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Biosynthese von Galactooligosacchariden in Sauermolke und Molkenpermeat, TP2 'GOS-Synthese in Sauermolke'

Produktion von Fucosyllactose auf Molke-Basis, KMU-innovativ -KMUi-BÖ03: ProFaM - Produktion von Fucosyllactose auf Molke-Basis

Produktion von Fucosyllactose auf Molke-Basis

Nachhaltige Ressourcenoptimierung eines Molkereistandortes unter Einbeziehung eines produktionsintegrierten Umweltschutzkonzeptes (MARS) gemeinsam mit der Muttergesellschaft DMK Deutsches Milchkontor GmbH (FKZ: 3813013)

DMK Deutsche Milchkontor GmbH betreibt am Standort Altentreptow in Mecklenburg Vorpommern eine Käserei und eine Molkereiveredelungsanlage. Im Käsereiprozess fällt hochwertige Molke an, die zu Lactose, Molkenpermeaten und hochkonzentrierten Molkenproteinen weiterverarbeitet wird. Insbesondere die Prozesse der Molkenveredelung unterliegen einem hohen Ressourcenverbrauch. Es werden große Wasser-, Strom- und Brennstoffmengen für Membranfiltrationsprozesse, Eindampfungsanlagen und eine thermische Sprühtrocknung benötigt. Der hohe Ressourcenbedarf und die Belastung der Abwasserreinigungsanlage verursachen entsprechende Umweltauswirkungen und bremsen gleichzeitig eine dynamische, nachhaltige Unternehmensentwicklung. Ziel des Vorhabens ist es, ein Medienaufbereitungs- und Rückgewinnungssystem (MARS) zu installieren. Das Medienaufbereitungssystem besteht aus einem Mediensammelnetz, zur Sammlung und Rückstapelung von heißen Reinigungs- und Spülmedien, um ungelöste organische Schwebstoffe, die bei der Erhitzung von Milch oder Molke entstehen können, abzutrennen. In Verbindung mit einem Wärmerückgewinnungssystem werden die Energieströme zwischen dem Mediensammelsystem und den Produktionsprozessen ausgetauscht und der Produktion für Wärme- und Kühlzwecke wieder zugeführt. So wird neben der Stoffstromoptimierung im Bereich der Reinigungs- und Spülwässer eine gleichzeitige Steigerung der Energieeffizienz erreicht und die Belastung der Abwasserreinigungsanlage verringert. Mit dem Vorhaben können jährlich bis zu 25.000 Megawattstunden Primärenergie eingespart werden. Außerdem kann im Zulauf der Abwasserbehandlungsanlage die organische Belastung um bis zu 1.000 Tonnen pro Jahr und die Temperatur durchschnittlich um bis zu 5°C verringert werden. Daraus ergibt sich ein CO2-Minderungspotenzial von bis zu 4.700 Tonnen pro Jahr.

Nachhaltige Ressourcenoptimierung eines Molkereistandortes unter Einbeziehung eines produktionsintegrierten Umweltschutzkonzeptes (MARS) gemeinsam mit der Muttergesellschaft DMK Deutsches Milchkontor GmbH (FKZ: 3813013), Nachhaltige Ressourcenoptimierung eines Molkereistandortes unter Einbeziehung eines produktionsintegrierten Energieeffizienzkonzeptes (MARS)

DMK Deutsche Milchkontor GmbH betreibt am Standort Altentreptow in Mecklenburg Vorpommern eine Käserei und eine Molkereiveredelungsanlage. Im Käsereiprozess fällt hochwertige Molke an, die zu Lactose, Molkenpermeaten und hochkonzentrierten Molkenproteinen weiterverarbeitet wird. Insbesondere die Prozesse der Molkenveredelung unterliegen einem hohen Ressourcenverbrauch. Es werden große Wasser-, Strom- und Brennstoffmengen für Membranfiltrationsprozesse, Eindampfungsanlagen und eine thermische Sprühtrocknung benötigt. Der hohe Ressourcenbedarf und die Belastung der Abwasserreinigungsanlage verursachen entsprechende Umweltauswirkungen und bremsen gleichzeitig eine dynamische, nachhaltige Unternehmensentwicklung. Ziel des Vorhabens ist es, ein Medienaufbereitungs- und Rückgewinnungssystem (MARS) zu installieren. Das Medienaufbereitungssystem besteht aus einem Mediensammelnetz, zur Sammlung und Rückstapelung von heißen Reinigungs- und Spülmedien, um ungelöste organische Schwebstoffe, die bei der Erhitzung von Milch oder Molke entstehen können, abzutrennen. In Verbindung mit einem Wärmerückgewinnungssystem werden die Energieströme zwischen dem Mediensammelsystem und den Produktionsprozessen ausgetauscht und der Produktion für Wärme- und Kühlzwecke wieder zugeführt. So wird neben der Stoffstromoptimierung im Bereich der Reinigungs- und Spülwässer eine gleichzeitige Steigerung der Energieeffizienz erreicht und die Belastung der Abwasserreinigungsanlage verringert. Mit dem Vorhaben können jährlich bis zu 25.000 Megawattstunden Primärenergie eingespart werden. Außerdem kann im Zulauf der Abwasserbehandlungsanlage die organische Belastung um bis zu 1.000 Tonnen pro Jahr und die Temperatur durchschnittlich um bis zu 5°C verringert werden. Daraus ergibt sich ein CO2-Minderungspotenzial von bis zu 4.700 Tonnen pro Jahr.

