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GEBIET DER ERFINDUNG:
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines pflanzlichen
Proteinkonzentrats aus vollfett oder teilweise entfettetem, öligem,
pflanzlichem Material.
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HINTERGUND DER ERFINDUNG:
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Wegen
des relativ hohen Proteingehalts von öligem, pflanzlichem
Material wie, zum Beispiel aber nicht nur, Sojabohnen, ist solches
Material ein sehr geeignetes Ausgangsmaterial für die Produktion
von pflanzenbasierten, proteinösen Nahrungsmittelbestandteilen
beispielsweise Konzentraten und Isolaten. Seit kurzem werden Sojakonzentrate
auch als Futtermittelbestandteil in Aquakulturen genutzt, um den
Mangel an Fischmehl zu lindern und/oder um eine billigere und dioxinfreie
Alternative anzubieten. Aus ernährungsbedingten Gründen
fordert diese Anwendung eine gründliche Beseitigung von
Oligosacchariden aus dem pflanzlichen Material.
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Wie
im
US Patent No. 4,219,470 erwähnt,
ist der Gesamtaufbau der Trockenmasse von Sojabohnen 40% Protein,
29% Kohlenhydrate und Phosphatide, 21% Triacylglycerineöl
und 10% Asche und Fasern. Eine Erhöhung des Proteingehalts
beinhaltet daher die Beseitigung von anderen Bestandteilen. Falls
das Öl mittels Extraktion entfernt wird, wird der Proteingehalt
im resultierenden Mehl, das 13 Gew.-% Feuchtigkeit enthält, auf
44 Gew.-% gesteigert, und falls die Bohnen vor der Extraktion enthülst
worden wären, hätte ein resultierendes Mehl einen
Proteingehalt von 48 Gew.-%. Die Produktion von Proteinkonzentrat
durch Entfernen von löslichen Kohlenhydraten (Oligosaccariden,
beispielsweise Sucrose, Raffinose und Stachyose) aus dem letzen
Mehl via Extraktion des Mehl, mit wässrigem Ethanol kann
den Proteingehalt weiter auf bis zu 70 Gew.-% in der Trockenmasse
steigern.
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Eine
weitere Steigerung und eine Produktion von Isolaten entfetteter
Sojabohnenflocken machen es erforderlich, dass das Protein aufgelöst
wird, und dass das aufgelöste Protein von unlöslichen
Mehlbestandteilen wie den Fasern, die in den Zellwänden
enthalten sind, getrennt wird, dass das Protein anschließend durch
Senkung des pHs der Proteinlösung ausgefällt wird,
und dass das Fällungsprodukt von den Kohlenhydraten, die
in der Lösung verbleiben, getrennt wird.
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Isolate,
die auf diese Weise hergestellt werden, können über
90% Protein in der Trockenmasse enthalten.
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Allerdings
generiert dieser Prozess einen wässrigen Ausfluss, der
eine intensive Behandlung vor der Beseitigung erfordert. Daher sind
Isolate teuer und für viele Anwendungen ist der etwas niedrigere
Proteingehalt des Konzentrats völlig akzeptabel. Dementsprechend
sind eine Anzahl von Verfahren für die Herstellung von
Sojakonzentraten entwickelt worden.
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Diese
Verfahren unterscheiden sich in der Reihenfolge, in der sie das Öl,
die Kohlenhydrate und die Zucker extrahieren. Das im
U.S. Patent No. 3,971,856 offenbarte
Verfahren beginnt mit dem Entfernen des Zuckers aus den enthülsten
Sojabohnen mit Wasser, dann werden die extrahierten Bohnen getrocknet,
geflockt und das Öl mit einem apolaren Lösungsmittel
extrahiert. Andere Verfahren wie beispielsweise im
U.S. Patent No. 3,268,503 offenbart,
verwenden entfettete Sojaflocken als Ausgangsmaterial für
die Extraktion der Zucker mittels einer 50–70%igen, wässrigen
Ethanollösung. Allerdings haben beide Verfahren den Nachteil,
dass das Zwischenprodukt, also das Produkt, das bereits einer Extraktion
unterzogen wurde und noch einem zweiten Extraktionsverfahren unterzogen
werden muss, getrocknet oder von Lösungsmittel befreit
werden muss.
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Um
dieses Trocken und das Entfernen des Lösungsmittels zu
vermeiden, sind verschiedene Lösungsmittelsystem beschrieben
worden.
U.S. Patent No. 3,714,210 offenbart
ein zweiphasiges, flüssiges Lösungsmittel: eine
Phase besteht hauptsächlich aus einem oder mehreren lipophilen
Lösungsmitteln und die andere Phase besteht hauptsächlich
aus einem Gemisch aus Wasser und einer oder mehrer mit Wasser mischbaren Substanzen. Öl
und nicht-proteinöse Materialen werden gleichzeitig extrahiert,
so dass ein Sojaproteinkonzentratprodukt mit einer hellen Farbe
und einem milden Geschmack entsteht. Bei diesem Verfahren ist es
schwierig, die Flockenintegrität zu erhalten, so dass eine
einwandfreie Perkolation der Schicht des zu extrahierenden Materials
nicht immer gewährleistet werden kann.
