśmowe lub bębny.

Nieoczekiwanie stwierdzono, że nawet przy tak małym nacisku mechanicznym (patrz wyżej) z materiału biologicznego poddanego wcześniej elekroporacji, w szczególnoś ci z buraków lub krajanki buraczanej, uzyskiwać można dużą ilość soku komórkowego i szczególnie dużą ilość składników zawartych w materiale biologicznym. Jak wiadomo buraki lub ich krajanka, z komórkami otwartymi termicznie lub elektrycznie, w standardowej technologii obróbki wstępnej, na przykład przed ekstrakcją, są zazwyczaj poddawane sprasowaniu pod wysokim ciśnieniem mechanicznym, wynoszącym powyżej 2 MPa, a najczęściej zawartym w przedziale od 10 do 30 MPa. W wyniku tego buraki lub krajanka buraczana muszą być skierowane do etapu technologicznego następującego po tej operacji prasowania mając mechanicznie zmienioną postać, zazwyczaj o konsystencji papki. W przeciwieństwie do tego, według wynalazku, dzięki zastosowanemu w etapie b) małemu naciskowi mechanicznemu w celu oddzielenia soku komórkowego, materiał biologiczny pozostaje niezmieniony pod wzglę dem kształtu i struktury, może więc w dalszym ciągu, w swej mechanicznie niezmienionej postaci, być bez trudu kierowany do następnego etapu technologicznego, mianowicie do ekstrakcji.

Z powyż szego wynika w sposób korzystny, ż e sok komórkowy, jaki zostaje oddzielony w etapie b), dzięki zastosowaniu małego nacisku mechanicznego jest w zasadzie klarowny i niezanieczyszczony przez włókniste drobiny, w szczególności o charakterze zawiesin itp., występujące w nieunikniony sposób wskutek stosowania dużego nacisku mechanicznego. Uzyskuje się, więc sok o dużej czystości. W kolejnym wariancie realizacji sok komórkowy oddzielony w etapie b) dodatkowo poddaje się klarowaniu przez dodanie środka wytrącającego i zbijającego zawiesiny włókniste.

Przez realizację etapu b) sposobu według wynalazku jeszcze przed fazą ekstrakcji w etapie c) dokonuje się wstępnej obróbki materiału biologicznego. Zgodnie z wynalazkiem ta obróbka wstępna umożliwia dokonanie korzystnego wstępnego oddzielenia soku komórkowego z materiału biologicznego w szczególnie efektywny sposób. Stwierdzono, że tak wstępnie obrobiony materiał biologiczny według wynalazku, głównie za sprawą niewielkiego nacisku mechanicznego preferowanego według wynalazku, stanowi materiał stabilny mechanicznie, a także bardziej „sypki”, dzięki czemu środek ekstrahujący może bardzo dobrze przez niego przepływać, umożliwiając szczególnie efektywną ekstrakcję.

Dalszą zaletą sposobu według wynalazku jest to, że przez wstępne oddzielenie znacznej ilości soku komórkowego i fakt, że zawarta jest w nim znacząca część składników materiału biologicznego, realizowana następnie ekstrakcja przy uzyskiwaniu wewnętrznego składnika komórek z materiału biologicznego odgrywa znacznie mniejszą rolę. W szczególności przy stosowaniu, jako materiału biologicznego buraków cukrowych lub krajanki z buraków cukrowych, ilość cukru, jaka ma być wydzielona w fazie ekstrakcji, stanowiącej kolejny etap, jest wyraźnie zredukowana. Przy preferowanym stosowaniu jako materiału biologicznego buraków lub buraczanej krajanki zysk wynosi, przy odniesieniu do całkowitej masy materiału biologicznego, około 10 do 30% masy.

Szczególną zaletą sposobu według wynalazku jest to, że prowadzi do wyczuwalnego zmniejszenia koniecznej ilości wody dyfuzyjnej, stosowanej do ekstrakcji składników materiału biologicznego, bowiem zgodnie z wynalazkiem dochodzi do wyraźnego zmniejszenia odciągu, czyli do zmniejszenia stosunku ilości ekstraktu do masy użytego materiału biologicznego. Ilość odciągu zostaje przy tym zmniejszona do wielkości poniżej 100%, w szczególności do około 90%. Ze zmniejszenia ilości odciągu według wynalazku szczególnie korzystne jest to, że następuje przy tym wzrost czystości ekstraktu do wartości powyżej 90%, z dochodzeniem nawet do wartości 91,5% - 92,5%. W następstwie tego ilość mleka wapiennego, stosowana w preferowanej operacji oczyszczania masy produktu towarzyszącej uzyskiwaniu ekstraktu w etapie c), może być znacząco zmniejszona, w szczególnych przypadkach nawet do wartości od około 15% do około 30%.

PL 210 160 B1

Aby nie ograniczać się tylko do teorii, można stwierdzić, że konieczność dokonywania kolejnej ekstrakcji jest znacząco zmniejszana po pierwsze przez elektroporację w etapie a), ponieważ w wyniku elektroporacji powstają otwory w błonie komórkowej, a po drugie przez oddzielenie dużej ilości soku komórkowego z poddanego elektroporacji materiału biologicznego w etapie b), w wyniku czego ekstrakcja materiału biologicznego może odbywać się przy znacząco niskich temperaturach. Preferowany sposób według wynalazku wyróżnia się, więc też tym, że etap ekstrakcji c) przeprowadza się w temperaturze znacznie niższej w porównaniu do znanej z aktualnego stanu techniki, to jest przy temperaturze od 10 do 65°C, optymalnie zawartej w przedziale od 45 do 60°C, a zwłaszcza w przedziale od 46 do 60°C.

Jest sprawą zrozumiałą samą przez się, że temperatura ekstrakcji może być dopasowywana do wymagań materiału biologicznego i w związku z tym może być znacznie niższa lub wyższa, zawsze jednak na poziomie umożliwiającym przeprowadzenie ekstrakcji. Dzięki obniżeniu temperatury ekstrakcji możliwa jest bardziej oszczędna obróbka materiału biologicznego, na przykład krajanki buraków, niż przy zastosowaniu konwencjonalnej technologii denaturacji termicznej. Według wynalazku wynika z tego korzyść w postaci podwyższenia podatności materiału biologicznego, na przykład krajanki buraczanej, na wyciskanie, o około 2% masy TS (TS = Trockensubstanz - substancja sucha).

