Способ отделения компонентов от растительного материала, волокно и сок, полученные этим способом - RU2213169C2

Чертежи

Показать все 16 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к отделению и извлечению компонентов из растительного сырья.

Растения, как и большинство организмов, состоят из клеток. Растительная клетка состоит из липидной мембраны с главным образом жидким содержимым, цитозолем, который содержит различные клеточные органеллы (также окруженные липидными мембранами), такие как ядро, митохондрии, эндоплазматическая сеть (ретикулум) и хлоропласты, и цитоскелет, состоящий из микрофиламентов и микротрубочек, который придает клетке внутреннюю структуру. Также в растительной клетке содержатся вакуоли, которые играют важную роль в поддержании растительной клетки под напряжением; вакуоли обеспечивают тургор клетки.

Составные компоненты растительной клетки могут быть грубо подразделены на воду, которая составляет большую часть живой клетки, такие компоненты, как соли, липиды (или их предшественники), углеводы, аминокислоты и нуклеотиды, макромолекулы, такие как крахмалы, белки и нуклеиновые кислоты, и множество других молекул, включая витамины и пигменты, такие как хлорофилл, каротин и ксантофилл.

Растительная клетка, как правило, окружена клеточной стенкой, которая обеспечивает твердость и структуру растительной ткани. Клеточная стенка главным образом состоит из (геми)целлюлозы и других углеводных полимеров, которые соединяются в волокна. Древесные растения, кроме того, содержат большое количество лигнина, полимера, состоящего из фенолов и других ароматических мономеров.

Растительная ткань состоит из растительных клеток, каждая из которых при жизни в основном отвечает приведенному выше описанию. Важное разграничение может быть сделано между относительно твердыми тканями, которые фактически не содержат клеток, содержащих хлоропласты или другие пластиды, и относительно мягких тканей, которые, как правило, их содержат. Тканями, которые, как правило, не содержат клеток, содержащих хлоропласты, например, являются эпидермис или кориум растения, колленхима и склеренхима или строма растения и сосудисто-волокнистые узелки или сосудистая ткань, содержащая важные транспортные сосуды (сосуды ксилемы и ситовидные трубки) растения. Когда часть растения сильно одревесневает, как правило, со временем большинство клеток в одревесневшей части отмирает, и от содержимого клеток остаются лишь следы. В частности, присутствующие в клетках цитозоль и органеллы утрачиваются, а сосудисто-волокнистые пучки, кориум и строма в основном придают растению форму и структуру и главным образом сохраняются, когда растение погибает. Характерно, что данные относительно твердые ткани (в частности, сосудистые пучки, склеренхима и эпидермис) не содержат или почти не содержат клеток, содержащих хлоропласты, тогда как значительная часть (по меньшей мере, дышащие листенные и стеблевые части растения) относительно мягких тканей, также называемых хлоренхимой, состоит, главным образом, только из паренхимальных клеток, содержащих хлоропласты; на самом деле, здесь и происходит фотосинтез.

Давно известно извлечение различных компонентов из растительного сырья, например, для дальнейшего употребления в пищу человеком или животным, механическими способами. Зачастую, растения просто измельчают или рубят с тем, чтобы сделать их подходящими для потребления, как, например, кукурузу.

Однако, в частности, компоненты, присутствующие в цитозоле растительной клетки, являются чрезвычайно подходящими для употребления в пищу человеком или животным, поскольку они могут являться материалами для построения соответствующих компонентов, которые присутствуют в животных клетках.

Механическую обработку применяют, например, к кормовым культурам, таким как злаки, люцерна и другие свежие и зеленые собранные растения, которые, зачастую используемые как почти целое растение, в частности лиственные и/или стеблевые части и, в большинстве случаев, не включающие корней, применяют для выделения, например, пищевых компонентов (для животных). Такое растительное сырье, как правило, подвергают отжиму (предпочтительно порезанного или иным образом измельченного) лиственного и/или стеблевого материала, посредством чего часть растительного материала получают в виде отжатого сока, тогда как оставшийся и сжатый материал известен как жмых.

Силы давления, оказываемые при отжиме, как правило, приводят ко вскрытию (раздавливанию или разрыву) растительных клеток в материале таким образом, что водный, но богатый пищевыми компонентами цитозоль, возможно, с остатками органелл и липидной мембраны, окружающей клетку, высвобождается из клетки в виде отжатого сока. Отжатый сок, как правило, подвергают дальнейшей обработке, например, путем процеживания, после чего, например, белок выделяют из сока путем коагуляции, например, с помощью обработки кислотой и/или повышенной температурой. Отжатый сок может быть также обработан путем (ультра- или мембранной) фильтрации, сушки, брожения или других методов, известных специалисту в данной области. Богатые белком или иные высокоценные питательные вещества для потребления человеком и животными, а также пигменты, такие как каротин (провитамин А), могут быть выделены из цитозоля таким образом.

Полученный относительно сухой жмых, как правило, считается, менее ценным в питательном отношении; он содержит пучок относительно инертных волокон, состоящих из неперевариваемых (непосредственно) целлюлозных волокон, неотжатого сока и сохранившихся растительных клеток, которые оказались недоступными воздействию давления. Как раз данные сохранившиеся растительные клетки с неизвлеченным цитозолем и придают фуражную ценность жмыху, который обычно сушат и в гранулированном или ином виде применяют как относительно низкоценные грубые кормовые компоненты в фуражах, в частности, для жвачных животных.

