Projekt 12818/01

Untersuchungen über Wiederverwertungsmöglichkeiten des bei der Entkoffeinierung von Bohnenkaffee anfallenden Abfallstoffes Kaffeewachs

Projektdurchführung

Chemisch-Technisches LaboratoriumDr. C. Lüllmann
Flughafendamm 9 A
28199 Bremen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei der technischen Produktion entkoffeinierten Kaffees wird den Rohkaffeebohnen mittels unterschiedlicher Verfahren (Lösemittel- und CO2-Entkoffeinierung) das Alkaloid Koffein entzogen. Während Lösemittel und Koffein in der Regel zurückgewonnen und weiter- bzw. wiederverwertet werden, fallen bei diesem Produktionsprozess zusätzlich jährlich mehrere hundert Tonnen technisches Kaffeewachs als Produktionsabfall an, der als Sonderabfall entsorgt wird. Besonders bei der Entkoffeinierungstechnik mittels Kohlendioxid in überkritischem Zustand kann das technische Kaffeewachs als ein Naturprodukt angesehen werden, da es keine Lösungsmittelreste enthält. Das Ziel des geplanten Projektes ist daher die Entwicklung eines Aufarbeitungsverfahrens und das Aufzeigen von Applikationen für den aufgearbeiteten sekundären Rohstoff Kaffeewachs als Trennmittel in Lebensmitteln oder als neues natürliches Ingredient in kosmetischen Produkten (Salben, Cremes). Vor der eigentlichen Verfahrensentwicklung soll in einer Ein-gangsphase (aktueller Projektgegenstand) eine grundsätzliche chemische Charakterisierung des Kaffeewachses durchgeführt werden. Nach einer grundlegenden chemischen Charakterisierung dieses Abfallstoffes können Maßnahmen für eine gezielte Aufbereitung dieses Produktionsabfalles entwickelt und eingeleitet und auch der Aufwand hierfür abgeschätzt werden. Dabei werden Kaffeewachsproben sowohl aus dem Lösungsmittelverfahren als auch aus der CO2 -Entkoffeinierung berücksichtigt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür diese erste Projektphase ist eine grundsätzliche chemisch-physikalische Charakterisierung des Abfallstoffes Kaffeewachs vorgesehen.
Hierzu sollen die folgenden Arbeitsschritte und Methoden angewandt werden:
1) Aufarbeitung des Kaffeewachses
2) Chemisch-Physikalische Charakterisierung, Ermittlung der Wachskennzahlen mit den Schwerpunkten: Tropfpunkt, Erstarrungspunkt, Säurezahl, Verseifungszahl, Esterzahl, Hydroxylzahl, Dichte, Ge-halt an Restkoffein, Wassergehalt, Phenolgehalt, Farbe
3) Analyse der unerwünschten Bestandteile mit den Schwerpunkten: Restlösemittelgehalt, Pestizidanalytik, Schwermetalle
4) Mikrobiologische Kontrolle des Wachses: Bestimmung Gesamtkeimzahl, Mykotoxine, Überprüfung auf pathogene Keime
5) Ermittlung eines grundsätzlichen Verfahrens zur Extraktion eines hochwertigen Wachses aus dem technischen Kaffeewachs
6) Optimierung und Vereinheitlichung der Wachsqualität im Labormaßstab
Als Methoden sollen zum Einsatz kommen:
Gaschromatographie, Hochleistungsflüssigkeitschromatographie, mikrobiologische Verfahren, Physikalische Verfahren entsprechend den Vorschriften und Methoden der DGF (Deutsche Gesellschaft für Fettwissenschaften)