Zgodnie z wynalazkiem oczyszczony ekstrakt, a zwłaszcza rzadki sok I i II, w końcowej fazie może być zagęszczany w wielostopniowym urządzeniu parnikowym do uzyskania zawartości substancji suchej na poziomie około 70%. Ilość energii, jaka jest niezbędna dla końcowego odparowania wody dyfuzyjnej z uzyskanego ekstraktu jest zmniejszona ze względu na zmniejszenie ilości wody dyfuzyjnej według wynalazku.

Zgodnie z preferowanym sposobem według wynalazku z ekstraktu, jaki zgodnie z wynalazkiem otrzymany jest z poddanych przetwarzaniu buraków cukrowych i/lub z rzadkiego sosu, w wielostopniowej instalacji krystalizacyjnej otrzymuje się cukier. Wyekstrahowany materiał biologiczny, w szczególności wyekstrahowana krajanka buraczana, zostaje w końcowej fazie jeszcze raz poddana mechanicznemu odwodnieniu i na przykład zmieszana z melasą oraz, w preferowanym wariancie, po termicznym osuszeniu, wprowadzona na rynek, jako pasza, w szczególności pod postacią łupin.

W innym preferowanym wariancie ekstrakcja w etapie c) odbywa się, jako ekstrakcja alkaliczna, w szczególności z zastosowaniem ś rodków alkalizujących, takich jak mleko wapienne i/lub wapno palone. Pod pojęciem „alkaliczny” rozumiany jest w tym kontekście poziom wartości pH środowiska wodnego w granicach od ok. pH 7 do ok. pH 14 (przy 20°C). W preferowanym wariancie ekstrakcję alkaliczną przeprowadza się przy wartości od pH 7,5 do pH 11, zwłaszcza przy ok. pH 10, na przykład przy pH 10,2.

Przy ekstrakcji alkalicznej nie we wszystkich przypadkach można wykluczyć wystąpienia chemicznych reakcji z materiałem biologicznym, w szczególności powstawać może pewna ilość wielkocząsteczkowego pektynianu wapnia. Przy znanych temperaturach ekstrakcji, zawartych w granicach od około 70 do 75°C, te niepożądane chemiczne reakcje alkalicznej ekstrakcji są tak gwałtowne, że po części powstają duże ilości pektynianu wapnia, które znacznie utrudniają filtrowanie uzyskanego ekstraktu, otrzymanego przez czyszczenie soku, uniemożliwiając praktyczną realizację tego procesu. W przeciwień stwie do tego preferowana alkaliczna ekstrakcja wedł ug wynalazku, prowadzona w niskiej temperaturze, powoduje ograniczenie powstawania tych wielkocząsteczkowego związków, dzięki czemu podczas filtrowania oczyszczonego ekstraktu, w szczególności rzadkiego soku I i/lub rzadkiego soku II otrzymanego przy ekstrahowaniu buraków cukrowych metodą czyszczenia soku, osiąga się współczynnik filtracji niższy niż 1 mm/g.

Oddziaływanie substancji alkalicznej, stosowanej na przykład w postaci mleka wapiennego, wodorotlenku wapnia, cukrzanu wapnia lub wapna palonego, na materiał biologiczny, głównie buraki cukrowe, trzcinę cukrową lub cykorię, następuje w preferowanym sposobie bezpośrednio po elektroporacji (etap a)), w szczególności w zbiorniku pośrednim przed dalszymi fazami obróbki materiału biologicznego w etapie b). W dalszym wariancie substancję alkaliczną wprowadza się podczas oddzielania soku komórkowego w kroku b). W jeszcze innym wariancie alkaliczność jest wprowadzana bezpośrednio przed dokonaniem ekstrakcji (krok c)).

W preferowanym wariancie realizacyjnym wynalazku alkalizacja materiał u biologicznego, w preferowanym przypadku w postaci buraków lub krajanki buraczanej, trzciny cukrowej lub cykorii, następuje przez dodanie do niego środka alkalizującego bezpośrednio w maszynie tnącej. Zaletą tego jest częściowa dezynfekcja materiału biologicznego.

PL 210 160 B1

W innym preferowanym wariancie realizacji wynalazku alkalizacja materiał u biologicznego następuje przez dodanie do niego środka alkalizującego w zbiorniku, w którym znajduje się materiał biologiczny, w szczególności w zasobniku buraków lub na szlaku wiodącym do zbiornika, zwłaszcza do zasobnika buraków. Zaletą tego jest częściowa dezynfekcja.

Zgodnie z wynalazkiem preferowane jest też wprowadzanie środka alkalizującego do materiału biologicznego, zazwyczaj w postaci roztworów wodnych, najlepiej metodą natryskiwania. W kolejnym wariancie w celu naniesienia środka alkalizującego na materiał biologiczny w operacji stosuje się, co najmniej jedną substancję alkaliczną, w szczególności wapno palone jako materiał stały, optymalnie w postaci proszku.

Przez naniesienie środka alkalizującego na materiał biologiczny, zwłaszcza we wczesnej fazie sposobu według wynalazku, optymalnie w etapie b) lub bezpośrednio przed nim, dochodzi, zgodnie z wynalazkiem, do korzystnego oczyszczania oddzielonego soku komórkowego bezpoś rednio podczas procesu oddzielania go z materiału biologicznego. W preferowanym wariancie zastosowania wynalazku do przetwarzania buraków lub krajanki buraczanej następuje wstępne oddzielenie od materiału elementów nie-cukrowych, głównie białek. Duża część zaabsorbowanych lub skoagulowanych elementów nie-cukrowych przylega przy tym do krajanki buraczanej aż do momentu po ekstrakcji. Należy rozumieć, że w końcówce może też zostać przeprowadzone, dobrze znanym sposobem, uzupełniające oczyszczanie oddzielonego soku komórkowego.

