Die Erfindung bezieht sich auf die Abtrennung und Gewinnung von Komponenten aus Pflanzen.

Pflanzen bestehen wie die meisten Organismen aus Zellen. Eine Pflanzenzelle besteht aus einer Lipid-Membran mit einem im Allgemeinen wässrigen Inhalt, dem Cytosol, das die verschiedenen Zellorganellen (die gleichermaßen von Lipid-Membranen umgeben sind) enthält, wie Kern, Mitochondrien, endoplasmatisches Retikulum und Chloroplaste, und das Cytoskelett, das aus Mikrofilamenten Mikrotubuli besteht, die der Zelle eine innere Struktur geben. In der Pflanzenzelle liegen ebenfalls Vakuolen vor, die eine wichtige Rolle bei dem Unter-Spannung-Halten der Pflanzenzelle spielen, die Vakuolen halten den Turgor der Zelle aufrecht.

Die bestandteilbildenden Komponenten einer Pflanzenzelle können grob in Wasser, das bei weitem den größten Teil einer lebenden Zelle ausmacht, Komponenten wie Salze, Lipide (Vorstufen derselben), Kohlenhydrate, Aminosäuren und Nucleotide, Makromoleküle wie Stärken, Proteine und Nucleinsäure und eine Mehrzahl anderer Moleküle, einschließlich Vitaminen und Pigmenten wie Chlorophyll, Carotin und Xanthophyll unterteilt werden.

Eine Pflanzenzelle ist im Allgemeinen von einer Zellwand umgeben, die dem Pflanzengewebe Festigkeit und Struktur verleiht. Die Zellwand ist hauptsächlich aus (Hemi)cellulose und anderen Kohlenhydrat-Polymeren aufgebaut, die zu Faserbündeln aggregiert sind. Holzartige Pflanzen enthalten eine große Menge an Lignin, ein Polymer, das aus Phenolen und anderen aromatischen Monomeren besteht.

Pflanzengewebe besteht aus Pflanzenzellen, die alle, wenn sie lebendig sind, grundsätzlich der obigen Beschreibung genügen. Eine wichtige Unterscheidung kann zwischen relativ festen Geweben, die tatsächlich kein Chloroplast oder andere Plastide-enthaltende Zellen enthalten, und den relativ weichen Geweben getroffen werden, bei denen dies im Allgemeinen der Fall ist. Gewebe, die im Allgemeinen keine Chloroplast-enthaltenden Zellen enthalten, sind z. B. die Epidermis oder das Hautgewebe einer Pflanze, das Kollenchym und das Sklerenchym oder Stroms einer Pflanze und die Gefäßfaserbündel oder das Leitgewebe, das die wichtigen Transportgefäße (Holzgefäße und Siebröhren) in der Pflanze umfasst. Wenn ein Teil einer Pflanze stark lignifiziert wird – im Allgemeinen im Laufe der Zeit –, stirbt die Mehrzahl der Zellen in dem lignifizierten Teil ab und nur Rückstände des Zelleinhalts bleiben zurück. Insbesondere gehen das Cytosol und die Organellen, die darin vorliegen, verloren, aber die Gefäßfaserbündel, die Haut und Stromata (Spaltöffnungen) geben im Allgemeinen der Pflanze eine Form und Struktur und liegen im Allgemeinen noch vor, wenn die Pflanze tot ist. Charakteristischerweise umfassen diese relativ festen Gewebe (insbesondere Gefäßbündel, Sklerenchym und Epidermis) keine bis überhaupt keine Chloroplast-enthaltenden Zellen, während ein wichtiger Teil (wenigstens in den oberirdischen Blatt- und Stängelteilen der Pflanze) der relativ weichen Gewebe – auch Chlorenchym genannt – hauptsächlich nur aus Chloroplast-enthaltenden, parenchymatischen Zellen besteht; tatsächlich ist dies der Teil, wo die Photosynthese erfolgt. Kein Chloroplast enthaltendes Parenchym (wie es z. B. in Früchten, Samen, Wurzeln und Knollen der Pflanze gefunden werden kann, aber auch in unterirdischen Blatt- und Stängelteilen) ist hauptsächlich an der Lagerung von Nährstoffen, Wasser oder Gasen beteiligt. Eine solche Lagerung erfolgt insbesondere in Zellorganellen, die den Chloroplasten verwandt sind, die im Allgemeinen als (Pro)plastide bezeichnet werden, wie in Amyloplasten (Lagerung und Herstellung von Kohlenhydraten), Elaioplasten (Lipide) und Chromoplasten (Pigmente).

Eine genetische Manipulation oder Modifizierung von Pflanzen ist die Änderung übertragbarer Eigenschaften oder Merkmale einer Pflanze durch moderne rekombinante oder biotechnologische Techniken. Die Technik der genetischen Manipulation wurde in Pflanzen auf experimentellem Niveau in der Mitte der achtziger Jahre entwickelt. In den frühen neunziger Jahren führte dies zu den ersten vermarktungsfähigen Produkten. Derzeit wird diese Technik hauptsächlich auf Bakterien, Pilze und Pflanzen angewendet. Möglichkeiten liegen jedoch auch bei Tieren vor. Die Techniken bei Tieren sind in diesem Zusammenhang noch nicht optimal oder nicht profitabel und bringen Probleme auf dem Gebiet der Ethik mit sich, wenn höher entwickelte Tiere betroffen sind.

Übertragbare Eigenschaften sind mehr oder weniger einfache Eigenschaften, die durch ein Gen für einen bestimmten Locus codiert sind. Eine genetisch modifizierte Pflanze (oder transgene Pflanze) ist ein lebender Organismus, auf den ein Gen mit bestimmten Eigenschaften, das in einem Donor-Organismus identifiziert wurde, durch genetische Manipulationstechniken (DNA-Rekombination) übertragen wird. Es ist auch möglich, eine Pflanze genetisch zu manipulieren, so dass sie ein bestimmtes Gen nicht mehr aktivieren oder exprimieren kann, das herkömmlicherweise in der Pflanze vorliegt: Das betreffende Gen wird dann eliminiert. Aufgrund des übertragenen oder eliminierten Gens eignet sich die transgene oder modifizierte Pflanze eine neue Eigenschaft oder ein anderes Merkmal an, die wiederum auf den Nachkommen übertragbar sind. Die Übertragung oder Eliminierung von Genen kann durchgeführt werden, indem man z. B. ein Bakterium wie Agrobacterium tumefaciens verwendet, das genetisches Material auf eine Pflanzenzelle durch Plasmide übertragen kann. Die Gene werden anschließend in das Genom der infizierten Zelle eingefügt. Andere Wege der Modifizierung können ausgewählt werden, wie das Beschießen einer Pflanzenzelle mit Kugeln, die mit DNA-Fragmenten umgeben sind, welche das zu übertragende Gen einschließen.

Die Verwendung der modernen Biotechnologie in der Landwirtschaft bietet neue Möglichkeiten, wobei auf den ersten Blick bestimmte Ausbeuten garantiert werden und weniger phytosanitäre Produkte zur Schädlings- und Krankheitssteuerung entwickelt werden müssen und auch qualitativ hochwertige Produkte erhalten werden.

Schätzungen des Jahres 1998 zeigen, dass transgene Pflanzen weltweit auf einer Fläche von 30 Millionen Hektar (verglichen mit 14 Millionen Hektar im Jahre 1997) wachsen. Dies geschieht hauptsächlich in den Vereinigten Staaten (88%), Südamerika (Baumwolle in Argentinien) (6%) und Japan (6%). Zahlenangaben über die Fläche in China, auf der transgene Feldfrüchte wachsen, sind nicht bekannt, aber der davon betroffene Prozentgehalt ist wahrscheinlich beträchtlich.

Zusätzlich zu den derzeit vermarkteten Varietäten, die durch genetische Manipulation verbessert sind – in etwa zwölf Feldfrüchte, die der Ernährung dienen und nicht der Ernährung dienen –, ist ein schneller und gigantischer Fortschritt der Forschung auf diesem Gebiet zu erwarten, selbst wenn die Mehrheit der Anwendungen sich noch im Versuchsstadium befindet. Mögliche Verbesserungen sind von großer Bedeutung, insbesondere bei der Kultivierung von Feldfrüchten, die der Ernährung dienen (Nahrungsfeldfrüchte). Zusätzlich dazu existiert die erwartete Entwicklung von genetisch modifizierten Pflanzen für Produkte auf dem Nicht-Nahrungsmittel-Sektor, die eine sehr interessante Quelle der Verschiedenartigkeit für die Landwirtschaft sind.

Im Prinzip sind zwei Typen von genetischen Modifizierungen denkbar. Ein erster Typ betrifft das Einführen neuer Eigenschaften oder Merkmale, die das Wachstum oder die Kultivierung der betreffenden Feldfrucht fördern oder für dasselbe hilfreich sind. Zu berücksichtigen sind hier z. B. das Einführen von Trocken- oder Kältebeständigkeit, so dass die Feldfrucht auch in Regionen wachsen kann, die von denjenigen verschieden sind, in denen sie ursprünglich entwickelt wurde. Das Einführen neuer Eigenschaften oder Merkmale, die das Wachstum oder die Kultivierung der betreffenden Feldfrucht fördern oder für dasselbe hilfreich sind, umfasst auch das Einführen einer Beständigkeit oder Toleranz gegenüber Herbiziden, so dass die Unkraut-Steuerung mit dem betreffenden Herbizid in der Nähe der Feldfrucht durchgeführt werden kann, ohne dass die modifizierte oder rekombinante Feldfrucht dadurch eine beträchtliche Schädigung erleidet, oder das Einführen einer Beständigkeit gegenüber Krankheiten oder Schädlingen.