Mikropartikulierung von Molkenproteinen mittels Heißextrusion

Molkenproteine werden auf Grund ihrer hervorragenden technologischen und ernährungsphysiologischen Funktionalität zur Verbesserung der Produktqualität eingesetzt. Molkenproteine stellen etwa 20 Prozent des gesamten Milchproteins dar, sie verbleiben bei der Käseherstellung in der Molke und fallen dadurch in großen Mengen (ca. 120.000 t im Jahr 2009) an. Durch eine Funktionalisierung der Molkenproteine sind besondere lebensmitteltechnologische Anwendungen möglich. Eine geeignete Möglichkeit dafür ist die Mikropartikulierung, d.h. die Partikelbildung durch Aggregation der Proteine. Außer in Milchprodukten finden mikropartikulierte Molkenproteine bereits einen breiten Einsatz auch in der Fleisch-, Fisch-, Süß- und Backwarenindustrie sowie in der pharmazeutischen Industrie. Ein wirtschaftlicher Nutzen ergibt sich beispielsweise durch eine Reduzierung des Fettgehaltes, eine Verbesserung der sensorischen Qualität sowie eine Erhöhung der Produktausbeute. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften der mikropartikulierten Molkenproteine, wie Partikelgröße, Denaturierungsgrad und Struktur der Aggregate, werden hauptsächlich durch die thermische Behandlung und die Schereinwirkung bestimmt. Diese bestimmen das Verhalten der Proteinaggregate im Endprodukt. Die Forschungsstelle untersucht seit Jahren die Funktionalisierung von Proteinen, insbesondere von Molkenproteinen. Hierbei werden verfahrenstechnische Prozesse, wie z.B. eine thermisch-mechanische Behandlung, eingesetzt, die bisher meist im Schabewärmetauscher erfolgte. Dieses Verfahren ist eine geeignete Möglichkeit, Molkenproteine zu partikulieren. Allerdings sind damit nur niedrige Trockenmasse- und Proteingehalte (max. 10 - 20 Prozent) bei gleichzeitig hohem Verhältnis von Lactose zu Protein möglich, wenn eine hohe Ausbeute (d.h. ein hoher Denaturierungsgrad) erzielt werden soll. Dadurch müssen große Massenströme erhitzt und relativ lange Erhitzungszeiten angewendet werden. Dies schlägt sich in einem hohen Energieverbrauch nieder. Außerdem sind die realisierbaren Prozessbedingungen, wie Scherbeanspruchung und Prozesstemperatur, begrenzt und die Standzeiten aufgrund unbefriedigend beherrschter Produktansatzbildung eher gering. Die thermisch-mechanische Behandlung kann außerdem durch einen sequentiellen Prozess realisiert werden, bei welchem das Produkt zunächst erhitzt und anschließend z.B. mittels HD-Homogenisator geschert wird; auch bei diesem Verfahren sind die möglichen Proteinkonzentrationen noch geringer. Genau diese Vorteile vereint jedoch die Extrusion. Deshalb war es Ziel des Forschungsvorhabens, Molkenproteinpartikel mit unterschiedlicher Aggregatgröße und Eigenschaften bei hohen Protein- und Trockenmassegehalten und gleichzeitig hoher Produktausbeute mittels Heißextrusion als neuem effizienteren Verfahren für die Mikropartikulierung herzustellen.

