PROCEDIMIENTO Y REACTOR PARA LA DISGREGACIÓN Y LA PASTEURIZACIÓN NO TÉRMICAS DE MATERIAL DE PROCESO ORGÁNICO A PROCESAR MEDIANTE ELECTROPORACIÓN.

Procedimiento para la disgregación y la pasteurización continuas,

no térmicas de cantidades industriales de material orgánico a procesar mediante electroporación, en el que el material a procesar es transportado dentro de un líquido de transporte/de proceso y conjuntamente con el mismo a través de un reactor y expuesto dentro del mismo a la acción de campos eléctricos pulsados, caracterizado porque entre electrodos puestos a tierra y distribuidos en una zona longitudinal del reactor y grupos de electrodos formados por, como mínimo, un electrodo que pueden ser cargados con alta tensión y están distribuidos en una zona longitudinal opuesta del reactor se generan siempre a modo de pulso, campos eléctricos sólo entre un grupo de electrodos y los electrodos puestos a tierra, porque una fuente de energía eléctrica, que está conectada al correspondiente grupo de electrodos a través de un interruptor asociado, es descargada con los otros grupos de electrodos sin superposición temporal, donde los ejes de campo de un grupo de electrodos a los electrodos puestos a tierra nunca están dispuestos de forma perpendicular con respecto al eje de paso a través del reactor, y el proceso de carga de las fuentes de energía eléctrica entre dos descargas sucesivas inmediatas se ajusta de forma tan elevada que en la zona entre un grupo de electrodos y, como mínimo, los electrodos puestos a tierra situados más próximos, generan una intensidad de campo eléctrico E durante la descarga que, a lo largo del eje longitudinal de las células, el eje principal z, del material a procesar que se encuentra precisamente en este sector del campo se supera la diferencia de potencial umbral Δ φs = 10 V durante como máximo 1 µs para abrir irreversiblemente la pared celular

La invención se refiere a un procedimiento para la disgregación de células biológicas a escala industrial con campos eléctricos pulsados y un reactor en una línea de proceso para llevar a cabo el procedimiento.

Los campos eléctricos pulsados con intensidades de campo dentro de un rango de 1-100 kV/cm provocan la apertura irreversible de los poros en la membrana de células biológicas. Este efecto que se denomina electroporación se utiliza para la obtención efectiva de los componentes de células vegetales y para destruir microorganismos, la pasteurización.

Otros procedimientos para la liberación del citoplasma son el tratamiento térmico o la separación por presión. A unos 72 grados Celsius las membranas de células vegetales son desnaturalizadas y el contenido celular se derrama. En la separación por presión una presión externa provoca la rotura mecánica de las paredes celulares y la liberación del contenido celular. Ambos procedimientos clásicos tienen graves inconvenientes: el tratamiento térmico requiere mucha energía y puede dañar valiosos componentes termosensibles. La separación por presión mecánica resulta costosa desde el punto de vista de la ingeniería de equipos y el grado de disgregación es casi siempre claramente inferior al de la disgregación térmica. La combinación de ambos procedimientos consiste en un prensado en frío y la posterior liberación de los componentes mediante solventes.

El procedimiento de la electroporación se conoce desde los años sesenta del pasado siglo, y desde entonces se investiga científicamente el fenómeno de la permeabilización o poración de membranas celulares. En los documentos DE 198 59 459 A1, US 6.403.348 B1 y US 6.117.660 A se describen dispositivos y procedimientos en los que las células no son disgregadas mediante electroporación, sino que solamente presentan transitoriamente una membrana porosa. Por el documento DB 12 37 541 se describe la electroporación para los habituales productos agrícolas, tal como la digestión de almidón en patatas. Por el documento US 3 265 605 A se describen dispositivos y procedimientos para modificar la carga de material vegetal o animal en soluciones dispersas mediante electroporación. Por el documento WO 99/6463 se describe otro procedimiento para la electroporación. Se presentan las ventajas de procesar remolachas azucareras con este procedimiento antes de seguir tratándolas, a continuación, térmica o mecánicamente. El tratamiento térmico representa en este caso el estado de la técnica. Por la DE 197 36 080 A1 asimismo se describe el procedimiento mecánico.