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An
Stelle des zweiphasen Lösungsmittelsystems kann auch ein
System mit einer einzigen Phase verwendet werden, wie es in
U.S. Patent No. 4,219,470 offenbart
ist. Die beiden verwendeten Lösungsmittel sind Alkohol
(Ethanol) und Wasser, und durch Variieren ihres Verhältnisses
zeigt das Lösungsmittelgemisch entweder eine Präferenz
für die Extraktion von Lipiden oder von Zuckern. Durch
das anfängliche Kontaktieren von Vollfett-Sojabohnenflocken
mit einem wässrigen Ethanolstrom, der 50–70 Gew.-%
Alkohol enthält, werden die Zucker, die in den besagten
Flocken enthalten sind, extrahiert. Danach werden die nassen Flocken
durch Kontaktieren mit konzentriertem, wässrigem Ethanol
getrocknet, und wenn der Ethanol nicht länger mit Wasser verdünnt
ist, beginnt er die Lipide, die in den zuckerfreien Flocken noch
enthalten sind, aufzulösen und zu extrahieren. Dieses Verfahren
führt auch zur Proteinextraktion, so dass die Konzentratausbeute
inakzeptabel niedrig ist.
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Wie
in
U.S. Patent 3,734,901 offenbart,
ist es auch möglich die Lipide zuerst zu extrahieren und
dann die Zucker aus dem fettfreien Extraktionsrückstand
zu extrahieren. Zu diesem Zweck, werden die Lipide zuerst aus den
Sojabohnenflocken mittels eines alkoholischen Hydrokarbon/Monohydrid
Lösungsmittels extrahiert, gefolgt von einer wässrigen
Extraktion der wasserlöslichen Bestandteile. Allerdings
beinhaltet dieses Verfahren immer noch das Entfernen von Hexan durch
Evaporation aus den extrahierten Flocken, die im Wesentlichen frei
von Lipiden sind, bevor diese Flocken dem wässrigen Lösungsmittel
zur Extraktion der wasserlöslichen Bestandteile ausgesetzt
werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:
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Es
ist ein Vorteil der Erfindung, dass Lipide und Zucker aus öligem,
pflanzlichem Material extrahiert werden können, ohne dass
dazwischen die Notwendigkeit eines kompletten Entfernens des Lösungsmittels besteht.
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Überraschender
Weise wurde herausgefunden, dass der zwischenliegende Lösungsmittelentfernungs-Schritt
erheblich vereinfach oder sogar weggelassen werden kann, in einem
Verfahren zur Herstellung eines pflanzlichen Proteinkonzentrats
aus öligem, pflanzlichem Material, das Triacylglycerineöl,
Zucker und Protein enthält, welches die Schritte aufweist:
- a) Vorbehandeln des öligen pflanzlichen
Material, um die Zellen zu öffnen;
- b) Extrahieren des vorbehandelten, öligen, pflanzlichen
Materials, das aus Schritt a) resultiert ist, in einem ersten Extraktor
mit einem apolaren Lösungsmittel, um eine erste Miscella
zu erzeugen, die Öl und lösungsmittelnasses, entfettetes,
pflanzliches Material enthält;
- c) Kontaktieren des besagten, entfetteten, pflanzlichen Materials
mit wässrigem Ethanol mit einer Ethanolkonzentration von
mindestens 80 Gew.-%, um das apolare Lösungsmittel zumindest
teilweise mit Ethanol zu ersetzten und eine zweite Miscella und
ethanolnasses, entfettetes, pflanzliches Material zu erzeugen;
- d) Benetzen von besagtem, ethanolnassen, entfetteten, pflanzlichen
Material mit wässrigem Ethanol während besagtes
Material von besagtem ersten Extraktor zu einem endgültigen
Extraktor überführt wird;
- e) Extrahieren von besagtem pflanzlichen Material in besagtem
endgültigen Extraktor mit einem wässrigen Ethanolstrom,
der 50–90 Gew.-% Ethanol enthält, um einen dritten
Miscellastrom, der Zucker und lösungsmittelnasses, proteinöses
Material enthält, zu erzeugen;
- f) Entfernen des Lösungsmittels aus dem besagten lösungsmittelnassen,
proteinösen Material, um ein pflanzliches Proteinkonzentrat
zu erzeugen.
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Aspekte
der vorliegenden Erfindung werden auch durch das pflanzliche Proteinkonzentrat,
das durch das vorstehend offenbarte Verfahren erzeugt wird, realisiert.
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Es
ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens,
dass das Kontaktieren des entfetteten, pflanzlichen Materials mit
dem konzentrieren, wässrigen Ethanol das apolare Lösungsmittel
ersetzt und daher keine Notwendigkeit eines zwischenliegenden kompletten
Entfernens des Lösungsmittels besteht.
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Es
ist ein Vorteil von bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens, dass das Benetzen das ethanolnasse, entfettete, pflanzliche
Material intakt hält und somit eine effiziente Perkolation
im nachfolgenden Extraktionsschritt e) gewährleistet.
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Es
ist auch ein Vorteil von bestimmten Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Verfahrens, dass die Proteine,
die im pflanzlichen Material vorliegen, ihre Verdaubarkeit behalten,
wenn sie als Futtermittelbestandteil verwendet werden.
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Es
ist ein Vorteil von bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens, dass der Dampfverbrauch geringer ist als in Verfahren
des Stands der Technik.
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KURE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG:
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Die
einzelne Abbildung zeigt ein Flussdiagram einer besonderen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens; sie illustriert
auch eine Anzahl von möglichen Merkmalen dieses Verfahrens.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER
ERFINDUNG:
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Der
Begriff Miscella, wie er zur Offenbarung der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, meint eine Lösung aus Öl, wie
sie aus einem Lösungsmittel-Extraktions-Verfahren resultiert.
