WO2009141036A1 - Einrichtung und verfahren zur druckgesteuerten und druckgeregelten, elektroporativen behandlung biologisch pflanzlichem prozessguts - Google Patents

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Martin Sack
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23N—MACHINES OR APPARATUS FOR TREATING HARVESTED FRUIT, VEGETABLES OR FLOWER BULBS IN BULK, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; PEELING VEGETABLES OR FRUIT IN BULK; APPARATUS FOR PREPARING ANIMAL FEEDING- STUFFS
    • A23N1/00—Machines or apparatus for extracting juice
    • A23N1/006—Machines or apparatus for extracting juice by electroplasmolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12G—WINE; PREPARATION THEREOF; ALCOHOLIC BEVERAGES; PREPARATION OF ALCOHOLIC BEVERAGES NOT PROVIDED FOR IN SUBCLASSES C12C OR C12H
    • C12G1/00—Preparation of wine or sparkling wine
    • C12G1/02—Preparation of must from grapes; Must treatment and fermentation

Definitions

  • the invention relates to a device for pressure-controlled and pressure-controlled, electroporative treatment of biological plant process material and a method that can be carried out with it.
  • a concept by Diversified Technologies provides a tubular cell disruption reactor with ring electrodes. In the interior of this reactor, a homogeneous field arises in the longitudinal direction with sufficient reactor length. The concept was developed at Ohio State University.
  • the reactors used in the Düsseldorf electroporation plant for wine, KEA-WEIN have an inhomogeneous field distribution. So far, the treatment overpressure has been achieved in the KEA-WEIN plant by means of an outlet-side throttling by means of a pinch valve.
  • the tubular cell disruption reactor is advantageous when operated from a unipolar voltage source.
  • the KEA-WEIN mobile plant reduces the insulation Stands an unbalanced bipolar Marxgenerator used.
  • the parallel plate concept is suitable for this because ground potential sets in the middle of the reactor due to the resistive voltage division. This prevents a potential carryover in the conveying direction. In a throttling of the mash stream by means of a pinch valve, it comes in particular in wine mash to segregation and subsequent blockage of the conveyor.
  • a cell disruption reactor is required for electroporation of biological plant process material, with which a homogeneous e- lektharis field can be applied.
  • a homogeneous e- lektharis field can be applied.
  • the process material under pressure.
  • the mash must not segregate during transport / flow through the system. Constipation must be avoided in any case.
  • the object is presented, which is the basis of the invention.
  • the homogenous field enables a traceability of the experiments and uniform treatment of the process material.
  • Each volume element delivered by the cell disruption reactor is treated with nearly the same field strength.
  • the cell termination reactor consists of a dielectric part in which a pair of electrodes forming a gap and forming a straight flow channel is seated in a positive and non-positive manner.
  • the electrode axis intersects the local channel axis of the flow channel, and both electrodes face each other at the front end in mirror image to the channel axis.
  • the two centrally free, exposed in the flow channel face portions are mirror images.
  • the two gap-forming electrodes are connected to an electrical energy store, which discharges itself in a pulsed manner from an achieved, predetermined charging voltage, even by breaking or triggering, into the electrode gap of the Zeil disruption reactor.
  • a pulse-type dischargeable energy store can be a Marx generator.
  • the radius of curvature of the electrode end face decreases from a central area of the end face to its contour from a largest to a smallest toward area or continuously. This central region can thus be flat or even slightly curved in relation to the outside.
  • a first process material pump is located in front of the flow channel inlet and a second process material pump is located downstream of the flow channel outlet of the cell digestion reactor.
  • the process material would be both under pressure and over-pressurized flow through the Zellauf- closing reactor.
  • the process which can be carried out with this cell-open-end reactor, ZAR consists of the following steps:
  • a pulse-shaped voltage, a high voltage, is applied to the pair of electrodes on the end pair and gap-forming mirror-inverted pair of electrodes, thereby producing an electric field of up to 100 kV / cm for the electroporation process at least in the central region of the electrode gap during the pulse duration.
  • the flow through the cell disruption reactor is controlled and the pressure on the process material flowing through the cell decomposition reactor is controlled to an adjustable constancy of up to 10 bar, ie overpressure or via a proportional control of the rotational speed difference regulated.
  • the wall thickness is sufficient to dimension.
  • the cell disruption reactor must additionally absorb the pressure pulse caused thereby.
  • the two metallic electrodes conduct such pulse loads or reflect them. Therefore, the dielectric material of the Zeilauf StammRIC reactor must be elastic. As a closed, comprehensive part, it must absorb pressure surges from the interior of the reactor.
  • a material for the dielectric part of Zeilauf Stamm gleichreaktor is for example polypropylene, PP, or polyethylene, PE.
  • the centrally free, exposed in the flow channel end face of the respective electrode can along the channel axis a greater extent than perpendicular to have (claim 3). This is more pronounced in the case of a round, in particular circular, light cross-section of the flow channel introduced in the dielectric part, the larger the diameter of the electrode front is. In the case of a polygonal light cross section, the diameter of the electrode forehead must in any case be greater than the flat casing wall section, in the case of the rectangular gen clear cross-section even larger than the rectangular area in which the electrode sits.
  • the situation is favorable in terms of flow technology and process technology when the clear cross section in the central end region of the two gap-forming electrodes is equal to the clear cross section at the flow channel inlet and outlet of the cell digestion reactor.
  • this avoids that the process material does not flow faster in the electrode gap than in the remaining flow channel.
  • Process-related because the residence time of the process material in the gap is not shortened. It can be arranged constructively that the clear cross section in the central gap area fulfills the above equality requirement. Outside of this, the clear cross section in the gap region will only have to be set almost the same, be it larger or smaller, especially if the dielectric part abuts perpendicular to the electrode front near the electrode and thus conforms to the electric field lines.