Ein zweiter Typ betrifft das Einführen oder Eliminieren von Genen, die die betreffende Feldfrucht dazu befähigen, ein (rekombinantes) Endprodukt mit einer möglicherweise besseren Qualität zu ergeben. Zu berücksichtigen sind hierbei z. B. eine Geschmacksverbesserung oder eine bessere Beibehaltung von Eigenschaften von Produkten. Eine wichtigere Anwendung besteht jedoch darin, die Pflanze mit wertvollen Komponenten oder Inhaltsstoffen anzureichern oder den Gehalt derselben zu erhöhen. Eine Zunahme des Vitamingehalts einer Pflanze durch genetische Modifizierung, eine Erhöhung und/oder Anreicherung des Protein- oder Aminosäuregehalts, wobei die Pflanze vorzugsweise Proteine oder Aminosäuren hoher Qualität durch genetische Modifizierung erzeugt, die Verbesserung des Gleichgewichts zwischen gesättigten und ungesättigten Fettsäuren durch genetische Modifizierung sind alles Beispiele anvisierter Möglichkeiten der genetischen Modifizierung bei Pflanzen.

Ebenfalls beabsichtigt sind neue Produktionsmöglichkeiten für hochspezifische Zusammensetzungen. Insbesondere die Herstellung von Impfstoffen (auf der Basis von Pflanzen, die rekombinante Proteine oder Peptide exprimieren), von Antibiotika (auf der Basis von Pflanzen, die mit rekombinanten Enzymen oder Enzymsystemen versehen sind, die diese Antibiotika herstellen können) und anderer Faktoren, die für die Human- oder Veterinärmedizin wichtig sind (Hämoglobin, Insulin, Koagulierungsfaktoren, Wachstumshormon, menschliche oder tierische (Verdauungs)Enzyme usw.), sind Anwendungen der Einführung oder Eliminierung von Genen, die die betreffende Feldfrucht dazu befähigen, ein (rekombinantes) Endprodukt mit einer möglicherweise besseren Qualität zu ergeben.

Die derzeitigen Anwendungen des Einführens neuer Eigenschaften oder Merkmale, die das Wachstum oder die Kultivierung der betreffenden Feldfrucht fördern oder für dasselbe hilfreich sind, wie aus dem Gebiet der Herbizid-Toleranz, sind am weitesten vorangeschritten. Sie sind vielversprechend für die landwirtschaftliche Produktion, das Produktionskosten-Management und im Hinblick auf die Auswirkungen der landwirtschaftlichen Aktivität auf die Umwelt. Die Beständigkeit von Pflanzen gegenüber Krankheiten, wie sie durch Transgenese erhalten werden, bietet klare Vorteile für das Wachstum oder die Kultivierung der betreffenden Pflanze, insbesondere gibt es wenige konventionelle Mittel – und in einigen Fällen sogar keine -, um Bakterien und Viren zu steuern. Wenn die Beständigkeit der Pflanze von sich aus vorliegt, können Behandlungen in nahezu allen Fällen weggelassen werden, und die Auswirkung auf die Ausbeute ist dann beträchtlich höher als nach einer Behandlung.

Im Falle des Einführens oder Eliminierens von Genen – wobei die betreffende Pflanze als Ergebnis ein (rekombinantes) Endprodukt mit einer möglicherweise besseren Qualität ergeben kann – gibt es auch Probleme einer anderen Art, die zu lösen sind. Wesentliche Fragen im Hinblick auf die Gewinnungsmöglichkeit des erwünschten Produkts sind z. B.: wie soll das Produkt hoher Qualität gewonnen werden?, wie trenne ich die (rekombinante) Komponente hoher Qualität von dem anderen pflanzlichen Material ab?, muss die zu gewinnende Komponente in bestimmten leicht zu erntenden Teilen der Pflanze vorliegen (Samen, Früchte, Knollen usw.) (was der Natur der genetischen Modifizierung strikte Anforderungen auferlegt: es ist nicht nur notwendig, ein modifiziertes Gen bereitzustellen, das das betreffende Produkt codiert, dieses Gen muss auch an der richtigen Stelle exprimiert werden), oder muss die betreffende Komponente aus allen Teilen der Pflanze gewonnen werden?

Die bestehenden Gewinnungstechnologien geben keine klaren Antworten und dies gilt insbesondere für Protein-Produkte, für Produkte mit relativ geringer Qualität, für Produkte, die in der Pflanze in einer relativ geringen Konzentration vorliegen, und für Produkte, die in der ganzen Pflanze proportional verteilt sind. Es ist seit langem bekannt, verschiedene Komponenten aus pflanzlichen Rohmaterialien zur weiteren Verwendung z. B. in Nahrungsmitteln für den menschlichen Verbrauch oder als Futter zum tierischen Verbrauch durch mechanische Verfahren zu gewinnen. Oft werden Pflanzen einfach zerkleinert oder zerbrochen, um sie zum Verbrauch geeignet zu machen, wobei ein Beispiel das Zerstoßen von Mais für Viehfutter ist. Es ist jedoch klar, dass das Zerstoßen nicht zu einer besseren Gewinnung einer rekombinanten Komponente beiträgt, die in relativer Reinheit erhalten werden soll.

Insbesondere die Komponenten, die im Cytosol der Pflanzenzelle vorliegen, sind für menschliche Nahrungsmittel oder Tierfutter außerordentlich geeignet, da dieselben Aufbaumaterialien für entsprechende Komponenten sein können, die in tierischen Zellen gefunden werden. Aus diesem Grund werden insbesondere spezielle Teile einer Pflanze, wie Samen, Knollen, Wurzeln oder Früchte, die besonders reich an z. B. Pflanzensaft, Zuckern, Protein, Öl oder Stärke sind, zuweilen weiterreichenden Gewinnungsverfahren unterzogen, wie Pressen oder Mahlen. Beispiele sind das Auspressen von Öl aus Oliven oder ölhaltigen Samen, die Gewinnung von Protein aus Sojabohnen oder das Mahlen von Kartoffeln oder Getreidekörnern, um Mehl herzustellen. Ein anderes bekanntes Beispiel ist das Ausquetschen von Saft aus Früchten wie Weintrauben zum direkten Verbrauch oder für eine weitere Verarbeitung. Im Fall von Weintraubensaft betrifft dies hauptsächlich das Wasser, die Zucker und die Farbe und den Geschmack und die weitere Umwandlung in Wein.

Ein Beispiel einer Gewinnung eines pflanzlichen Rohmaterials, bei dem kein Auspressverfahren verwendet wird, ist die Gewinnung von Zucker aus z. B. Zuckerrüben. Die Rüben werden im Allgemeinen in schmale Streifen geschnitten (die manchmal als Schnitzel bezeichnet werden), wonach die Schnitzel mit heißem Wasser in einem Diffusionsturm gespült werden. Während dieses Diffusionsverfahrens diffundiert der Zucker aus den Rübenzellen heraus. Der Zucker wird aus den bereits beschädigten Zellen relativ leicht freigesetzt, muss aber aus der intakten Rübenzelle – die natürlich in viel größerer Anzahl vorhanden ist – durch Osmose und/oder Dialyse freigesetzt werden. Diese Osmose und Dialyse kann nur vorteilhaft durchgeführt werden, wenn die Temperatur während des gesamten Verfahrens exakt gesteuert wird, z. B. bei 72°C, und indem man ausreichend große Wassermengen verwendet. Es kann festgestellt werden, dass pro Tonne Zuckerrüben wenigstens 1100 l Wasser notwendig sind. Durch ein Gegenstromprinzip wird das zuckerreiche Wasser von den feuchten Schnitzeln (jetzt Pulpe genannt) abgetrennt. Die feuchte Pulpe wird getrocknet, und das Zuckerwasser (gegebenenfalls nach Filtration, Carbonisation und anderen Vorbehandlungen) wird verdampft. Das Trocknen der Pulpe und das Verdampfen des zuckerreichen Wassers zu einem dicken Saft, der auch Serum genannt wird, erfordert viel Energie.

Herkömmlicherweise wird auch eine mechanische Verarbeitung auf Futtermittel-Feldfrüchte wie Gras, Luzerne und andere frische oder grün geerntete Pflanzen angewendet, oft als tatsächlich ganze Pflanze, und insbesondere werden die Blatt- und/oder Stängelteile und in den meisten Fällen ohne Einschluss der Wurzeln verwendet, um z. B. (tierische) Nahrungsmittel-Komponenten zu gewinnen. Solche pflanzlichen Rohmaterialien werden im Allgemeinen durch Auspressen (vorzugsweise gestoßen oder anderweitig zerkleinert) von Blatt- und/oder Stängel-material gewonnen, wobei ein Teil des pflanzlichen Materials als Presssaft erhalten wird, während der Rückstand und gepresstes Material als Presskuchen bekannt sind. Diese Techniken sind auch benutzbar, wenn das Material aus genetisch modifizierten Pflanzen stammen sollte.

Die Druckkräfte, die durch das Pressen ausgeübt werden, ergeben jedoch nur ein teilweises Öffnen (Zerreißen oder Aufplatzen) von Pflanzenzellen in dem Material, so dass nur ein Teil des wässrigen, aber an Nahrungsmittelkomponenten reichen Cytosols, möglicherweise mit Rückständen der Organellen und der Lipid-Membran, die die Zelle umgibt, aus der Zelle als Presssaft freigesetzt wird. Die Wirksamkeit eines solchen Verfahrens ist daher gering. Presssaft wird im Allgemeinen weiter behandelt, z. B. durch Sieben, wonach z. B. das Protein in dem Saft durch Koagulation durch z. B. Säure- und/oder Hitze-Behandlung gewonnen wird. Presssaft kann auch durch (Ultra- oder Membran-)Filtration, Trocknung, Fermentierung oder andere Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind, weiter verarbeitet werden. Proteinreiche oder antderweitige hochwertige Nährstoffe für den menschlichen und tierischen Verbrauch, aber auch Pigmente wie Carotin (Provitamin A) können auf diese Weise aus Cytosol nur mit geringer Effizienz gewonnen werden.

Der sich ergebende relativ trockene Presskuchen wird im Allgemeinen als weniger nahrungsmittelreich angesehen: er enthält relativ intakte Faserbündel, die aus (nicht direkt) verdaubaren Cellulosefasern bestehen, anhaftenden Presssaft und restliche Pflanzenzellen, die dem Einfluss des Pressens nicht zugänglich waren. Insbesondere diese restlichen Pflanzenzellen mit nicht gewonnenem Cytosol verleihen dem Presskuchen noch Futterwerte, der im Allgemeinen getrocknet und zerkleinert oder anderweitig als Komponente mit relativ geringer Qualität (Raufutter) in Futtermitteln verwendet wird, insbesondere für Wiederkäuer.