Для механической переработки, например, люцерны или злаков, традиционно применяют способ, который основан на разрушении растительного сырья с помощью бильной мельницы с последующим отжимом разрушенного сырья (здесь обозначаемого как "пульпа") с помощью винтового пресса или ленточного пресса. Пульпу таким образом разделяют на фракцию жмыха и фракцию отжатого сока. Фракция сока считается фракцией, в которой содержатся промышленно выделяемые вещества из растительного материала. Бильная мельница обычно состоит из ротора, на котором расположены неподвижные или подвижные элементы, которые при вращении ротора приходят в соприкосновение с растительным сырьем и разрушают его силой удара. Разрушительное действие бильной мельницы относительно велико, когда растительный материал имеет высокий тургор, т.е. когда растительные клетки находятся под давлением изнутри. В таком случае сила удара приводит к разрыву ткани и высвобождению клеточного содержимого с тканевой жидкостью. Если тургор низок, ударное воздействие на растительный материал будет вызывать его сжатие. Ткань в таком случае остается более или менее неповрежденной, что приводит к гораздо меньшей доступности клеточного содержимого. Это явление, главным образом, отражается на извлекаемости тех составляющих клеточного содержимого, которые присутствуют в растительной биомассе лишь частично в растворенном виде, а частично в виде твердого нерастворенного вещества. Это справедливо, между прочим, для растительных белков, а также для липидов и пигментов. Также известна (например, из патента США 5464160) бильная мельница, где относительно сухой материал разделяется на две фракции в то время, как таким ценным потоком сока с богатым белками цитозолем пренебрегают. Соответственно, данные типы мельниц не подходят для переработки свежего, относительно влажного материала и в конечном счете позволяют получить относительно сырую волокнистую фракцию.

В описанных выше способах отжима растительного материала, который содержит, по крайней мере, лиственные и/или стеблевые части, как правило, важным является переработка материала, еще как можно более свежего, вскоре после уборки. Только в таком случае растительные клетки находятся в достаточно упругом состоянии, чтобы быть раздавленными или разорванными под давлением с тем, чтобы цитозоль был высвобожден. Когда после уборки проходит уже какое-то время до того, как части растений подвергаются отжиму, они уже высыхают в какой-то степени и сохранные растительные клетки теряют часть необходимого тургора и становятся слишком вялыми для того, чтобы быть раздавленными или разорванными под давлением. Соответственно, в случае несвежего материала, выделение отжатого сока будет происходить с меньшей эффективностью. Это же справедливо в отношении материала, происходящего из растений, которые еще перед уборкой уже теряют значительную часть тургора своих клеток из-за высушивания и/или старения. Как правило, такие растения уже (не совсем) зеленые, а приобретают коричневые или желтые оттенки. Одревесневшие части растения полностью непригодны для указанных выше способов, поскольку большинство клеток в них отмирает, или, в любом случае, они содержат лишь очень малую цитозольную фракцию и, следовательно, не способствуют выделению высокоценной пищи.

Как правило, растительный материал разделяют на фракцию жмыха и фракцию отжатого сока. Характерным для данного способа является лишь частичное экстрагирование (с отжимаемым соком) составляющих клеточного содержимого (содержимого вакуолей и цитоплазмы с присутствующими в ней клеточными органеллами, такими как хлоропласты и клеточные ядра); клеточные стенки, по существу, полностью остаются в жмыхе вместе с остатками клеточного содержимого. В жмыхе содержатся все ткани, которые содержатся в сырье, а, кроме того, часть клеточного содержимого. Цвет свежего жмыха преимущественно зеленый, поскольку хлоропласты, содержащие хлорофилл (зеленый пигмент листьев), лишь частично переходят в отжатый сок. Растительный материал лишь частично разрушается до тканевого уровня; это означает, что все еще присутствуют распознаваемые фрагменты листьев и стеблей, помимо отдельных тканей, таких как выделенные сосудистые пучки.

Отжатый сок состоит, по существу, из водного содержимого клеток: содержимого вакуолей и цитоплазмы с присутствующими в ней клеточными органеллами, такими как хлоропласты в интактном или разрушенном виде; составляющие клеточной стенки, по существу, отсутствуют, поскольку остаются в жмыхе.

Следовательно, извлекаемость белка и других частично растворимых веществ традиционным способом фракционирования чрезвычайно зависит от вариаций природы растительной биомассы, в частности от наличия тургора, что обычно выражается в различиях содержания сухого вещества.

Как следствие сжатия пульпы в традиционном способе фракционирования, только часть составляющих клеточного содержимого переходит в поток сока, а другая часть остается в жмыхе. Соответственно, жмых все же содержит, помимо большей части клеточных стенок, часть составляющих клеточного содержимого, благодаря чему может использоваться в качестве фуража.

Существующие способы отжима для отделения высокоценного и низкоценных компонентов от растительного материала, таким образом, довольно сильно зависят от тургора клеток, присутствующих в растительном материале, что ограничивает применимость данных способов к свежему и зеленому материалу. Зачастую полученный жмых, даже когда используется свежий и/или зеленый материал, все еще содержит большие количества неразрушенных клеток, содержащих высокоценный цитозоль, тогда как за жмых можно получить лишь низкую цену, поскольку, на самом деле, он применим только в качестве относительно низкоценного компонента фуража для животных. Для выделения высокоценных компонентов из лиственных и/или стеблевых частей, существует потребность в лучших способах, которые смогли бы обеспечивать доступность растительных клеток с большей эффективностью, чем существующие способы, и давали бы лучшие рыночные возможности для волокнистого остаточного материала. Задачей настоящего изобретения является удовлетворение данной потребности.