  • a buffer memory z Windkessel, diaphragm accumulator
  • edge profiles are the Rogowski profile or the Borda profile. Both profiles are designed for use in an uninterrupted field space (in vacuum or gas). However, if the field space is crossed by a material interface between materials of different electrical properties, the edge profile must fil the electrodes are adapted to the course of this interface. This is done by a numerical field calculation, in which the edge profile is iteratively varied until no field increase occurs in the electrode edge region. In terms of manufacturing technology, it is advantageous to assemble the edge profile from radii.
  • Manufacturing technology is easiest if the straight-line flow channel limited only by the dielectric runs with its inner wall in a straight line parallel to the flow / channel axis. This is, depending on how the electrode penetrates the wall electrically more or less disadvantageous, because then there is the interface situation of exposed dielectric inner wall, exposed electrode face part as a flow channel wall, a so-called triple surface.
  • Operation with voltage pulses causes unshielded line areas a transmission of electromagnetic waves, which may be at least disturbing for wireless messaging.
  • The is suppressed by the measure according to claim 7 in a wide frequency band.
  • the Zeilauf Stammreaktor is set up for this purpose completely within an electrical shielding volume, which is captured by a closed sheet metal wall. High-frequency radiation of disturbing intensity must be adequately shielded, ie not escape from the shielding volume.
  • the wall thickness of the shield is based on the highest frequency / lowest frequency occurring during the process. If this electrical shield is set to ground potential, it also means protection against contact.
  • the two penetrations of the flow channel through the shield wall are each designed as an electrically conductive tube unit with a length of at least the simple, preferably 3 to 5 times the tube diameter.
  • the conveying path through in each case an insulating tube between the Zellauf gleichreaktor and the penetration of the shield corresponds to the inlet and outlet side at least twice the distance of the electrode gap.
  • the ZeilaufInstitutreaktor is placed vertically within the high-frequency shield. When pumping the process material flows from bottom to top, so that gas bubbles driven upwards, entrained (see the dependent method claim 13). Because of this problem, it is furthermore advantageous if the bisecting line of the impact of the exposed dielectric surface is perpendicular to the exposed electrode end face to the flow axis, since then flow conditions in the gap region on the input and output side similar conditions exist.
  • the materials from which the cell disruption reactor is built must in any case be process-suitable, ie they or their exposed surfaces must remain inert to the process medium flowing through them. Poor, unavoidable abrasion should not be toxic in food processing applications.
  • the exposed materials in the cell disruption reactor must therefore be food compatible; but at least the exposed ones
  • one and the same cell disruption reactor according to one of claims 1 to 9 can be operated symmetrically bipolar to the gap-forming electrodes or unipolar at one of the two electrodes as a reference electrode.
  • a voltage potential usually ground potential, symmetrical voltage or a voltage between the two gap-forming electrodes, which forms to one of the two electrodes lying on a reference potential, is applied to the gap-forming electrode pair ,
  • FIG. 1 shows the Zeilauf Stammreaktor in section
  • FIG. 2 shows the end region of the electrode
  • FIG. 3 shows the dielectric screwing part
  • FIG. 4 shows the connection bolt
  • FIG. 6 shows the exposed electrode end face area
  • FIG. 7 Equipotential line course.
  • a cell disruption reactor which applies a pulsed homogeneous electric field at least in the central gap region.
  • a pulsed homogeneous electric field at least in the central gap region.
  • DN40 This corresponds to a conveying cross section of 12.56 cm 2 .
  • a square cross-section As a special case of the rectangle, has the smallest wall area and thus the lowest flow resistance for a given delivery cross-section. Therefore, as a treatment cross-section, a square with 3.5 cm side length corresponding to 12.25 cm 2 cross-sectional area was chosen.
  • the electrode distance of 3.5 cm is also suitable for the electrical design of the electroporation system.
  • the cell disruption reactor is designed for installation in a mobile electroporation facility. This system is equipped with a balanced-bipolar 6-stage Marx generator with a step capacitance of 140 nF with a step charge voltage of up to 50 kV.
  • the design field strength of E 60 kV / cm results at 50 kV step charging voltage for a load resistance of about 35 ohms.
  • an electrode length of approx. 9 cm is required for a square treatment cross-section of 3.5 x 3.5 cm 2 including the edge field areas.
  • the electrode has a force of 2205 N.
  • the cell disruption reactor was designed as a rotationally symmetrical electrode system fitted with a milled conveying channel (FIG. 1), which is made of an insulating body made of a cylindrical solid material, here polypropylene, PP.
  • Fig. 5 shows the connection opening of the conveying channel with the transition from round to square cross-section.
  • the inserted electrodes (FIGS. 1 and 2) are pressed flat over dielectric screwed-in parts (FIG. 3), so that a good transfer of force from the electrodes when pressurized is ensured (positive and positive connection).
  • the electrical connection is made via a shaft / a threaded bolt (Fig. 4).
  • the output of the electrical energy storage / Marx generator (this is not indicated in the drawing anywhere) is electrically connected to both electrode terminals.
  • 1 shows the combination of insulator in a sectional view and inboard E lektroden.
  • the rotationally symmetric shape allows for easy
  • the electric field is capacitively controlled in the vicinity of the flow channel. This supports the resistive field control inside the channel by the voltage drop along the liquid. Especially in wine mash grape seeds are included, which have a much lower conductivity than the grape juice. They therefore cause a field strength increase in their environment in an electric flow field. If the cores close to the wall are near an electrode, the field in the insulating material of the wall is also increased. The capacitive field control in the vicinity of the flow channel reduces the field in the wall area compared to a design without additional capacitive field control.
  • Fig. 7 shows the approximate field line image of a rotationally symmetric simulation. The kinked, exposed dielectric surface abuts perpendicular to the electrode face.