Um z. B. Gräser mechanisch aufzuschließen, wird herkömmlicherweise ein Verfahren verwendet, das auf der Zerkleinerung von pflanzlichem Rohmaterial durch Hammermühlen und dem anschließenden Ausquetschen des zerkleinerten Rohmaterials (hierin als Pulpe bezeichnet) unter Verwendung von Schneckenpressen oder Riemenpressen basiert. Die Pulpe wird dabei in eine Presskuchen-Fraktion und eine Presssaft-Fraktion aufgetrennt. Die Saftfraktion wird als die Fraktion angesehen, in der die industriell aus dem Pflanzenmaterial gewinnbaren Inhaltsstoffen enthalten sind. Hammermühlen bestehen typischerweise aus einem Rotor, auf dem frei bewegliche Elemente angeordnet sind, die beim Drehen des Rotors mit dem pflanzlichen Rohmaterial in Kontakt gebracht werden und es durch Schlagkraft zerkleinern. Der zerkleinernde Effekt der Hammermühlen ist relativ groß, wenn das pflanzliche Material einen guten Turgor hat, d.h. wenn die Pflanzenzellen unter Druck stehen. In diesem Fall bewirkt die Schlagkraft ein Zerbrechen des Gewebes und bewirkt ein Freisetzen der Inhaltsstoffe der Zelle mit der Gewebeflüssigkeit. Wenn der Turgor niedrig ist, bewirkt ein Schlagen des Pflanzenmaterials, dass dasselbe komprimiert wird. Das, Gewebe bleibt dann mehr oder weniger intakt, und das Ergebnis besteht darin, dass der Zellinhalt in einem sehr viel geringeren Ausmaß verfügbar wird. Dies hat große Konsequenzen für das Gewinnungsvermögen von insbesondere solchen Zellinhaltsstoffen, die in der pflanzlichen Biomasse nur teilweise in gelöster Form und zu einem anderen Teil in Form von festem, nicht gelöstem Material vorliegen. Dies gilt u. a. für pflanzliche Proteine, aber auch für Lipide und Pigmente, und es ist klar, dass dies für rekombinante Produkte nicht anders sein wird. Ebenfalls bekannt sind (z. B. aus US 5,464,160) auch Hammermühlen, in denen relativ trockenes Material in zwei Fraktionen aufgetrennt wird, wobei der so wertvolle Pflanzensaftstrom mit proteinreichem Cytosol vernachlässigt wird.

In dem oben beschriebenen Verfahren des Auspressens von pflanzlichem Material ist es allgemein von Bedeutung, dass das Material verarbeitet wird, wenn es noch so frisch wie möglich, kurz nach der Ernte, ist. Nur dann stehen die Pflanzenzellen in ausreichendem Maße unter Druck, um zum Aufplatzen oder Zerbrechen unter Druck befähigt zu sein, so dass Cytosol freigesetzt wird. Wenn nach der Ernte bereit einige Zeit vergangen ist, bevor die Pflanzenteile gepresst werden, dann sind sie bereits in gewissem Maße ausgetrocknet, die vorliegenden Pflanzenzellen haben einen Teil des notwendigen Turgors verloren und sie sind zu schlaff, um unter Druck aufbrechen oder aufplatzen zu können. Demgemäß erfolgt in einem nicht frischen Material die Gewinnung von Presssaft mit noch geringerer Wirksamkeit. Das gleiche gilt für ein Material, das aus Pflanzen stammt, die selbst bevor sie geerntet werden, bereits einen Teil des Turgors in ihren Pflanzenzellen durch Austrocknen und/oder Reifung verloren haben. Im Allgemeinen sind solche Pflanzen nicht mehr (vollständig) grün, sondern erwerben ein braunes oder gelbes Aussehen. Lignifizierte Pflanzenteile sind für die obigen Verfahren gänzlich ungeeignet, da die meisten Zellen in ihnen abgestorben sind oder sie auf jeden Fall nur eine sehr geringe Cytosol-Fraktion enthalten und somit nichts zur Gewinnung eines hochqualitativen Nahrungsmittels beitragen.

Im Allgemeinen wird pflanzliches Material in eine (Press)kuchen-Fraktion (Pulpe) und eine (Press)saft-Fraktion (Serum) aufgetrennt. Charakteristisch für dieses Verfahren ist die nur teilweise Extraktion (zusammen mit dem Presssaft) der Zell-Inhaltsstoffe (Vakuolengehalt und Cytoplasma mit Zellorganellen, die darin vorliegen, wie Chloroplaste und Zellkerne); die Zellwände werden in dem Presskuchen zusammen mit dem Rest des Zellinhalts im Wesentlichen vollständig zurückgelassen. In dem Presskuchen sind alle Gewebe enthalten, die auch in dem Rohmaterial enthalten sind, und zusätzlich dazu auch ein Teil des Zellinhalts. Die Farbe des frischen Presskuchens ist überwiegend grün oder gelb, da die Chloroplaste, in denen das Chlorophyll (Blattgrün) vorliegt, nur teilweise mit dem Presssaft entfernt wurden. Das Pflanzenmaterial wurde nur teilweise bis auf Gewebeniveau zermahlen, dies bedeutet, dass noch erkennbare Fragmente von Blättern und Stängeln, zusätzlich zu einzelnen Geweben wie isolierten Gefäßbündeln, vorliegen.

Der Presssaft besteht im Wesentlichen aus dem wässrigen Inhalt der Zellen: dem Vakuolengehalt und dem Cytoplasma, in dem Zellorganellen wie Chloroplaste in intakter oder zersetzter Form vorliegen; Zellwand-Bestandteile fehlen im Wesentlichen, da sie in dem Presskuchen zurückbleiben.

Demgemäß ist die Gewinnbarkeit von Protein und anderen teilweise löslichen Substanzen in dem herkömmlichen Verfahren der Fraktionierung gegenüber Variationen der Art der pflanzlichen Biomasse stark anfällig, insbesondere dem Vorliegen von Turgor, was sich typischerweise in Unterschieden des Gehalts an Trockenmasse äußert.

Das herkömmliche Verfahren der Fraktionierung hat zur Folge, dass nach dem Ausquetschen der Pulpe nur ein Teil der Zell-Inhaltsstoffe in dem Saftstrom endet und ein anderer Teil in dem Presskuchen zurückbleibt. Demgemäß enthält der Presskuchen zusätzlich zu dem größeren Teil der Zellwände noch einen Teil der Zell-Inhaltsstoffe und wird deswegen als Tierfutter verwendet.

Die bestehenden Auspressverfahren zum Abtrennen von Komponenten hoher Qualität von Komponenten niedriger Qualität aus pflanzlichem Material hängen somit relativ stark von dem Turgor der Zellen ab, der in dem pflanzlichen Material vorliegt, was die Anwendung dieser Verfahren auf die Verwendung von relativ frischem und grünem Material einschränkt. Die bestehenden Verfahren sind daher zum effizienten Gewinnen von Komponenten hoher Qualität aus genetisch modifizierten Pflanzen nicht sehr geeignet. Häufig enthält der sich ergebende Presskuchen – auch wenn frisches und/oder grünes Material verwendet wird – noch große Mengen an nicht aufgeschlossenen Pflanzenzellen mit hochqualitativem Cytosol in denselben, während nur ein niedriger Preis für den Presskuchen erhalten werden kann, da er tatsächlich nur als Komponente von Tierfutter relativ niedriger Qualität geeignet ist. Die bestehenden klassischen Verfahren könnten also im Prinzip auf genetisch modifizierte Pflanzen angewendet werden, die spezifisch modifiziert wurden, so dass exakt ihre Teile wie Samen, Knollen, Wurzeln oder Früchte z. B. an den erwünschten rekombinanten Proteinen, Peptiden, Aminosäuren, Ölen und Kohlenhydraten reich sind. Herkömmliche Auspressverfahren wie sie z. B. für Gräser bekannt sind, sind jedoch zu einer vollständigen Abtrennung von Saft- und Faser-Fraktionen unfähig. Ein Diffusionsverfahren, wie es in Bezug auf die Verarbeitung von Zuckerrüben beschrieben wurde, hat auch große Nachteile. Es erfordert so viel Wasser und Energie, dass die Gewinnung des erwünschten Rohmaterials – falls sie überhaupt möglich ist – sehr kostspielig werden würde.

Insbesondere jetzt, wo genetisch modifizierte Zuckerrüben und andere knollenförmige und/oder Wurzelpflanzen in zunehmendem Maße oft als Feldfrucht gezüchtet werden, besteht ein Bedarf an besseren Gewinnungsverfahren, die dann ebenso bei nicht modifizierten Feldfrüchten verwendet werden können. Auch eine spezielle Lokalisierung der zu gewinnenden Komponente erfordert mehr als die Modifizierung nur eines Gens. In den meisten Fällen ist es dann notwendig, die Pflanze zu modifizieren, so dass neben der Herstellung des erwünschten Produkts die Pflanze auch die modifizierten Systeme aufweist, um die erwünschten Produkte in solchen speziellen Teilen zu lagern. Die molekular-biologische Kenntnis der Systeme, die in die Lagerung verwickelt sind, ist an diesem Punkt im Allgemeinen ebenso ungenügend, um die Lagerung des Produkts zu manipulieren, damit das erwünschte Ergebnis erreicht wird. Eine gewebespezifische Expression von rekombinanten Genen liegt noch im Anfangsstadium vor. Im Allgemeinen kann erwartet werden, dass das erwünschte Produkt auch und hauptsächlich in den Blatt- und/oder Stängelteilen der modifizierten Pflanze gefunden wird.