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Der
Begriff Proteinkonzentrat, wie er zur Offenbarung der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, meint ein Derivat eines Ölsamen-Extraktionsrückstands
(Mehl) mit einem erhöhten Proteingehalt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf die
Produktion von pflanzlichem Proteinkonzentrat aus öligem,
pflanzlichem Material im allgemeinen, und auf Ölsamen,
die Pflanzenöl, pflanzliche Proteine und Oligosaccharide
beinhalten, im Besonderen.
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Es
stellt besagtes pflanzliches Proteinkonzentrat durch Extrahieren
des Öls aus besagtem öligem, pflanzlichen Material
mit einem apolaren Lösungsmittel wie, aber nicht beschränkt
auf, Hexan und anschließendem Extrahieren der Oligosaccharide
aus dem entfetteten Extraktionsrückstand mit wässrigen
Ethanol her.
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Wegen
ihres Proteingehalts und ihrer Aminosäurezusammensetzung,
stellen Sojabohnen ein bevorzugtes Rohmaterial für das
erfindungsgemäße Verfahren dar.
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Allerdings
beinhalten Sojabohnen auch Oligosaccharide, die Sucrose, Raffinose
und Stachoyse beinhalten, wobei die beiden letzten β-galaktosidische
Bindungen enthalten. Menschen fehlen die Enzyme, um diese Bindungen
zu hydrolysieren und daher können sie diese Zucker nicht
verdauen. Demzufolge werden sie durch Mikroben im Dickdarm gespalten,
und dies führt zu Flatulenz. Die Abwesenheit dieser Oligosaccharide in
einem proteinösen Produkt, das auf Sojabohnen basiert und
für menschliche Nahrungsmittel verwendet werden soll, ist
daher sehr erstrebenswert. Gleichermaßen erzielen Konzentrate,
die als Fischfutter verwendet werden sollen, einen höheren
Preis, je niedriger ihr verbleibender Zuckeranteil ist.
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Sojabohnen
enthalten auch Faseranteile und obwohl ihre Anwesenheit in dem proteinösen
Produkt, das durch das erfindungsgemäße Verfahren
hergestellt wird, für einige Anwendungen ganz akzeptabel
sein mag, profitieren anderen Anwendungen, wie Fischfutter, von
einen geringeren Faseranteil des proteinösen Produkts.
Da die Sojabohnenhülsen einen relative hohen Faseranteil
beinhalten, werden die Sojabohnen vorzugsweise durch irgendein dem
Fachmann bekanntes Verfahren enthülst, bevor sie mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden.
Die Sojabohnen, die im erfindungsgemäßen Verfahren
verwendet werden, können das Resultat einer genetischen
Modifikation sein. Falls diese genetische Modifikation, die Aminosäurezusammensetzung
des Sojabohnenproteins zu Gunsten spezifischer Anforderungen, die
an das erfindungsgemäße Produkt gestellt werden,
verändert hat, werden solche Sojabohnen besonders bevorzugt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf Sojabohnen
beschränkt. Andere Bohnen wie – aber nicht beschränkt
auf – die Goabohne (Psophocarpus tetragonolobus), die in
zunehmender Menge in Asien angebaut wird, stellen auch geeignete
Rohmaterialien für das erfindungsgemäße
Verfahren dar. Andere Ölsamen wie – aber nicht
beschränkt auf – Raps (Brassica napus und B rapa)
oder Sonnenblumensamen (Helianthus annuus) können auch
als geeignete Rohmaterialen dienen. Wiederum werden diese Ölsamen
bevorzugt enthülst, bevor sie mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren behandelt werden, also bevor das ölige, pflanzliche Material
vorbehandelt wird, um die Zellen aufzuschließen.
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Noch
ein öliges, pflanzliches Material, das rentabel mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet werden
kann, sind Maiskeime.
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Um
das Extrahieren zu vereinfachen, schließt der erste Schritt
a) des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Vorbehandlung
des öligen, pflanzlichen Materials zum Aufbrechen der Zellwände
in diesem Material mit ein. Diese Vorbehandlung kann eine Flockungs-Behandlung
beinhalten. In dieser Behandlung werden die Ölsamen zwischen
zwei zylindrischen Walzen zusammengepresst und zu Flocken abgeflacht.
Vor dieser Behandlung können die Ölsamen durch
eine Hitzebehandlung aufbereitet worden sein, um das Material aufzuweichen
und somit die benötigte Energie des eigentlichen Flockungsprozesses
zu reduzieren. Durch das Zusammenpressen und die Scherkräfte,
die während des Flockungsprozesses auftreten, werden fast
alle Zellen der Ölsamen durch Aufbrechen ihrer Zellwände
geöffnet. Dieses Öffnen der Zellen erleichtert
das Extrahieren des Zellinhalts erheblich, da keine Notwendigkeit
für eine Diffusion durch die Zellwände besteht.
Bohnen werden vorzugsweise unter Verwendung von geriffelten Knackrollen
geknackt, bevor sie geflockt werden, wobei diese Knackhandlung auch
Teil eines Enthülsungsvorgangs sein kann. Eine typische
Flockenstärke, auf die bei Sojabohnen abgezielt wird, ist
0.25 bis 0.35 mm oder vorzugsweise 0.28 bis 0.32 mm.
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Eine
andere Vorbehandlung, die zum Aufbrechen der Zellwände
des öligen, pflanzlichen Materials führt, ist
Schraubenpressen, da auch dies starkes Zusammenpressen und Scherkräfte
verursacht. Schraubenpressen entfernt nicht das ganze Öl
aus dem öligen, pflanzlichen Material daher enthält
der resultierende Presskuchen noch etwas Öl und stellt
somit ein geeignetes Material, das in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens
extrahiert werden kann, dar. Er kann als solcher extrahiert werden,
aber vorzugsweise nachdem er pelletiert wurde, da diese Behandlung
das Aufbrechen noch weiterer Zellwände verursacht. Zusätzlich
haben die Pellets bessere Perkolationseigenschaften als der Presskuchen.
