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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beseitigung der Keim-
und Fortpflanzungsfähigkeit
sowie des Schadenspotentials von Organismen, insbesondere von tierischen
und pflanzlichen organischen Beimengungen in Schüttgütern und/oder daraus gebildeten
Zwischen- bzw. Endprodukten. Daneben bezieht sich die Erfindung
auch auf eine zugehörige
Anordnung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Bei
der Erzeugung von Kompost, Blumen- und Pflanzerde, Rindenmulch od.
dgl., aber auch in der landwirtschaftlichen Produktion – Saatgut;
Getreide, Mais etc. für
Nahrungsmittel – gelangen
stets unerwünschte
Samen von Beikräutern,
Mikroorganismen und u. U. unerwünschte
Kleinlebewesen wie z. B. fressende Schadinsekten in das Endprodukt, welche
auch durch sachgerechte Führung
der Verarbeitungsprozesse wie z. B. der Rotte ihre Keim- bzw. Fortpflanzungsfähigkeit
nicht verlieren. Beim Ausbringen des Produkts können diese Samen keimen bzw.
können
sich die unerwünschten
Mikroorganismen und Kleinlebewesen vermehren. Dies führt u. a. zu
einem unerwünschten
Bewuchs mit zum Teil sehr schwierig zu beseitigenden unerwünschten
Pflanzen wie z. B. Disteln, Brennnesseln, Wegerich, Giersch, Löwenzahn,
etc., sowie der Verbreitung von untypischen Arten und gegebenenfalls
von Schädlingen. Im
Saatgut- und Nahrungsmittelbereich
kann dies zu hohen Verlusten durch Insektenfraß und/oder Verunreinigungen
führen.
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Bisherige
Lösungen
erfolgen entweder chemisch über
Beimischung von z. B. Unkrautvernichtern bzw. Insektiziden oder
Bioziden (Fungiziden), welche im biologischen Gartenbau nicht eingesetzt werden
können,
oder vorzugsweise über
Erhitzung auf Temperaturen im Bereich von typisch etwa 70°C. Insbesondere
thermische Verfahren, z. B. über
Zufuhr von Heißdampf, führen jedoch
zu einer unvorteilhaften Konsistenz des Produkts (Verklumpung) und erfordern
einen hohen Energieaufwand.
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Bestrahlung
mit ionisierender Strahlung (Gammastrahlen, Röntgenstrahlung, Elektronenstrahlen,
UV-Strahlung) ist prinzipiell möglich,
erfordert jedoch extrem Strahlendosen im Bereich > 25 kGy. Da der Samen-
bzw. lebende biologische Anteil (z. B. Schadinsekten) insbesondere
bei der Kompost- und Pflanzerdeproduktion jedoch nur einen verschwindend
geringen Masseanteil aufweist, sind diese Verfahren unwirtschaftlich
und werden deshalb, auch wegen der hohen Strahlenbelastung, i. a.
nur bei der Saatgutproduktion, eingesetzt.
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Demgegenüber liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein anderes Verfahren vorzuschlagen,
bei dem insbesondere keine Belastung mit ionisierenden Strahlungen
auftritt. Dazu soll eine zugehörige
Anordnung geschaffen werden.
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Die
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch
die Maßnahmen
des Patentanspruches 1 gelöst.
Eine zugehörige
Anordnung ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruches 11.
Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung werden gepulste
elektrische Felder benutzt, um die Keimzellen in den vorhandenen
Samen zu denaturieren und damit ihre Keimfähigkeit zu beseitigen und analog dazu
die Fortpflanzungsfähigkeit
von mikrobiologischen Verunreinigungen bzw. Schadinsekten etc. zu zerstören. Für dieses
Verfahren sind elektrische Felder im Bereich von ca. 0,5 kV/cm bis über 10 kV/cm geeignet.
Besonders geeignet sind elektrische Felder im Bereich von etwa 1
kV/cm bis ca. 6 kV/cm bei Pulsdauern (Pulshalbwertsbreiten) von
einigen Mikrosekunden bis zu einigen zehn Mikrosekunden im Bereich
niedriger Feldstärken
sowie Pulsdauern von zehntel Mikrosekunden bis zu einigen Mikrosekunden
bei Feldstärken
im Bereich von mehreren kV/cm.
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Das
Einwirken hoher elektrischer Felder auf biologische Zellsysteme
ist unter der Bezeichnung „Elektroporation" an sich bekannt
und wird insbesondere im Bereich der Verarbeitung landwirtschaftlicher Produkte,
z. B. Zuckerrüben,
Kartoffeln, Möhren, Mais, Äpfel od.
dgl., auf sein mögliches
Einsatzpotential untersucht. Dies ergibt sich beispielsweise aus den
Veröffentlichungen
von C. Schultheiss et al., „Operation
of 20 Hz Marx generators on a common electrolytic load in an electroporation
chamber", Proc. IEEE
Pulsed Power Conference 2003, Seiten 669 ff. und von H. Bluhm et
al., „Industrial
scale treatment of biological cells with pulsed electric fields", Proc. IEEE Power
Modulator Conference 2004, Seiten 8 ff.