Przez naniesienie środka alkalizującego na materiał biologiczny osiąga się ponadto podczas wszystkich zabiegów technologicznych zmniejszenie ryzyka zakażenia materiału biologicznego oraz podwyższenie mikrobiologicznej stabilności materiału biologicznego i oddzielonego soku komórkowego. Mikrobiologiczna stabilność wynosi przy tym około 10⁴ KBE/ml.

W innym preferowanym wariancie realizacji sposobu wedł ug wynalazku, najlepiej w etapie b), do materiału biologicznego wprowadza się, co najmniej jeden środek pomocniczy. Zgodnie z przedmiotowym wynalazkiem pod pojęciem „środka pomocniczego” rozumieć należy związek chemiczny lub czystą chemiczną substancję, która nie pełni żadnej funkcji w składniku wyekstrahowanym z komórek, przede wszystkim w uzyskanym materiale spożywczym. Środkami tymi są materiały pomocnicze takie, jak kondensat, ale także woda dyfuzyjna, rozpuszczalniki, środki dezynfekcyjne takie, jak formaldehyd lub środki przeciwpieniące. Preferowane jest też zastosowanie środków wytrącających i zbijających włókniste zawiesiny, takich jak pomocnicze środki antywłókniste o charakterze kationowym i anionowym, substancje dla wprowadzania środków alkalicznych i/lub jonów wapnia, takie, jak mleko wapienne, wapno palone, wodorotlenek wapnia, cukrzan wapnia, siarczan wapnia i inne sole wapnia i/lub sole glinu. Preferowane według wynalazku wprowadzenie do materiału biologicznego, co najmniej jednego środka pomocniczego odbywa się zwykle w postaci roztworu, najlepiej metodą natryskiwania. W dalszym wariancie, co najmniej jeden środek pomocniczy dodaje się w postaci ciała stałego, najlepiej w postaci proszku. Wprowadzenie środków pomocniczych wpływa też na wstępne oczyszczanie wydzielonego soku komórkowego.

Szczególnie korzystne jest to, że przez operację elektroporacji materiału biologicznego w etapie a) według przedmiotowego wynalazku otwarte zostają ścianki komórek, i to w taki sposób, że, zwłaszcza podczas oddzielania soku komórkowego z materiału biologicznego w etapie b), ułatwione zostaje wniknięcie środka alkalizującego i/lub jonów wapnia do tego materiału biologicznego. Do dalszego wzrostu podatności materiału biologicznego na odwadnianie po zakończeniu operacji technologicznych według wynalazku dochodzi w szczególności przez preferowaną wynalazkiem kombinację elektroporacji w etapie a) i ekstrakcji alkalicznej w etapie c), przykładowo poprzez wyciskanie do około 8% zawartości substancji suchej (%TS).

Wyróżniającą cechą przedmiotowego wynalazku jest, więc także operacja prowadząca do zwiększenia podatności wyekstrahowanego materiału biologicznego na sprasowywanie, zwłaszcza gdy materiałem tym jest krajanka buraków cukrowych, i do zwiększenia tym samym udziału substancji suchej, uzyskiwanej przy takim sprasowywaniu. Operacja ta jest charakteryzuje się tym, że w pierwszym etapie przeprowadza się proces elektroporacji materiału biologicznego, w szczególności buraków cukrowych, w dalszym etapie - ekstrakcję alkaliczną poddanego elektroporacji materiału biologicznego, zwłaszcza buraków cukrowych lub też krajanki buraków cukrowych, trzciny cukrowej lub cykorii, a na koniec otrzymuje się wyekstrahowany materiał biologiczny o zwiększonej podatności na sprasowywanie.

Inną wyróżniającą cechą przedmiotowego wynalazku jest, zatem to, że operacja prowadzi do otrzymywania wyekstrahowanego materiału biologicznego, w szczególności wyekstrahowanej krajanki

PL 210 160 B1 buraków cukrowych, trzciny cukrowej lub cykorii o wysokiej zawartości substancji suchej, wynoszącej zazwyczaj około 38% TS. Operacja ta cechuje się tym, że w pierwszym etapie materiał biologiczny, w szczególnoś ci buraki cukrowe, są poddawane procesowi elektroporacji a w dalszym etapie poddany elektroporacji materiał biologiczny, w szczególności poddane elektroporacji buraki cukrowe lub krajanka buraków cukrowych zostają poddane ekstrakcji alkalicznej, zaś w kolejnym etapie poddany elektroporacji materiał biologiczny, w szczególności poddane elektroporacji buraki cukrowe lub krajanka buraków cukrowych, zostają w znany sposób sprasowane, a na koniec otrzymuje się wyekstrahowany materiał biologiczny o podwyższonej zawartości substancji suchej.

W dalszym preferowanym wariancie, między etapami a) i b), w kolejnym etapie materiał biologiczny zostaje dodatkowo rozdrobniony, na przykład buraki cukrowe zostają przekształcone w krajankę buraczaną. Operację tę prowadzi się, aby jeszcze bardziej ułatwić oddzielanie soku komórkowego z poddanego elektroporacji materiał u biologicznego.

W preferowanym wariancie tego sposobu etap b) prowadzi się dodatkowo wewnątrz odcinka ślimaka ukształtowanego dla przyjmowania materiału biologicznego, jaki znajduje się na szybie przekaźnikowym lub szybie buforowym. Wstępny mechaniczny nacisk, jaki jest wywierany na materiał biologiczny, wynosi zarówno w szybie przekaźnikowej jak i w transporterze ślimakowym optymalnie zawsze mniej niż 2 MPa, w szczególnie preferowanym przypadku mniej niż 1 MPa, a najlepiej mniej niż 0,5 MPa. Szczególnie preferowana jest sytuacja, gdy nie jest wywierany żaden wstępny nacisk. Należy rozumieć, że preferowany szyb przekaźnikowy służy wprowadzania i upakowywania materiału biologicznego w ślimacznicy transportera w sposób ciągły, zaś w korzystnym przypadku nacisk wywierany przy tym na materiał biologiczny nie ma znaczenia. W szczególności nacisk ma być na tyle wysoki, aby materiał biologiczny upakowany w sztolni przejściowej mógł być w znany sposób, z dobrą sprawnością, przekazywany do ślimaka transportera, zaś sam ślimak miał dobre wypełnienie.