In einer weiteren Ausführungsform von Schritt a) des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird ein Expander benutzt, um das ölige, pflanzliche
Material vorzubehandeln.
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Im
nächsten Schritt des erfindungsgemäßen
Verfahrens, wird das vorbehandelte Material mit einem apolaren Lösungsmittel
wie – aber nicht beschränkt auf – „Hexan”,
das ist der Name, der einem industriellen Mineralölteil
vorwiegend bestehend aus C6 gesättigten
Kohlenwasserstoffen wie n-Hexan, Methylpentan, Methylcyclopentan
etc. gegeben wurde, extrahiert. Die Extraktion wird in einem ersten
Extraktor, der vorzugsweise dem Perkolationstyp angehört,
unter Verwendung eines beweglichen Bands ausgeführt, da
dieser Typ den Vorteil hat die Flockenintegrität zu erhalten,
aber das erfindungsgemäße Verfahren ist in keiner
Weise auf diese Art des Extraktors beschränkt. In diesem
Extraktortyp bewegen sich die Ölsamenflocken und das Extraktionslösungsmittel
in entgegengesetzte Richtungen, so dass eine Gegenstrom-Extraktion
realisiert wird.
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Allerdings
kann der erste Extraktor, wie in der Abbildung dargestellt, in zwei
Abschnitte aufgeteilt werden. Der erste Abschnitt, in den das vorbehandelte
Material, das aus Schritt a) resultiert, an einem Ende eingebracht
wird, und in den das frische Hexan am anderen Ende eingebracht wird,
gewährleistest das Entfernen des Öls aus besagtem
vorbehandelten Material. Demgemäß verlässt
eine Hexan-Öl Miscella den ersten Abschnitt an dem Ende,
an dem das vorbehandelte Material eingebracht wird, und ein hexannasser
Trester verlässt den Abschnitt am anderen Ende, um in den
zweiten Abschnitt zu gelangen. Standardisierte Verfahrensbedingungen
können im ersten Abschnitt des besagten ersten Extraktors
angewendet werden. Demgemäß kann auf eine Miscellastärke
von beispielsweise 25–30 Gew.-% von Öl abgezielt
werden und eine Betriebstemperatur gerade unterhalb des atmosphärischen
Siedepunkts von Hexan (62°C) ist völlig ausreichend.
Auf diesem Weg kann ein Restölgehalt des entfetteten Materials
von weniger als 1 Gew.-% oder vorzugsweise von weniger als 0.5 Gew.-%
erreicht werden.
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In
besagtem zweitem Abschnitt wird Ethanol von mehr als 80 Gewichtsprozentstärke
an dem Ende, das dem Ende, an dem das hexannasse Material zugeführt
wird, gegenüber liegt, zugeführt und so gelenkt, dass
es im Gegenstrom zu besagtem Material in Schritt c) des erfindungsgemäßen
Verfahrens fließt. Die bevorzugte Stärke des wässrigen
Ethanols, der in Schritt c) des erfindungsgemäßen
Verfahrens benutzt wird, beträgt ungefähr 95 Gew.-%,
dies ist die Ethanolkonzentration im atmosphärischen Ethanol/Wasser
Azeotrop. Verwenden von Ethanol dieser Stärke hat den Vorteil,
dass er das pflanzliche Protein denaturiert und es in dem wässrigen
Ethanol, der im Extraktionsschritt e) benutzt wird, weniger löslich
macht, ohne die Verdaubarkeit merkbar zu reduzieren. Demgemäß verlässt
eine zweite Miscella, die aus einer Mischung von Hexan und Ethanol
besteht, den zweiten Abschnitt des ersten Extraktors an dem Ende,
an dem das hexannasse, entfettete Material eingebracht worden ist,
und ethanolnasses Material verlässt den zweiten Abschnitt
am anderen Ende.
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In
einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens passiert das ethanolnasse Material, der aus Schritt c)
resultierende Trester, sofort die Benetzungseinheit aus Schritt
d). In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird der Trester zumindest teilweise von Lösungsmittel
befreit, indem er verringertem Druck in einer Art von Lösungsmittelentferner
ausgesetzt wird, der Arbeiten bei subatmosphärischem Druck
erlaubt. Dies führt dazu, dass der flüchtigste
Teil des Lösungsmittels, das im Trester vorhanden ist,
verdunstet und dadurch der Anteil des Hexans, der sich stromabwärts
bewegt, reduziert oder ganz eliminiert wird. Ethanol und Hexan bilden
ein Azeotrop, dass bei 58.7°C bei atmosphärischen
Druck kocht und 21 Gew.-%, Ethanol enthält. Folglich, wird
das Kondensat des Lösungsmittelentferners vorzugsweise
mit dem Ethanolstrom kombiniert, der zum Trennelement geleitet wird,
wo Wasser hinzugefügt wird und die resultierenden Phasen
getrennt werden. In der Abbildung sind die Ströme dieser
letzten Ausführungsform als gestrichelten Linien eingezeichnet.