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Aus
letzteren Entwicklungen ist es auch bekannt, dass elektrische Felder
auf pflanzliche Zellen dahingehend einwirken, dass bei ausreichender
Amplitude und Zeitdauer die Zellwände zerstört und damit die Zellinhalte
extrahierbar werden. Bei diesen Verfahren wird i. a. neben der Verwendung
ganzer Feldfrüchte
in einem Wasserbad mit homogenisierten Zellverbänden (geschnitzelt, gemahlen),
welche gegebenenfalls mit Wasser zu einer mechanisch förderbaren
Konsistenz aufbereitet werden, gearbeitet. Andere bekannte Verfahren
werden untersucht bzw. angewandt im Bereich der Getränkeindustrie
zur Keimzahlverringerung pathogener Keime in Fruchtsäften, Milchprodukten
od. dgl. Dies ergibt sich aus den Veröffentlichungen von J. R. Beveridge
et al., „Pulsed
electric field inactivation of spoilage microorganisms in alcoholic
beverages and the influence of pulse profile", Proc. IEEE Pulsed Power Conference 2003,
Seiten 1132 ff., von J. R. Beveridge et al., „The influence of pulse duration
of monopolar and bipolar profile pulsed electric fields on the inactivation
of Obesumbacterium proteus – a
spoilage microorganism",
Proc. IEEE Power Modulator Conference 2004, pp. 615, von K. Wall
et al., „Evidence
of nuclear membrane damage in yeast cells treated with pulsed electric
fields", Proc. IEEE
Power Modulator Conference 2004, Seiten 623 ff. und von I. V. Timoshkin
et al., „Dynamics
of the development of an electrical field across cellular mem branes – PEF inactivation
of micro-organisms",
Proc. IEEE Power Modulator Conference 2004, Seiten 611 ff.
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Nicht
bekannt ist letztere Methode bisher jedoch zur Beseitigung der Fortpflanzungsfähigkeit makroskopischer
pflanzlicher und tierischer Zellverbände, speziell bei Schüttgütern, insbesondere
derer von pflanzlichen Samen und Schadinsekten mit dem Ziel, deren
Keimfähigkeit
bzw. Fortpflanzungs- und Vermehrungsfähigkeit gezielt zu beseitigen.
Dazu wird das zu entkeimende Schüttgut
wie Kompost, Erde, o. ä.
durch ein Elektrodensystem geführt,
dem intermittierend Hochspannungsimpulse ausreichender Amplitude
zugeführt
werden. Die Hochspannungsimpulse werden von einem Hochspannungsimpulsgenerator
mit Spannungsamplituden von einigen zehn Kilovolt und Stromamplituden
von einigen hundert A bis zu einigen zehn kA bei Impulswiederholraten
von typisch einigen Hertz bis zu einigen 10 Hz erzeugt. Entsprechend
lässt sich
bei Anpassung von Impulsform bzw. -amplitude, Impulsrate und -anzahl
bei biologischen (z. B. Schadinsekten; Pflanzensamen, Sprossen und
Pflanzenteilen) und mikrobiologischen (z. B. Pilzen) Organismen
eine Zellschädigung
dergestalt herbeiführen,
dass die Fortpflanzungsfähigkeit
solcher Lebensformen irreversibel gestört und damit deren Vermehrung
und Ausbreitung verhindert wird.
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Bei
der Erfindung ist besonders vorteilhaft, dass nur ein im Vergleich
zu bekannten thermischen Verfahren geringer Energieaufwand benötigt wird,
so dass das erfindungsgemäße Verfahren ökonomisch realisierbar
ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist auch gleichermaßen ökologisch
und biochemisch unbedenklich, da insbesondere keine ionisierende Strahlung
eingesetzt wird.
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Vorteilhaft
ist weiterhin, dass ausgehend vom Labormaßstab das erfindungsgemäße Verfahren
skalierbar und auch im Praxisbetrieb steuerbar ist. Darüber hinaus
ist es einfach in vorhandene Fertigungsabläufe einzubinden, da für eine erfindungsgemäße Anordnung
ein nur geringer Platzbedarf notwendig ist. Insbesondere werden
auch keine chemischen Stoffe als Zusätze verwendet und es ist keine Lagerung
der zur Behandlung erforderlichen Zusätze notwendig. Bei Behandlung
eines Fertigprodukts ergeben sich insbesondere auch keinerlei Änderungen in
der Konsistenz des Fertigproduktes.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es
zeigen
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1 eine
Behandlungslinie mit kontinuierlicher Zufuhr eines Schüttgutes
und
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2 eine
Behandlungslinie mit einer semikontinuierlichen Zufuhr eines Zwischen-
bzw. Endproduktes.