W jednym z wariantów realizacji wynalazku zewnę trzny pł aszcz i/lub kanał ś limakowy, czyli ś ruba, korzystnie są perforowane. Oznacza to, że w urządzeniach tych istnieją otwory, przez które sok komórkowy wydzielony z materiału biologicznego może odpływać ze ślimaka. Szczególnie pożądane jest, aby perforacja występowała na zewnętrznym płaszczu urządzenia i na śrubie. Sok komórkowy, zwłaszcza ten, który został uwolniony przy transportowaniu materiału biologicznego przez ślimacznicę, zwany sokiem transportowym lub sokiem wyciągowym, przedostaje się przez perforowane elementy ślimacznicy i/lub przez perforowany płaszcz zewnętrzny ślimaka i gromadzi się w wannie, która otacza urządzenie ślimakowe. Wanna ta zwykle ma ujście do przewodu odpływowego, który w optymalnym rozwiązaniu znajduje się w punkcie położonym najniżej.

Również w kolejnym wariancie szyb przekaźnikowy, czyli szyb buforowy, w którym gromadzi się materiał biologiczny poddany elektroporacji przed przesłaniem go do tego odcinka ślimaka, który jest ukształtowany dla przyjmowania materiału biologicznego, jest zaopatrzona w odpływ umieszczony optymalnie w punkcie położonym w najniższym miejscu szybu buforowego. Sok komórkowy, oddzielony z materiału biologicznego w szybie buforowym, w większości spływa przez przewidziany odpływ.

Jak wskazano powyżej urządzenie do realizacji sposobu według wynalazku zawiera element, w szczególnoś ci w postaci komory do elektroporacji materiału biologicznego, jak również ślimacznic ę służącą do przejmowania poddanego elektroporacji materiału biologicznego i do kierowania go do wydzielenia z materiału biologicznego soku komórkowego, oraz ekstraktor do przeprowadzania ekstrakcji materiału biologicznego. Zgodnie z wynalazkiem, co najmniej jeden transporter ślimakowy posiada perforację na swym zewnętrznym płaszczu i na powierzchni ślimakowego toru. Według wynalazku do przejmowania soku komórkowego, wydzielonego we wnętrzu ślimacznicy, służy umieszczona przy niej hermetyczna wanna otaczająca ślimacznicę. Funkcją spełnianą przez transporter ślimakowy określony w wynalazku jest przede wszystkim zapewnianie przemieszczania materiału biologicznego z nieznacznym tylko naciskiem mechanicznym. Czynność ta jest połączona z kolejną , preferowaną funkcją ślimacznicy, tj. z transportem materiału biologicznego przez urządzenie, przede wszystkim od urządzenia do elektroporacji do ekstraktora.

Typem ekstraktora preferowanym w niniejszym wynalazku jest ekstraktor wieżowy. W jednym ze swych wariantów jest to ekstraktor typu ślimakowo-korytowego, reprezentowanego przez ekstraktor DDS. W kolejnym wariancie jest to ekstraktor typu bębnowego, reprezentowanego przez ekstraktor z bę bnem RT.

W kolejnym preferowanym wariancie urzą dzenie wedł ug wynalazku zawiera zespół krajalnicy, czyli maszynę tnącą, w optymalnym rozwiązaniu zawierający krajalnicę bębnową, umieszczony na drodze transportu materiału biologicznego od urządzenia do elektroporacji do ślimacznicy. Ten zespół

PL 210 160 B1 krajalnicy dokonuje dalszego rozdrobnienia materiału biologicznego po elektroporacji. W rozwiązaniu wariantowym zespół krajalnicy wyposażony jest w zbiornik pośredni do przejmowania, poddanego wcześniej elektroporacji materiału biologicznego jeszcze przed rozdrabnianiem; podstawową rolą tego zbiornika jest przygotowanie materiału biologicznego do rozdrabniania poprzez wywarcie na niego niezbędnego nacisku układanych na siebie warstw.

Na odcinku ślimacznicy do oddawania transportowanego materiału biologicznego dodatkowo umieszczony jest pojemnik zacieru, w którym gromadzony jest materiał biologiczny wychodzący ze ślimaka, głównie dla potrzeb końcowej ekstrakcji materiału biologicznego w ekstraktorze.

W preferowanym rozwiązaniu urzą dzenia według wynalazku znajduje się dodatkowo, co najmniej jedno urządzenie dozujące przeznaczone do wprowadzania składników pomocniczych i/lub środków alkalicznych. W rozwiązaniu wariantowym to urządzenie dozujące zawiera co najmniej jeden przewód z głowicą zaopatrzoną w co najmniej jedną dyszę do natryskiwania roztworów składników pomocniczych i/lub środków alkalizujących, takich, jak mleko wapienne, na materiał biologiczny, który w preferowanym układzie znajduje się w transporterze ślimakowym. W innym wariancie realizacyjnym stosuje się, co najmniej jedno urządzenie dozujące do wprowadzania składników stałych, przede wszystkim środków pylistych; ma ono w szczególności postać dozownika pneumatycznego i/lub podajnika spiralnego.

Urządzenie dozujące jest umieszczane w obszarze transportera ślimakowego służącym do przeprowadzenia operacji dozowania, w szczególności zaś - na jego płaszczu zewnętrznym. W rozwiązaniu wariantowym urządzenie dozujące jest umieszczone w obszarze dozowania zbiornika pośredniego. W jeszcze innym wariancie urządzenie dozujące jest umieszczone w obszarze dozowania pojemnika zacieru. W odniesieniu do powyższego pod pojęciem „obszar dozowania” rozumie się tę ograniczoną przestrzeń, wewnątrz której, za pośrednictwem wybranego urządzenia dozującego, do materiału biologicznego może być dozowany środek, czyli wymienione wcześniej składniki pomocnicze, środki alkalizujące itp.