  • FIG. 6 shows the view of the flow channel of the cell disruption reactor through an electrode seat and thus at the same time the front part region of the two gap-forming electrodes exposed in the installation.
  • the overpressure in the cell digestion reactor with simultaneous delivery is achieved by the series connection of the first and second controlled mash pump. While a constant speed pump the Flow determined, the speed of the other pump is controlled due to a pressure measurement immediately before the cell disruption reactor so that the desired pressure in the cell digestion reactor remains constant. This is done via a P-controller, which influences the speed difference between both pumps.
  • a wind boiler for example, buffers the mash at short-term pumping impurities of both pumps, thus slowing down the response of the controlled system.

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Abstract

Eine Einrichtung zur druckgesteuerten und druckgeregelten, elektroporativen Behandlung biologisch pflanzlichem Prozessguts besteht aus einem Zellaufschlussreaktor und einer ersten Prozessgutpumpe vor dem Strömungskanaleingang und einer zweiten Prozessgutpumpe nach dem Strömungskanalausgang zum druckbeaufschlagbaren Strömen des Prozessguts. Durch das Anlegen einer pulsförmigen Spannung an das spalterzeugende Elektrodenpaar wird im zentralen Bereich des Elektrodenspalts ein elektrisches Feld bis zu 100 kV/cm erzeugt. Über die beiden hinsichtlich der Strömung des Prozessguts zueinander in Reihe liegenden Prozessgutpumpen wird der Durchfluss durch den dazwischen liegenden Zellaufschlussreaktor gesteuert und der Druck auf das Prozessgut im Zellaufschlussreaktor auf einstellbare Konstanz bis zu 10 bar gesteuert oder geregelt, und zwar über eine Proportionalregelung der Drehzahldifferenz.

Description

Einrichtung und Verfahren zur druckgesteuerten und druckgeregelten, elektroporativen Behandlung biologisch pflanzlichem Prozessguts
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur druckgesteuerten und druckgeregelten, elektroporativen Behandlung biologisch pflanzlichem Prozessguts und ein damit durchführbares Verfahren.
Auf einem Seminar am 2.10.07 des Deutschen Institut für Lebensmitteltechnik, DIL, in Quakenbrück wurde ein Zellaufschlussreaktor zur Behandlung von Abwässern vorgestellt. Dieser Reaktor besitzt platten- förmig angeordnete rechteckförmige Elektroden mit einem Radienprofil am Ein- und Auslass. Seitlich sind die Elektroden zwischen Behandlungsraum und isolierender Seitenwand rechtwinklig abgeschnitten. Die Feldsteuerung erfolgt hierbei nur resistiv durch den Spannungsabfall längs der Flüssigkeit.
Ein Konzept der Firma Diversified Technologies (New Bedford, USA) sieht einen röhrenförmigen Zellaufschlussreaktor mit Ringelektroden vor. Im Innern dieses Reaktors stellt sich bei ausreichender Reaktorlänge in Längsrichtung ein Homogenfeld ein. Das Konzept wurde an der Ohio State University entwickelt.
Die in der Karlsruher Elektroporationsanlage für Wein, KEA-WEIN, eingesetzten Reaktoren weisen eine inhomogene Feldverteilung auf. Bisher wurde der Behandlungsüberdruck bei der Anlage KEA-WEIN durch eine ausgangsseitige Abdrosselung mittels Quetschventil erzielt.
Der Entwurf des oben erwähnten Zeilaufschlussreaktors zur Behandlung von Abwässern weist aufgrund der rein resistiven Feldsteuerung im Wandbereich in Elektrodennähe eine gegenüber dem Homogenfeld erhöhte Feldstärke auf. Beispielsweise Traubenkerne am exponierten Elektrodenrand verstärken aufgrund der durch sie hervorgerufenen lokalen Dielektrikums- und Leitfähigkeitssprünge diesen Effekt weiter.
Der röhrenförmige Zeilaufschlussreaktor ist vorteilhaft, wenn er aus einer unipolaren Spannungsquelle betrieben wird. In der mobilen Anlage KEA-WEIN kommt aus Platzgründen zur Reduktion des Isolationsab- Stands ein erdsymmetrisch bipolar betriebener Marxgenerator zum Einsatz. Hierfür ist das Parallelplattenkonzept geeignet, da sich in der Reaktormitte aufgrund der resistiven Spannungsteilung Massepotential einstellt. Dies verhindert eine Potentialverschleppung in Förderrichtung. Bei einer Abdrosselung des Maischestroms mittels eines Quetschventils kommt es insbesondere bei Wein-Maische zu einer Entmischung und nachfolgender Verstopfung des Förderwegs.
Allgemein wird zur Elektroporation von biologisch pflanzlichem Prozessgut ein Zeilaufschlussreaktor benötigt, mit dem ein homogenes e- lektrisches Feld appliziert werden kann. Insbesondere beim Anlegen höherer elektrischer Felder oberhalb von etwa 20 kV/cm ist es vorteilhaft, das Prozesssgut unter Druck zu setzen. Darüber hinaus darf sich die Maische beim Transport/Strömen durch die Anlage keines Falls entmischen. Verstopfungen müssen auf jeden Fall vermieden werden. Damit ist die Aufgabe vorgestellt, die der Erfindung zugrunde liegt. Im Unterschied zu den bisherigen ZellaufSchlussreaktoren mit einer inhomogenen Feldverteilung ermöglicht das Homogenfeld eine Nachvollziehbarkeit der Versuche und gleichmäßige Behandlung des Prozessguts. Jedes durch den Zeilaufschlussreaktor geförderte Volumenelement wird mit nahezu der gleichen Feldstärke behandelt.