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In
vielen Schüttgütern oder
auch Zwischen- und Endprodukten aus solchen Gütern sind organische Beimengungen
vorhanden, die sich bei längerer Lagerung
vermehren. Vor der bestimmungsgemäßen Verwendung solcher Schüttgüter, Zwischenprodukte oder
Endprodukte muss eine Entkeimung durchgeführt werden.
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Bei
dem neuen Verfahren wird nunmehr das zu entkeimende Gut, wie z.
B. fertig verrotteter Kompost oder Erde, über ein Elektrodensystem mit
hohen elektrischen Feldern beaufschlagt. Um die benötigten hohen
Feldstärken
von einigen zehntel kV/cm bis zu einigen zehn kV/cm im Bereich des
biologischen Systems, z. B. eines Samenkorns, selbst zu erzeugen,
ist eine zeitweilige Kompaktierung des Produkts notwendig; andernfalls
würde das
elektrische Feld vorwiegend im Bereich von Hohlräumen, d.h. Lufteinschlüssen, anfallen
und wegen der hohen elektrischen Leitfähigkeit von feuchtem Kompost
bzw. Erde oder Getreide etc. von typisch einigen mS/cm nicht im
Samen selbst auftreten.
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Das
vorkompaktierte Produkt wird für
eine ausreichende Verweilzeit in ein Elektrodensystem gebracht,
um typisch etwa fünf
bis zehn Impulse pro Volumeneinheit einzusetzen. Beson ders geeignet sind
Impulsfolgen mit einer Impulsfolgerate von wenigen Hz bis zu etwa
20 Hz, da bei diesen ein besonders effizienter Energieeintrag erfolgt.
Wegen der möglichen
hohen Leitfähigkeit
des zu verarbeitenden Gutes (meist Schüttgut) ist es vorteilhaft,
kurze Hochleistungsimpulse mit Dauern im Bereich von typisch Mikrosekunden
einzusetzen; bei längeren
Impulsen und/oder höheren
Feldstärken
nimmt der Energieinhalt der aufzubringenden Leistungsimpulse und
damit die einzusetzende Gesamtenergie zu, ohne zu einer wesentlichen
Verbesserung des Prozesses beizutragen. Der optimale Parametersatz „Feldstärke – Impulsdauer – Impulszahl – Impulswiederholrate" ist abhängig von
dem geforderten Prozess (z. B. den zu entkeimenden Samenarten) und
findet sich im oben beschriebenen Bereich.
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Die
Leistungsimpulstechnik ist wie folgt zu bemessen: Spannungsamplitude: Up = D × Eopt, (1)wobei
Eopt das für die jeweilige Samenart und
die gewählte
Impulsdauer und -folgefrequenz die optimale elektrische Feldstärke ist
und D die für
den Prozess gewählte
Schichtdicke des kompaktierten Materials. Es können sowohl unipolare Spannungsimpulse
als auch bipolare Impulse eingesetzt werden. Stromamplitude: Ip = A × σ × Up/D, (2)mit
A: = Elektrodenfläche; σ: = elektrische
Leitfähigkeit
des gegebenenfalls kompaktierten Schüttguts.
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Alternativ
können
obige Bestimmungsgleichungen bei Vorgabe von Parametern wie Spannungs-
oder Stromamplitude zur Bestimmung der anderen Prozessparameter
A, D genutzt werden.
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Die
Leistungselektronik zur kontinuierlichen Erzeugung der Hochleistungsimpulse
wird vorzugsweise auf der Basis einer Kondensatorentladung mit Leistungshalbleitern
wie Hochspannungsthyristoren, IGCTs oder IGBTs o. ä. ausgeführt und
di rekt in das zu behandelnde Gut oder aber über einen Hochspannungsimpulstransformator
eingekoppelt. Insbesondere bei der Anwendung zur Beseitigung der
Vermehrungsfähigkeit
mikrobiologischer Verunreinigungen wie z. B. Pilzen ist es vorteilhaft,
wenn vor der Einkopplung in das Gut eine Verkürzung der Impulse mit magnetischen
Schaltern entsprechend dem Stand der Technik erfolgt.