W kolejnym preferowanym wariancie w dolnym punkcie i na samym począ tku ś limaka znajduje się odcinek dostosowany do przejmowania materiału biologicznego poddanego wcześniej elektroporacji, natomiast w górnym punkcie, na końcu ślimaka i ponad wymienionym punktem dolnym znajduje się odcinek dostosowany do oddawania transportowanego materiału biologicznego. Oznacza to, że transporter ślimakowy wykorzystywany w przedmiotowym wynalazku jest umieszczony wzdłuż spadku (pochyłości), przy czym materiał biologiczny wewnątrz transportera ślimakowego jest transportowany od dolnego do górnego punktu.

Urządzenie według wynalazku bardziej szczegółowo objaśniono na rysunku. Przedstawiono na nim schemat preferowanego rozwiązania urządzenia według wynalazku, które obejmuje: urządzenie 1 do elektroporacji materiału biologicznego, zespół tnący 3 do rozdrabniania materiału biologicznego poddanego wcześniej elektroporacji ze zbiornikiem pośrednim 2 i szybem przejściowym 4, perforowany transporter ślimakowy 5 z wanną przechwytującą, co najmniej jedno urządzenie dozujące 6 do nanoszenia na materiał biologiczny składników pomocniczych, odpływ 7 do gromadzenia soków z szybu przekaźnikowego i z transportera ślimakowego, oraz ekstraktor 8.

Wynalazek bliżej objaśniono następującymi przykładami:

P r z y k ł a d 1: Alkaliczna ekstrakcja materiału buraczanego poddanego elektroporacji.

Świeżo zebrane lub pobrane ze składu buraki cukrowe zostają wypłukane i następnie, w formie z grubsza pociętej lub też niepociętej w ogóle, poddane w urządzeniu 1 do elektroporacji działaniu impulsów wysokiego napięcia o wielkości od 0,7 do 1,5 kV/cm. Buraki lub ich krajanka znajdują się przy tym w ośrodku przewodzącym, mającym przewodność od 0,4 do 2,1 mS/cm. W następstwie zabiegu elektroporacji ścianki komórek zostają otwarte w znany sposób.

Poddane elektroporacji buraki lub ich krajanka zostają następnie, poprzez maszynę tnącą 3, przetransportowane do zbiornika pośredniego 2 a stąd do krajalnicy 3, gdzie zostają rozdrobnione i przesłane dalej przez szyb przekaźnikowy 4 do transportera ślimakowego 5, którego płaszcz zewnętrzny i powierzchnie toru ślimakowego mają perforację umożliwiającą odpływ wydzielanego z krajanki buraków soku komórkowego, czyli soku transportowego lub dostawczego. W celu zmniejszenia aktywności mikrobiologicznych dozowane jest przy tym mleko wapienne.

Zamknięty transporter ślimakowy ma za zadanie przetransportowanie krajanki, która przeszła zabieg elektroporacji, do zacieru krajankowego w przeznaczonym do tego pojemniku ekstraktora 8. Ustawienie transportera jest takie, że transport odbywa się w kierunku skośnym w górę. Oznacza to, że najniższy punkt transportera ślimakowego leży bezpośrednio pod punktem przekaźnikowym 4 pomiędzy

PL 210 160 B1 maszyną tnącą 3 i transporterem ślimakowym 5. Najwyższy punkt ślimaka leży bezpośrednio przed szybem wpadowym krajalnicy. Między wyjściem krajalnicy i wejściem transportera ślimakowego znajduje się szyb przekaźnikowy 4 ukształtowany, jako szyb buforowy. Gromadzą się w nim świeżo poddane elektroporacji elementy krajanki buraków. W najniższym punkcie ślimaka znajduje się odpływ 7. Odpływ ten służy dla zbierania soków komórkowych, które pojawiają się z elektroporowanych elementów krajanki podczas transportu w ślimaku i/lub podczas wywierania na nie nacisku mechanicznego w szybie przekaźnikowym.

Transporter ślimakowy 5 po pierwsze ma za zadanie transportowanie krajanki, która przeszła proces elektroporacji, do miejsca tworzenia zacieru krajankowego, po drugie zaś służy do mechanicznego nacisku na materiał krajankowy lub powodowania jego zbijania podczas transportowania materiału w górę pochyłości. Wstępny nacisk mechaniczny występujący w szybie przekaźnikowym wynosi przy tym zawsze mniej niż 2 MPa. Ta maksymalna wielkość nacisku odnosi się do całości instalacji, co oznacza, że na drodze przez tę instalację, od maszyny krojącej do miejsca tworzenia zacieru krajankowego, materiał krajanki, poddany uprzednio zabiegowi elektroporacji, znajduje się w każdym momencie pod naciskiem poniżej 2 MPa.

Sok transportowy uwalniany podczas transportowania krajanki przez ślimak przenika przez perforację zewnętrznego płaszcza ślimaka i gromadzi się w wannie otaczającej transporter ślimakowy 5, której opisany wyżej odpływ 7 znajduje się w najniższym punkcie ślimaka. W czasie transportu w ślimakowym transporterze krajanki, która przeszła zabieg elektroporacji, przez perforację transportera ślimakowego i przez perforację jego płaszcza zewnętrznego przedostają się soki komórkowe krajanki poddanej elektroporacji, które przechwytywane są do wanny umieszczonej pod transporterem ślimakowym a następnie kierowane do odpływu 1. Wanna hermetycznie otacza transporter ślimakowy.