Nach Anspruch 1 ist der Z^ellaufschluss_reaktor, ZAR, Bestandteil eines Strömungskanals für das biologisch pflanzliche Prozessgut. Der ZellaufSchlussreaktor besteht aus einem dielektrischen Teil, in dem ein spaltbildendes und den darin geradlinigen Strömungskanal mitbildendes Elektrodenpaar form- und kraftschlüssig sitzt. Die Elektrodenachse schneidet die dortige Kanalachse des Strömungskanals, und beide E- lektroden stehen sich stirnseitig spiegelbildlich zur Kanalachse gegenüber stehen. Damit stehen sich auch die beiden zentral freien, in den Strömungskanal exponierten Stirnteilbereiche spiegelbildlich gegenüber. Die beiden spaltbildenden Elektroden sind an einem elektrischen Energiespeicher angeschlossen, der sich impulsmäßig ab einer erreichten, vorgegebenen Ladespannung selbst durchbrechend oder ge- triggert in den Elektrodenspalt des Zeilaufschlussreaktors entlädt. Beispielsweise kann ein solcher impulsmäßig entladbarer Energiespeicher ein Marx-Generator sein.
Der Krümmungsradius der Elektrodenstirnfläche verringert sich von einem zentralen Gebiet der Stirnfläche zu ihrer Kontur hin von einem größten zu einem kleinsten hin bereichsweise oder kontinuierlich. Dieses zentrale Gebiet kann somit eben oder selbst gegenüber außen schwach gekrümmt sein.
Zum druckbeaufschlagbaren Strömen des Prozessguts durch den Zellauf- schlussreaktor sitzen eine erste Prozessgutpumpe vor dem Strömungskanaleingang und eine zweite Prozessgutpumpe nach dem Strömungskanalausgang des Zeilaufschlussreaktors. Damit wäre das Prozessgut sowohl unterdruckbehaftet als auch überdruckbehaftet durch den Zellauf- schlussreaktor strömbar.
Nach Anspruch 10 besteht das mit diesem ZellaufSchlussreaktor, ZAR, durchführbare Verfahren aus den folgenden Schritten:
An das sich stirnseitig und spaltbildend spiegelbildlich gegenübersitzende Elektrodenpaar wird eine pulsförmigen Spannung, eine Hochspannung, an das Elektrodenpaar angelegt und dadurch für den Elektro- porationsprozess zumindest im zentralen Bereich des Elektrodenspalts während der Pulsdauer ein elektrisches Feld bis zu 100 kV/cm erzeugt. Über die beiden hinsichtlich der Strömung des Prozessguts zueinander in Reihe liegenden Prozessgutpumpen wird der Durchfluss durch den dazwischen liegenden Zellaufschlussreaktor gesteuert und wird der Druck auf das durch den Zeilaufschlussreaktor strömende Prozessgut auf einstellbare Konstanz bis zu 10 bar, also Überdruck gesteuert oder über eine Proportionalregelung der Drehzahldifferenz geregelt.
In den von Anspruch 1 direkt oder indirekt abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 sind vorteilhafte Ausgestaltungen spezifiziert, die den Verfahrensablauf begünstigen. Nach Anspruch 2 ist der lichte Querschnitt des Strömungskanals im
Zellaufschlussreaktor außerhalb des Elektrodenbereichs einfach rund oder einfach polygonal. Das betrifft genau nur den dielektrischen Teil des Zeilaufschlussreaktors. Mit rund ist ein ovaler, elliptischer Querschnitt angesprochen. Vorzugsweise ist der lichte Querschnitt kreisrund, weil das fertigungstechnisch am einfachsten durch spanabhebende Bearbeitung erreichbar ist. Mit polygonal ist mindestens ein viereckiger lichter Querschnitt gemeint, vorzugsweise quadratisch. Dann nämlich bildet das Verhältnis aus lichtem Querschnitt zum Umfang desselben das kleinste Verhältnis, das strömungstechnisch am vorteilhaftesten ist. Für polygonale lichte Querschnitte höherer Ordnung, größer 4-eckig und vorzugsweise geradzahlig, gilt dasselbe. Ob der dielektrische Teil des Zeilaufschlussreaktors aus dem Vollen gefertigt wird oder aus Platten geeigneter Stärke zusammen gebaut ist, ist unter normalen fertigungstechnischen und wirtschaftlichen Aspekten festzulegen. Um die dauernde und pulsförmige Druckbeaufschlagung im Zeilaufschlussreaktor zu beherrschen, ist seine Wandstärke ausreichend zu dimensionieren. Im Fall eines unerwünschten Durchschlags muss der Zellaufschlussreaktor zusätzlich noch den dadurch verursachten Druckpuls auffangen. Die beiden metallischen E- lektroden leiten solche Pulsbelastungen weiter oder reflektieren sie. Deshalb muss das dielektrische Material des Zeilaufschlussreaktors elastisch sein. Als geschlossenes, umfassendes Teil muss es Druckstöße aus dem Reaktorinnern auffangen. Als Werkstoff für den dielektrischen Teil des Zeilaufschlussreaktor eignet sich beispielsweise Polypropylen, PP, oder Polyethylen, PE.
Die zentral freie, in den Strömungskanal exponierte Stirnteilfläche der jeweiligen Elektrode kann längs zur Kanalachse eine größere Ausdehnung als senkrecht dazu haben (Anspruch 3) . Das ist bei rundem, insbesondere kreisrund lichtem Querschnitt des im dielektrischen Teil eingebrachten Strömungskanals erfüllt, stärker ausgeprägt, je größer der Durchmesser der Elektrodenstirn ist. Bei polygonal lichtem Querschnitt muss der Durchmesser der Elektrodenstirn dazu auf jeden Fall größer sein als das ebene Mantelwandteilstück, im Fall des rechtecki- gen lichten Querschnitts sogar größer als die Rechteckfläche, in der die Elektrode sitzt.