En el ámbito de la electroporación no se conoce todavía ningún procedimiento ni tampoco ningún equipo o reactor mediante los cuales se podría realizar el proceso a escala industrial. De modo que el objetivo de la presente invención consiste en dar a conocer un procedimiento para la electroporación de sustancias biológicas celulares, así como un reactor en una línea de proceso para llevar a cabo el procedimiento.

En lugar de la rotación del fruto mediante turbulencias del flujo o torbellinos forzados del flujo de material a procesar, en este caso, los campos eléctricos en el reactor presentan distintas direcciones a lo largo de su longitud. Según el estado de la técnica, por ejemplo, el fruto es transportado en un tubo dieléctrico en el que están dispuestos pares de electrodos desplazados angularmente que quedan situados uno encima de otro en los planos transversales adyacentes. De esta manera se varia el ángulo en un plano de las remolachas que van pasando y se detectan las células que están orientadas en este plano. Sin embargo, las células orientadas con su eje largo, convencionalmente el eje Z, de forma perpendicular con respecto a este plano, no son disgregadas.

Mediante la invención se resuelve el problema de modificar las células biológicas mediante electroporación pulsada de tal manera que se puede realizar el procedimiento a escala industrial. Es decir, que se puede procesar grandes cantidades a trabajar industrialmente con un mínimo consumo energético en un reactor diseñado a tal efecto y accionado mediante el procedimiento.

En el procedimiento para la disgregación continuada y la pasteurización de estas grandes cantidades de células biológicas, raíces, bulbos, frutos y células animales, el material orgánico a procesar, es transportado a través de un reactor en un flujo de líquido de transporte o de proceso y expuesto allí a campos eléctricos pulsados para la electroporación.

Las etapas individuales son:

Entre grupos de electrodos puestos a tierra y electrodos que pueden ser cargados con alta tensión, que están incorporados en la pared del reactor dieléctrico y cada uno de los cuales está formado por, como mínimo, un electrodo en la zona interior del reactor se generan a modo de pulso campos eléctricos E de diversas direcciones de tal intensidad que cada célula recibe con un alta probabilidad, como mínimo, una vez una intensidad de campo eléctrico E al pasar por el reactor, de tal manera que también a lo largo de su eje más largo se consigue, como mínimo, una vez la diferencia de potencial umbral z E = 10 V para la electroporación. Debido a ello, las células biológicas del material a procesar que tienen una forma alargada, por ejemplo ovalada, de un orden de magnitud de típicamente 10-100µm son sometidas repetidamente a una diferencia de potencial de como mínimo 10 V.

Los electrodos que pueden ser cargados con alta tensión son reunidos en grupos formados de, como mínimo, un electrodo y los electrodos de un grupo de este tipo son conectados simultáneamente a alta tensión o cargados con el pulso de alta tensión, pero siempre será sólo un grupo el que está conectado a alta tensión.

Los grupos de electrodos son alimentados sucesivamente a alta tensión, tal como en un “reguero de pólvora” con una dispersión temporal de, cómo mínimo, la longitud de pulso hasta varias veces la misma, de todos modos, de tal manera que el campo siempre sale de forma fiable sólo de un grupo de electrodos. La dirección de avance de la conexión a alta tensión puede ser en dirección al flujo del material a procesar o contraria al mismo, o bien el grupo de electrodos es cargado estáticamente de manera que en el reactor se producen constantemente cambios de dirección de la intensidad de campo eléctrico E desde la entrada hasta la salida al ritmo de la conexión a alta tensión de los grupos debido a la disposición de los electrodos. Lo esencial es que haya siempre solo un único grupo de electrodos que está conectado a alta tensión, evitándose de esta manera los desplazamientos de campo recíprocos y, por lo tanto, zonas con trayectorias de líneas de campo que discurren perpendicularmente con respecto al eje de flujo tal como se producirían en el caso de una combustión simultánea de dos o varios grupos de electrodos. Desde el punto de vista de la duración de la acción eléctrica, la dirección del fuego rastrero en la dirección del flujo del material a procesar resulta preferente, ya que en este caso el material a procesar que pasa es expuesto durante más tiempo a la acción eléctrica debido a que se desplazan en la misma dirección.

