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Milchproteinfraktionierung mittels Mikrofiltration: Einfluss des Diafiltrationsmediums auf Deckschichtbildung, Transmission und Funktionalität der Proteinfraktionen

Projekt

Ernährung und Verbraucherschutz

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Ernährung und Verbraucherschutz


Förderkennzeichen: AiF 18818 N
Laufzeit: 01.01.2015 - 31.12.2018
Fördersumme: 250.000 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung

Mit Milchproteinen lassen sich Lebensmittel-strukturen bzw. -eigenschaften differenzieren und zielge-richtet erzeugen. Vielfach werden Milchproteine bis hin zum Einzelmolekül fraktioniert. Das Marktsegment zur separaten Nutzung einzelner Milch- bzw. Molkenprotein-fraktionen (z.B. Sportlernahrung, klinische Ernährung, Babynahrung) hat sich weltweit lukrativ entwickelt und ist zu einem bedeutenden Wirtschaftszweig der Milch-industrie geworden. Die Gewinnung von mizellarem Casein und nativem Serumproteinkonzentrat kann unter Einsatz von Membrantrennverfahren (Mikro-filtration) gekoppelt mit einer Ultrafiltration erfolgen. Während der Mikrofiltration wird die Caseinfraktion im Retentat angereichert, die Transmission der Molkenproteine erfolgt konvektiv im Filtratstrom. Neben dem Casein bleibt auf der Retentatseite zunächst auch die Molkenproteinfraktion in der ursprünglichen Konzentration erhalten. Wenn ein bestimmter Konzentrierungsgrad der Caseinfraktion durch Mikrofiltration erreicht ist, wird zur vollständigen Trennung der Retentate ein mehrstufiger Auswaschprozess (Diafiltration) ausgeführt. Durch die Zugabe von Diafil-trationsmedium zur Magermilch auf der Mikrofiltrationsseite werden die Molkenprote-ine sukzessiv ausgewaschen und auf die Ultrafiltrationsseite überführt. Inwiefern unterschiedliche Diafiltrationsmedien zum Zweck der Wassereinsparung Einfluss auf den Fraktionie-rungsprozess und auf die Funk-tionalität der Proteine ausüben, ist dabei derzeit ungeklärt. Die Bandbreite der poten-tiell zur Verfügung stehenden Diafiltrations-medien reicht von Leitungswasser unter-schiedlicher Härtegrade, Ultrafiltrations-, Um-kehrosmose- oder Nanofiltrationspermeat (jeweils aus Magermilch, Süß- oder Sauer-molke) bis zum Eindampfkondensat dieser Produkte. Milchverarbeitende Unternehmen streben aus wirtschaftlichen Gründen bzw. aus Umweltschutzgründen geschlossene Stoff-ströme (Zero Fluid Discharge) an und wollen wässrige Medien aus anderen Produktions-bereichen für die Diafiltration einsetzen. Diese potentiellen Medien sind bislang unzureichend charakterisiert, so dass keine Kriterien für deren Auswahl vorhanden sind. Ionenmilieu, pH und die Präsenz von Begleit-stoffen üben aber Einfluss auf die Struktur der unvermeidlichen Deckschicht auf Mikro-filtrationsmembranen (und damit auf die Transmission der Molkenproteine) aus, wie auch auf die Reinheit und Funktionalität der Proteinisolate. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den Einfluss der Verwendung unterschiedlicher Diafiltrationsmedien auf den Filtrationsvor-gang selbst, auf die Funktionalität der Casein-fraktion und die Reinheit der Molkenprotein- Fraktion zu charakterisieren sowie Empfeh-lungen für die Praxis zur gezielten Beeinflus-sung dieser Vorgänge bzw. Eigenschaften ab-zuleiten. Die Ergebnisse des Vorhabens sind relevant für milchverarbeitende Unternehmen, die sich mit der Fraktionierung von Caseinen und Molkenproteinen mittels Membrantrenn-verfahren beschäftigen. Die erzielten Daten können als belastbare Grundlage zur Auswahl anfallender Prozesswässer für die Casein/ Molkenproteinfraktionierung dienen. Es ist zu erwarten, dass über die Auswahl des Diafiltrationsmediums ein beschleunigter Prozess mit weniger Diafiltrationsschritten erreicht werden kann, so dass Wasserver-brauch und Betriebskosten gesenkt werden können. Das bedeutet, dass der Prozess beschleunigt werden kann und dass kleinere Anlagen für den gleichen Durchsatz ver-wendet werden können, so dass Unter-nehmen durch niedrigere Investitionskosten der Einstieg in diesen Markt ermöglicht wird. Wirkt sich das Diafiltrations-Medium positiv auf die Deckschichtbildung aus, geht dies bei bestehenden Anlagen mit einer Standzeit-erhöhung einher. Durch eine erhöhte Transmission wird darüber hinaus die Rein-heit der Caseinfraktion sowie die Molken-protein-Ausbeute verbessert. Des Weiteren können durch eine flexible Beeinflussung der Funktionalität bzw. Pulvercharakteristika über das Diafiltrationsmedium die Eigenschaften gezielt beeinflusst und eine unkontrollierte Variabilität vermieden werden. Die Verwen-dung von Prozessnebenströmen ist ferner mit dem Vorteil verbunden, dass der Wasser- „Footprint“ gesenkt sowie die benötigte Frischwassermenge und damit die Kosten für die Abwasseraufbreitung bzw. -entsorgung reduziert werden können.

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