Zur Gewinnung von Komponenten hoher Qualität aus genetisch modifizierten und nicht modifizierten Pflanzen, wie z. B. aus Blatt- und/oder Stängelteilen, Wurzeln oder Knollen, besteht ein Bedarf an besseren Verfahren, die die Pflanzenzelle mit größerer Wirksamkeit aufschließen können, als dies bei den bestehenden Verfahren der Fall ist, die die Cytosol-Fraktion für eine Gewinnung besser verfügbar machen und die bessere Vermarktungsmöglichkeiten für das faserhaltige, restliche Material gewähren. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diesen Bedarf zu sättigen.

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Abtrennen von Komponenten aus pflanzlichem Material bereit, dadurch gekennzeichnet, dass das Material wenigstens teilweise zu Fasern aufgeschlossen wird und anschließend in eine Faserfraktion und in einen Pflanzensaftstrom aufgetrennt wird, so dass die Faserfraktion im Wesentlichen relativ feste Gewebe wie Epidermis, Sklerenchym und Gefäßbündel umfasst, und der Pflanzensaftstrom im Wesentlichen weiche Gewebe wie Parenchym und Cytosol umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Abtrennen eines Saftstroms bereit, der insbesondere Chloroplasten umfasst, jedoch auch dass Parenchym, das insbesondere andere Plastide wie Amyloplaste, Elaioplaste und Chromoplaste umfasst, sich leicht von der Faserfraktion abtrennen lässt. Die Erfindung stellt ein neues Verfahren der Fraktionierung bereit, das aus wenigstens zwei Schritten besteht: einem ersten Schritt, in dem das pflanzliche Material durch die Wirkung von Scherkräften zerfasert wird, und einem zweiten Schritt, in dem die Faserfraktion vom Rest abgetrennt wird.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist auf alle pflanzlichen Materialien, die Fasern enthalten, anwendbar, die sowohl aus kultivierten Pflanzen (Feldfruchtpflanzen) als auch wilden Pflanzen sowie Überkreuzungsprodukten stammen.

Ein Verfahren gemäß der Erfindung ist auf pflanzliches Material anwendbar, das genetisch modifiziert sein kann oder genetisch nicht modifiziert sein kann, hauptsächlich umfassend Blatt- und/oder Stängelteile, wie pflanzliche Biomasse, die aus kultiviertem Grasland, Feldfrüchten für Nahrungsmittel wie Viehfuttergräser und Mais, Luzerne, Klee und andere Schmetterlingsblüter-Pflanzen, Faserfeldfrüchten wie Flachs und Hanf, und den Oberseiten von Feldfrüchten, die normalerweise nur wegen ihrer Samen, Früchte oder Knollen wachsen gelassen werden, wie Getreide, Rüben, Erbsen, Bohnen, Kartoffeln, Karotten, Cassava und Süßkartoffel stammt. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist auch auf die Verarbeitung konventioneller Samen, Früchte oder Knollen anwendbar, wie Getreide, Zuckerrübe, Jerusalem-Artichocke, Rüben, Erbsen, Bohnen, Kartoffeln, Karotten, Cassava und Süßkartoffel, und auf genetisch modifizierte Pflanzen, die speziell modifiziert wurden, so dass exakt ihre Teile, wie Samen, Knollen, Wurzeln oder Früchte, z. B. reich an den erwünschten rekombinanten Proteinen, Peptiden, Aminosäuren, Ölen und Kohlenhydraten sind.

Die Fraktionierung von pflanzlicher Biomasse bedeutet die Auftrennung in eine Anzahl von Fraktionen. Bei der Fraktionierung von Biomasse werden neue Produktströme mit anderen Anwendungsmöglichkeiten als dem Rohmaterial an sich gebildet. Demgemäß stellen diese neuen Produktströme zusammen oft einen größeren Wert dar als die ursprüngliche Biomasse. Die Erfindung stellt eine neue Technik bereit, die auf der Zerfaserung und der anschließenden Defibrierung von pflanzlicher Biomasse basiert.

In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Abtrennen von Komponenten aus pflanzlichem Material bereit, dadurch gekennzeichnet, dass das Material wenigstens teilweise mechanisch zu Fasern aufgeschlossen wird und anschließend in eine Faserfraktion und in einen Saftstrom aufgetrennt wird, wobei die Faserfraktion (siehe z. B. die 1 und 2, auch zum Vergleich mit einem herkömmlichen Verfahren) im Wesentlichen relativ feste Gewebe wie Epidermis, Sklerenchym und Gefäßbündel umfasst, und der Saftstrom (siehe z. B. die 6 und 7, auch zum Vergleich mit einem herkömmlichen Verfahren) im Wesentlichen weiche Gewebe wie Parenchym und Cytosol enthält. Die mechanische Zerfaserung wird z. B. durch die Behandlung des Materials in einem Mischer bewirkt. Vorzugsweise – sicherlich wenn die Anwendung im industriellen Maßstab erwünscht ist – erfolgt die Zerfaserung gemäß der Erfindung mit einer Apparatur wie einem (Druck)refiner mit Mahlscheiben, wie sie in der Zellstoff- und Papierindustrie verwendet werden, oder in einer Apparatur von äquivalenter Wirkung, durch die das pflanzliche Material zu Fasern aufgeschlossen werden kann, um eine Auftrennung in einer Faser-Fraktion, die hauptsächlich relativ feste Gewebe wie Epidermis, Sklerenchym und Gefäßbündel umfasst, und den Saftstrom zu ermöglichen, der hauptsächlich weiche Gewebe wie Parenchym und Cytosol umfasst. Bei der Zerfaserung wird das Gefäßgewebe mit dem Sklerenchym und der Epidermis (zusammen die Faserfraktion) von dem anderen Gewebe, im Wesentlichen Parenchym-Gewebe, mechanisch abgespalten. Das Parenchym-Gewebe wird gleichzeitig aufgeschlossen, und die Inhaltsstoffe der Zelle desselben (Cytosol und Parenchym) werden dadurch im Wesentlichen vollkommen verfügbar. Die Zerfaserung kann unter Verwendung von Refinern erfolgen, wie sie in Zellstoff- und Papierindustrie verwendet werden, um Holz und Holzzellstoff zu Fasern aufzuschließen. Die Raffination, in diesem Falle die Zerfaserung, erfolgt typischerweise unter Zugabe von Feuchtigkeit zu dem Pflanzenmaterial. Das Ergebnis ist dann eine Aufschlämmung von einem zu Fasern aufgeschlossenen Material, aus dem die Fasern entfernt werden können. Die Faserfraktion (Faserstrom), die somit gewonnen wird, ist aufgrund ihrer Natur und Zusammensetzung u. a. für die folgenden Anwendungen geeignet: als Rohmaterial für Papier und Pappe (feste Pappe, Faltpappe und Formpappe), als Rohmaterial zur Herstellung von Materialien für Holzfaserplatten (Weichplatte, Hartplatte, Spanplatte, MDF, HDF und MDF/HDF-Formteile) und Verbundstoffe, als Rohmaterial für feuchtigkeitabsorbierende Materialien wie Windeln, Damenbinden usw., als Rohmaterial für die Herstellung von Wachstumsmedien (Topferde-Kompost und -Substrate), Mulchsorten (als Schutz gegen Erosion und als Unkraut- und Krankheitsunterdrücker), als Bodenverbesserer oder als Brennstoff.

Bei der Defibrierung wird die freigelegte Faser z. B. durch Sieben von den anderen Pflanzen-Bestandteilen abgetrennt. Durch Waschen und Sieben kann die Faser weiterhin gereinigt werden, und so viele Nichtfaser-Bestandteile wie möglich können noch aus dem Waschwasser gewonnen werden. Die defibrierte Aufschlämmung besteht dann aus einer Mischung von zugefügtem Wasser, Gewebeflüssigkeit, Zellen-Inhaltsstoffen und fein dispergierten Zellwänden, die aus dem Parenchym-Gewebe stammen. Aus der defibrierten Aufschlämmung oder dem defibrierten Saftstrom können Inhaltsstoffe in mehr oder weniger reiner Form gewonnen werden, wie: (rekombinante) Proteine, Peptide und (hochqualitative) Aminosäuren, Impfstoffe, Antibiotika oder andere Faktoren, die für die Medizin wichtig sind, Enzyme, Pigmente, Lipide, Fettsäuren, Stärken, lösliche Zucker und (Zellwand)-Kohlenhydrate zur Verwendung als Viehfutter, zur menschlichen Ernährung oder als Substrat für Fermentierungen, oder durch Einengen können Futtermittel- oder Nahrungsmittel-Produkte mit hohem Nährstoffgehalt hergestellt werden, und zwar als Ergebnis des Vorliegens von hochqualitativen Proteinen, Peptiden, Aminosäuren oder anderen Komponenten, und/oder als Ergebnis des Entfernens der nicht verdaubaren oder schlecht verdaubaren Faserfraktion.

Die defibrierte Aufschlämmung kann in nachfolgenden Schritten weiterhin fraktioniert, werden. Eine Möglichkeit besteht z. B. in dem Abtrennen aller festen Teile durch Zentrifugieren, dem ein Koagulierungsschritt durch Erwärmen, Ansäuern oder etwas Anderweitiges vorausgehen kann oder nicht vorausgehen kann. Eine andere Möglichkeit besteht in der Umwandlung der parenchymatischen Zellwände in lösliche Zucker unter Verwendung von Zellwand-aufspaltenden Enzymen (Pectinasen, Cellulasen usw.), und somit in der Zugabe derselben zur Fraktion von gelöster Substanz in der defibrierten Aufschlämmung.

Charakteristisch für das Verfahren, wie es durch die Erfindung beabsichtigt wird, ist das Auftrennen auf Gewebeniveau in eine Faserfraktion, die die relativ festen Gewebe (Gefäßbündel, Sklerenchym und Epidermis) enthält, und eine defibrierte Fraktion, die die relativ weichen Gewebe (Parenchym) mit ihren Inhaltsstoffen enthält. Kurz zusammengefasst ist der Unterschied zwischen dem herkömmlichen und dem neuen Verfahren die Extraktion von Gewebeflüssigkeit (traditionell) gegenüber Gewebefraktionierung (neues Verfahren). Das neue Verfahren ergibt die Gewinnung von Komponenten aus Pflanzen mit hoher Wirksamkeit, während in einem herkömmlichen Verfahren große Mengen an hochqualititativer Komponente z. B. in dem ausgepressten Material zurückbleiben, oder damit eine sehr hohe Energieanforderung verbunden ist.