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Falls
der Lösungsmittelentferner eine indirekte Heizung beinhaltet,
kann diese die Temperatur des Materials, das vom Lösungsmittel
befreit wird, erhöhen und so die Löslichkeit der
vorhandenen Proteine in Wasser reduzieren. Dies wird die Endausbeute
an Produkt erhöhen, andererseits muss darauf geachtet werden,
dass kritische Eigenschaften des Endprodukts – wie Proteinverdaubarkeit – nicht
beeinflusst werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform wurde der ethanolnasse Trester
mit mechanischen Mitteln, wie Auspressen der Flockenschicht auf
dem beweglichen Band, teilweise vom Lösungsmittel befreit.
Dieses teilweise Entfernen des Lösungsmittels wird daher
am Ende des zweiten Abschnitts des ersten Extraktors durchgeführt
und die Flüssigkeit, die aus dem Trester gepresst wurde,
wird mit dem Ethanolstrom, der zum Trennelement geleitet wird, wo
Wasser hinzugefügt wird, um eine Phasentrennung zu erreichen,
kombiniert. Während dieses Entfernens des Lösungsmittels
durch Auspressen muss darauf geachtet werden, dass die Flockenintegrität
erhalten bleibt.
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In
Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
das ethanolnasse, entfettete Material mit wässrigem Ethanol
benetzt. Während dieser Benetzungsbehandlung absorbiert
besagtes Material eine merkbare Menge dieses Lösungsmittels
und durch Verweisen dieses Benetzens in einen separaten Schritt
und durch Einbringen des benetzen Materials in einen endgültigen
Extraktor, wird eine einwandfreie Perkolation dieses Materials beibehalten.
Der eigentliche Benetzungsschritt von Schritt d) kann auf zahlreichen
Wegen ausgeführt werden, aber es sollte darauf geachtet
werden, die Integrität des entfetteten Materials so weit
wie möglich zu erhalten. Ein bevorzugter Weg beinhaltet
die Verwendung einer langsam rotierenden, spiralenförmigen Schraube,
die das Mischen des ethanolnassen Materials mit dem Benetzungsmittel
mit dem Transport des Material zum endgültigen Extraktor,
zum Beispiel vom ersten Extraktor zum endgültigen Extraktor,
kombiniert, während es fakultativ erhitzt wird. Die Schraube
sollte so proportioniert sein, dass ein Minimum an Benetzungszeit
von 10 Minuten zur Verfügung gestellt wird gleichzeitig
sollte die Zeit 20 Minuten nicht überschreitet. Das Verwenden
einer spiralenförmigen Schraube eröffnet auch
die Möglichkeit das Material, das benetzt wird, zu erhitzen
und erlaubt es so, den endgültigen Extraktor bei einer
höheren Temperatur als den ersten Extraktor zu bedienen.
Zu diesem Zweck kann das Gehäuse, das die spiralenförmige
Schraube umgibt, mantelbeheizt sein. Ein anderer Weg, um die Temperatur
des im endgültigen Extraktor zu extrahierenden Materials
zu erhöhen, ist das Erhitzen des Extraktionslösungsmittels
bevor es auf das zu extrahierende Material aufgespritzt wird.
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Das
Durchführen der Extraktion des vorbehandelten Materials
mit Hexan und das anschließende Ersetzen des Hexans mit
Ethanol in demselben ersten Extraktor haben den Nachteil, dass die
Lösungsmitteldämpfe sich vermischen können.
Daher umfasst eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens die Nutzung eines zwischen dem ersten Extraktor und dem
endgültigen Extraktor liegenden Extraktors. Der hexannasse
Trester wird in einen ersten Abschnitt des besagten zwischenliegenden
Extraktors eingebracht, wo der hexannasse Trester mit Ethanol einer
Stärke von mindestens 80% und vorzugsweise 90 Gew.-% gewaschen
wird, so dass eine zweite Miscella entsteht. Nachdem das Hexan entfernt
wurde, wird das ethanolnasse Material benetzt, während
diese Vorgangs ist darauf zu achten, dass die Integrität
des Materials erhalten bleibt, um die Perkolationseigenschaften
nicht zu verringern. Nach der Benetzungsbehandlung aus Schritt d)
werden die Zucker mit höher verdünntem Ethanol
extrahiert. Dies kann in einem zweiten Abschnitt des zwischenliegenden
Extraktors getan werden, aber um das Durchmischen der verschieden
Lösungsmitteldämpfe zu verhindern, wird es vorzugsweise
in einem separaten, endgültigen Extraktor durchgeführt.
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Wie
in der Abbildung illustriert, ist das Lösungsmittel, das
benutzt wird um die ethanolnassen Flocken zu benetzen, Teil der
dritten Miscella, die aus dem endgültigen Extraktor stammt.
In dieser besonderen Ausführungsform, wird ihre Zusammensetzung
den Extraktionsprozess aus Schritt e) widerspiegeln. Sie wird ein verdünnter,
wässriger Ethanol mit einigen gelösten Oligosaccariden
sein und ihre Benutzung als Benetzungsmittel erspart die Aufreinigung
des Lösungsmittels. Allerdings ist das erfindungsgemäße
Verfahren nicht auf diese besondere Ausführungsform beschränkt.
In einer weiteren Ausführungsform wird die gesamte Menge der
dritten Miscella, die den endgültigen Extraktor verlässt,
in einen Dekanter eingespeist, so dass sich ein klarer Überstand
und ein Strom von Feststoffen (Schlamm), der zur Benetzungsbehandlung
aus Schritt d) benutzt wird, ergeben; falls notwendig, kann dieser
Strom von Feststoffen mit Miscella, die den endgültigen
Extraktor verlässt, verdünnt werden. Die Verwendung
eines Dekanters, wie in der Abbildung gezeigt, hat den Vorteil, dass
Feinanteile wieder zum Extraktor zurückgeführt
werden und dass das Miscellabehandlungssystem größtenteils
vor dem Faulen geschützt ist.