Настоящее изобретение обеспечивает способ отделения компонентов от растительного материала, такого как лиственные и/или стеблевые части, отличающемуся тем, что указанный материал по меньшей мере частично распускают на волокна и затем разделяют на волокнистую фракцию и поток сока таким образом, что волокнистая фракция главным образом содержит относительно твердые ткани, такие как эпидермис, склеренхима и сосудистые пучки, а поток сока главным образом содержит мягкие ткани, такие как паренхима, и цитозоль. В предпочтительном варианте настоящее изобретение обеспечивает способ отделения потока сока, содержащего, в частности, паренхиму с хлоропластами.

Настоящее изобретение обеспечивает новый способ фракционирования, состоящий по меньшей мере из двух стадий: первой стадии, на которой растительный материал распускают на волокна под действием усилия сдвига, и второй стадии, на которой волокнистую фракцию отделяют от остального. Фракционирование волокнистой биомассы означает разделение на ряд фракций. Благодаря фракционированию биомассы образуются потоки новых продуктов с возможностями применения, отличными от таковых самого сырья. Следовательно, данные потоки новых продуктов в совокупности зачастую представляют большую ценность, чем исходная биомасса. Настоящее изобретение относится к новой технологии, которая основана на роспуске на волокна с последующим удалением волокон из растительной биомассы.

В предпочтительном варианте настоящее изобретение обеспечивает способ отделения компонентов от растительного материала, характеризующийся тем, что указанный материал по меньшей мере частично распускают на волокна механическим способом и затем разделяют на волокнистую фракцию и поток сока, причем волокнистая фракция (см., например, фиг.1 и 2, также для сравнения с традиционным способом) главным образом содержит относительно твердые ткани, такие как эпидермис, склеренхима и сосудистые пучки, а поток сока (см., например, фиг.1 и 2, также для сравнения с традиционным способом) главным образом содержит мягкие ткани, такие как паренхима, и цитозоль. Механическое разделение на волокна осуществляют, например, путем обработки материала в смесителе. Предпочтительно, когда конечно желательно применение в промышленном масштабе, разделение на волокна осуществляют в соответствии с изобретением с помощью такого устройства, как рафинер (работающий под давлением) с абразивными дисками, такими как применяемые в целлюлозно-бумажной промышленности, или устройства эквивалентного действия, с помощью которого растительный материал может быть распущен на волокна для обеспечения разделения волокнистой фракции, которая, главным образом, содержит относительно твердые ткани, такие как эпидермис, склеренхима и сосудистые пучки, и потока сока, который, главным образом, состоит из мягких тканей, таких как паренхима, и цитозоля.

Способ по изобретению применим ко всем содержащим волокна растительным материалам, происходящим как из культурных растений, так и из диких растений, равно как и из продуктов скрещивания культурных растений между собой или с дикими растениями. Примером является растительная биомасса, происходящая из культурного сенокосного угодья, а также из природных земель, кормовые культуры, такие как фуражные травы и кукуруза, люцерна, клевер и другие мотыльковые растения, волокнистые культуры, такие как лен и конопля, и ботва культур, обычно выращиваемых исключительно на семена, плоды или клубни, такие как зерновые, свекла, горох, бобы, картофель, морковь, маниока, батат.

В процессе роспуска на волокна сосудистую ткань со склеренхимой и эпидермисом (в совокупности волокнистую фракцию) механически отделяют от другой, по существу, паренхимальной ткани. Данная паренхимальная ткань в это же время подвергается воздействию, и компоненты ее клеточного содержимого становятся доступными, по существу, полностью. Роспуск на волокна может быть осуществлен с помощью рафинеров, таких как используемые в целлюлозно-бумажной промышленности для роспуска на волокна древесины и древесной массы. Размол или роспуск на волокна обычно проводят с добавлением влаги к растительному материалу. Вследствие этого получают взвесь распущенного на волокна материала, из которого могут быть удалены волокна. Выделенная таким образом волокнистая фракция (поток волокон) подходит в силу своей природы и композиции, помимо прочего, для следующих применений: в качестве сырья для изготовления бумаги и картона (сплошного склеенного картона, складчатого картона и формового картона), в качестве сырья для изготовления древесно-волокнистых материалов (ДВП на мягкой основе, ДВП на твердой основе, древесно-стружечных плит, ДВПСП, ДВПВП и ДВПСП/ДВПВП комбинированных изделий) и композитов, в качестве сырья для изготовления влагопоглощающих материалов, таких как салфетки, гигиенические салфетки и тому подобное, в качестве сырья для изготовления ростовых сред (компост для рассады и субстраты), мульчей (в качестве защиты против эрозии почвы и в качестве фактора, подавляющего распространение сорняков и болезней), в качестве мелиорирующего средства или в качестве топлива.

В процессе роспуска на волокна высвободившиеся волокна отделяют, например, путем процеживания, от других составляющих растения. Путем дальнейшего промывания водой и процеживания может быть выделено максимальное количество неволокнистых составляющих. Далее, лишенная волокон взвесь состоит из смеси добавленной воды, тканевой жидкости, составляющих клеточного содержимого и тонко диспергированных клеточных стенок, происходящих из паренхимальной ткани. Из лишенной волокон взвеси или потока сока могут быть выделены составляющие вещества в более или менее очищенной форме, как-то: белки, пептиды и аминокислоты, ферменты, пигменты, липиды, жирные кислоты, крахмалы, растворимые сахара и углеводы (клеточной стенки) для применения в корме для скота, питании человека или в качестве субстрата для ферментации, или, при определенных концентрациях, могут быть получены фураж или продукты питания высокой питательной ценности в результате удаления неперевариваемой или плохо перевариваемой волокнистой фракции. На последующих стадиях лишенная волокон взвесь может фракционирована еще далее. Одной из возможностей является, например, отделение всех твердых частей путем центрифугирования, которое может быть предварено или не предварено стадией коагуляции путем нагревания, подкисления или иного воздействия. Другой возможностью является превращение стенок клеток паренхимы в растворимые сахара с применением ферментов, расщепляющих клеточные стенки, (пектиназ, целлюлаз и т.д.) и, таким образом, добавление их во фракцию растворенного вещества в лишенной волокон взвеси.