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Bei
konkreten Ausführungsformen
in einer Fertigungslinie sind unterschiedliche Verfahren zur Beaufschlagung
von Kompost, Erde oder anderen Schüttgütern möglich. Einige besonders vorteilhafte Verfahren
sind:
- – Batchverfahren,
z. B. in Plastiksäcken
fertig abgepackte Produkte, die bereits vorkompaktiert sind,
- – Online-Verfahren,
z. B. eingebunden in Förderlinien
des Fertigprodukts mit einem speziellen Förderbandabschnitt mit zeitweiliger
mechanischer Kompaktierung und gegebenenfalls anschließender Auflockerung
in einem Rüttelfeld,
- – Kombination
letzterer Verfahren, z. B. Batchverfahren für ein loses Produkt mit zeitweiliger
Kompaktierung.
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Weiterhin
ist mit dem beschriebenen Verfahren die gezielte Sterilisation bestimmter,
einzelner Samen- oder Schadinsektensorten, welche als Verunreinigung
in der Samen- oder Getreideproduktion auftreten können, möglich, wodurch
eine verbesserte Kontrolle z. B. bei der Produktion erfolgen kann. Dazu
müssen
die Verfahrensparameter speziell auf die zu entkeimende Schädlingssorte
abgestimmt werden, so dass die gewünschten Produkte, z. B. Getreidesamen,
Getreide/Mais für
Nahrungsmittelproduktion od. dgl., nicht negativ beeinflusst werden. Gegebenenfalls
muss das Verfahren in einem Wasserbad o. ä. ausgeführt werden, um unzulässig hohe Anteile
von Hohlräumen
auszuschließen.
Weitere Anwendungsbeispiele sind die Schädlingsbekämpfung bei Naturprodukten wie
z. B. Hopfen, Beerenfrüchten,
Kaffee, Kakao, landwirtschaftliche Produkte im Allgemeinen, Naturfasern
im Roh- oder verarbeiteten Zustand, wie z. B. Wolle, Baumwolle,
od. dgl.
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Eine
kontinuierliche Bearbeitungslinie mit einer Förderanlage 10, in
der eine Einrichtung zur Entkeimung integriert ist, ist in 1 dargestellt.
Dabei bedeuten 1 eine übergeordnete
Anlagensteuerung und 100 die elektrische Ausrüstung, die
aus zwei Elektroden 102 und 103 und einer elektrischen
Versorgungseinheit 101 mit einem Hochspannungsimpulsgenerator
besteht. Mit dem Generator der Einheit 101 können Hochspannungsimpulse
vorgegebener Höhe,
Spannung und Abstand generiert werden. Die Einheit 101 wird
von der Anlagensteuerung 1, die auch die Förderanlage 10 steuert,
aktiviert.
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1 enthält im Einzelnen
eine Förderanlage 10,
die ein über
Antriebsrollen 11, 11' , 11'', 11''', ...
laufendes Förderband 15 beinhaltet,
auf dem ein Schüttgut 5 transportiert
wird. Es ist weiterhin eine Andruckrolle 12 zur Kompaktierung,
zum Einebnen und zur Vergleichmäßigung des
Schüttgutes 5 vorhanden.
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Beim
Durchlauf des Schüttgutes 5 durch
das gepulste elektrische Feld zwischen den Elektroden 102 und 103 erfolgt
die elektrische Spannungsbeaufschlagung, wobei das elektrische Feld
eine Entkeimung bewirkt. Bei Schadinsekten kann diese „entkeimende" Wirkung auch darin
bestehen, dass das elektrische Feld die Bewegungsfähigkeit
irreversibel schädigt,
so dass Fraßinsekten
lokalisiert bleiben und weder größeren Schaden
durch Fraß anrichten noch
sich weiter vermehren können.
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In
einer anderen Ausführungsform
gemäß 2 ist
eine semikontinuierliche Förderanlage
aus einer ersten Fördereinrichtung 20 und
einer zweiten Fördereinrichtung 20' vorhanden,
welche jeweils aus Antriebsrollen 21, 21' und einem Förderband 25 bzw. 25' bestehen. Auf
dem ersten Förderband 25 erfolgt eine
Zufuhr von in Kunststofffolien verpacktem und vorkompaktierten Gut 6, 6', ... 6n,
z. B. Kompost, zur Station mit der elektrischen Feldbeeinflussung.
Diese Station ist mit der Versorgungseinheit 101 und den Elektroden 102, 103 entsprechend
der elektrischen Ausrüstung
in 1 ausgebildet.
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Vorteilhaft
ist bei letzterer Anordnung, dass das Zwischen- oder auch Endprodukt bereits fertig konfektioniert
angeliefert werden kann und nach der elektrischen Behandlung weiter
transportiert wird. Eine nochmalige Konfektionierung ist nicht notwendig.
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In
den beiden oben beschriebenen Beispielen gemäß den 1 und 2 hat
die elektrische Versorgungseinheit 101 einen Hochspannungsimpulsgenerator
für unipolare
Impulse. Es können
aber auch bipolare Impulse erzeugt und für den bestimmungsgemäßen Zweck
eingesetzt werden.