Estudios experimentales de parámetro, así como fuentes de literatura americana (K.H. Schoenbach y otros: “Bacterial Decontamination of Liquids with Pulsed Electric Fields” (“Descontaminación bacteriana de líquidos mediante campos eléctricos pulsados”), IEEE Transactions on Dielectrics, Vol. 7; nº 6, p. 637 – 645, octubre de 2000) sugieren mantener la duración del correspondiente impulso de alta tensión en un rango de 1 hasta 3 µseg con la diferencia de potencial de umbral de 10 V. Esto resulta energéticamente favorable para la disgregación del material a procesar (reivindicación 2). A tal efecto, resulta ventajoso que la subida de tensión se realice lo más rápido posible y no dure más de 100 µseg como máximo.

Los electrodos puestos a tierra no están asignados inequívocamente a un electrodo que puede ser cargado con alta tensión o a un grupo de los mismos. Por lo contrario, un electrodo/grupo de electrodos de alta tensión comunica mucho con los electrodos puestos a tierra que se encuentran más próximos espacialmente debido a la generación de un fuerte campo al aplicar la alta tensión y comunica correspondientemente menos con los que se encuentran más alejados. Esto constituye el efecto de movimiento o una fluctuación en el espacio de los campos eléctricos. La sobreelevación del campo que se produce en principio... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la disgregación y la pasteurización continuas, no térmicas de cantidades industriales de material orgánico a procesar mediante electroporación, en el que el material a procesar es transportado dentro de un líquido de transporte/de proceso y conjuntamente con el mismo a través de un reactor y expuesto dentro del mismo a la acción de campos eléctricos pulsados, caracterizado porque entre electrodos puestos a tierra y distribuidos en una zona longitudinal del reactor y grupos de electrodos formados por, como mínimo, un electrodo que pueden ser cargados con alta tensión y están distribuidos en una zona longitudinal opuesta del reactor se generan siempre a modo de pulso, campos eléctricos sólo entre un grupo de electrodos y los electrodos puestos a tierra, porque una fuente de energía eléctrica, que está conectada al correspondiente grupo de electrodos a través de un interruptor asociado, es descargada con los otros grupos de electrodos sin superposición temporal, donde los ejes de campo de un grupo de electrodos a los electrodos puestos a tierra nunca están dispuestos de forma perpendicular con respecto al eje de paso a través del reactor, y el proceso de carga de las fuentes de energía eléctrica entre dos descargas sucesivas inmediatas se ajusta de forma tan elevada que en la zona entre un grupo de electrodos y, como mínimo, los electrodos puestos a tierra situados más próximos, generan una intensidad de campo eléctrico E durante la descarga que, a lo largo del eje longitudinal de las células, el eje principal z, del material a procesar que se encuentra precisamente en este sector del campo se supera la diferencia de potencial umbral

Δϕs = 10V

durante como máximo 1 µs para abrir irreversiblemente la pared celular.

2. Procedimiento, según la reivindicación 1, caracterizado porque el proceso de carga de las fuentes de energía eléctrica entre dos descargas sucesivas se ajusta de forma tan elevada que en la zona entre un grupo de electrodos y, como mínimo, los electrodos puestos a tierra situados más próximos se genera una intensidad de campo eléctrico E durante la descarga que a lo largo del eje longitudinal de las células, el eje principal z, del material a procesar que se encuentra precisamente en este sector del campo se alcanza durante como máximo 1 µs la diferencia de potencial φ

Δϕ >= 100 V.

3. Procedimiento, según la reivindicación 2, caracterizado porque el dimensionado de un generador Marx y el grupo de electrodos conectados al mismo a través de un intersticio para chispas se elije de tal manera que la subida de tensión hasta un máximo de tensión de máximo 1 MV dure como máximo 100 nseg.