Характерным для способа по изобретению является разделение на тканевом уровне на волокнистую фракцию, которая содержит относительно твердые ткани (сосудистые пучки, склеренхиму и эпидермис), и лишенную волокон фракцию, которая содержит относительно мягкие ткани (паренхиму) с их содержимым. Короче говоря, различие между традиционным и новым способами состоит в применении фракционирования тканей (в соответствии с новым способом) вместо экстрагирования тканевой жидкости (в соответствии с традиционным способом).

Настоящее изобретение также обеспечивает устройство для осуществления способа по изобретению. Такое устройство характеризуется наличием средства распускания на волокна в соответствии с настоящим изобретением, посредством которого относительно твердую сосудистую ткань, например, со склеренхимой и эпидермисом (в совокупности волокнистую фракцию) механически отделяют от другой, по существу, паренхимальной ткани. Данная паренхимальная ткань в это же время подвергается воздействию, и компоненты ее клеточного содержимого становятся доступными, по существу, полностью. Термин "роспуск, или разделение, на волокна" означает здесь, что растительный материал подвергают воздействию таких усилий, что относительно твердые ткани почти полностью отделяются от относительно мягких тканей. Вследствие приложения усилий, посредством которых осуществляют данное разделение на волокна, подавляющее большинство, если не почти все, растительные клетки, окажутся под воздействием таким образом, что их цитозоль высвободится. Данный цитозоль в виде потока сока, как правило, также включающего остатки органелл и окружающей клетку липидной мембраны и паренхимальных клеточных стенок, может быть относительно легко отделен от волокнистого компонента путем процеживания или путем иных способов разделения, известных специалисту в данной области.

Первым преимуществом настоящего изобретения является то, что эффективность способа не зависит от тургора растительных клеток, присутствующих в материале, таким образом, что растительные клетки могут быть подвергнуты воздействию с большей эффективностью, чем таковая, традиционная для описанных выше способов отжима.

Вторым преимуществом настоящего изобретения является то, что настоящее изобретение относится к двум потокам продуктов, которые как таковые весьма чисты. Первый поток, волокнистая фракция, содержит, главным образом, целлюлозу и гемицеллюлозу, главным образом, состоящие из элементов С, Н и О (что само по себе дает преимущество чистого сгорания); второй поток содержит все ценные и сложные составляющие вещества, содержащиеся в паренхиме и цитозоле, и который может быть далее разделен относительно легко.

Два потока продуктов могут быть отделены один от другого, например, путем процеживания. Применение других способов разделения, отличных от процеживания, также возможно, например, центрифугирования, обработки с помощью (гидро)циклона или центриклинера, и декантирования или осаждения или сочетаний данных способов. В процессе удаления волокон высвободившееся волокно отделяют от других составляющих растения, например, путем процеживания. Путем дальнейшего промывания водой и процеживания может быть выделено максимальное количество неволокнистых составляющих. Далее, лишенная волокон взвесь состоит из смеси добавленной воды, тканевой жидкости, составляющих клеточного содержимого и тонко диспергированных клеточных стенок, происходящих из паренхимальной ткани.

Первый поток продукта, рассматриваемый в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой (как правило, высокоценный в питательном отношении) поток сока, состоящий из водного раствора/суспензии почти всех высокоценных компонентов или питательных веществ растительного материала (таких как сахара, фруктозусодержащие олигосахариды, белки, липиды, пигменты и тому подобное). Путем удаления (низкоценных в питательном отношении) волокнистых компонентов образуется (в расчете на сухое вещество) данный поток относительно высокоценного продукта, из которого относительно легко могут быть впоследствии выделены различные компоненты. Лишенный волокон продукт или поток сока состоит, по существу, из паренхимы, частично в виде интактных клеток, частично в виде разрушенного клеточного материала.

Цвет лишенного волокон продукта обычно зеленый благодаря присутствию интактных или разрушенных хлоропластов, иногда в ходе фракционирования от темно-зеленого до коричневого. Макроскопически, это жидкость. Микроскопически, в данной жидкости видны, главным образом, интактные и разрушенные паренхимальные клетки и клеточные органеллы, такие как хлоропласты.

Второй поток продукта, рассматриваемый в соответствии с настоящим изобретением, волокнистая фракция, состоит из относительно твердых тканей. Это, как правило, сосудистые пучки, склеренхима и эпидермис. Клеточное содержимое в данных тканях отсутствует или его почти полностью удаляют в ходе фракционирования и промывания. Следовательно, волокно преимущественно состоит из компонентов клеточной стенки. Хлоропласты почти отсутствуют в чистом препарате волокна. Цвет промытого волокна обычно варьирует от белого до желтого или светло-коричневого. Иногда, может развиваться светло-зеленая окраска как результат импрегнации хлорофиллом в ходе выделения. Макроскопически, волокнистая фракция имеет волокнистую структуру, главным образом, за счет нитчатого характера сосудистых пучков. Микроскопически, помимо нитчатых структур сосудистых пучков и склеренхимы, обычно можно распознать фрагменты эпидермальной ткани, состоящие из пластин толщиной в одну клетку. Сосудистые пучки состоят из нескольких компонентов, включая сосуды ксилемы и ситовидные трубки. В зависимости от степени роспуска на волокна, могут также встречаться волокна, состоящие из одного компонента, а также остатки клеточных стенок и (спиральные, сетчатые или кольцеобразные) утолщения клеточной стенки. Для эпидермальных пластинок типичными являются устьичные и кремнеземные зубцы или щетинки.