Strömungstechnisch günstig und prozesstechnisch am günstigsten ist nach Anspruch 4 die Situation, wenn der lichte Querschnitt im zentralen Stirnbereich der beiden spaltbildenden Elektroden gleich dem lichten Querschnitt am Strömungskanalein- und -ausgang des Zellauf- schlussreaktors ist. Strömungstechnisch wird dadurch vermieden, dass das Prozessgut im Elektrodenspalt nicht schneller strömt als im übrigen Strömungskanal. Prozesstechnisch, weil die Verweildauer des Prozessguts im Spalt nicht verkürzt wird. Konstruktiv lässt sich einstellen, dass der lichte Querschnitt im zentralen Spaltbereich die obige Gleichheitsforderung erfüllt. Außerhalb davon wird der lichte Querschnitt im Spaltgebiet nur noch nahezu gleich einzustellen sein, sei es größer oder kleiner, insbesondere auch, wenn der dielektrische Teil in Elektrodennähe senkrecht auf die Elektrodenstirn stößt und damit sich dort an den elektrischen Feldlinien anschmiegt.
Zur einfachen Steuerung oder Regelung (P-Regelung) ist nach Anspruch 5 (siehe auch den abhängigen Verfahrensanspruch 12) an den Strömungskanal zwischen der ersten Prozessgutpumpe und dem Zellaufschlussreak- tor und/oder zwischen dem Zeilaufschlussreaktor und der zweiten Prozessgutpumpe ein Pufferspeicher (z. B. Windkessel, Membranspeicher) angeschlossen, der Druckstöße auffängt und neutralisiert. Die einfachste Lösung hierfür ist, wenn der Strömungskanal mindestens teilweise dehnbar ausgestaltet ist.
Zur Applikation eines Homogenfelds dient üblicherweise eine Platten- elektrodenanordnung. Bekanntlich treten an den Plattenrändern Feldüberhöhungen auf, wenn nicht eine Abrundung am Rand der Platten angebracht ist. Übliche Randprofile sind das Rogowski-Profil oder das Borda-Profil. Beide Profile sind für die Anwendung in einem unbeein- flussten Feldraum (im Vakuum oder Gas) konzipiert. Wird der Feldraum jedoch von einer Materialgrenzfläche zwischen Materialien unterschiedlicher elektrischer Eigenschaften durchzogen, muss das Randpro- fil der Elektroden an den Verlauf dieser Grenzfläche angepasst werden. Dies geschieht durch eine numerische Feldberechnung, bei der das Randprofil iterativ so variiert wird, bis keine Feldüberhöhung mehr im Elektrodenrandbereich auftritt. Fertigungstechnisch günstig ist es, das Randprofil aus Radien zusammenzusetzen.
Nach Anspruch 6 bildet die örtliche Normale der exponierte Oberfläche des dielektrischen Teils entlang eines von der Berührlinie mit dem exponierten Stirnteilbereich der Elektrodenstirn begrenzten Streifens mit der dortigen Normalen der exponierten Stirnteilfläche einen Winkel aus dem Bereich 0 < α <= 90°. Herstellungstechnisch am einfachsten ist, wenn der nur durch das Dielektrikum begrenzte, geradlinige Strömungskanal mit seiner Innenwand geradlinig parallel zur Strö- mungs-/Kanalachse verläuft. Das ist, je nach dem wie die Elektrode die Wand durchdringt elektrisch mehr oder weniger nachteilig, weil es dann die Grenzflächensituation aus exponierter dielektrischer Innenwand, exponierter Elektrodenstirnteilflache als Strömungskanalwand gibt, eine so genannte Tripelflache. Im Bereich dieses Grenzflächenzusammenstoßes bilden sich nachteilige elektrische Situationen bei der elektrischen Felderzeugung aus, und zwar um so nachteiliger, je spitzer die exponierte dielektrische Oberfläche auf die exponierte Elektrodenstirnteilfläche stößt, da dann dort die von der Elektrodenstirnfläche senkrecht austretenden elektrischen Feldlinien durch die dortige dünne spitze dielektrische Schneide in den Strömungskanal durchtreten, wodurch sich lokal über die Feldlinienlänge im Dielektrikum eine isolationstechnisch problematische Überspannung ausbilden kann, die zu lokalen elektrischen Durchschlägen führt. Es ist deshalb elektrisch vorteilhaft und betriebstechnisch zuverlässiger, herstellungstechnisch jedoch aufwendiger, wenn die exponierte dielektrische Oberfläche über eine isolationstechnisch sichere Länge senkrecht auf die Elektrodenstirn stößt, bzw. sich dort idealerweise an den Verlauf des elektrischen Felds anschmiegt.
Ein Betrieb mit Spannungspulsen bewirkt an ungeschirmten Leitungsbereichen eine Aussendung elektromagnetischer Wellen, die für die drahtlose Nachrichtenübermittlung zumindest störend sein können. Das wird durch die Maßnahme gemäß Anspruch 7 in einem breiten Frequenzband unterdrückt. Der Zeilaufschlussreaktor ist hierzu vollständig innerhalb eines elektrischen Abschirmvolumens aufgestellt, das durch eine geschlossene Blechwand gefasst ist. Hochfrequenzstrahlung störender Stärke muss hinreichend abgeschirmt werden, d. h. nicht aus dem Abschirmvolumen austreten. Dazu orientiert sich die Wandstärke der Abschirmung an der beim Prozess auftretenden Hochfrequenz größter Wellenlänge/niedrigster Frequenz. Ist diese elektrische Abschirmung auf Erdpotential gelegt, bedeutet sie gleichzeitig einen Berührschutz.