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Die
Menge und die Zusammensetzung des wässrigen Ethanols, der
zum Extrahieren der Zucker aus den entfetteten und benetzten Flocken
in Schritt e) benutzt wird, hängt von den Anforderungen
des Endprodukts ab. Im Allgemeinen, hat es sich gezeigt, dass der
Ethanol Zucker effektiver extrahiert, wenn er mehr Wasser enthält.
Demgemäß wird weniger Extraktionslösungsmittel
benötigt und eine höher konzentrierte Miscella
wird resultieren. Allerdings stellt ein Ethanol von geringerer Konzentration
ein besseres Lösungsmittel für Proteine dar und
seine Verwendung führt daher zu einer Abnahme der Proteinkonzentration
des Endprodukts. Diese Abnahme kann bis zu einem gewissen Grad durch
Angleichen des pHs des wässrigen Ethanols an den isoelektrischen
Punkt des Proteins begrenzt werden Für Sojaprotein bedeutet
dies eine Absenkung des pHs auf ungefähr 4.5. Folglich
benötigt ein Proteingehalt von über 70 Gew.-%
einen Ethanolgehalt des Extraktionslösungsmittels von über
60 oder sogar 70 Gew.-% und dies kann zu einer dritten Miscella,
die nur 6% Zucker oder sogar weniger enthält, führen.
Auf eine ähnliche Art und Weise beeinflusst der verbleibende
Zucker im Proteinkonzentrat den Proteingehalt und besonders die
Menge an Lösungsmittel, die verwendet wird, und damit ihren
Zuckergehalt.
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Am
Schluss wird der Trester, der den endgültigen Extraktor
verlässt, in Schritt f) des erfindungsgemäßen
Verfahrens vom Lösungsmittel befreit. Da die latente Hitze
der Verdampfung des Lösungsmittels das in Schritt e) des
Verfahrens verwendet wurde, hoch ist (40 kJ/mol oder 2,2 kJ pro
Gramm für Wasser und 38 kJ/mol oder 0.83 kJ pro Gramm für
Ethanol, im Gegensatz zu 29 kJ/mol oder nur 0,34 kJ pro Gramm für
Hexan) ist es vorteilhaft die Menge an Lösungsmittel, die
verdampft werden muss, zu minimieren. Da zu diesem Zeitpunkt des
Verfahrens die Integrität der Flocken nicht mehr kritisch
ist, wird in einer bevorzugten Ausführungsform eine Standardpresse
verwendet, um so viel wie möglich von dem Lösungsmittel,
das in den lösungsmittelnassen Flocken, die den endgültigen
Extraktor verlassen, enthalten ist, auszupressen, vorausgesetzt
diese Presse wurde in explosionssicherer Weise konstruiert. Wie
in der Abbildung gezeigt, kann das, die Presse verlassende Lösungsmittelgemisch,
welches fast die gleiche Zusammensetzung wie das Extraktionslösungsmittel hat,
das in den endgültigen Extraktor eingespeist wird, gewinnbringend
in besagten Extraktor zurückgeführt werden.
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Der
Presskuchen, der aus der Presse resultiert, die verwendet wird,
um einen Teil des Lösungsmittels wieder zu erlangen, kann
dann komplett in einem Standard-Lösungsmittelentferner
durch Zufuhr von indirekter Wärme, direkter Wärme,
mittels Dampf oder beidem, von Lösungsmittel befreit werden.
Während des Entfernens des Lösungsmittels sind
Zeit und Temperatur kritische Parameter in Bezug auf Proteindenaturierung,
deren Ausmaß von den Anforderungen an das Endprodukt bestimmt
wird. Wie in der Abbildung illustriert, wird das aus dem Entfernen
des Lösungsmittels resultierende Produkt getrocknet und
gekühlt, bevor es weiter zum zu verkaufenden Endprodukt
aufbereitet wird. Diese Aufbereitung kann mahlen, klassifizieren,
vermengen und verpacken umfassen.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren werden drei Miscellaströme
generiert. Es gibt den apolaren Miscellastrom, der das Öl,
das von den Flocken im ersten Abschnitt des ersten Extraktor extrahiert
wurde, enthält. Dieser Miscellastrom wird verdampft, um
das Öl und das Lösungmittel zu trennen, genau
wie die Miscella, die in einer Standard-Ölsameextraktionsanlage
entsteht. Daraus folgt, dass falls die Anlage, in der das erfindungsgemäßen
Verfahren durchführt wird, Teil eines Ölmühlen-Komplexes
ist, es vorteilhaft sein kann, die Miscella in einem mehrstufigen
Verdampfer zu verdampfen, der Teil der Lösungsmittelextraktionseinheit
dieser Ölmühle ist.
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Die
zweite Miscella, die im erfindungsgemäßen Verfahren
entsteht, tritt im zweiten Abschnitt des ersten Extraktors oder
im zwischenliegenden Extraktor auf. Sie besteht hauptsächlich
aus einer Mischung eines apolaren Lösungsmittels, wie Hexan
und Ethanol, und etwas Wasser, obwohl die entfetteten, hexannassen Flocken
leicht etwas Wasser absorbieren können, wenn sie mit wässrigem
Ethanol in Kontakt kommen, selbst wenn der Wassergehalt des Ethanols
den azeotropen Bedingungen nahe kommt. Laut dem Hexan/Ethanol/Wasser
Diagram, das in
U.S. Patent No.