Поток волокон, рассматриваемый в соответствии с настоящим изобретением, состоит по существу исключительно из потока влажного твердого волокна (главным образом, целлюлозного и гемицеллюлозного), по существу, не имеющего питательной ценности, поскольку данная фракция непосредственно не переваривается, а микробиологически переваривается в малой степени. Однако отсутствие перевариваемости делает возможным применение потока волокон для непищевых приложений в отличие, например, от жмыха, получаемого в соответствии с указанными выше традиционными способами отжима, где жмых фактически подходит только в качестве фуража и в отсутствие дальнейшей переработки и употребления в пищу или дальнейшего консервирования быстро загнивает.

Например, настоящее изобретение относится к применению волокнистой фракции для выработки энергии. Волокнистая фракция содержит, главным образом, углеводы целлюлозу и гемицеллюлозу (состоящие, главным образом, из элементов С, Н и О), которые высокогорючи и, следовательно, могут быть преобразованы с высокой эффективностью в полезную энергию, например, в комбинированной теплоэлектростанции, и которые, как можно ожидать, не повлекут или повлекут минимальный выброс вредных веществ при сгорании. Переработка растительного материала в соответствии со способом по настоящему изобретению с последующим применением полученной волокнистой фракции в качестве топлива будет способствовать снижению выброса СО₂, поскольку в этом случае не будет использоваться ископаемое топливо. Также, как таковое сжигание волокнистой фракции будет чище в экологическом смысле, поскольку волокнистая фракция с трудом подвергается загрязнению остатками солей (таких как соединения К, Na, Cl, Р), если вообще подвергается, и остатками белков (которые включают соединения S и N), обычно встречающиеся в сухих растениях. Данные остатки солей и остатки белков, происходящие из цитозоля, отделяются с потоком сока от волокнистой фракции. Таким образом, сжигание волокнистой фракции (содержащей, главным образом, соединения С, Н и О, которые превращаются в результате сгорания в H₂O и CO₂) нанесет гораздо меньший вред окружающей среде, чем сжигание других растительных материалов, в которых все данные остатки солей и остатки белков все еще присутствуют. Сжигание белка способствует, в частности, выбросу соединений серы и азота, таких как оксиды серы и азота, а негорючие остатки солей будут способствовать повышенному количеству остаточной золы. При сжигании волокнистой фракции по настоящему изобретению выброс, например, оксидов серы и азота и количество остаточной золы, содержащей остатки солей, будут гораздо меньше.

Поскольку волокнистый материал имеет органическую природу, он также применим, например, в качестве заменителя торфа, например, для почвы для рассады или для садовых субстратов.

В предпочтительном варианте изобретения растительный материал распускают на волокна до такой степени, что, например, волокнистый материал состоит, главным образом, из элементарных волокон, так, что полученный таким образом волокнистый компонент или поток волокна применим, например, для дальнейшей переработки в картон и/или бумагу, или применим как (природное) волокно в композитах вместе с и в качестве матрицы для (искусственных) смол.

Примерами растительного материала, который может быть обработан в соответствии со способом по изобретению, являются известные (фуражные) культуры, такие как злаки (включая зерновые, такие как пшеница, рожь и кукуруза), люцерна, конопля, а также остатки урожая культур, лиственные и/или стеблевые части которых обычно не перерабатываются, такие как ботва картофеля или (сахарной) свеклы, которые обычно оставляют в поле после уборки; или культуры, которые, как правило, не перерабатываются на сок или перерабатываются, но только в ограниченном масштабе, такие как шпинат, салат-латук или злаки. Высокая эффективность способа по настоящему изобретению делает переработку таких растительных материалов выгодной.

Поток сока из растительных материалов, переработанных в соответствии со способом, рассматриваемым в рамках настоящего изобретения, подвергают дальнейшей обработке, например, путем процеживания, после чего, например, белок, пептиды, аминокислоты и другие компоненты или составляющие вещества сока выделяют, например, путем коагуляции, например, с помощью обработки кислотой и/или повышенной температурой. Поток сока может быть также обработан путем (ультра- или мембранной) фильтрации, сушки, брожения или других методов, известных специалисту в данной области. Богатые белком или иные высокоценные питательные вещества для потребления человеком и животными, а также пигменты, такие как каротин (провитамин А), могут быть выделены из цитозоля таким образом, также и из цитозоля из лиственных и/или стеблевых частей.

Также пригодным для переработки в соответствии со способом по изобретению является растительный материал, не относящийся к культурным растениям в строгом смысле этого слова, такой как трава, скашиваемая на обочинах дорог и шоссе, или смеси трав и других диких растений, скашиваемые в природных условиях.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способу разделения компонентов растительного сырья, убранного относительно давно и уже по меньшей мере частично высохшего, или которое не может быть больше определено как свежее и зеленое, но приобрело более древесный и/или сухой характер, например, в результате старения. Такой материал непригоден для переработки методом отжима, но теперь весьма пригоден для переработки в соответствии со способом по изобретению, поскольку степень тургора растительной клетки, подлежащей воздействию, стала непринципиальной.