Die beiden Durchdringungen des Strömungskanals durch die Abschirmungswand sind jeweils als elektrisch leitfähige Rohreinheit mit einer Länge von mindestens dem einfachen, vorzugsweise 3- bis 5-fachen Rohrdurchmesser ausgeführt. Die Förderstrecke durch jeweils ein isolierendes Rohr zwischen dem Zellaufschlussreaktor und der Durchdringung der Abschirmung entspricht zu- und abflussseitig mindestens dem 2-fachen Abstand des Elektrodenspalts.
Zur Vermeidung von eventuellen Gasblaseneinschlüssen ist nach Anspruch 8 der Zeilaufschlussreaktor innerhalb der Hochfrequenzabschirmung senkrecht aufgestellt. Beim Pumpen strömt das Prozessgut von unten nach oben, so dass Gasblasen nach oben getrieben, mitgerissen werden (siehe den abhängigen Verfahrensanspruch 13) . Aufgrund dieser Problematik ist es des Weiteren vorteilhaft, wenn die Winkelhalbierende des Stoßes der exponierten Dielektrikumsfläche auf die exponierte Elektrodenstirnfläche senkrecht zur Strömungsachse steht, da dann strömungstechnisch im Spaltbereich eingangs- und ausgangsseitig gleichartige Verhältnisse bestehen.
Die Werkstoffe, aus denen der Zellaufschlussreaktor gebaut ist, müssen auf jeden Fall prozesstauglich sein, d. h. sie bzw. ihre exponierten Oberflächen müssen gegenüber dem durchströmenden Prozessmedium inert bleiben. Eventuell geringer, unvermeidlicher Abrieb darf bei Anwendungen in der Lebensmittelverarbeitung keine toxische Wirkung entfalten. Die im Zellaufschlussreaktor exponierten Werkstoffe müssen daher lebensmittelverträglich sein; zumindest aber die exponierten
Oberflächen einen solchen Überzug haben. Fertigungstechnisch liegt es nahe, Halbzeugwerkstoffe zu verwenden, die mechanisch gut bearbeitbar und unter Prozessbedingungen elastisch bleiben, also nicht spröde sind, da ja sowohl für den dielektrischen Teil des Zellaufschlussre- aktors als auch für die beiden spaltbildenden metallischen Elektroden beim Prozessieren, insbesondere in einem unerwünschten Durchschlagsfall eine pulsförmige Druckbelastung besteht. Darüber hinaus muss der dielektrische Werkstoff elektrisch isolierend und im Nennbetrieb hochspannungsfest bleiben. Die Wandstärke des dielektrischen Materials des Zellaufschlussreaktors muss an seiner schwächsten Stelle so stark sein, dass die mechanischen Stöße beim Prozessieren im Nennbe- triebsbereich sicher elastisch aufgefangen werden. Beim Herstellen aus dem Vollen ist ein Material mit hinreichendem Durchmesser zu wählen, beim Herstellen aus Platten eine hinreichende Wandstärke. Als Isoliermaterial vorteilhaft sind PP und PE, als Elektrodenmaterial Edelstahl (V2A, V4A) (Anspruch 9) .
Ohne Einschränkung kann ein und derselbe Zellaufschlussreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 symmetrisch bipolar zu den spaltbildenden Elektroden oder unipolar bei einer der beiden Elektroden als Bezugselektrode betrieben werden. Zum Prozessieren des durch den Zellauf- schlussreaktor strömenden Prozessguts wird an das spaltbildende E- lektrodenpaar eine zu einem Bezugspotential, üblicherweise Erdpotential, symmetrische Spannung oder eine Spannung zwischen den beiden spaltbildenden Elektroden, die sich zu einer der beiden auf einem Bezugspotential liegenden Elektroden ausbildet, angelegt.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung für einen Zellaufschlussreaktor, ZAR, zur Elektroporation von beispielsweise Frucht-Maischen weiter erläutert. Die Zeichnung besteht aus den Figuren 1 bis 7 und zeigt im Einzelnen:
Figur 1 den Zeilaufschlussreaktor im Schnitt; Figur 2 den Stirnbereich der Elektrode;
Figur 3 das dielektrische Verschraubungsteil;
Figur 4 den Anschlussbolzen;
Figur 5 -den Querschnittsübergang;
Figur 6 die exponierte Elektrodenstirnteilflache;
Figur 7 Äquipotentiallinienverlauf .
Auch zum Zweck der Maische-Elektroporation wird ein Zellaufschlussre- aktor eingesetzt, der zumindest im zentralen Spaltbereich ein gepulstes homogenes elektrisches Feld appliziert. Beim Anlegen höherer e- lektrischer Felder oberhalb von etwa 20 kV/cm ist es vorteilhaft, wie sich experimentell zeigte, die Maische unter Druck zu setzen. Mit dem erfindungsgemäßen Zellaufschlussreaktor entmischt sich die Maische beim Transport/Strömen durch die Anlage nicht. Auch treten aufgrund zumindest stetiger Kanalübergänge keine Verstopfungen auf.
Damit Fruchtmaische ohne Entmischung und Verstopfung durch die Anlage transportiert werden kann, ist es vorteilhaft, den Förderquerschnitt nicht zu verändern. Da die Applikation eines Homogenfeldes in einer Plattenanordnung einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt erfordert, ist ein querschnittsgleicher Übergang von den runden Schläuchen und Rohrleitungen auf den Elektroporationskanal und umgekehrt erforderlich. Der Übergang wird vorteilhafterweise konisch gestaltet. Ferner darf die Fördergeschwindigkeit nicht zu gering gewählt werden.
