Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Optimierung der Milchproteinfraktionierung mittels Mikrofiltration: Einfluss von Temperatur, pH-Wert und Ionenstärke auf die Effizienz des Verfahrens

Die Fraktionierung von Caseinen und Molkenproteinen aus Magermilch mittels Mikrofiltration (MF) ist ein in der Milchwirtschaft bereits teilweise etablierter Prozess. Er gewinnt wegen des breiten Anwendungsspektrums der Fraktionate stetig an Bedeutung. Der Filtrationsprozess wird derzeit i. d. R. bei einer Temperatur von ca. 50 °C betrieben, wobei das Wachstum thermophiler Mikroorganismen sowie Calciumphosphatausfällungen die Standzeit der Produktionsanlagen auf 6-8 h begrenzen. Kurze Produktionszyklen bedeuten jedoch nicht nur einen geringen Output, sondern auch einen hohen Wasser- und Reinigungsmittelverbrauch. Aus diesen Gründen geht der Trend hin zur kalten Fraktionierung bei Temperaturen von ca. 10 °C, wodurch sich deutlich längere Standzeiten realisieren lassen. Gleichzeitig führt dies aber zu einer Verminderung des Flux.

Ziel des Vorhabens ist es, die Prozessführung und Milieuzusammensetzung bei der Fraktionierung von Magermilch bei Favorisierung niedriger Filtrationstemperaturen zu optimieren. Durch Einstellung einer Temperatur im Bereich von 4-20°C in Kombination mit der Anpassung von Milieuvariablen soll untersucht werden, den Prozess der Milchproteinfraktionierung in einem Optimum zu betreiben, das bisher noch nicht eruiert wurde.

Die Optimierung dieses Fraktionierprozesses wird zu einer Senkung der Betriebskosten bei simultaner Steigerung der Produktqualität beitragen. Dadurch kann das lukrative Geschäftsfeld der Milchproteinfraktionierung, das für KMU aufgrund der Investitionssumme derzeit zum Teil noch prohibitiv ist, leichter zugänglich gemacht werden. Durch das Vorhaben sollen belastbare Daten ermittelt werden, die von Unternehmen direkt auf bestehende oder geplante Filtrationsanlagen und die Kesselmilchbehandlung übertragen werden können.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde eine Methode zur vollständigen Abtrennung von micellarem Casein entwickelt, sodass in nachfolgenden Untersuchungen die Bestimmung des relativen Gehaltes zwischen gebundenem und gelöstem Casein möglich war. Für eine verbesserte quantitative Analytik im Bereich der RP-HPLC wurde ein Verfahren zur präparativen Aufreinigung von Caseinen entwickelt. Des Weiteren wurde die relative Serumcaseinkonzentration als Funktion der Temperatur (6–20 °C) und Temperierungsdauer (0–75 min) ermittelt. Diese Ergebnisse wurden genutzt, um für die jeweilige Temperatur im Gleichgewichtszustand der Caseine den Einfluss einer Calciumanreicherung sowie einer pH-Wertänderung festzustellen. Eine systematische Untersuchung des Einflusses einer Zwischenerhitzung auf die relative Serumcaseinkonzentration mit und ohne Calciumanreicherung ergab eine Reduzierung der relativen Serumcaseinkonzentration sowohl im Labor- als auch im Technikumsmaßstab. Ebenso wurde der Einfluss des Membranmaterials bei keramischen Mehrkanalmembranen auf die Filtrationseffizienz bestimmt. Diese Erkenntnisse konnten auf die Filtration bei niedrigen Temperaturen übertragen werden. Im Nachfolgenden wurde der Einfluss der Temperatur auf die Filtrationseffizienz untersucht. Durch eine Calciumanreicherung wie auch durch eine pH-Wertänderung konnte eine Optimierung der Mikrofiltration als Funktion der Temperatur ermittelt werden. Im Bereich niedriger Temperaturen sind durch 1 mM Calcium eine Reduktion des Caseinmassenstroms zu erreichen, ohne den Massenstrom der Molkenproteine zu verringern. Zur Ermittlung der maximalen Anlagenlaufzeit als Funktion der Filtrationstemperatur konnte das Mikroorganismenwachstum während eines Feed-and-bleed-modus ermittelt werden. Diese Ergebnisse können individuell auf unterschiedliche Prozesskonfigurationen angepasst werden, um die Mikrofiltration zum Zweck der Milchproteinfraktionierung zu optimieren.