Настоящее изобретение относится к рафинеру или к устройству сходного действия, и к применению такого устройства, например, для разделения компонентов растительного сырья, которое (еще) не проявляет какой-либо лигнификации или проявляет лишь минимальную степень лигнификации и в котором присутствует паренхима. Данная паренхима с содержащимся в нем цитозолем является основой потока сока, рассматриваемого в соответствии с изобретением. Рафинер, как правило, применяют для разделения щепы на волокна в целях получения пульпы для производства бумаги и/или картона. Настоящее изобретение относится к переработке с помощью рафинера культуры, выбранной из большого ряда культур, которые традиционно не перерабатывались с помощью рафинера. Рафинеры, как правило, не применяются для переработки свежего и/или зеленого материала, поскольку древесина состоит, главным образом, из омертвевшей или лигнифицированной ткани, утратившей большую часть паренхимы, содержащей хлоропласты. Специалистам в данной области известны разные типы рафинеров. Примерами являются рафинеры с коническими дисками и с плоскими дисками. Настоящее изобретение относится к применению обоих типов и/или эквивалентных устройств, например, выпукло-вогнутых композитных измельчающих дисков, в способе по настоящему изобретению.

Настоящее изобретение ниже поясняется, без ограничения изложенным экспериментальной частью описания.

Экспериментальная часть
Настоящее изобретение экспериментально сравнивали с традиционной технологией. Данное сравнение проводили с использованием лабораторного протокола и промышленного оборудования. На основании этого может быть оценена природа волокнистой фракции и подвергнута сравнению извлекаемость составных веществ в соответствии с обоими способами. Результаты, приведенные ниже, иллюстрируют различия в извлекаемости белка и других составных веществ.

Традиционный способ
В экспериментах в лабораторном масштабе традиционный способ измельчения и отжима воспроизводили путем превращения материала в пульпу с помощью гомогенизатора Tecator и прессования пульпы с применением приспособленного пресса Lloyd Instruments. Он был снабжен чашей, имеющей перфорированную нижнюю пластину (площадь поверхности 50 см²), в которой 100 г свежей пульпы прессовали в течение 15 минут при давлении, достигавшем 10 бар. Исходный материал и отжатый сок анализировали на предмет содержания азота, и извлекаемость белка рассчитывали как количество неочищенного белка (количество азота, умноженное на 6,25) в соке, выраженное в процентах от количества неочищенного белка в исходном материале.

В большем масштабе, для размалывания травы применяли бильную мельницу типа Jenz A30 и полученную таким образом травяную пульпу прессовали с помощью винтового пресса Vetter с коэффициентом сжатия 1:7,65 и отверстием стенки цилиндра 0,7 мм. Путем пропускания растительного материала через бильную мельницу один или несколько раз материал мог быть измельчен в большей или меньшей степени.

Новый способ
В экспериментах в лабораторном масштабе новый способ воспроизводили путем тонкого измельчения свежей травы в измельчителе с последующим смешиванием 30 г тонкоизмельченных кусочков травы с 400 мл воды и разделением их на волокна в смесителе (смеситель Braun) в течение 10 минут, процеживания взвеси из смесителя через сито с размером ячеи 850 микрон и промывания и сушки отсеянной волокнистой фракции. Волокно анализировали на предмет содержания азота, золы и клеточных стенок и таким образом рассчитывали состав лишенной волокон суспензии. Выход волокна определяли как количество сухого вещества в волокнистой фракции в процентах от количества сухого вещества в исходном материале. Извлекаемость белка рассчитывали как количество неочищенного белка в лишенной волокон взвеси, выраженное в процентах от количества неочищенного белка в исходном материале.

Новый способ также был опробован на 12-дюймовом рафинере, работающем под давлением, Sprout-Waldron с измельчающими дисками типа D2A505. Очистка или разделение на волокна свежей травы проводили в атмосферных условиях с междисковым расстоянием 0,04 мм с добавлением воды до консистенции приблизительно 2% сухого вещества. Волокно затем процеживали на сите с размером ячеи 140 микрон.

Новый способ также опробовали в полутехническом масштабе с помощью дискового рафинера Sunds типа RO 20 FLUFF серийный 3838, 1985 года выпуска, оборудованного измельчающими дисками с высокой или низкой снашиваемостью. С помощью данного рафинера, кроме того, было изучено влияние типа диска и междискового расстояния на производительность и состав волокна.

Очистку проводили в атмосферных условиях с измельченной травой с добавлением воды или без такового. Также было опробовано разделение на волокна ботвы картофеля.

Траву как с культурных сенокосных угодий, так и природных земель перерабатывали в свежеизмельченной форме. Образцы распущенного на волокна материала промывали вручную и процеживали и анализировали на предмет содержания азота и золы. Извлекаемость неочищенного белка рассчитывали на основе средней доли волокна в размере 33% от сухого вещества травы.

Ботву картофеля получали от растений крахмалистого картофеля в течение всех фаз роста растения картофеля. Ботву механически выдергивали и затем измельчали до некоторой степени. Ботва картофеля состояла из стеблей и листьев. Ботву картофеля в свежем виде без предварительного промывания перерабатывали с помощью рафинера без добавления воды. Распущенный на волокна материал отжимали вручную.

Результаты эксперимента:
Описание фигур
Фиг.1 и фиг.2 (деталь)
Жмых травы (слева) и волокно травы (справа) райграса пастбищного (Lolium perenne).

В жмыхе заметна зеленая окраска благодаря присутствию хлоропластов. Также различимы по их размеру фрагменты листьев (поперечное сечение более 1 мм) и характерным жилкам на верхушке листа. Волокно травы отличается светлой окраской (почти полное отсутствие хлоропластов), нитчатой структурой и малым диаметром отдельных волокон (в данном случае, гораздо меньшим 1 мм). Расстояние между последовательными числами составляет 1 см.

Фиг.3
Суспензия волокна травы райграса пастбищного (Lolium perenne).