3,998,800 gezeigt wird, würde das Hinzugeben von
mehr Wasser zu diesem Lösungsmittelgemisch bald zu einer
Bildung von zwei Phasen führen: einer Hexanphase, die nur einen
kleinen Teil des Ethanols enthält, und einer wässrigen
Ethanolphase. Daher wird in einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens Wasser zu dem
zweiten Miscellastrom hinzugefügt, und nach dem Absetzen
wird die obere Hexanschicht zum ersten Abschnitt des ersten Extraktors
geleitet, um als Ölextraktionslösungsmittel zu
dienen; die untere, wässrige Ethanolschicht hingegen, wird
zum endgültigen Extraktor geleitet, um als Lösungsmittel
für die Zuckerextraktion zu dienen.
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Diese
Zuckerextraktion führt zu einer dritten Miscella, die Ethanol,
Wasser und Zucker enthält, sie kann auch etwas Protein
und andere ölige Samenbestandteile enthalten, die in wässrigem
Ethanol löslich sind. Wie in der Abbildung gezeigt, werden
die Zucker zunächst als Molassen durch Verdampfen des ethanolischen Lösungsmittels
zurückgewonnen, dann werden sie als trockener Feststoff
durch Verdampfen des in den Molassen enthaltenen Wassers isoliert.
Allerdings ist dies lediglich eine bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens und das erfindungsgemäße
Verfahren ist nicht auf diese besagte Ausführungsform beschränkt.
Durch Auswählen von geeignete Verdampfungsbedingungen,
kann Ethanol verschiedener Stärken in den verschiedenen
Verdampfungsstufen zurückgewonnen werden und ein Fachmann
ist völlig damit vertraut, wie die Optimierung der Lösungsmittelrückgewinnung
unter den gegebenen Verfahrensbedingungen zu funktionieren hat.
Demgemäß deutet die Abbildung den Ethanolrückgewinnungsabschnitt
nur an, ohne irgendwelche Details über die Wasserbestandteile
der verschiedene Ethanolströme bereitzustellen.
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Eine
weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens, die nicht in der Abbildung enthalten ist, enthält
die Verwendung eines apolare Lösungsmittels wie Hexan zur
Entfernung des Lösungsmittels in Schritt f). Durch Bestücken
des endgültigen Extraktors mit einem zweiten Abschnitt
und dadurch, dass diesem zweiten Abschnitt nicht nur ethanolnasses,
proteinöses Material, sondern auch besagtes apolares Lösungsmittel
zugeführt wird, kann zumindest ein teilweiser Austausch
(Ersetzten) des Ethanols mit dem apolaren Lösungsmittel
erreicht werden, gefolgt von einer Beseitigung der vorhandenen Lösungsmittel
durch Verdampfen. Falls die Temperatur des Materials in dem ersten
Abschnitt des endgültigen Extraktors über dem
Siedepunkt von Hexan von 62°C liegt, muss sie durch Besprühen
mit kaltem, wässrigem Alkohol am Ende des ersten Abschnitts
des endgültigen Extraktors gesenkt werden, bevor es im
zweiten Abschnitt des besagten Extraktors mit Hexan besprüht
wird. Zu diesem Zweck muss ein Wärmeaustauscher in das
System, das den wässrigen Alkohol verteilt, eingebaut werden.
Das sich ergebene Ethanol/Hexan/Wasser-Gemisch kann dann zur Trennvorrichtung,
die in der Abbildung gezeigt ist, geleitet werden, und das lösungsmittelnasse,
proteinöse Material kann mit erheblich weniger Energieaufwand,
als wenn nur Ethanol und Wasser als Lösungsmittel vorhanden wären,
von Lösungsmittel befreit werden. In dieser Ausführungsform
sollte das aus dem Entfernen des Lösungsmittel resultierende
Kondensat, das hauptsächlich besagtes apolares Lösungsmittel
und Ethanol enthält, ebenfalls in der Trennvorrichtung,
die in der Abbildung gezeigt wird, behandelt werden.
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Gleichermaßen
wird in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens das ethanolnasse, proteinöse Material „getrocknet”,
indem es mit wässrigem Ethanol, mit einer Ethanolkonzentration von
mindestens 80 Gew.-% und bevorzugt von ungefähr 95 Gew.-%,
gewaschen wird, gefolgt vom Entfernen jeglichen vorhandenen Lösungsmittels
durch Verdampfen. Dies führt zu einem Trester mit einem
geringen Wassergehalt, der weniger Energie beim Schritt der Lösungsmittelentfernung
benötigt, und einem Lösungsmittelgemisch, das
verwendet werden kann, um Zucker aus dem benetzen Material, das
aus Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens
resultiert, zu extrahieren. Auf andere Ausführungsformen
nach den vorstehenden Grundsätzen kommt der Fachmann ohne
weiteres, sie sind Teil des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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BEISPIELE:
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In
den Laborexperimenten, die das erfindungsgemäße
Verfahren veranschaulichen, wurden Sojabohnen geflockt und die resultierenden
Flocken wurden in einem Soxhlet-Aufsatz mit Hexan für 1,5
h extrahiert. Die resultierenden, entfetteten Flocken wurden dann
in eine Glassäule (Höhe 30 cm und 5 cm im Durchmesser)
transferiert, die mit einem Filter und einem Ventil am unteren Ende
sowie mit einer Ummantelung, die mit einem Ölbad verbunden
war, ausgestattet war. Eine Rücklaufpumpe sammelt das Lösungsmittel
unterhalb des Filters ein und führt es oben an der Säule
wieder ein, um die Perkolation eines industriellen Extraktors zu
simulieren. Die Perkolationsrate wurde gemessen, indem die Zeitspanne
bestimmt wurde, die der Füllstand des Lösungsmittels
benötigte, um von einer Markierung an der Säule
zu einer darunter liegenden abzusteigen.