4. Reactor para la disgregación y la pasteurización continuas, no térmicas de cantidades industriales de un material orgánico a procesar mediante electroporación, en el que el material a procesar está formado por células biológicas de plantas, raíces, bulbos, frutos y material animal, el reactor es un componente en forma de túnel de una línea de transporte de material a procesar, la zona del reactor está inundada por el líquido de transporte/de proceso que fluye a través del mismo y en el que el material a procesar es expuesto a la acción de campos eléctricos pulsados, caracterizado porque el reactor tiene una forma de túnel y presenta una sección transversal redonda o poligonal, en este caso como mínimo cuadrangular, y está realizado en un material dieléctrico, porque a lo largo del reactor están incrustados electrodos puestos a tierra en una primera zona longitudinal de la pared del reactor, cuya frente/cabeza está expuesta al espacio interior del reactor, porque a lo largo del reactor están incrustados electrodos que pueden ser cargados con alta tensión en una segunda zona longitudinal de la pared del reactor, cuya frente/cabeza está expuesta al espacio interior del reactor, porque todos los electrodos que pueden ser cargados con alta tensión están reunidos en grupos formados por, como mínimo, un electrodo y que los grupos están dispuestos de tal manera que la distancia de estos grupos entre sí corresponde aproximadamente al diámetro interior d, porque la zona longitudinal con los grupos de electrodos de alta tensión está separada a ambos lados de la zona longitudinal con los electrodos puestos a tierra por sendas zonas longitudinales sin electrodos que presenta a lo largo de la longitud del reactor, como mínimo, una anchura tal que durante el procesamiento entre dos grupos de electrodos distintos no se puede producir una perforación eléctrica, pero sí se puede establecer y mantener una intensidad de campo requerida para la electroporación de ≥ 10 kV/cm, porque la posición de la zona longitudinal con los electrodos puestos a tierra con respecto a la posición de la zona longitudinal dotada de los grupos de electrodos que pueden ser cargados de alta tensión es de tal manera que cualquier unión rectilínea entre un electrodo puesto a tierra y un grupo de electrodos discurre en el espacio interior del reactor y nunca puede estar perpendicular con respecto al eje del flujo a través del reactor.

5. Reactor, según la reivindicación 4, caracterizado porque los electrodos que pueden ser cargados de alta tensión están distribuidos en grupos formados por, cómo mínimo, un electrodo y cada grupo está conectado a través de una línea de alta tensión y un interruptor/intersticio para chispas con su propia fuente de alta tensión/su propio generador Marx.

6. Reactor, según la reivindicación 5, caracterizado porque la superficie de cada grupo de electrodos que pueden ser cargados de alta tensión corresponde aproximadamente a la suma de las superficies expuestas de los electrodos puestos a tierra que están más próximos.

7. Reactor, según la reivindicación 6, caracterizado porque la relación de aspecto entre la superficie de los electrodos F y la distancia d entre el correspondiente electrodo de alta tensión y los electrodos puestos a tierra situados más próximos tiene un valor no inferior a

5 F : d =cm

y, cuando se tienen en cuenta los segundos electrodos más próximos puestos a tierra, no es sustancialmente inferior a dicho valor.

8. Reactor, según la reivindicación 7, caracterizado porque los electrodos están distribuidos sobre la correspondiente zona longitudinal, de tal manera que no existe ningún par de electrodos, formado por un electrodo puesto a tierra y uno que puede ser cargado con alta tensión, cuya línea de unión rectilínea discurra perpendicularmente con respecto a la dirección del flujo del material a procesar y perpendicularmente con respecto al eje de transporte en el reactor.

9. Reactor, según la reivindicación 8, caracterizado porque los grupos de electrodos que pueden ser cargados con alta tensión están distribuidos sobre la zona longitudinal de tal manera que en una proyección perpendicular con respecto al eje de flujo a través del reactor sobre la zona longitudinal con los electrodos puestos a tierra ningún grupo de electrodos llega a recubrir un electrodo puesto a tierra.