Thermische und enzymatische Modifizierung der funktionellen Eigenschaften von Molkenproteinkonzentraten aus Sauermolke

In Deutschland fallen ca. 12,3 Mio. t/a Molke an, wobei der Sauermolkeanteil, incl. Thermoquarkmolke, etwa 27Prozent beträgt. Sauermolke gilt nach wie vor als schwer verarbeitbar, weil aufgrund des pH-Wertes einige individuelle Molkenproteine die Ultrafiltration (UF) erschweren. Außerdem ist etwa 1Prozent der Lactose bereits zu Milchsäure fermentiert. Große Unternehmen verschneiden zum Teil Süßmolke mit Sauermolke, um die Sauermolke wenigstens partiell verwerten zu können. Aber gerade kleine und mittlere Unternehmen (kmU) sind dazu nicht in der Lage, weil ihnen die notwendige Rohstoffmenge fehlt. Wenn es gelingen sollte, einen praktikablen Lösungsweg für die Veredelung von Sauermolke hin zu Molkenproteinkonzentraten und Molkenproteinkonzentraten mit vorgegebener Funktionalität zu erarbeiten, wäre ein brachliegendes Geschäftsfeld insbesondere für kmU erschließbar. Ziel des Projektes: a) Die Erarbeitung eines wissenschaftlichen Ansatzes für die kontrollierte Verbesserung der Filtrierbarkeit von Sauermolke. Dazu soll die Molke durch pH-Variierung, partielle Decalcinierung und bei unterschiedlichen Temperaturen in Verbindung mit einer Zentrifuge vorgeklärt werden, dass sie anschließend unter standardmäßigen Bedingungen (transmembraner Druck 2,0 bar; 40 C, Cut-Off 10 kDa) filtrierbar wird. Das anfallende Sauermolken-Proteinkonzentrat soll mindestens gleiche funktionelle Eigenschaften haben, wie das aus Süßmolke. b) Aus dem anfallenden Proteinkonzentrat sind neue innovative Produkte zu entwickeln mit reproduzierbaren, definierten funktionellen Eigenschaften durch enzymatische Modifizierung sowie durch thermische Modifizierung. Dieses Ziel beinhaltet die Erarbeitung der Bedingungen für eine kontrollierte partielle Hydrolyse der Molkenproteine und die Aufklärung des Zusammenhangs zwischen dem Grad der Auffaltung vom b-Lactoglobulin und den resultierenden Schaum-, Emulgier- und Gelbildungseigenschaften in Sauermolken-Proteinkonzentrat. Außerdem ist zu klären, ob sich hochfunktionelles natives b-Lactoglobulin aus Sauermolke über eine selektive peptische Hydrolyse kostengünstig gewinnen lässt.

Entwicklung und Einsatz von Katalysatoren zur Oxidation von niedermolekularen Kohlenhydraten, Teilvorhaben 1: Katalysatoroptimierung und -testung

Im Rahmen des Vorhabens soll eine Weiterentwicklung von Goldkatalysatoren im Labor- und Pilotmaßstab sowie ein grundlagenorientiertes Katalysator- und Substratscreening für die Oxidation von niedermolekularen Kohlenhydraten durchgeführt werden. Dabei stellt das Katalysator- und Substratscreening einen wichtigen Schwerpunkt dar. Weitere Schwerpunkte sind die Katalysatorpräparation und -charakterisierung. Die Katalysatoren sollen sowohl unter absatzweisen als auch unter kontinuierlichen Bedingungen insbesondere im Hinblick auf ihre kinetischen Eigenschaften untersucht werden. Des Weiteren sollen die Katalysatoren in der neu zu bauenden Pilotanlage der Südzucker AG eingesetzt werden. Im Erfolgfall resultiert aus dem Projekt ein kostengünstiges chemisch-katalytisches Verfahren zur Herstellung von Glucon- , Lactobion- und Maltobionsäure. Daher würde bei einem erfolgreichen Projektabschluss in der nächsten Phase eine Demonstrationsanlage gebaut werden. Darin sollen vor allem die Substrate umgesetzt werden, für die bislang kein Markt besteht. Die produzierten Substanzen sollen für eine Markterschließung genutzt werden.