Zur Vermeidung von Teildurchschlägen innerhalb von Luftblasen, die mit der Maische mitgeführt werden, muss die Maische zur Applikation höherer Feldstärken bei erhöhtem Druck behandelt werden. Versuche zeigen, dass zur Behandlung von Wein-Maische mit E=40 kV/cm ein Überdruck von etwa 3 bar erforderlich ist. Der nachfolgend beispielhaft beschriebene Zeilaufschlussreaktor wurde auf eine Behandlung mit bis zu E=60 kV/cm bei 7 bar Überdruck ausgelegt. Der geringste gängige Schlauchdurchmesser zur Förderung von Weinmaische beträgt ca. 40 mm
(DN40) . Diese entspricht einem Förderquerschnitt von 12,56 cm2. Von den möglichen rechteckigen Querschnitten des Behandlungsbereichs weist ein quadratischer Querschnitt als Spezialfall des Rechtecks bei gegebenem Förderquerschnitt die geringste Wandfläche und damit den geringsten Strömungswiderstand auf. Daher wurde als Behandlungsquerschnitt ein Quadrat mit 3,5 cm Seitenlänge entsprechend 12,25 cm2 Querschnittsfläche gewählt.
Der Elektrodenabstand von 3,5 cm ist gleichzeitig für die elektrische Auslegung der Elektroporationsanlage passend. Der Zellaufschlussreak- tor ist für den Einbau in eine mobile Elektroporationsanlage konzipiert. Diese Anlage ist mit einem erdsymmetrisch bipolar betriebenen 6-stufigen Marxgenerator mit einer Stufenkapazität von 140 nF bei einer Stufenladespannung von bis zu 50 kV bestückt. Die Auslegungsfeldstärke von E=60 kV/cm ergibt sich bei 50 kV Stufenladespannung für einen Lastwiderstand von ca. 35 Ohm. Bei einer typischen Leitfähigkeit der Maische von ca. 3 mS/cm ist bei einem quadratischen Behandlungsquerschnitt von 3,5 x 3,5 cm2 unter Einbeziehung der Randfeldbereiche eine Elektrodenlänge von ca. 9 cm erforderlich. Bei einem Ü- berdruck von 7 bar wirkt auf die Elektrode eine Kraft von 2205 N.
Ausgeführt wurde der Zellaufschlussreaktor als in einen aus einem zylindrischen Vollmaterial gefertigten Isolierkörper aus hier Polypropylen, PP, eingepasstes rotationssymmetrisches Elektrodensystem mit eingefrästem Förderkanal (Fig. 1) . Fig. 5 zeigt die Anschlussöffnung des Förderkanals mit dem Übergang von rundem zu quadratischem Querschnitt. Die eingelegten Elektroden (Figuren 1 und 2) werden über dielektrische Einschraubteile (Fig. 3) flächig angepresst, so dass eine gute Kraftübernahme von den Elektroden bei Druckbeaufschlagung gewährleistet ist (Form- und Kraftschluss) . Der elektrische Anschluss erfolgt über jeweils eine Welle/einen Gewindebolzen (Fig. 4) . Der Ausgang des elektrischen Energiespeichers/Marx-Generators (dieser ist in der Zeichnung nirgends angedeutet) ist mit beiden Elektrodenanschlüssen elektrisch leitend verbunden. Fig. 1 zeigt die Zusammenstellung aus Isolierkörper in Schnittdarstellung und einliegenden E- lektroden. Die rotationssymmetrische Form ermöglicht eine einfache
Fertigung der Einzelteile als Drehteile. Das elektrische Feld wird in der Umgebung des Strömungskanals kapazitiv gesteuert. Dies unterstützt die resistive Feldsteuerung im Kanalinnern durch den Spannungsabfall längs der Flüssigkeit. Insbesondere in Weinmaische sind Traubenkerne enthalten, die eine wesentlich geringere Leitfähigkeit als der Traubensaft besitzen. Sie verursachen daher in ihrer Umgebung in einem elektrischen Strömungsfeld eine Feldstärkeüberhöhung. Halten sich die Kerne in Wandnähe nahe einer Elektrode auf, wird auch das Feld im Isolierstoff der Wand erhöht. Die kapazitive Feldsteuerung in der Umgebung des Strömungskanals reduziert das Feld im Wandbereich im Vergleich zu einem Entwurf ohne zusätzliche kapazitive Feldsteuerung. Fig. 7 zeigt das näherungsweise Feldlinienbild einer rotationssymmetrischen Simulation. Die abgeknickte, exponierte dielektrische Fläche stößt senkrecht auf die Elektrodenstirnfläche. Beim Entwurf wurde eine geringfügige Randfeldüberhöhung am Übergang vom flachen zum gebogenen Elektrodenteil zugelassen. Hierdurch vergrößert sich der nutzbare Elektroporationsbereich der als Bereich mit einer Feldstärkeabweichung von +/-5% definiert sei. Eine ausgeprägtere Homogenität ließe sich durch eine Verlängerung des Reaktors erzielen. Die in den Zeichnungen angegebenen Maße sind speziell auf die vorhandene Anlage zugeschnitten. Das Ausführungsbeispiel ist deshalb beispielhaft.
Durch Variation der Maße lässt sich das Bauprinzip auf andere Anwendungen übertragen. So kann auch bei länglichen, nicht rotationssymmetrischen Zeilaufschlussreaktoren das Randfeld beidseitig des Kanals durch über den Kanal überstehende Elektroden gesteuert werden. Dazu sind diese Elektroden in die isolierenden Kanalwände eingepasst. Figur 6 zeigt die Sicht auf den Strömungskanal des Zellaufschlussreak- tors durch einen Elektrodensitz hindurch und damit gleichzeitig den im Einbau exponierten Stirnteilbereich der beiden spaltbildenden E- lektroden.