Auswählbar für eine Verarbeitung gemäß einem durch die Erfindung bereitgestellten Verfahren sind insbesondere auch genetisch modifizierte Feldfrucht-Pflanzen, wobei die Pflanze so abgeändert wird, dass sie vorzugsweise eine oder mehrere Komponenten in z. B. dem Cytosol oder in der Zellorganelle exprimiert. Auch in genetisch modifizierten Pflanzen (und insbesondere in solchen, bei denen die Ansammlung einer (rekombinanten) Komponente hoher Qualität, wie sie durch genetische Manipulation erhalten wird, über verschiedene Teile einer Pflanze verteilt ist) ist der richtige Zugang zur Pflanzenzelle und deren Inhalt von großer Bedeutung, so dass ein Produkt, dass durch moderne biotechnologische Manipulation einer solchen Kultivierungsfeldfrucht erhalten wird, mit der größten Effizienz gewonnen werden kann, die möglich ist. Die Anwendung eines Verfahrens gemäß der Erfindung ermöglicht es z. B., auch genetisch modifizierte Pflanzen mit der größten Wirksamkeit zu verwenden, wenn die Komponente, deren Menge durch die genetische Modifizierung erhöht wurde oder die ne novo vorliegt, wie ein Impfstoff, ein Antibiotikum oder ein anderer Faktor, der in der (Veterinär)Medizin wichtig ist, oder (rekombinante) hochqualitative Proteine, Peptide oder Aminosäuren, anteilmäßig in dem Parenchym aller Blatt-, Stängel- und/oder Wurzel- oder Knollenteile vorliegt, und zwar aufgrund der tatsächlich vollständigen Gewinnung der Plastide, wie Chloroplaste, Amyloplaste, Elaioplaste und Chromoplaste, die in dem Parenchym vorliegen, die durch die Verwendung eines Verfahrens gemäß der Erfindung leicht von der Faserfraktion abtrennbar sind.

Die Erfindung ermöglicht auch die Abtrennung von Komponenten von Wurzel- und/oder Knollenteilen von Feldfrüchten, die genetisch modifiziert sein können oder nicht genetisch modifiziert sein können, wie die Zuckerrübe. In einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung werden gewaschene Zuckerrüben in vorher zerkleinerter oder vorher geschnittener Form in einen Refiner dosiert. Während des Verfahrensschritts wird das knollenförmige Gewebe zu einer Pulpe zerfasert. Nach dem Zerfaserungsschritt wird die Faserfraktion von dem Saftstrom abgetrennt, z. B. durch Sieben, Filtrieren oder Zentrifugieren, und die feste Fraktion wird gegebenenfalls mit Wasser gewaschen, um die Komponenten zu gewinnen, die noch darin gelöst sein können. Die flüssige Fraktion oder der Saftstrom kann nach dem Zentrifugieren weiterhin verarbeitet werden, um die Zucker auf eine Weise zu gewinnen, die in der Zuckerindustrie konventionell ist (Carbonisieren, Einengen, Kristallisieren, Zentrifugieren usw.). Unter Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist der herkömmliche Diffusionsschritt nicht mehr notwendig. Es werden nicht 1100 l Wasser gewonnen, sondern ein bereits hochkonzentrierter Saftstrom ist das Ergebnis. Neben dem direkten Einsparen von Kosten als Ergebnis des Eliminierens des Diffusionsschrittes ist die Konzentration des Zuckers in dem Serum oder Saftstrom höher als diejenige in dem Strom des Diffusionsschrittes. Darüber hinaus bedeutet die Eliminierung des Diffusionsschrittes eine Einsparung der insgesamt erforderlichen Wassermenge, mit der eine Einsparung von Verdampfungs- und Trocknungskosten verbunden ist. Durch Befolgen eines Verfahrens gemäß der Erfindung wird der Zuckerverlust (normalerweise etwa 2%) dahingehend stark reduziert, dass die gesamte Zuckermenge, die in der Rübe vorliegt, in dem Serum verbleibt. Auch aufgrund der Zerfaserung wird die Faserfraktion der Zuckerrübe besser verdaubar als die herkömmliche Pulpe, wenn sie als Bestandteil von Futtermitteln verwendet wird. Auch für genetisch modifizierte Rüben wie z. B. Rüben mit einem erhöhten Fructose-Oligosaccharid-Gehalt oder einer erhöhten Aminosäure-Synthese erfolgt die Verarbeitung vorzugsweise auf die Weise, wie sie durch die Erfindung bereitgestellt wird.

Die Erfindung stellt auch eine Apparatur zur praktischen Durchführung eines Verfahrens gemäß der Erfindung bereit. Eine solche Apparatur ist durch Einrichtungen gekennzeichnet, die für die Zerfaserung gemäß der Erfindung geeignet sind, wobei das relativ feste Gefäßgewebe mit z. B. dem Sclerenchym und der Epidermis (zusammen die Faserfraktion) von dem anderen im Wesentlichen parenchymatischen Gewebe mechanisch abgespalten wird. Das parenchymatische Gewebe wird gleichzeitig zugänglich, und die Zell-Inhaltsstoffe desselben (Cytosol und Parenchym) werden dadurch im Wesentlichen vollständig verfügbar. "Zerfaserung" soll hierin bedeuten, dass das Pflanzenmaterial solchen Kräften ausgesetzt wird, dass die relativ festen Gewebe tatsächlich vollständig von den relativ weichen Geweben abgespalten werden. Als Ergebnis der Kräfte, die diese Zerfaserung bewirken, wird die große Mehrheit – wenn nicht tatsächlich alle – der Pflanzenzellen zugänglich, so dass das Cytosol freigesetzt wird. Dieses Cytosol, das als Saftstrom im Allgemeinen auch Rückstände der Organellen und der die Zelle umgebenden Lipidmembran und parenchymatische Zellwände einschließt, kann relativ einfach durch Sieben oder durch andere Trennmittel, die dem Fachmann bekannt sind, von der Faser-Komponente abgetrennt werden.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Wirksamkeit des Verfahrens nicht von dem Turgor der Pflanzenzellen abhängt, die in dem Material vorliegen, so dass die Pflanzenzellen mit größerer Effizienz aufgeschlossen werden können, als dies bei den oben beschriebenen Auspressverfahren herkömmlicherweise der Fall ist.

Ein zweiter Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Erfindung zwei Produktströme bereitstellt, die als solche sehr rein sind. Ein erster – die Faserfraktion – enthält hauptsächlich Cellulose und Hemicellulose, die prinzipiell aus den Elementen C, H und O bestehen (was von sich aus Vorteile für eine saubere Verbrennung ergibt), und ein zweiter enthält alle wertvollen und komplexen Inhaltsstoffe und z. B. die rekombinante Komponente (die rekombinanten Komponenten), die in dem Parenchym und Cytosol gefunden werden sollen, und die weiterhin relativ einfach abgetrennt werden können.

Die zwei Produktströme können z. B. durch Sieben voneinander getrennt werden. Andere Trennverfahren sind auch denkbar, z. B. Zentrifugieren, Verarbeitung durch (Hydro)zyklon und Zentrisieben und Dekantieren oder Sedimentieren oder Kombinationen dieser Verfahren. Bei der Defibrierung wird die freigesetzte Faser von den anderen Pflanzenbestandteilen z. B. durch Sieben abgetrennt. Durch Waschen und Sieben kann die Faser weiterhin gereinigt werden, und so viele Nichtfaser-Bestandteile wie möglich noch aus dem Waschwasser gewonnen werden. Die defibrierte Aufschlämmung besteht dann aus einer Mischung von zugefügtem Wasser, Gewebeflüssigkeit, Zell-Inhaltsstoffen und fein dispergierten Zellwänden, die aus dem parenchymatischen Gewebe stammen.

Ein erster Produktstrom, wie er durch die Erfindung beabsichtigt wird, ist ein (im Allgemeinen hochqualitativer) Saftstrom, der aus einer wässrigen Lösung/Suspension von tatsächlich allen hochqualitativen (rekombinanten) Komponenten oder Nährstoffen aus dem pflanzlichen Material (wie Zucker, Proteine, Lipide, Pigmente und dergleichen) besteht. Durch das Entfernen der Zellwandfaser-Komponenten (nährstoffmäßig von geringer Qualität) wird (auf Trockenmassenbasis) dieser relativ hochqualitative Produktstrom gebildet, aus dem die verschiedenen Komponenten weiterhin auf relativ einfache Weise isoliert werden können. Das defibrierte Produkt oder der Saftstrom besteht im Wesentlichen aus Parenchym, teilweise als intakte Zellen, teilweise als zerkleinertes Zellenmaterial. Die Farbe des defibrierten Produkts ist typischerweise grün, und zwar aufgrund des Vorliegens intakter oder zerbrochener Chloroplaste, manchmal braun-grün durch die Braunfärbung während der Fraktionierung. Makroskopisch ist es eine Flüssigkeit. Mikroskopisch sind prinzipiell intakte und aufgespaltene Parenchym-Zellen und Zellorganellen wie Chloroplaste in dieser Flüssigkeit sichtbar.

Der Saftstrom solcher genetisch modifizierten Pflanzenmaterialien gemäß der Erfindung wird weiterhin behandelt, z. B. durch Sieben, wonach z. B. das (rekombinante) Protein, Peptide, Aminosäuren und andere (rekombinante) Komponenten in dem Saft z. B. durch Koagulieren mittels z. B. Säure- und/oder Hitzebehandlung gewonnen werden. Der Saftstrom kann auch weiterhin durch (Ultra- oder Membran)filtration, Trocknung, Fermentation oder andere Verfahren behandelt werden, die dem Fachmann bekannt sind. Proteinreiche oder anderweitig hochqualitative Nährstoffe für den menschlichen und tierischen Verbrauch, aber auch Pigmente wie Carotin (Provitamin A) und spezielle rekombinante Produkte, können auf diese Weise aus Cytosol gewonnen werden, auch aus den Blatt- und/oder Stängelteilen.