Między wanną i płaszczem zewnętrznym transportera ślimakowego w kierunku zgodnym z osią ślimaka umieszczone są przewody płuczące. Te przewody płuczące mają głowice-dysze, które służą, jako urządzenia dozujące 6, przez które z zewnątrz na płaszcz zewnętrzny transportera ślimakowego natryskiwane są składniki pomocnicze. W wariancie zmodyfikowanym we wnętrzu całego transportera ślimakowego istnieje kilka miejsc dozowania z dyszami, rozmieszczonymi na odcinku od początku transportera ślimakowego w kierunku przemieszczania, do mniej więcej tego punktu transportera ślimakowego, od którego w normalnym trybie pracy transportera krajanka pozostaje w ślimaku jeszcze około 5 minut. Przez te dysze do transportowanego ładunku krajanki dozowane są składniki pomocnicze. Przez punkty dodawania składników pomocniczych w zbiorniku pośrednim i w transporterze ślimakowym do krajanki, na jej drodze do miejsca tworzenia zacieru krajankowego, dostarczany jest roztwór cukrzanu wapnia. W alternatywnej operacji do krajanki dodawane jest mleko wapienne albo suche wapno. Większość tego roztworu jest absorbowana przez krajankę. Krajanka przyswaja przy tym wapń i jest w ten sposób przygotowywana do ekstrakcji alkalicznej, która realizowana jest w sposób znany. Ilości cukrzanu wapnia lub też wapna lub mleka wapiennego, które nie zostają przyjęte przez krajankę, gromadzą się w najniższym punkcie ślimaka i stamtąd są wraz z sokiem komórkowym, czyli sokiem transportowym, odprowadzane i poddawane dalszej obróbce.

Ubita przed ślimakiem krajanka buraków zostaje doprowadzona, przez pojemnik zacieru do przeciwprądowej instalacji ekstrakcyjnej i w niej poddana ekstrakcji, ekstrakt zaś zostaje przechwycony. Temperatura ekstrakcji wynosi od 45 do 60°C; preferowany jest wybór temperatury wyraźnie wyższej niż 45°C, maksymalnie nie powinna ona jednak przekraczać 60°C. Ekstraktor jest ekstraktorem wieżowym, ekstraktorem ślimakowo-korytowym lub ekstraktorem bębnowo-komorowym. W ekstraktorze krajanka jest w przeciwprądzie ekstrahowana do środka ekstrakcyjnego (tzw. świeżej wody, wody dyfuzyjnej).

W zakończeniu procesu zostaje przeprowadzona operacja oczyszczania soku z użyciem mleka wapiennego i kwasu węglowego. Oczyszczony ekstrakt (rzadki sok I i II) jest w dalszym ciągu poddawany obróbce konwencjonalnej. Oznacza to, że po zagęszczeniu soku, przez dalsze odparowanie, do konsystencji syropu i sukcesywną krystalizację otrzymywany jest cukier. Oddzielony szlam węglanowo-wapniowy zostaje odwodniony konwencjonalną metodą prasowania filtrującego i wprowadzony na rynek, jako nawóz, tzw. wapno węglowe.

Do soku komórkowego, jaki oddzielony został w transporterze ślimakowym i/lub w szybie przekaźnikowym, po uprzedniej alkalizacji dodana zostaje pewna doza środka zbijającego zawiesiny włókniste. Sok transportowy zostaje następnie poddany konwencjonalnej dekantacji statycznej. Dolny obieg urządzenia do dekantacji zostaje odciągnięty i doprowadzony do urządzenia do wstępnego uwapniania, jakie stanowi część równolegle przeprowadzanej obróbki ekstraktu. Czysty obieg urządzenia do

PL 210 160 B1 dekantacji jest natomiast doprowadzany do swego dalszego zastosowania, obejmującego połączenie z rzadkim sokiem pochodzącym z obróbki ekstraktu. Równolegle do tego wyprodukowany ekstrakt podlega konwencjonalnemu oczyszczania soku.

Elementy krajanki, po wyekstrahowaniu, są prasowane w prasach śrubowych. Wyciśnięta w czasie tej operacji woda jest kierowana z powrotem do ekstraktora. Sprasowane elementy krajanki są termicznie odwadniane konwencjonalnymi metodami, czyli w suszarkach niskotemperaturowych, suszarkach wysokotemperaturowych lub suszarkach waporyzacyjnych.

P r z y k ł a d 2: Proces technologiczny zrealizowany w skali półtechnicznej

W celu zilustrowania korzyści, jakie przynosi sposób według wynalazku, w dalszym tekście przedstawiono próby przeprowadzone w skali półtechnicznej (ilość buraków poddanych obróbce: 6 kg/h).

Etap sposobu: cięcie i alkalizacja buraków

Buraki zostały poddane operacji elektroporacji w aparaturze elektroporacyjnej przy natężeniu pola od 0,7 do 1,5 kV/cm a następnie pocięte na krajankę w krajalnicy przeznaczonej do zastosowania w skali półtechnicznej (w tzw. maszynie Alexandra). Krajanka została następnie przeniesiona do mieszalnika i poddana działaniu mleka wapiennego (zawiesiny wodorotlenku wapnia). Zwracano przy tym uwagę, aby temperatura krajanki nie była mniejsza niż 20°C. Ilość roztworu wodorotlenku wapnia (stężenie: 220 g CaO/l) odpowiada dodaniu skutecznej alkaliczności w ilości od 0,3 do 0,5 g CaO na 100 g buraków. Zalkalizowane buraki przetransportowane zostały do ślimaka korytkowego typu DDS. Zewnętrzny płaszcz i wewnętrzne powierzchnie ślimaka transportowej ślimacznicy były perforowane. Masa krajanki była przemieszczana przez transportową ślimacznicę z realizacją łagodnego zbijania (wałkowania). W czasie pokonywania całej drogi z około 20 do 30% zaangażowanej masy buraków cukrowych oddzielony został zalkalizowany sok. Alkaliczny sok buraków cukrowych (wartość pH: 11 do 12) został przechwycony.

Etap sposobu: ekstrakcja

Alkaliczna krajanka została przetransportowana do ekstraktora ślimakowo-korytowego typu DDS i tam ekstrahowana. Krajanka i woda ekstrakcyjna (lekko zalkalizowana przy pomocy mleka wapiennego i utwardzonej wody o wartości pH = 9,5 oraz 80°dH) poprowadzone zostały przeciwprądowo. Przy stosowaniu quasi-ciągłego rodzaju pracy krajanka, z której uprzednio usunięto sok, była w ilości 4,8 kg na godzinę poddana ekstrahowaniu, przy czym świeża woda była dodawana w ilości 60 do 80% masy krajankowej. Ekstrakcja była przeprowadzana w temperaturze 60°C, znacznie niższej niż w technologii konwencjonalnej.