Видны волокнистые структуры (сосудистые пучки) диаметром несколько десятков микрометров и пластинки эпидермиса наименьшего диаметра до нескольких сотен микрометров.

Фиг.4
Микрограмма эпидермиса в волокне травы райграса пастбищного (Lolium perenne).

Характерно наличие устьиц в райграсе пастбищном, сконцентрированных в эпидермисе верхушки листа. Более плотная ткань по отношению к устьицам залегает под склеренхимой. Продолговатые эпидермальные клетки имеют поперечное сечение приблизительно 20 микрометров.

Фиг.5
Микрограмма сосудистых пучков в волокне травы райграса пастбищного (Lolium perenne).

Характерным для сосудистых пучков является их строение из нескольких отделов и наличие сосудов с сетчатыми утолщениями. Диаметр волокна в центре фигуры составляет приблизительно 50 микрометров.

Фиг.6
Микрограмма паренхимальных клеток в потоке сока лишенной волокон травы райграса пастбищного (Lolium perenne). Данный поток сока соответствует волокнистой фракции фиг. 1 и 2. Характерным для паренхимальных клеток в листве травы является большое количество хлоропластов. Некоторые паренхимальные клетки, однако, были разрушены при фракционировании: видна лишь клеточная стенка, хлоропласты находятся отдельно в окружающей жидкости. Размер данных паренхимальных клеток составляет приблизительно 20-40 микрометров. Фракцию, показанную на данной фигуре, перед фотографированием разбавляли, чтобы показать относительно большое количество паренхимальных клеток в потоке сока по настоящему изобретению.

Фиг.7
Микрограмма паренхимальных клеток в отжатом из травы райграса пастбищного (Lolium perenne) соке.

Данный отжатый сок соответствует жмыху на фиг.1 и 2. Фракцию, показанную на данной фигуре, перед фотографированием концентрировали, чтобы показать относительно низкое количество паренхимальных клеток в отжатом соке.

Фиг.8
Диаграмма распределения ресурсов по процессу разделения на волокна или очистки травы.

Фиг.9
Диаграмма распределения ресурсов по процессу разделения на волокна или очистки травы.

Фиг.10
Диаграмма распределения ресурсов по процессу разделения на волокна или очистки травы.

Распускание на волокна. Таблица 1 (см. в конце описания).

Распускание растительной биомассы на волокна позволяет получить волокнистую фракцию, содержание которой в зависимости от природы материала может варьироваться от менее 10% до более 30% сухого вещества. Точное количество также зависит от размера ячеи сита, с помощью которого отделяют волокно, и интенсивности промывания. В случае Lolium perenne волокнистая фракция, как правило, состоит из более 80% материала клеточной стенки и имеет содержание азота, главным образом, менее 6-8 г на кг сухого вещества и содержание золы, главным образом, менее 50-100 г на кг сухого вещества.

Таблица 2 (см. в конце описания).

Состав волокнистой фракции сравним для экспериментов с рафинером и экспериментами в соответствии с лабораторным протоколом.

Удаление волокон. Таблица 3 (см. в конце описания).

Помимо составляющих клеточного содержимого (таких как белок), лишенная волокон взвесь также содержит часть клеточных стенок из растительного материала. Они, по существу, представляют собой клеточные стенки из мягкой паренхимальной ткани, которая разрушается при роспуске на волокна и впоследствии, при удалении волокон, проходит сквозь сито в виде тонкодисперсного материала. Количество, присутствующее в лишенной волокон взвеси, частично зависит от диаметра ячей сита. Таблица 4 (см. в конце описания).

Удаление волокон позволяет получить взвесь, содержащую главным образом, т. е. более 55%, предпочтительно более 75% и еще предпочтительнее более 90% неочищенного белка из растительного материала. Данный белок может быть выделен из него путем центрифугирования с предшествующей тепловой коагуляцией или без нее.

В традиционном способе фракционирования извлекаемость неочищенного белка, как правило, составляет менее 50%. Таблица 5 (см. в конце описания).

Выяснилось, что даже после неоднократного пропускания травы через бильную мельницу с последующим отжимом с помощью винтового пресса извлекаемость белка составляет менее половины извлекаемости белка, измеренной после разделения травы на волокна.

Результаты испытаний с дисковым рафинером Sunds сведены в таблицу 6.

Выбор пластины и междискового расстояния определяет степень разделения на волокна, но влияет на извлекаемость белка лишь в малой степени. Высокая производительность была возможна в сочетании с высокой извлекаемостью белка (в данном случае > 85%) при переработке как богатой белком культурной травы, так и бедной белком природной травы.

Ботва картофеля хорошо поддается переработке с помощью рафинера. В волокнистой фракции содержание древесных волокон относительно высоко, поскольку исходная ботва картофеля состоит не только из ткани листьев, но и из ткани стеблей. Высокое содержание золы в волокнах ботвы картофеля обусловливалось в значительной степени высоким содержанием белка в ботве, поскольку сырой материал не промывался.

Диаграмма распределения ресурсов по процессу очистки травы
Предварительная обработка
Приложенные диаграммы распределения ресурсов по процессу (смотри фигуры 8-10) начинаются от подачи измельченной травы, что является традиционным в переработке травы и люцерны в сеносушилках. Как правило, длина измельченной травы составляет несколько сантиметров, но может быть и длиннее, и короче. Для теста с рафинером свежую траву предварительно измельчали в гильотинном измельчителе Pierret до фрагментов длиной 6 мм, другими словами, до очень коротких фрагментов. Как правило, такая малая длина не требуется; очистка или разделение на волокна отжатой травы (с длиной фрагментов, как правило, несколько сантиметров) не составляет каких-либо проблем.