Der zweite Produktstrom – die Faserfraktion, wie sie durch die Erfindung bereitgestellt wird – besteht aus relativ harten Geweben. Diese sind typischerweise die Gefäßbündel, das Sclerenchym und die Epidermis. Der Zellinhalt fehlt bei diesen Geweben oder wurde während der Fraktionierung und während des Waschens tatsächlich vollständig entfernt. Demgemäß besteht die Faser hauptsächlich aus Zellwand-Komponenten. Chloroplaste fehlen praktisch in einem reinen Faserpräparat. Die Farbe der gewaschenen Faser variiert typischerweise von weiß nach gelb oder hellbraun. Zuweilen kann sich eine hellgrüne Farbe als Ergebnis des Durchtränkens mit Chlorophyll während der Gewinnung ergeben. Makroskopisch hat die Faserfraktion hauptsächlich wegen des filamentartigen Charakters der Gefäßbündel eine Faserstruktur. Mikroskopisch sind zusätzlich zu den filamentartigen Strukturen von Gefäßbündeln und Sclerenchym typischerweise auch Stücke von Epidermisgewebe erkennbar, die aus Lagen einer Zellschichtdicke bestehen. Die Gefäßbündel sind aus verschiedenen Zellen aufgebaut, die Holzgefäße und Siebröhren einschließen. In Abhängigkeit von dem Ausmaß der Zerfaserung treten auch Fasern auf, die nur aus einer Zelle bestehen, und weiterhin die Rückstände von Zellwänden und (spiralförmige, netzartige oder ringförmige) Zellwandverdickungen. Typisch für die Epidermis-Schichten ist das Vorliegen von Spaltöffnungen und kieselsäurehaltigen Zähnen oder Haaren.

Der Faserstrom, wie er durch die Erfindung angesehen wird, besteht im Wesentlichen ausschließlich aus einem nassen, festen Faserstrom (hauptsächlich Cellulose und Hemicellulose), der grundsätzlich keinen Nährwert hat, da diese Fraktion nicht direkt und mikrobiologisch nur in geringem Maße verdaubar ist. Das Fehlen von Verdaubarkeit ermöglicht es jedoch, den Faserstrom für Nicht-Nahrungsmittel-Anwendungen zu verwenden, und zwar im Gegensatz z. B. zu dem Presskuchen, der aus den oben beschriebenen herkömmlichen Auspressverfahren stammt, bei dem der Presskuchen tatsächlich nur für Futter-Anwendungen geeignet ist und bald verrotten würde, wenn er nicht zu einem Futtermittel verarbeitet und verbraucht werden würde.

Z. B. stellt die Erfindung die Verwendung einer Faserfraktion für die Herstellung von Energie bereit. Die Faserfraktion enthält prinzipiell die Kohlenhydrate Cellulose und Hemicellulose (die hauptsächlich aus den Elementen C, H und O bestehen) und die ein ausgezeichneter Brennstoff sind und somit mit hoher Wirksamkeit in brauchbare Energie umgewandelt werden können, z. B. in einer kombinierten Wärme- und Energiestation, und bei denen erwartet werden kann, dass sie keine oder eine geringe Emission schädlicher Substanzen beim Verbrennen zur Folge haben. Die Verarbeitung von Pflanzenmaterial gemäß einem Verfahren, wie es durch die Erfindung beabsichtigt ist, mit der anschließenden Verwendung der sich ergebenden Faserfraktion als Brennstoff trägt zur Reduktion der CO₂-Emission bei, da das hierin eingesetzte Material ein nicht-fossiler Brennstoff ist. Auch als solche ist die Verbrennung der Faserfraktion für die Umgebung sauberer, da die Faserfraktion kaum – falls überhaupt – durch Salz-Rückstände (z. B. K-, Na-, Cl-, P-Verbindungen) und Protein-Rückstände (in die S- und N-Verbindungen eingebaut sind) verunreinigt ist, welche normalerweise in trockenen Pflanzen vorliegen. Diese Salz-Rückstände und Protein-Rückstände, die aus dem Cytosol stammen, wurden zusammen mit dem Saftstrom von der Faserfraktion abgetrennt. Die Verbrennung der Faserfraktion (in der hauptsächlich C-, H- und O-Verbindungen vorliegen, die durch die Verbrennung in H₂O und CO₂ überführt werden) hat somit eine sehr viel geringere Auswirkung auf die Umwelt als die Verbrennung von anderem Pflanzenmaterial, in dem alle diese Salz-Rückstände und Protein-Rückstände noch vorliegen. Die Protein-Verbrennung trägt insbesondere zur Emission von Schwefel- und Stickstoff-Verbindungen wie Schwefel- und Stickoxiden bei, und nicht verbrennbare Salz-Rückstände tragen zum restlichen Aschevolumen bei. Nach der Verbrennung einer Faserfraktion gemäß der Erfindung ist die Emission von z. B. Schwefel- und Stickoxiden und das restliche Aschevolumen, in dem die Salz-Rückstände vorliegen, sehr viel geringer.

Da das Fasermaterial organischen Ursprungs ist, ist es z. B. auch als Torfersatz in z. B. Topferde oder in Gartenbau-Substraten anwendbar.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Pflanzenmaterial in einem derartigen Maße zerfasert, dass z. B. das Fasermaterial hauptsächlich aus elementaren Fasern besteht, so dass die so gewonnene Faser-Komponente oder der Faserstrom z. B. für eine weitere Verarbeitung zu Pappe und/oder Papier geeignet ist oder als (natürliche) Faser in Verbundmaterialien, zusammen mit und in Verstärkung von (künstlichen) Harzen, verwendet werden kann.

Beispiele von pflanzlichem Material, das mit einem Verfahren gemäß der Erfindung behandelt werden kann, sind genetisch modifizierte (Futtermittel)feldfrüchte, wie Gräser (Getreide wie Weizen, Roggen und einschließlich Mais), Luzerne, aber auch Ernterückstande von Feldfrüchten, deren Blatt- und/oder Stängelteile normalerweise nicht verarbeitet werden, wie die Oberteile von Kartoffel oder Zucker(rübe), die im Allgemeinen nach der Ernte auf dem Feld zurückgelassen werden. Die hohe Wirksamkeit eines Verfahrens gemäß der Erfindung macht die Verarbeitung solcher pflanzlicher Materialien profitabel.

Die Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zum Abtrennen von Komponenten aus pflanzlichem Material bereit, das eine relativ lange Zeitspanne vorher geerntet wurde und bereits wenigstens teilweise ausgetrocknet ist, oder das nicht länger als frisch und grün qualifiziert werden kann, sondern eine mehr holzartige und/oder trockene Eigenschaft, z. B. durch Reifung, angenommen hat. Ein solches Material ist nicht für die Verarbeitung in einem Auspressverfahren geeignet, ist aber jetzt hervorragend verarbeitbar, da der Turgorgehalt der Pflanzenzelle, die aufgeschlossen werden soll, nicht wichtig ist, wenn ein Verfahren gemäß der Erfindung verwendet wird.

Die Erfindung stellt einen Refiner oder eine Apparatur mit vergleichbarer Wirkung bereit und die Verwendung einer solchen Apparatur z. B. zum Abtrennen von Komponenten von pflanzlichem Material, das (noch) keine Lignifizierung aufweist oder nur einen geringen Lignifizierungsgrad aufweist, und in dem das Parenchym vorliegt. Dieses Parenchym mit dem darin vorliegenden Cytosol ist die Basis des Saftstroms, wie er durch die Erfindung beabsichtigt ist. Ein Refiner wird üblicherweise verwendet, um Holzschnitzel zu Fasern aufzubrechen, um Pulpe zur Produktion von Papier und/oder Pappe herzustellen. Die Erfindung stellt die Verarbeitung einer genetisch modifizierten Feldfrucht durch einen Refiner bereit. Refiner werden im Allgemeinen nicht für frisches und/oder grünes Material verwendet, da Holz prinzipiell aus totem oder lignifiziertem Gewebe besteht, aus dem der größte Teil des Parenchyms mit den Chloroplasten verschwunden ist. Unterschiedliche Typen von Refinern sind dem Fachmann bekannt. Es gibt z. B. Refiner mit konischen Scheiben oder flachen Scheiben. Die Erfindung stellt die Verwendung beider Typen und/oder gleichwertiger Apparaturen, z. B. Komposit-Mahlscheiben vom konvexen/konkaven Typ, in einem durch die Erfindung bereitgestellten Verfahren bereit.

Die Erfindung wird nun weiterhin in dem experimentellen Teil der Beschreibung erklärt, ohne dass sie darauf beschränkt ist.

Die Erfindung wurde durch Versuche mit der herkömmlichen Technik verglichen. Dies erfolgte unter Verwendung eines Laborprotokolls und industrieller Gerätschaften. Basierend darauf, dass die Natur der Faserfraktion bewertet werden kann und das Gewinnungsvermögen von Inhaltsstoffen in den beiden Verfahren verglichen werden kann. Die nachstehend aufgeführten Ergebnisse erläutern den Unterschied in dem Gewinnungsvermögen von Protein und anderen Inhaltsstoffen.

In den Versuchen im Labormaßstab wurde das herkömmliche Verfahren des Mahlens und Pressens durch Aufschwemmen von Material in einem Tecator-Homogenisator und Ausquetschen der Pulpe unter Verwendung einer angepassten Zugdruckbank (draw pressure bench) von Lloyd Instruments simuliert. Sie wurde mit einer Schale versehen, die eine perforierte Bodenplatte (Oberfläche 50 cm²) hat, in die 15 Minuten lang 100 g frische Pulpe bei einem Druck bis zu 10 bar eingepresst wurden. Das ursprüngliche Material und der Presssaft wurden auf den Stickstoffgehalt analysiert, und das Gewinnungsvermögen von Protein wurde als die Menge an rohem Protein (Menge an Stickstoff, multipliziert mit 6,25) in dem Saft berechnet, ausgedrückt als Prozentgehalt der Menge an rohem Protein in dem ursprünglichen Material.