Korzyści były szczególnie dobrze widoczne w obniżonym zużyciu energii przy realizacji proponowanego sposobu i w oszczędzającym obchodzeniu się z materiałem krajanki. Uwidoczniło się to w szczególności w lepszej, jakości ekstraktu (wyższa czystość) i w lepszej zdatności do wyciskania przy następującej dalej operacji sprasowywania krajanki.

Główną zaletą alkalicznej ekstrakcji w kombinacji z elektroporacją okazała się w próbach wyższa niż w konwencjonalnej technologii zdatność wyciskania ekstrahowanych elementów krajanki (sprasowywanie w prasie tłokowej), która prowadziła do wyraźnie, bo aż o 8%, wyższej zawartości substancji suchej w sprasowanej krajance. Dla przykładu, zawartość suchej masy została podniesiona do 38% TS, gdy przy stosowaniu konwencjonalnej technologii wynosiła tylko 30% TS. Następstwem tego było znaczące obniżenie zużycia energii przy końcowej operacji termicznego odwadniania krajanki.

Czystość ekstraktu leżała w granicach od 91,5 do 92,5%, była więc znacząco wyższa niż uzyskana technologią konwencjonalną. Ważne składniki nie-cukrowe, które ekstrahowane są w technologii konwencjonalnej, jak np. składniki białkowe i pektyna, w operacji alkalicznej pozostały w krajance i podwyższały tym samym wartość odżywczą podczas końcowego przetwarzania na paszę.

Podczas technicznej realizacji opisanego procesu woda tłoczeniowa uzyskiwana przy wyciskaniu wyekstrahowanych elementów krajanki była z powrotem kierowana do instalacji ekstrakcyjnej. Wartościową okazała się przy tym wysoka czystość wody tłoczeniowej, wynosząca około 89%.

Etap sposobu: oczyszczanie soku

W etapie tym alkaliczny sok wydzielony w transporcie i alkaliczny ekstrakt zostały z sobą połączone. Oczyszczanie soku dokonane zostało w aparaturze laboratoryjnej do oczyszczania soku (kolby trójszyjne z możliwością regulowania temperatury). Do mieszanki dodane zostało mleko wapienne (stężenie 220 g CaO/l) do osiągnięcia w ekstrakcie alkaliczności na poziomie od 0,4 do 0,6 g CaO na 100 ml ekstraktu. Po tym przeprowadzono alkaliczne oddziałanie na sok w temperaturze 85°C. Ten etap sposobu służył zmniejszeniu obecności) cukru inwertowanego i amidów kwasowych, które mogłyby zakłócać dalszy proces. Dalsze etapy odpowiadały w znacznym stopniu technologii konwencjonalnej.

PL 210 160 B1

W pierwszej i drugiej operacji karbonizacji przez wprowadzenie dwutlenku węgla został wytr ącony węglan wapnia, który wiązał adsorpcyjnie obecne w soku składniki nie-cukrowe i następnie na drodze filtracji usuwał je z soku. Na końcu operacji oczyszczania soku otrzymało się oczyszczony ekstrakt.

Próby wykazały, że oczyszczony ekstrakt ma wysoką, jakość, to znaczy ma zabarwienie (ok. 600 do 800 I.E.) nieznacznie różniące się od otrzymanego w technologii konwencjonalnej (ponad 1000 I.E.). Wysoka jest też stabilność oczyszczonego ekstraktu wobec termicznego obciążenia podczas dokonywanego następnie odparowywania soku. Podczas testów laboratoryjnych (rafinowanie przez godzinę przy zwrotnym przepływie kondensatu) pojawiło się tylko niewielkie zabarwienie soku, wynoszące zaledwie ok. 25 I.E. Wadą sposobu była względnie wysoka zawartość rozpuszczalnych jonów wapnia, tzw. soli wapiennych.

Można pominąć omówienie etapu wstępnego nawapniania, który przewiduje progresywną wstępną alkalizację w łagodnych warunkach temperatury i środowiska alkalicznego.

Wytrącony osad węglanu wapnia zawierał mniej składników nie-cukrowych niż w technologii konwencjonalnej. Podwyższało to średnią wartość nawozową wapna węglowego.

Zestawienie wyników • Przez wstę pną obróbkę buraków poprzez nacisk mechaniczny wywierany na nie w transporterze ślimakowym i w szybie przekaźnikowym z materiału buraczanego oddziela się znaczącą część soku komórkowego. W odniesieniu do całości masy buraków użytych w procesie uzysk wynosi okoł o 10 do 30%.

• Dzięki wstępnemu oddzieleniu soku komórkowego osiąga się zmniejszenie ilości cukru, jaka musi być uzyskiwana w następującej w dalszej kolejności operacji ekstrakcji, co prowadzi do odczuwalnego zmniejszenia odciągu do ok. 90%.

• Przez zmniejszenia odcią gu uzyskiwany jest wzrost czystoś ci ekstraktu do ok. 92%.

• Materiał krajanki, poddany wcześniej procesowi elektroporacji, ekstrahowany jest w zabiegu ekstrakcji przeciwprądowej w niskiej temperaturze, tj. w temperaturze od 45 do 60°C, w preferowanym ukł adzie zawsze wyższej niż 45 °C i zawsze niż szej niż 60 °C. Dzi ę ki oszczę dnej obróbce materiału krajanki podczas ekstrakcji ujawniają się kolejne zalety w odniesieniu do jakości (czystoś ci) ekstraktu.

• Podwyż szana jest zdatność do wyciskania materiał u krajanki po poddaniu jej ekstrakcji alkalicznej. Zysk w suchej substancji wynosi 8%, podnosząc jej zawartość z 30% TS na 38% TS.

• Dzięki zmniejszeniu niezbędnej ilości świeżej wody zredukowana jest niezbędne odparowywanie wody.

• Przeprowadzany wstępnie zabieg oddzielenia soku transportowego podwyższa odrębną obróbkę w kolejnej instalacji oczyszczania soku. Wobec wysokiej czystości soku wstępne oddzielanie rozpuszczonych w soku transportowym składników nie-cukrowych wydaje się celowe.