Polyolherstellung aus Pflanzenoelen waehrend des chemischen Polyurethanrecyclings

Gesamtziel des Vorhabens ist die Herstellung von Polyolkomponenten auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen. Als nachwachsende Rohstoffe werden dabei Verbindungen eingesetzt, die ver- bzw. umgeestert werden koennen. Definitionsgemaess koennen dementsprechend alle natuerlichen Rohstoffe eingesetzt werden, die Hydroxyl-, Amin-, Carbonsaeure und/oder Estergruppen enthalten. Diese Verbindungen koennen durch einfache Umesterungs- bzw. Veresterungsprozesse in Polyolkomponenten ueberfuehrt werden. Zu diesen Verbindungen zaehlen insbesondere Pflanzenoele wie z.B. Rapsoel, die Grundlage dieses Vorhabens sind. Die auf Basis dieser nachwachsenden Rohstoffe hergestellten Polyole koennen zu Isocyanatprepolymeren weiterverarbeitet werden oder direkt fuer die Produktion von Polyurethan eingesetzt werden. Aufgrund der Variationsmoeglichkeiten bei der Polyolherstellung koennen 'tailor made'-Polyole produziert werden, die in praktisch allen Bereichen des Werkstoffes Polyurethan (Hartschaum, Weichschaum, Kompaktmaterial usw.) Einsatz finden. Der innovative Charakter des Vorhabens liegt darin, die Polyolherstellung aus nachwachsenden Rohstoffen in den chemischen Recyclingsprozess von PUR zu integrieren. Hierbei ergeben sich wertvolle Synergieeffekte und hervorragende Polyoleigenschaften. Beim chemischen Recycling von PUR werden die PUR-Reststoffe durch chemische Prozesse (Veresterung, Umesterung usw.) in niedermolekularen, isocyanatreaktive Abbauprodukte (Recyclingspolyol) gespalten, die wiederum als Polyolkomponente fuer die PUR-Herstellung eingesetzt werden koennen. Beim chemischen Recycling, welches in allen PUR-Bereichen in immer groesser werdenden Massstab eingesetzt wird, werden zur Zeit praktisch ausnahmslos petrochemische Reagenzien eingesetzt. Fast alle nachwachsenden Rohstoffe koennen bis auf wenige Ausnahmen (Rizinusoel, Glycerin) nicht direkt fuer die PUR-Herstellung eingesetzt werden. Es muessen erst chemische Prozesse (z.B. Umesterungen, Veresterungen..) durchgefuehrt werden, damit z.B. Rapsoele oder Milchzucker fuer die PUR-Herstellung verwendbar sind. Die Aufarbeitung der nachwachsenden Rohstoffe kann entfallen, wenn diese direkt beim chemischen Recycling zugegeben werden. Durch die waehrend des Recyclingsprozesses ablaufenden Reaktionen (Umesterung, Veresterungen...) werden die nachwachsenden Rohstoffe funktionalisiert und koennen dann direkt als Polyolkomponenten fuer die PUR-Herstellung eingesetzt werden. Dadurch, dass sowohl beim chemischen PUR-Recycling als auch bei der Umesterung von Pflanzenoelen die selbe Anlagen- und Verfahrenstechnik eingesetzt wird, koennen diese Verfahren in beliebiger Form kombiniert werden. Weil das PUR-Recycling immer in Kooperation und im Interesse eines PUR-Verarbeiters, der Polyol als Rohstoff einsetzt, stattfindet, ist ein direkter und konkreter Absatzmark fuer die auf Basis von nachwachsenden hergestellten Polyole gegeben.

Entwicklung und Erprobung einer Beistellanlage zur energiesparenden Eindampfung korrosiver Lösungen aus den Bereichen Lebensmittelindustrie und industrieller Wässer

An einer Versuchsanlage, die für die windgetriebene Meerwasserentsalzung gebaut und betrieben wurde, soll durch technische Modifikationen Molke bzw. Molkepermeat in Zusammenarbeit mit der Molkereigenossenschaft Bergen aufkonzentriert werden. Dabei soll der spezifische Energieverbrauch gegenüber den Stand der Technik um 25 - 50 Prozent gesenkt werden. Die Technik, die dabei eingesetzt wird, ist die Brüdenverdichtung. Durch Modifikation dieser klassischen Technik können diese Reduktionen erreicht werden. In Technikumsversuchen sind diese niedrigen spezifischen Energieverbräuche schon nachgewiesen worden. Durch eine Kombination von hochkorrosionsfesten Werkstoffen und Änderung des pH-Wertes in situ sollen auch Ablagerungen an den Verdampferflächen verhindert werden, die im Verlauf von Eindampfprozessen mit der Zeit zu höheren Energieverbräuchen führen. Die Technik soll so vereinfacht werden, dass im Prinzip jede Molkerei solche 'Beistellanlagen' installieren kann und die aufkonzentrierte Molke, bzw. das Molkepermeat transportabel werden und zu Wertstoffen (Milchzucker) aufgearbeitet werden können. Dies gilt auch für andere korrosiv wirkenden Wertstoff- oder Abfalllösungen.

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