In einem größeren Maßstab wurde eine Hammermühle des Typs Jenz A30 verwendet, um Gras zu zerkleinern, und die so erhaltene Gras-Pulpe wurde in einer Vetter-Schneckenpresse mit einem Kompressionsverhältnis von 1 : 7,65 und einer Perforierung der Zylinderwand von 0,7 mm ausgequetscht. Indem man das Pflanzenmaterial einmal oder mehrere Male durch die Hammermühle führte, konnte das Material in einem größeren oder kleineren Ausmaße aufgespalten werden.

In den Versuchen im Labormaßstab wurde das neue Verfahren simuliert, indem man frisches Gras in einer Schneidevorrichtung fein zerkleinerte, dann 30 g des fein geschnittenen Grases mit 400 ml Wasser vermischte und dasselbe 10 Minuten lang in einem Mischer zu Fasern aufschloss, die Aufschlämmung auf einem 850 &mgr;m-Sieb von dem Mischer absiebte und die abgesiebte Faserfraktion wusch und trocknete. Die Faser wurde auf den Stickstoff-, Asche- und Zellwand-Gehalt untersucht, und so wurde die Zusammensetzung der defibrierten Aufschlämmung berechnet. Die Faserausbeute wurde als die Menge an Trockenmasse in der Faserfraktion bestimmt, ausgedrückt als Prozentgehalt der Menge an Trockenmasse in dem Ausgangsmaterial. Das Gewinnungsvermögen an Protein wurde als die Menge an rohem Protein in der defibrierten Aufschlämmung berechnet, ausgedrückt als Prozentgehalt der Menge an rohem Protein in dem Ausgangsmaterial.

Das neue Verfahren wurde auch mit einem 12 inch Sprout-Waldron-Druckrefiner mit Mahlscheiben des Typs D2A505 getestet. Die Raffination oder Zerfaserung von frischem Gras erfolgte unter atmosphärischen Bedingungen bei einem Scheibenabstand von 0,04 mm unter Zugabe von Wasser bis zu einer Konsistenz von etwa 2% Trockenmasse. Die Faser wurde dann auf einem Sieb mit Öffnungen von 140 um gesiebt.

Das neue Verfahren wurde auch im halbtechnischen Maßstab getestet, wobei man einen Sunds Disk Refiner vom Typ RO 20 FLUFF, Seriennummer 3838, Jahr der Herstellung 1985, verwendete, der mit Mahlscheiben mit einem großen oder kleinen Widerstand gegenüber dem Durchsatz versehen ist. Mit diesem Refiner wurde u. a. die Auswirkung des Scheibentyps und des Scheibenabstandes auf den Durchsatz und die Faser-Zusammensetzung untersucht.

Die Raffination erfolgte unter atmosphärischen Bedingungen mit zerkleinertem Gras mit oder ohne Zugabe von Wasser. Die Zerfaserung von Pflanzenoberteilen der Kartoffel wurde auch getestet.

Das Gras, das sowohl von kultiviertem Grasland als auch natürlichen Böden stammte, wurde in frischer zerkleinerter Form verarbeitet. Proben des zerfaserten Materials wurden per Hand gespült und gesiebt und auf den Stickstoff- und Aschegehalt analysiert. Das Gewinnungsvermögen von rohem Protein wurde auf der Basis eines durchschnittlichen Faseranteils von 33% der Gras-Trockenmasse berechnet.

Die Kartoffel-Oberteile stammten aus Stärkekartoffel-Pflanzen während der vollen Wachstumsphase der Kartoffel-Pflanze. Die Oberteile wurden mechanisch abgezogen und anschließend zu einem gewissen Grad zerkleinert. Die Kartoffel-Oberteile bestanden aus Stängeln und Blättern. Die Kartoffel-Oberteile wurden ohne vorheriges Waschen mit dem Refiner verarbeitet, während sie frisch waren, ohne dass Wasser zugegeben wurde. Das zu Fasern aufgeschlossene Material wurde per Hand ausgequetscht.

Presskuchen von Gras (links) und Grasfaser (rechts), die aus dem perennierenden Roggengras (Lolium perenne) stammen.

In dem Presskuchen ist die grüne Farbe aufgrund des Vorliegens von Chloroplasten deutlich sichtbar. Auch sind Blattfragmente durch ihre Größe (Querschnitt größer als 1 mm) und die charakteristischen Rippen auf der Oberseite des Blattes erkennbar. Die Grasfaser unterscheidet sich durch die helle Farbe (tatsächlich vollständige Abwesenheit von Chloroplasten), die Filamentstruktur und den geringeren Durchmesser der einzelnen Fasern (in diesem Fall sehr viel kleiner als 1 mm). Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Zahlen ist 1 cm.

Suspension von Grasfaser aus perennierendem Roggengras (Lolium perenne).

Sichtbar sind faserartige Strukturen (Gefäßbündel) eines Durchmessers von einigen Mikrometern im Zehnerbereich und Epidermis-Schichten eines kleinsten Durchmessers von bis zu einigen Hunderten von &mgr;m.

Mikroskopische Aufnahme der Epidermis in einer Grasfaser, die aus dem perennierenden Roggengras (Lolium perenne) stammt.

Charakteristisch ist das Vorliegen von Spaltöffnungen in perennierendem Roggengras, die in der Epidermis auf der Oberseite des Blattes konzentriert sind. Das kompaktere Gewebe auf der Seite der Spaltöffnungen ist darunter liegendes Sclerenchym. Die ausgedehnten Epidermiszellen haben einen Querschnitt von etwa 20 &mgr;m.

Mikroskopische Aufnahme von Gefäßbündeln in Grasfaser, die aus dem perennierenden Roggengras (Lolium perenne) stammt.

Charakteristisch für Gefäßbündel ist ihr Aufbau aus mehreren Zellen und das Vorliegen von Gefäßen mit netzartigen Verdickungen. Der Durchmesser der Faser in der Mitte der Figur ist etwa 50 &mgr;m.

Mikroskopische Aufnahme von Parenchymzellen im Saftstrom von defibriertem Gras, das aus dem perennierenden Roggengras (Lolium perenne) stammt. Dieser Saftstrom gehört zu der Faserfraktion der 1 und 2.

Charakteristisch für Parenchymzellen in Grasblättern ist das reichliche Vorliegen von Chloroplasten. Einige Parenchymzellen wurden jedoch während der Fraktionierung zerbrochen: nur die Zellwand ist noch sichtbar, die Chloroplaste treten isoliert in der umgebenden Flüssigkeit auf. Die Größe dieser Parenchymzellen ist etwa 20 * 40 &mgr;m. Die in dieser Figur gezeigte Fraktion wurde vor dem Photographieren verdünnt, um die relativ große Menge an Parenchymzellen in dem Saftstrom gemäß der Erfindung erkennen zu lassen.

Mikroskopische Aufnahme von Parenchymzellen im Presssaft von Gras, das aus dem perennierenden Roggengras (Lolium perenne) stammt. Dieser Presssaft gehört zu dem Presskuchen der 1 und 2. Die in dieser Figur gezeigte Fraktion wurde vor dem Photographieren eingeengt, um die relativ kleine Menge an Parenchymzellen in dem Presssaft erkennen zu lassen.

Verfahrensdiagramm zum Zerfasern oder Raffinieren von Gras.

Verfahrensdiagramm zum Zerfasern oder Raffinieren von Gras.

Verfahrensdiagramm zum Zerfasern oder Raffinieren von Gras.

Die Zerfaserung von pflanzlicher Biomasse ergibt eine Faserfraktion, die in Abhängigkeit von der Art des Materials von weniger als 10% bis mehr als 30% der Trockenmasse variieren kann. Die exakte Zahl ist auch von der Maschenweite des Siebs, mit dem die Faser abgetrennt wird, und der Intensität des Waschens abhängig. Die Faserfraktion im Falle von Lolium perenne besteht typischerweise aus mehr als 80% Zellwandmaterial und hat einen Stickstoffgehalt von größenteils weniger als 6 g bis 8 g pro kg Trockenmasse und einen Aschegehalt von größenteils weniger als 50 g bis 100 g pro kg Trockenmasse.

Die Zusammensetzung der Faserfraktion ist mit derjenigen für die Versuche mit dem Refiner und den Versuchen gemäß dem Laborprotokoll vergleichbar.

Zusätzlich zu den Zell-Inhaltsstoffen (wie Protein) enthält die defibrierte Aufschlämmung auch einen Teil der Zellwände aus dem Pflanzenmaterial. Dies sind im Wesentlichen die Zellwände aus dem weichen Parenchym-Gewebe, die sich nach der Zerfaserung abspalten und anschließend bei der Defibrierung das Sieb als fein dispergiertes Material passieren. Die in der defibrierten Aufschlämmung vorliegende Menge ist teilweise vom Durchmesser der Sieblöcher abhängig.

Die Defibrierung ergibt eine Aufschlämmung, die größtenteils mehr als 70% und vorzugsweise mehr als 80% oder 90% des gesamten rohen Proteins aus dem pflanzlichen Material enthält. Dieses Protein kann daraus durch Zentrifugieren gewonnen werden, dem eine Koagulation in der Wärme vorausgehen kann oder nicht vorausgehen kann.

In dem herkömmlichen Verfahren der Fraktionierung ist das Gewinnungsvermögen von rohem Protein größtenteils geringer als 50%.

Selbst nach einem wiederholten Zermahlen von Gras in einer Hammermühle und dem anschließenden Ausquetschen in einer Schneckenpresse wurde gefunden, dass das Protein-Gewinnungsvermögen weniger als die Hälfte des Gewinnungsvermögens ausmacht, das nach der Zerfaserung von Gras gemessen wird.

Verfahrensdiagramme zur Raffination von unterirdischen Teilen von Feldfrüchten wie Knollen und Wurzeln.

