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Modellbasierte Produktionsunterstützung bei der Laktosekristallisation
Projekt
Förderkennzeichen: AiF 17643 N
Laufzeit: 01.01.2013
- 31.12.2016
Fördersumme: 249.550 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung
Laktose ist ein Hauptbestandteil von Kuhmilch. Aufgrund des großen Anteils in der Milch fällt Laktose in großem Umfang als Nebenprodukt bei der industriellen Milchverarbeitung an. Der partikelbildende Schritt der industriellen Lakto-seproduktion ist die Kristallisation aus der Molke oder dem Permeat einer Ultrafiltration. Dazu wird durch Abkühlung der Lösung eine Übersättigung erzeugt, aus der sich zunächst Kristallkeime bilden. Mit zunehmender Zeit und abnehmender Temperatur wachsen die Kristalle bis hin zu einer gewünschten Größe und einer angestrebten Ausbeute. Die zeitliche Entwicklung von (mittlerer) Kristallgröße und Umsatz hängen dabei maßgeblich von dem gewählten zeitlichen Abkühlprofil ab.
In der industriellen Anwendung haben sich firmenabhängige Temperaturprofile etabliert, welche allesamt erfahrungsbasiert sind. Wenngleich diese eine gewisse Produktivität sicherstellen, können sie hinsichtlich der Ökonomie und des Ressourcenverbrauchs nicht als optimal angesehen werden. Für andere Stoffsysteme zeigen Arbeiten aus der Literatur, dass selbst bei langjährig erfahrungsbasiert optimierten Kristallisationsprozessen im industriellen Betrieb durch eine systematische modellbasierte Prozessoptimierung signifikante Verbesserungen hinsichtlich Produktqualität und Wirtschaftlichkeit erzielt werden können. Die dafür benötigten Modelle stehen aber bislang für die Laktosekristallisation aus industriell relevanten Ausgangslösungen nicht zur Verfügung.
Hauptgründe dafür sind einerseits Schwankungen der Zusammensetzung der Kristallisationslösung, die sich aus den natürlichen Schwankungen der Milch und aus der Verschiedenheit der vorgelagerten Prozessschritte ergeben (Süßmolke, Sauermolke, Mozzarellamolke, Ultrafiltrat). Der zweite Grund ist das Fehlen eines systematisierten Prozesswissens. Die Beschreibung eines komplexen Prozesses, wie die Laktosekristallisation aus einem Vielstoffgemisch, ist nur mithilfe eines geeigneten Modells möglich, wie es derzeit nicht verfügbar ist. Um die Entwicklung der Kristallgrößenverteilung während einer industriellen Suspensionskristallisation über der Zeit detailliert zu beschreiben, sind sogenannte Populationsbilanzmodelle not-wendig. Populationsbilanzmodelle erlauben nicht nur die Beschreibung des Wachstums einer mittleren Partikelgröße, sondern erfassen die Entwicklung der gesamten Partikelgrößen-verteilung. Diese Betrachtung ist notwendig, um neben dem Wachstum auch weiter ablaufende Prozesse, wie sekundäre Keimbildung durch Abrieb, adäquat zu erfassen. Ein validiertes Populationsmodell kann dazu herangezogen werden, zusammensetzungsangepasste Abkühlprofile zu erstellen, die den Prozess hinsichtlich verschiedener Kriterien optimieren können. EU-weit werden rund 450.000 t Laktose jährlich verkauft. Der Anteil daran in Deutschland beträgt mehr als ein Viertel. Bei einem mittleren Preis von 1 €/kg ergibt sich alleine durch eine Steigerung der Ausbeute von lediglich 1 % ein jährlicher Mehrwert von ca. 3,7 Mio. €. Neben dieser reinen Ausbeutesteigerung liegt der Hauptnutzen einer modellbasierten Unterstützung des Kristallisationsprozesses, aber vor allem in einem effizienteren Prozessmanagement.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, auf vorwettbewerblicher Ebene industriell einsetzbare Werkzeuge bereitzustellen, um die Laktosekristallisation zu optimieren. Besonderer Fokus liegt dabei auf der schwankenden und/oder prozessabhängigen Zusammensetzung der Ausgangslösung des Kristallisationsprozesses.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Verfahrenstechnik Lebensmittel