• Mieszanina soku transportowego o wysokiej czystości i ekstraktu uzyskanego z kolejnej operacji ekstrakcji prowadzi do czystszych soków niż te, jakie są do uzyskania w technologii konwencjonalnej.

• Przez alkalizację krajanki buraczanej i wydzielanego z niej soku komórkowego podwyższana jest mikrobiologiczna stabilność do wartości 10⁴ KBE/ml.

Claims (21)

1. Sposób ekstrakcji składników z materiału biologicznego, znamienny tym, że obejmuje etapy.

(a) elektroporację materiału biologicznego, (b) oddzielenie soku komórkowego z poddanego elektroporacji materiału biologicznego przez zastosowanie niewielkiego nacisku mechanicznego, przy czym materiał biologiczny pozostaje niezmieniony pod względem kształtu i struktury, a następnie skierowanie materiału biologicznego w mechanicznie niezmienionej postaci do etapu ekstrakcji, (c) zasadową ekstrakcję poddanego elektroporacji materiału biologicznego przy wartości pH wynoszącej od 7 do 14, zmierzonej w 20°C, oraz (d) otrzymywanie składników wypełniających komórki materiału biologicznego w postaci soku komórkowego i ekstraktu.

2. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że materiał biologiczny w etapie (a) poddaje się działaniu pola wysokiego napięcia w ośrodku przewodzącym.

PL 210 160 B1

3. Sposób według zastrzeż enia 1 albo 2, znamienny tym, że w etapie (b) sok komórkowy oddziela się poprzez nacisk mechaniczny, przede wszystkim przez zgniatanie.

4. Sposób według zastrzeżenia 3, znamienny tym, ż e nacisk mechaniczny na materiał biologiczny wynosi zawsze mniej niż 0,5 MPa.

5. Sposób wedł ug zastrzeż enia 1 albo 2 albo 3 albo 4, znamienny tym, ż e etap (b) prowadzi się w ślimaku, a w szczególności w ślimacznicy.

6. Sposób według zastrzeżenia 1 albo 2 albo 3 albo 4, znamienny tym, że w etapie (b) do materiału biologicznego dodaje się środki pomocnicze, korzystnie wapno i/lub mleko wapienne.

7. Sposób według zastrzeżenia 5, znamienny tym, że w etapie (b) do materiału biologicznego dodaje się środki pomocnicze, korzystnie wapno i/lub mleko wapienne.

8. Sposób według zastrzeżenia 1 albo 2 albo 3 albo 4 albo 7, znamienny tym, ż e etap (c) prowadzi się w temperaturze od 0 do 65°C, a w szczególności od 45 do 60°C.

9. Sposób według zastrzeżenia 5, znamienny tym, ż e etap (c) prowadzi się w temperaturze od 0 do 65°C, a w szczególności od 45 do 60°C.

10. Sposób według zastrzeżenia 6, znamienny tym, że etap (c) prowadzi się w temperaturze od 0 do 65°C, a w szczególności od 45 do 60°C.

11. Sposób według zastrzeżenia 1 albo 2 albo 3 albo 4 albo 7 albo 9 albo 10, znamienny tym, że jako materiał biologiczny stosuje się buraki cukrowe (Beta vulgaris) i/lub krajankę buraków cukrowych.

12. Sposób według zastrzeżenia 5, znamienny tym, że jako materiał biologiczny stosuje się buraki cukrowe {Beta vulgaris) i/lub krajankę buraków cukrowych.

13. Sposób według zastrzeżenia 6, znamienny tym, że jako materiał biologiczny stosuje się buraki cukrowe {Beta vulgaris) i/lub krajankę buraków cukrowych.

14. Sposób według zastrzeżenia 8, znamienny tym, że jako materiał biologiczny stosuje się buraki cukrowe (Beta vulgaris) i/lub krajankę buraków cukrowych.

15. Sposób według zastrzeżenia 1 albo 2 albo 3 albo 4 albo 7 albo 9 albo 10, znamienny tym, że jako materiał biologiczny stosuje się cykorię.

16. Sposób według zastrzeżenia 5, znamienny tym, że jako materiał biologiczny stosuje się cykorię.

17. Sposób według zastrzeżenia 6, znamienny tym, że jako materiał biologiczny stosuje się cykorię.

18. Sposób według zastrzeżenia 8, znamienny tym, że jako materiał biologiczny stosuje się cykorię.

19. Urządzenie do ekstrakcji składników z materiału biologicznego sposobem określonym w zastrzeżeniach od 1 do 18, zaopatrzone, w co najmniej jedno urządzenie do prowadzenia elektroporacji oraz co najmniej jeden ekstraktor, znamienne tym, że pomiędzy urządzeniem (1) do prowadzenia elektroporacji i ekstraktorem (8) posiada zamontowaną, co najmniej jedną ślimacznicę (5) do przejmowania materiału biologicznego poddanego wcześniej elektroporacji, która to ślimacznica (5) ma perforację na płaszczu zewnętrznym i/lub na powierzchni toru ślimakowego, a ponadto pomiędzy urządzeniem (1) do prowadzenia elektroporacji i co najmniej jedną ślimacznicą (5) urządzenie do ekstrakcji składników z materiału biologicznego posiada co najmniej jeden szyb przekaźnikowy (4), przy czym w szybie przekaźnikowym (4) i ślimacznicy (5) następuje oddzielenie soku komórkowego z poddanego elektroporacji materiału biologicznego przez zastosowanie niewielkiego nacisku mechanicznego, przy czym materiał biologiczny pozostaje niezmieniony pod względem kształtu i struktury.

20. Urządzenie według zastrzeżenia 19, znamienne tym, że co najmniej jedna ślimacznica (5) jest ukształtowana, jako podajnik ślimakowy, zaś ślimak w dolnym punkcie posiada odcinek do przejmowania materiału biologicznego poddanego wcześniej elektroporacji, natomiast w górnym punkcie posiada odcinek do oddawania transportowanego materiału biologicznego, przy czym między tymi odcinkami znajduje się odcinek pochyły.

21. Urządzenie według zastrzeżenia 19 albo 20, znamienne tym, że dodatkowo posiada, co najmniej jedno urządzenie dozujące (6) do dozowania środków pomocniczych.