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Nach
dem Benetzen der entfetten Flocken mit etwas Hexan, um einen Hexanverlust
durch Verdampfen zu kompensieren, und einer Drainagezeit von wenigen
Minuten, wurden die hexannassen Flocken mit Ethanol mit verschiedenem
Wassergehalt behandelt. Nachdem dem Hexan-Ethanol-Gemisch gestatt
worden war abzutropfen, wurden die ethanolnassen Flocken aus der
Glassäule entfernt, in einen Glassbecher platziert und
mit weiter verdünntem Ethanol zur Verwendung in der Zuckerextraktion
in Kontakt gebracht, was sie zum Anschwellen brachte. Nach dem Anschwellen,
wurden die Flocken zurück in die Säule transferiert
und mit verdünntem Ethanol extrahiert. Diese Extraktion
beinhaltete acht Wäschen mit verdünntem Ethanol,
jede Wäsche dauerte 20 Minuten plus 2 Minuten Abtropfzeit.
Nach der letzten Wäsche wurden die extrahierten Flocken
für 120 Minuten bei 85°C und danach über
Nacht bei Raumtemperatur von Lösungsmittel befreit.
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Extraktionslösungsmittelproben
wurden genommen, um den Verlust von Zuckern zu bestimmen, und die
Proteinausbeute wurde durch Analyse des Ausgangmaterials und der
Endprobe bestimmt; der Stickstoffgehalt wurde unter Verwendung der
Kjeldahl-Methode bestimmt und der Proteingehalt wurde nach N × 6.25 berechnet.
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Beispiel 1:
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In
diesem Beispiel wird der Effekt des Wasserbestandteils auf den wässrigen
Ethanol, der verwendet wurde, um die Zucker aus den ethanolnassen,
entfetteten Flocken zu extrahieren, untersucht. Sojabohnenflocken
wurden mit Hexan extrahiert, die hexannassen, entfetteten Flocken
wurden mit dem Ethanol-Wasser Azeotrop für eine Kontaktdauer
von 5 Minuten gewaschen und dann mit wässrigem Ethanol
bei einer Temperatur von 62.5°C extrahiert. Tabelle 1
| Nummer
des Experiments | 36 | 11 | 30 | 37 | 34 |
| Ethanol/Wasser
Verhältnis | 60/40 | 70/30 | 70/30 | 70/30 | 80/20 |
| Perkolationsrate
(m3/m2·h) | 24 | 15 | 11 | 19 | 29 |
| Extraktionsausbeute
(%) | 28.7 | 24.7 | 24.4 | 25.0 | 23.5 |
| Proteingehalt
(% der Trockenmasse) | 71.4 | 68.9 | 73.8 | 71.2 | 72.0 |
| Proteinausbeute | 89.3 | 88.7 | 93.7 | 90.0 | 95.1 |
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Das
Experiment, in dem das 70/30 Ethanol/Wasser Gemisch verwendet wurde,
wurde im Triplikat durchgeführt. Die Tabelle 1 zeigt, dass
die Reproduzierbarkeit des Experiments nicht perfekt ist und der nächstliegende
Grund ist die Tatsche, dass Rohmaterial von verschiedenen Chargen
verwendet wurde. Andererseits zeigt die Tabelle 1 deutlich, dass
eine Steigerung des Ethanolgehalts des Extraktionslösungsmittels
zu einer höheren Proteinausbeute auf Grund der verringerten
Proteinlöslichkeit führen kann. Dieser hohe Ethanolgehalt
kann zu einer hohen Perkolationsrate führen und kann bewirken,
dass sich die Extraktionsausbeute etwas verringert, da ein niedriger
Wassergehalt durchaus die Löslichkeit der Zucker, die extrahiert
werden, verringern kann.
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Beispiel 2
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In
diesem Beispiel wird der Effekt der Kontaktdauer, während
der die hexannassen, entfetteten Flocken mit Ethanol benetzt werden,
bei mehreren Extraktionstemperaturen studiert. Das Ethanol/Wasser
Verhältnis lag bei 70/30 in allen Experimenten. Tabelle 2
| Nummer
des Experiments | 14 | 12 | 13 | 10 | 30 | 28 |
| Extraktionstemperatur | 55 | 62.5 |
| Kontaktdauer | 0 | 5 | 10 | 0 | 5 | 10 |
| Perkolationsrate
(m3/m2·h) | 19 | 20 | 23 | 9 | 11 | 32 |
| Extraktionsausbeute
(%) | 25.3 | 26.7 | 27.9 | 24.4 | 24.4 | 26.0 |
| Proteingehalt
(% der Trockenmasse) | 70.3 | 72.7 | 68.1 | 68.5 | 73.8 | 74.4 |
| Proteinausbeute | 98.9 | 91.7 | 84.6 | 87.7 | 93.7 | 94.9 |
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Aus
Tabelle 2 wird deutlich, dass die Perkolationsrate steigt, wenn
die Kontaktdauer erhöht wird, aber andere Effekte erscheinen
weniger fragwürdig und sehen temperaturabhängig
aus, aber die Variabilität des Ausgangsmaterials könnte
auch eine Rolle gespielt haben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4219470 [0003, 0009]
- - US 3971856 [0007]
- - US 3268503 [0007]
- - US 3714210 [0008]
- - US 3734901 [0010]
- - US 3998800 [0043]