Der Überdruck im Zellaufschlussreaktor bei gleichzeitiger Förderung wird durch die Serienschaltung der ersten und zweiten geregelten Maischepumpe erzielt. Während eine Pumpe mit konstanter Drehzahl den Durchfluss bestimmt, wird die Drehzahl der anderen Pumpe aufgrund einer Druckmessung unmittelbar vor dem Zellaufschlussreaktor so geregelt, dass der gewünschte Druck im Zeilaufschlussreaktor konstant bleibt. Dies geschieht über einen P-Regler, der die Drehzahldifferenz zwischen beiden Pumpen beeinflusst. Ein Windkessel beispielsweise puffert die Maische bei kurzzeitigen Förderungleichheiten beider Pumpen und verlangsamt so die Antwort der Regelstrecke.

Claims

Patentansprüche :
1. Einrichtung zur druckgesteuerten und druckgeregelten, elektropo- rativen Behandlung biologisch pflanzlichem Prozessguts, bestehend aus: einem Zeilaufschlussreaktor, der Bestandteil eines Strömungskanals für das Prozessgut ist, wobei: der Zellaufschlussreaktor aus einem dielektrischen Teil besteht in dem ein spaltbildendes und den Strömungskanal mitbildendes E- lektrodenpaar form- und kraftschlüssig sitzt, die Elektrodenachse die dortige Kanalachse des Strömungs-kanals schneidet und sich die beiden Elektroden stirnseitig mit einem zentralen freien, in den Strömungskanal exponierten Stirnteilbereich spiegelbildlich zur Kanalachse gegenüber stehen, sich der Krümmungsradius der Elektrodenstirnfläche von einem zentralen Gebiet der Stirnfläche zu ihrer Kontur hin von einem größten zu einem kleinsten hin bereichsweise oder kontinuierlich verringert, einer ersten Prozessgutpumpe vor dem Strömungskanaleingang und einer zweiten Prozessgutpumpe nach dem Strömungskanalausgang des Zeilaufschlussreaktors zum druckbeaufschlagbaren Strömen des Prozessguts durch den Zeilaufschlussreaktor,
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der lichte Querschnitt des Strömungskanals im Zell-aufschlussreaktor außerhalb des Elektrodenbereichs einfach rund oder einfach polygonal ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zentral freie, in den Strömungskanal exponierte Stirnteilfläche der jeweiligen Elektrode längs zur Kanal-achse eine größere Ausdehnung hat als senkrecht dazu.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der lichte Querschnitt im zentralen Stirnbereich der beiden spaltbildenden Elektroden gleich oder nahezu gleich dem lichten Querschnitt am Strömungskanalein- und -ausgang des Zellaufschlussre- aktors ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Strömungskanal zwischen der ersten Prozessgut-pumpe und dem Zellaufschlussreaktor und/oder zwischen dem Zeilaufschlussreaktor und der zweiten Prozessgutpumpe ein Pufferspeicher angeschlossen ist oder der Strömungskanal mindestens teilweise als solcher dehnbar ausgestaltet ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die örtliche Normale der exponierten Oberfläche des dielektrischen Teils entlang eines von der Berührlinie mit dem exponierten Stirnteilbereich der Elektrodenstirn be-grenzten Streifens mit der dortigen Normalen der exponier-ten Stirnteilfläche einen Winkel aus dem Bereich 0 < α <= 90° bildet.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass: der Zellaufschlussreaktor vollständig innerhalb eines Abschirmvolumens aufgestellt ist, die beiden Durchdringungen des Strömungskanals durch die Abschirmungswand jeweils als elektrisch leitfähige Rohreinheit mit einer Länge von mindestens dem einfachen Rohrdurchmesser ausgeführt ist und die Förderstrecke durch jeweils ein isolierendes Rohr zwischen dem Zellaufschluss-reaktor und der Durchdringung der Abschirmung zu- und ab-flussseitig mindestens dem 2-fachen Abstand des Elektro-denspalts entspricht.
8. Einrichtung nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanalabschnitt des Zellaufschlussre-aktors senkrecht steht .
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffe des Zeilaufschlussreaktors prozesstauglich sind und die exponierten Oberflächen gegenüber dem durchströmenden Prozessmedium inert sind, der dielektrische Werkstoff im Nennbetrieb elektrisch isolierend, hochspannungsfest, elastisch und druckbelastbar ist.
10. Verfahren zum Betreiben einer Einrichtung zur druckgesteuerten und druckgeregelten, elektroporativen Behandlung biologisch pflanzlichen Prozessguts nach den Ansprüchen 1 bis 9, bestehend aus den Schritten:
durch das Anlegen einer pulsförmigen Spannung an das spalterzeugende Elektrodenpaar wird im zentralen Bereich des Elektrodenspalts ein elektrisches Feld bis zu 100 kV/cm erzeugt,
über die beiden hinsichtlich der Strömung des Prozessguts zueinander in Reihe liegenden Prozessgutpumpen wird der Durchfluss durch den dazwischen liegenden Zellaufschluss-reaktor gesteuert und wird der Druck auf das Prozessgut im ZellaufSchlussreaktor auf einstellbare Konstanz bis zu 10 bar gesteuert oder geregelt über eine Proportionalregelung der Drehzahldifferenz.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgut bei kurzzeitigen Ungleichheiten in der Förderung über die Dehnbarkeit des Strömungskanals zwi-schen der ersten Prozessgutpumpe und dem Zellaufschluss-reaktor und/oder dem Zeilaufschlussreaktor und der zweiten Prozessgutpumpe gepuffert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Prozessieren des durch den Zeilaufschlussreaktor strömenden Prozessguts an das spaltbildende Elektrodenpaar eine zu einem Bezugspotential symmetrische Spannung oder eine Spannung zwischen den beiden spaltbildenden Elektroden, die sich zu einer der beiden auf einem Bezugspotential liegenden E- lektroden ausbildet, angelegt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der
Zeilaufschlussreaktor zum Prozessieren von unten nach oben durchströmt wird.
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