Gewaschene Zuckerrüben werden in vorher zerstoßener oder vorher geschnittener Form in einen Refiner dosiert. Während dieses Verfahrensschritts wird das knollenartige Gewebe zu Pulpe zerfasert. Nach dem Zerfaserungsschritt wird die Faserfraktion von dem Saftstrom abgetrennt, z. B. durch Sieben, Filtration oder Zentrifugation, und die feste Fraktion wird gegebenenfalls mit Wasser gewaschen, um die Komponenten zu gewinnen, die noch darin gelöst sein können. Die flüssige Fraktion oder der Saftstrom kann weiterhin nach dem Zentrifugieren verarbeitet werden, um die Zucker auf eine Weise zu gewinnen, die in der Zuckerindustrie gebräuchlich ist (Carbonisieren, Einengen, Kristallisieren, Zentrifugieren usw.). Unter Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist der konventionelle Diffusionsschritt nicht mehr notwendig. Nicht 1100 l Wasser werden gewonnen, sondern ein bereits hoch konzentrierter Saftstrom ist das Ergebnis. Neben dem direkten Einsparen von Kosten als Ergebnis des Eliminierens des Diffusionsschrittes ist die Konzentration des Zuckers in dem Serum oder Saftstrom höher als diejenige in dem Strom des Diffusionsschrittes. Darüber hinaus bedeutet die Eliminierung des Diffusionsschrittes eine Einsparung der insgesamt erforderlichen Wassermenge, mit der eine Einsparung von Verdampfungs- und Trocknungskosten verbunden ist. Durch Befolgen eines Verfahrens gemäß der Erfindung wird der Zuckerverlust (normalerweise etwa 2%) dahingehend stark reduziert, dass die gesamte Zuckermenge, die in der Rübe vorliegt, in dem Serum verbleibt. Auch aufgrund der Zerfaserung wird die Faserfraktion der Zuckerrübe besser verdaubar als die herkömmliche Pulpe, wenn sie als Bestandteil von Futtermitteln verwendet wird.

Die Ergebnisse der Tests mit dem Sunds Disk Refiner sind in der Tabelle 6 zusammengefasst.

Die Auswahl des Plattentyps und des Scheibenabstandes bestimmen der Grad der Zerfaserung, sie bestimmen aber das Protein-Gewinnungsvermögen nur in einem geringen Maße. Ein großer Durchsatz war in Kombination mit einem hohen Protein-Gewinnungsvermögen (in diesem Fall > 85%) sowohl mit proteinreichem kultivierten Gras als auch mit einem natürlichen Gras mit geringem Proteingehalt möglich.

Pflanzenoberteile von Kartoffeln sind mit dem Refiner gut verarbeitbar. In der Faserfraktion ist der Gehalt an holzartigen Fasern relativ hoch, weil die ursprünglichen Pflanzenoberteile von Kartoffeln nicht nur aus Blattgewebe, sondern auch aus Stängelgewebe bestanden. Der hohe Aschegehalt in den Fasern von Kartoffel-Oberteilen wurde in großem Maße durch den hohen Sandgehalt in den Oberteilen verursacht, weil das Rohmaterial nicht gewaschen wurde.

Verfahrensdiagramme zur Raffination von Feldfrüchten, die hauptsächlich Blatt- und/oder Stängelteile wie Gras aufweisen.

Die beigefügten Verfahrensdiagramme (siehe die 8 bis 10) beginnen mit der Zuführung von zerkleinertem Gras, wie es auch bei der Verarbeitung von Gras und Luzerne in Grastrocknern üblich ist. Normalerweise liegt die Zerkleinerungslänge in der Größenordnung von einigen cm, sie kann aber auch größer oder kleiner sein. Für den Refinertest wurde frisches Gras vorher in einem Pierrot-Guillotine-Schneider auf eine Länge von 6 mm zerkleinert, mit anderen Worten sehr kurz gemacht. Wahrscheinlich ist eine solche geringe Länge nicht notwendig; das Raffinieren oder Zerfasern von gepresstem Gras (einer Teilchenlänge von wahrscheinlich einigen cm) stellt keine Probleme dar.

Ein Waschschritt ist in der Praxis wahrscheinlich notwendig, um Sand zu entfernen und dadurch die Abnutzung der Gerätschaften zu reduzieren und eine sauberere Produktausbeute zu ermöglichen. Dieser Waschschritt kann jedoch übersprungen werden, wenn Sand und andere Verunreinigungen nicht vorliegen.

Die Zugabe von Sulfat kann notwendig sein, muss es aber nicht sein, um eine unerwünschte Komplexbildung zwischen Proteinen und Polyphenolen zu verhindern. Auf der Basis vorhergehender Versuche im Hinblick auf die Verarbeitung von Grassaft ist bekannt, dass eine solche Komplexbildung die Nährwerte von Grasproteinen reduziert. Die Verhältnisse während der Raffination können jedoch verschieden sein. Ein schneller Temperaturanstieg während der Raffination kann augenblicklich die enzymatische Aktivität stoppen (Bleicheffekt) und die Bildung von Polyphenolen hemmen.

Das Raffinieren von Gras ist im Prinzip mit und ohne Flüssigkeitszugabe während der Raffination möglich. In einem ersten Test mit frischem Gras (15% Trockenmasse) erfolgte das Verfahren nicht auf einfache Weise, ohne dass reichlich Wasser bis zu einem Prozentgehalt an Trockenmasse von etwa 2% zugemischt wurde. Die Notwendigkeit der Flüssigkeitszugabe ist wahrscheinlich teilweise von dem Typ des Refiners und der Natur des Grases (Faserigkeit) abhängig. Ausgequetschtes Gras (26% Trockenmasse) konnte ohne Wasserzugabe raffiniert werden. Ob überhaupt Wasser zugemischt wird, und wenn, wie viel Wasser zugemischt wird, hat Konsequenzen für den Temperaturanstieg während der Raffination und daher auf das Ausmaß der Protein-Denaturierung und somit auf die nachfolgenden Schritte in dem Verfahren.

Das grundlegende Diagramm schließt nach der Raffination die folgenden Verfahrensschritte ein: Absieben der Faser, Koagulieren in der Wärme der Refiner-Flüssigkeit mit anschließendem Abtrennen des Proteinkuchens mittels eines Dekanters und Verdampfen der entproteinierten Flüssigkeit. Zwei extreme Varianten dieses grundlegenden Diagramms sind denkbar: eine mit einer minimalen Zugabe von Flüssigkeit während der Raffination und eine andere unter Zugabe einer großen Flüssigkeitsmenge. Das grundlegende Diagramm ändert sich dann in Variante A (9) bzw. Variante B (10).

Nach der minimalen Zugabe von Rückführflüssigkeit, erfolgt möglicherweise ein beträchtlicher Temperaturanstieg während der Raffination: in dem Test mit dem ausgequetschten Gras auf über 70°C. Protein-Koagulation und Pasteurisierung erfolgen dann bereits während der Raffination, und möglicherweise kann dann ein separater Koagulationsschritt ausgelassen werden. In diesem Fall wird das Verfahrensdiagramm zu Raffination – Sieben – Dekantieren – Verdampfen vereinfacht; siehe Variante A des grundlegenden Diagramms.

Variante B: Im Falle der Zugabe einer großen Menge an Rückführflüssigkeit kann der Temperaturanstieg während der Raffination limitiert bleiben: in dem Test mit frischem Gras auf etwa 35°C. Als Ergebnis kann wahrscheinlich ein Teil des Proteins in Lösung bleiben. In diesem Fall sind nach der Raffination zwei alternative Wege denkbar. Der einfachste besteht darin, die Flüssigkeit nach dem Absieben der Faser in der Hitze zu koagulieren und zu dekantieren. In diesem Falle wird ein Proteinkuchen gebildet, und eine entproteinierte Flüssigkeit kann verdampft werden (siehe das grundlegende Diagramm). Ein komplizierterer Weg (Variante B) umfasst nach dem Absieben der Faser das anfängliche Dekantieren, wobei ein roher Proteinkuchen erhalten wird (roh, d. h. im Gemisch mit fein zerteilten parenchymatischen Zellwänden, die das Sieb passieren), die anschließende Koagulation in der Hitze und wiederum ein Dekantieren. In diesem zweiten Dekantierschritt wird ein reinerer Proteinkuchen erhalten.

Zum Absieben der Fasern können Zentrisiebe verwendet werden, die dem Fachmann bekannt sind, um Kartoffelfaser abzutrennen. In dem Test wurde ein geneigtes Sieb verwendet, auf dem ein Drahtgewebe mit Öffnungen von 140*140. um ausgestreckt ist. Im Labormaßstab wurde ein Sieb mit einem Lochdurchmesser von 850 &mgr;m und 250 &mgr;m verwendet. Versuche mit demselben ergaben, dass die meisten Fasern auf einem relativ groben Sieb abgetrennt werden können. Die feinere Faserfraktion kann zu der gesamten Faserfraktion oder über enzymatisches Zerfließen zu den Melassen, dem Konzentrat oder Saftstrom gegeben werden.

Die Faser, die durch Sieben abgetrennt wurde, kann mit gelöster und suspendierter Substanz verunreinigt sein. Demgemäß ist dann ein Waschen mit entproteinierter Rückführflüssigkeit notwendig, an das sich ein Entfernen von Feuchtigkeit durch Pressen/Zentrifugieren und Trocknen anschließt.

Der proteinreiche Kuchen, der durch Dekantieren abgetrennt wird, kann auf die gleiche Weise getrocknet werden, wie derjenigen, die dem Fachmann von z. B. Kartoffelprotein bekannt ist. Im Falle des Vorliegens einer relativ großen Lipidfraktion hat die Zugabe eines Antioxidationsmittels einen verbessernden Effekt.

Verdampfung von entproteinierter Flüssigkeit Die entproteinierte Flüssigkeit kann verdampft werden, um einen zuckerreichen Sirup zu bilden.

Das grundlegende Diagramm kann erweitert werden, um Verfahren zum Zwecke der weiteren Raffination des rohen Proteinkuchens einzuschließen. Ein mögliches Hinzufügen ist das enzymatische Zerfließen der parenchymatischen Zellwände in dem rohen Proteinkuchen. Die Zucker, die sich daraus ergeben, können z. B. zu den Melassen, dem Konzentrat oder dem Saftstrom gegeben werden.