Konzepte und Anlagen der Leistungsimpulstechnik
Für verschiedene innovative Anwendungsfelder der Hochleistungimpulstechnik, wie beispielsweise die Prozessierung pflanzlicher Zellen zur Nahrungsmittelgewinnung oder Energieproduktion, besteht ein Bedarf an Pulsgeneratoren und Pulslasten sowie Messtechnik, die für den jeweiligen Anwendungszweck maßgeschneidert sind.
Anwendungen:
Zur Elektroporation von Pflanzenzellen werden über eine Elektrodenanordnung Pulse mit Pulslängen im Mikrosekundenbereich an das Prozessgut appliziert. Es bilden sich Poren in den Zellmembranen, durch die Inhaltsstoffe der Zellen leicht extrahiert werden können. Die erforderliche Feldstärke hängt von der Zellgröße ab. Während beispielsweise für Zuckerrüben mit Zelldurchmessern von ca. 50 µm eine Feldstärke von etwa Ê = 3…5 kV/cm benötigt wird, erfordert das Öffnen von kleineren Zellen, wie beispielsweise Algen, eine höhere Feldstärke von mehreren 10 kV/cm.
Herkömmlicherweise werden Zuckerrüben zur Zuckergewinnung in einem thermischen Verfahren aufgeschlossen und anschließend der Zucker in einem Gegenstromverfahren extrahiert. Die ausgelaugten Schnitzel werden getrocknet und finden als Viehfutter Verwendung. Die Elektroporation von Zuckerrüben ermöglicht in Kombination mit der sog. alkalischen Extraktion eine Energieeinsparung von mindestens 20 % des Primärenergiebedarfs einer Zuckerfabrik. Dieses Einsparpotential umfasst geringere thermische Verluste durch ein inverses Temperaturprofil bei der Gegenstromextraktion bei einer leicht verringerten Prozesstemperatur und einen geringeren Energieeinsatz in der Hochtemperaturtrocknung der Rübenschnitzel aufgrund ihrer verbesserten Abpressbarkeit. Außerdem bewirkt die frühe Zugabe der Kalkmilch zu den Rübenschnitzeln die Bindung wertvoller Inhaltsstoffe an die Rübenschnitzel, die sie als Viehfutter aufwerten, und das alkalische Milieu beugt der Korrosion vor.
Die Elektroporation von Fruchtmaischen ermöglicht eine schonende und effiziente Extraktion wertgebender Inhaltsstoffe. Dies wird derzeit am Beispiel von Weinmaische untersucht. Herkömmlicherweise erfolgt das Herauslösen der Farbstoffe bei der Rotweingewinnung entweder durch ein- bis dreiwöchige Maischegärung oder durch Maischeerhitzung. Die Maischeerhitzung benötigt zwar nur eine kurze Verarbeitungszeit, kann aber eine geringfügige Geschmacksbeeinträchtigung bewirken (Kochgeschmack). Die Elektroporation ermöglicht einen schnellen Zellaufschluss ohne thermische Belastung des Prozessguts. Bei der Weißweinbereitung ermöglicht die Elektroporation eine vollständigere Extraktion wertgebender Inhaltsstoffe. Somit unterstützt die Elektroporation das sortentypische Aroma gehaltvoller Weißweinsorten. Auch beugt ein höherer Anteil an hefeverfügbarem Stickstoff der Atypischen Alterung vor. Aufgrund verbesserter Pufferwirkung weist der elektroporierte Wein eine geringere Säure auf. Durch die Elektroporation kann auf die Zugabe von Enzymen zum Zellaufschluss bei der Weinbereitung verzichtet werden.
Zur Gewinnung von BtL-Kraftstoffen aus frischer Biomasse ist eine energieeffiziente Trocknung erforderlich. Die elektroporationsunterstützte Trocknung ermöglicht durch eine verbesserte Abpressbarkeit der Biomasse eine Einsparung an Verdampfungswärme. Darüber hinaus beschleunigt ein verbessertes Diffusionsverhalten des elektroporierten Materials die Trocknung. Durch eine geringere Verweildauer im Trocknungsofen können die Ofenverluste gesenkt und die Ofengröße reduziert werden.
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Zur Gewinnung von BtL-Kraftstoffen aus frischer Biomasse ist eine energieeffiziente Trocknung erforderlich. Die elektroporationsunterstützte Trocknung ermöglicht durch eine verbesserte Abpressbarkeit der Biomasse eine Einsparung an Verdampfungswärme. Darüber hinaus beschleunigt ein verbessertes Diffusionsverhalten des elektroporierten Materials die Trocknung. Durch eine geringere Verweildauer im Trocknungsofen können die Ofenverluste gesenkt und die Ofengröße reduziert werden.
