Projekt 34254/01

Nachhaltige Verfahren zur Magermilchkonzentration und die Auswirkungen auf die Pulvereigenschaften

Projektdurchführung

Hochschule Hannover Präsident
Expo Plaza 4
30539 Hannover

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projektes ist die ganzheitliche, ökonomische und ökologische, Bewertung von zwei Verfahren zur Magermilchkonzentration mittels Membranfiltration im Vergleich zur herkömmlichen Eindampfung unter Berücksichtigung der Auswirkungen auf die Konzentrat- und Pulvereigenschaften. Kernpunkt der Membranverfahren ist die Verschaltung der Filtrationsarten Umkehrosmose (RO), Nanofiltration (NF) und Ultrafiltration (UF) zu zwei verschiedenen Kaskaden. Die Konzentration von Magermilch mittels Membranfiltration über Kaskadenschaltung zeigt gegenüber der Eindampfung ein erhebliches Potential zur Energieeinsparung und damit eine direkte Entlastung für die Umwelt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenMagermilchkonzentrat wird über die traditionelle Eindampfung sowie zwei verschiedene Kaskaden herge-stellt und im Anschluss über einen Sprühturm zu Pulver weiterverarbeitet. Zur Beurteilung der Eigenschaf-ten werden die Konzentrate und Pulver chemisch, physikalisch und rasterelektronenmikroskopisch unter-sucht. Als Kooperationspartner unterstützt die Molkerei Ammerland eG bei der physikalischen Pulveranalytik. Die gewonnenen verfahrenstechnischen und analytischen Daten dienen als Grundlage für die vergleichende Projektierung der einzelnen Anlagenkonzepte (Eindampfung, UF-RO inkl. Eindampfung und RO-NF-(UF) Kaskade) im Industriemaßstab. Die Projektierung dieser einzelnen Konzepte wird durch den Kooperationspartner GEA TDS GmbH durchgeführt. Anhand der generierten Energie- und Stoffströme wird die spezifische CO2-Bilanz zu jedem Anlagenkonzept ermittelt und verglichen, um das Potential zur Reduzierung von Treibhausgasen aufzuzeigen.


Ergebnisse und Diskussion

Die Herstellung von Magermilchkonzentrat (MMK) durch Einsatz einer RO-NF und RO-NF-UF Kaskade auf Trockenmassen (TM) von 40 %, 44 % und 48 % ist möglich. Die produzierten Konzentrate entsprechen in ihrer Zusammensetzung Magermilchkonzentrat, welches durch einen reinen Eindampfungsprozess und durch eine UF-RO Kaskade mit anschließender Eindampfung hergestellt wird. Dies war durch Entwicklung eines mehrwöchigen Versuchsaufbaus möglich, bei dem produzierte UF- und NF-Permeate unmittelbar nach der Herstellung eingefroren und in der Folgewoche in konstanten Verhältnissen rezirkuliert wurden. Durch Einsatz einer dynamischen Cross-Flow Filtrationsanlage (DCF) wurden die Magermilchkonzentrate konstant geschert und zeigten keine Vergrößerung der Partikelgrößenverteilung durch Agglomeration. RO-NF-UF Magermilchkonzentrate (bis Soll-Trockenmasse 45 und 50 %) wiesen bei niedrigen Scherraten (94 s-1) eine erhöhte Viskosität auf. Bei hohen Scherraten bis 1000 s-1, wie sie an der Düse eines Sprühtrocknungsturms auftreten, hatten die Magermilchkonzentrate vergleichbare Viskositäten mit Kon-zentraten aus Eindampfungsprozessen von 38 - 54 mPa s. Auf Basis der generierten Daten wurden vom Projektpartner GEA TDS GmbH Anlagen im Industriemaßstab projektiert.
Aus den Magermilchkonzentraten produzierte Magermilchpulver (MMP) erfüllen unabhängig vom Herstel-lungsprozess die gesetzlichen Standards für Magermilchpulver in Bezug auf Löslichkeit, Reinheit (Schmutzbild), Farbe und den Eiweißgehalt in der Trockenmasse. Nur in Bezug auf die Endtrockenmasse sind die produzierten Magermilchpulver mit 95 - 96 % TM unter den Vorgaben für Interventionsware.
Produzierte Koppelströme der Eindampfungs- und Filtrationsprozesse, Brüden und RO-Permeat, zeigen un-terschiedliche Qualitäten in Bezug auf den chemischen Sauerstoffbedarf und den gesamten organischen Kohlenstoff auf. Der Brüden aus Eindampfungsprozessen hat eine niedrigere Belastung als RO-Permeat aus der RO-NF und der RO-NF-UF Kaskade. Das RO-Permeat aus der UF-RO Kaskade weist eine stark erhöhte organische Belastung auf, welche höchstwahrscheinlich auf partielle Permeation von Laktose bei der RO von UF-Permeat aufgetreten ist.
Bei Betrachtung der Versuche im Technikumsmaßstab haben die untersuchten Membrankaskaden erhebliches energetisches Potential im Vergleich zum Eindampfungsprozess. In projektierten Anlagen im Indust-riemaßstab kann der spezifische Energiebedarf von Eindampfungsprozessen durch Einsatz von mechanischer und thermischer Brüdenkompression erheblich reduziert werden. Durch Planung von Filtrationsanlagen mit keramischen Röhrenmodulen und dynamischen Scheibenmodulen haben die projektierten Anlagen ein erhebliches Anlagenvolumen. Hieraus resultieren beträchtliche Energie- und Investitionskosten der Membrankaskaden, wodurch diese aus energetischer, ökonomischer und ökologischer Sicht aktuell keine Alternative zur reinen Eindampfung darstellen. Im Gegenzug zeigt die teilweise Substitution von Eindampfungsprozessen durch eine RO bis 24 % TM ein erhebliches Einsparungspotential bei gleichzeitiger Ver-besserung der CO2-Bilanz des Konzentrationsprozesses.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation


Die Ergebnisse wurden im Rahmen von internationalen und nationalen Kongressen und Tagungen einem Fachpublikum vorgestellt. Durch die Covid-19 Pandemie wurden diese teilweise ins Jahr 2022 verschoben. Studierende konnten im Rahmen des Projekts Bachelor- und Masterarbeiten anfertigen. Weitere Artikel in wissenschaftlichen Fachjournalen und eine Dissertationsschrift sind auf Basis der Ergebnisse im Projekt in 2022 und 2023 geplant. Durch Beiträge in Podcasts konnten die Resultate einem breiten fachfremden Publikum dargestellt werden, wodurch ein Beitrag zur Wissenschaftskommunikation geleistet werden konnte.



Fazit

Die Ergebnisse des Forschungsprojekts zeigen, dass eine teilweise Substitution der Eindampfung bis zu einer TM von ca. 24-25 % durch RO bzw. UF-RO zu einer Verbesserung der CO2-Bilanz und Herstellungs-kosten im Vergleich zum herkömmlichen Prozess der Eindampfung führt. Eine vollständige Substitution der Eindampfung durch Einsatz einer RO-NF und RO-NF-UF Kaskade führt zu einer Erhöhung der Elektrifizierung. Die genannten Kaskaden haben jedoch eine schlechtere energetische Effizienz mit einhergehenden höheren Herstellungskosten.
Eine Optimierung der Prozessparameter (wie z.B. die Filtrationstemperatur), der Ziel-TM der verschiedenen Membranschritte und der Austausch von keramischen Membranen gegen Spiralwickelmodule kann die Konkurrenzfähigkeit der RO-NF-(UF) Kaskade verbessern.