Ergebnisse und Diskussion

Der Produktionsabfall technisches Kaffeewachs konnte weitgehend auf seine dominanten Inhaltsstoffe charakterisiert werden. Er besteht überwiegend aus Fettsäureestern, vermutlich Triglyceriden. Dominierende Fettsäuren sind Palmitinsäure (C16:0), Stearinsäure (C18:0) und Linolsäure (C18:2). Kaffeewachs aus der Entkoffeinierung mit organischen Lösungsmitteln enthält einen hohen Gehalt an Carbonsäure-Hydroxytryptamiden (zusammen ca.10-12%). Das Wachs aus der CO2-Entkoffeinierung enthält nur ca.
0,7 % Hydroxytryptamide. Diese Substanzklasse stellt einen potentiellen Wertstoff dar, aus dem die humanphysiologisch relevante Substanz Serotonin (Neurotransmitter und Hormon) gewonnen werden kann. Besonders aufgrund seiner Bedeutung bei der Entstehung von psychischen Erkrankungen und auch der Migräne ist Serotonin in diesem Zusammenhang von Interesse.
Zusätzlich konnten im Kaffeewachs weitere potentielle Wertstoffe in signifikanten Konzentrationen nachgewiesen werden, wodurch sich eine Extraktion dieser Bestandteile auch unter ökonomischen Aspekten rentieren würde. Hierzu gehört zunächst ein Restgehalt Koffein, das bis zu ca. 10% in Wachsen aus der Lösungsmittelextraktion vorkommt. Ein weiterer potentieller Wertstoff ist das 16-O-Methylcafestol, das als Standard für die Routineanalytik von Kaffee verwendet wird und für diesem Zweck aus dem Produktionsabfall Kaffeewachs isoliert werden könnte. Die Analysen auf unerwünschte Bestandteile im Wachs - wie etwa Pestizide und Schwermetalle - ergaben teilweise negative Befunde. Lösungsmittelreste konnten bei dem Kaffeewachs aus der Dichlormethan-Entkoffeinierung nachgewiesen werden. Der Abfallstoff Kaffeewachs enthält bis zu 75 µg/kg Ochratoxin A.
Grundsätzlich erfüllt das technische Kaffeewachs die Definitionskriterien der Deutschen Gesellschaft für Fettwissenschaften und ist somit auch faktisch als Wachs anzusehen. Einer Verwertung stehen beim Kaffeewachs aber besonders Farbe und Geruch entgegen. Im Rahmen des Vorhabens wurden verschie-dene Versuche zur Aufarbeitung des Wachses vorgenommen, wie z.B. die Entfärbung und Desodorierung mit Aktivkohle, wobei allerdings recht hohe Mengen an Aktivkohle benötigt werden. Hier muss das Verfahren weiter optimiert werden. Dieses könnte etwa auch durch den Einsatz verschiedener Aktivkohlen hintereinander geschehen.
Bleichversuche mit anderen Bleichmitteln wie Bentonit und H2O2 waren bis jetzt nur von geringem Erfolg. Zwar konnte hier teilweise ebenfalls eine Aufhellung und Desodorierung des Kaffeewachses erreicht werden, allerdings noch nicht in dem gewünschten Ausmaße.
Erfolgreich ist hingegen die Desodorierung des Kaffeewachses durch die Behandlung mit Wasserdampf. Durch dieses Verfahren konnte eine wirksame Desodorierung des Wachses erreicht werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Geplant ist eine Publikation der Charakterisierung des Kaffeewachses im SÖFW-Journal.


Fazit

Das Ziel bestand in einer möglichst umfassenden chemischen Charakterisierung des Produktionsabfalls Kaffeewachs. Die Hauptkomponenten sowie interessante und potentiell verwertbare Inhaltsstoffe konnten im Rahmen der durchgeführten Arbeiten identifiziert werden.
Zur Verwertung des Produktionsabfalls Technisches Kaffeewachs und für die weitere Bearbeitung des Projektes sollten 2 Wege parallel weiter verfolgt werden:
- Isolation von Wertstoffen, d.h. ökonomisch verwertbaren Inhaltsstoffen aus dem Kaffeewachs. Hierzu gehören Koffein, 16-O-Methylcafestol und das Serotonin.
- Aufarbeitung des um die Wertstoffe reduzierten Wachses in toto. Hierbei kommt es besonders auf die Entfärbung und Desodorierung des Produktionsabfalles an. Hierzu sind allerdings weitere Arbeiten notwendig, um das Endziel des Vorhabens zu erreichen, d.h. die Herstellung eines hochwertigen Wachses, das als sekundärer Rohstoff weiter verwendet werden kann.