Versuchsaufbauten und Anlagen:
Für die energieeffiziente Prozessierung eines Produktstroms werden Zellaufschlusskammern mit einer nahezu homogenen Feldverteilung entlang der Behandlungsstrecke entworfen. Die Zellaufschlusskammer für die mobile Anlage zur Maischebehandlung KEA-WEIN ist für eine erdsymmetrische Spannungsbeaufschlagung des Elektrodensystems ausgelegt. Der erdsymmetrische Betrieb bietet den Vorteil, dass die Anlage aufgrund geringerer erforderlicher Isolationsabstände kompakter aufgebaut werden kann.
Zur Erzeugung von Pulsen mit Pulslängen im Mikro- und Millisekunden-Bereich kommen einstufige und mehrstufige Pulsgeneratoren mit Kondensatoren als Energiespeicher zur Anwendung. Bei kleineren Pulsleistungen bietet sich der Einsatz von Halbleiterschaltern an. Halbleiterschalter ermöglichen einen Betrieb bei Repetitionsraten von bis zu mehreren Kilohertz. Für höhere Pulsleistungen stellen Schaltfunkenstrecken die kostengünstigere Alternative dar. Es laufen Forschungs- und Entwicklungsprojekte zu beiden Schaltertechnologien.
Für Kurzpulse im Nanosekundenbereich werden Kabelpulsgeneratoren mit Halbleiter- und Funkenstreckenschaltern entwickelt.
Für den Aufschluss pflanzlicher Zellen im industriellen Maßstab, beispielsweise von Zuckerrüben, ist eine durchschnittliche Leistung von bis zu mehreren 100 kW erforderlich. Zusammen mit unserem Kooperationspartner SÜDZUCKER entwickelt das KIT/IHM eine industrielle Elektroporationsanlage für Zuckerrüben mit zeitsynchronem Betrieb mehrerer Marxgeneratoren. Um einen zuverlässigen Langzeitbetrieb zu ermöglichen, werden die Generatoren mit einer verschleißarmen Überspannungstriggerung ausgerüstet. Ein Pulsgenerator auf Halbleiterbasis koppelt induktiv zwischen der ersten und zweiten Generatorstufe einen Überspannungsimpuls ein, der das Zünden der Funkenstrecke der ersten Stufe bewirkt. Durch entsprechende Vorionisation kann ein geringer Jitter des Zündzeitpunks erzielt werden.
Neben der Messung der Pulsparameter (Pulsspannung, Pulsstrom etc.) kommt der Messung der Prozessparameter eine besondere Bedeutung bei der Prozessführung zu. Für einen energieeffizienten Betrieb der Elektroporationsanlagen wird eine Einrichtung zur kontinuierlichen Aufschlussgradmessung am Prozessgut entwickelt, die einen bedarfsgerechten Energieeintrag für den gewünschten Aufschlussgrad ermöglicht. Das Messprinzip beruht auf der Auswertung des Phasenwinkels der komplexen Impedanz des Prozessguts bei einer diskreten Messfrequenz. Die Zellmembranen stellen eine Kapazität dar, die bei Anlagen einer Wechselspannung zu einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung führt. Poren in den Zellmembranen sowie auslaufender Zellsaft stellen einen ohmschen Kurzschluss dar, der mit zunehmendem Zellaufschluss einen Rückgang der Phasenverschiebung bewirkt.
Neben der Messung der Pulsparameter (Pulsspannung, Pulsstrom etc.) kommt der Messung der Prozessparameter eine besondere Bedeutung bei der Prozessführung zu. Für einen energieeffizienten Betrieb der Elektroporationsanlagen wird eine Einrichtung zur kontinuierlichen Aufschlussgradmessung am Prozessgut entwickelt, die einen bedarfsgerechten Energieeintrag für den gewünschten Aufschlussgrad ermöglicht. Das Messprinzip beruht auf der Auswertung des Phasenwinkels der komplexen Impedanz des Prozessguts bei einer diskreten Messfrequenz. Die Zellmembranen stellen eine Kapazität dar, die bei Anlagen einer Wechselspannung zu einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung führt. Poren in den Zellmembranen sowie auslaufender Zellsaft stellen einen ohmschen Kurzschluss dar, der mit zunehmendem Zellaufschluss einen Rückgang der Phasenverschiebung bewirkt. Beim Aufbau der pulsleistungstechnischen Versuchsstände und Anlagen spielt die Elektromagnetische Verträglichkeit eine wesentliche Rolle. Alle Anlagen- und Schaltungsentwürfe werden für störungsfreien Betrieb und lange Lebensdauer ausgelegt.