Промывание
Стадия промывания, возможно, будет необходима на практике для удаления песка и, следовательно, снижения изнашиваемости оборудования и получения более чистого продукта. Однако данная стадия промывания может быть опущена, если отсутствуют песок и другие примеси.

Добавление сульфита
Добавление сульфита может быть необходимо, а может и не быть, для предотвращения нежелательного комплексообразования между белками и полифенолами. Основываясь на прошлом опыте, касающемся переработки травяного сока, известно, что такое комплексообразование снижает питательную ценность белков травы. Однако обстоятельства очистки могут быть различными. Быстрое повышение температуры во время очистки может немедленно ингибировать ферментативную активность (эффект бланширования) и подавить образование полифенолов.

Очистка: основная диаграмма (фиг.8)
Очистка травы, в принципе, возможна с добавлением жидкости в ходе очистки или без такового. В первом тесте, со свежей травой (15% сухого вещества) процесс протекал нелегко без обильного добавления воды до содержания сухого вещества приблизительно 2%. Необходимость добавления воды, возможно, отчасти зависит от типа рафинера и природы травы (волокнистости). Отжатая трава (26% сухого вещества) может быть очищена без добавления воды. От того, сколько воды добавлено (если добавлено), зависит повышение температуры в ходе очистки, а следовательно, и степень денатурации белка и последующие стадии процесса.

Основная диаграмма включает после очистки следующие стадии процесса: отсеивание волокна, коагуляцию жидкости из рафинера с помощью повышенной температуры с последующим отделением белкового осадка с помощью декантера и выпаривание депротеинизированной жидкости. Возможны два крайних варианта данной основной диаграммы: один с минимальным добавлением воды в ходе очистки, а другой - с обильным добавлением жидкости. Основная диаграмма в таком случае меняется на вариант А (фигура 9) и вариант В (фигура 10) соответственно.

Очистка: вариант А (фигура 9)
После минимального добавления возвратной жидкости возможно существенное повышение температуры в ходе очистки: в тесте с отжатой травой до более 70^oС. Коагуляция белка и пастеризация пройдут тогда уже в ходе очистки, и, возможно, отдельная стадия коагуляции может быть опущена. В таком случае диаграмма процесса упрощается до очистки процеживания - декантирования - выпаривания: смотри вариант А основной диаграммы.

Очистка: вариант В (фигура 10)
В случае обильного добавления возвратной жидкости повышение температуры в ходе очистки может оставаться ограниченным: в тесте со свежей травой приблизительно до 35^oС. Как результат, преимущественно, часть белка может остаться в растворе. В таком случае после очистки возможны два альтернативных пути. Простейший состоит в отсеивании волокна с последующими тепловой коагуляцией жидкости и декантированием. В таком случае может образоваться один белковый осадок и депротеинизированная жидкость, которая может быть выпарена (смотри основную диаграмму). Более сложный путь (вариант В) включает отсеивание волокна с последующими первоначальным декантированием, посредством чего образуется неочищенный белковый осадок ("неочищенный" означает с примесью тонко измельченных стенок паренхимальных клеток, которые прошли через сито), с последующими тепловой коагуляцией жидкости и повторным декантированием. На данной второй стадии декантирования образуется более чистый белковый осадок.

Отсеивание волокон
Для отсеивания волокон могут применяться цетрискрины, что известно специалистам в данной области для выделения волокон картофеля. В данном тесте применяли наклонное сито с натянутой на него проволочной сеткой с ячеей 140х140 микрон. В лабораторном масштабе применяли сито с размером ячеи 850 и 250 микрон. Результаты показывают, что большая часть волокон может быть отделена с помощью относительно крупного сита. Фракция более мелких волокон может быть добавлена к общей волокнистой фракции или, с помощью ферментативного расщепления, к мелассе, концентрату или потоку сока.

Промывание и сушка волокна
Волокно, отделенное путем процеживания, может быть загрязнено растворенным или взвешенным веществом. Соответственно, в таком случае, необходимо промывание депротеинизированной возвратной жидкостью с последующим удалением влаги с помощью отжима/центрифугирования и сушки.

Сушка белкового остатка
Богатый белком осадок, который отделяется в результате декантирования, может быть высушен способом, известным специалистам в данной области, например, как картофельный белок. В случае присутствия относительно большой фракции липидов, улучшающий эффект будет иметь добавление антиоксидантного продукта.

Выпаривание депротеинизированной жидкости
Депротеинизированная жидкость может быть выпарена с образованием богатого сахаром сиропа.

Продолженная процедура
Основная диаграмма может быть продолжена с включением процессов для дальнейшей очистки сырого белкового осадка. Одним возможным добавлением является ферментативное расщепление стенок паренхимальных клеток в сыром белковом осадке. Сахара, которые получаются в результате этого, могут, например, быть добавлены к мелассе, концентрату или потоку сока.

Реферат

Способ отделения компонентов от растительного материала, содержащего по меньшей мере лиственные и/или стеблевые части, характеризуется тем, что материал по меньшей мере частично распускают на волокна, а затем разделяют на фракцию волокна и поток сока таким образом, что фракция волокна главным образом содержит твердые ткани, такие как эпидермис, склеренхима и сосудистые почки, а поток сока главным образом содержит мягкие ткани, такие как паренхима и цитозоль. Указанным способом получают волокно и сок. Использование данной группы изобретений обеспечивает доступность растительных клеток с большей эффективностью и обеспечивает лучшие рыночные возможности для волокнистого остаточного материала. 3 с. и 7 з.п.ф-лы, 10 ил, 6 табл.

Формула