Membranverfahren zur wirtschaftlichen Aufbereitung von Molken PDF
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FORSCHUNGS BERICHT DES LANDES NORDRHEIN -WESTF ALEN Nr. 2700/Fachgruppe Maschinenbau/Verfahrenstechnik Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Heinz Kühn vom Minister für Wissenschaft und Forschung Johannes Rau Prof. Dr. -Ing. Robert Rautenbach Dipl. -Ing. Klaus Rauch Institut für Verfahrenst echnik der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen Membranverfahren zur wirtschaftlichen Aufbereitung von Molken Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH CIP-Kurztitelau~nahme der Deutschen Bibliothek Rautenbach, Rabert Membranverfahren zur wirtschaftlichen Aufbe reitung von Molken / Robert Rautenbach; Klaus Rauch. - 1. Au~l. - Opladen: Westdeutscher Verlag, 1978. (Forschungs berichte des Landes Nordrhein West~alen; Nr. 2700 : Fachgruppe Maschinen bau, Verfahrenstechnik) NE: Rauch, Klaus: ISBN 978-3-531-02700-5 ISBN 978-3-663-06778-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-06778-8 © 1 978 by Springer Fachmedien Wiesbaden Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen 1978. Inhalt 1. Einleitung 1 2. Wirkungsweise und Grundlagen der 4 Membranfiltration 2.1 Membranaufbau und Membrankennzeichnung 5 2.2 Stoffaustauschvorgänge vor Membranen 7 3. Membranfiltration im Molkereiwesen 9 4. Experimentelle Untersuchungen 12 5. Prozeß- und Wirtschaftlichkeitsanalyse 25 5.1 Herstellung eines Molkenkonzentrats 25 durch Ultrafiltration 5.2 Optimale Flächenaufteilung beim 30 mehrstufigen UF-Prozeß 5.3 Verweilzeitverhalten der UF-Anlage 34 5.4 Verbesserung des Protein-Laktose/Salz 38 Verhältnisses durch Waschen des Molken konzenlrals 5.5 Herstellung eines Proteinpulvers 39 6. Zu sammenfassung 45 7. Formelzeichen 47 8. Li tera tur 49 - 1 - 1. Einle}i tung Verfahrenstechnisch gesehen ist die Käseherstellung ein Fällungs prozeß, bei dem durch Zugabe von Lab oder Säurewecker zur Milch die Kaseinfraktion abgetrennt wird. Nebenprodukt ist die Molke, die außer Wasser als Hauptbestandteil fast den gesamten Milch zucker. 1/5 der Milchproteine und den größten Teil der Vitamine und Mineralien der Milch enthält. Entsprechend der Zugabe von Lab oder Säurewecker zur Milch unterscheidet man noch zwischen Süßmolke (Labmolke) und Sauermolke (Quarkmolke). In der Literatur werden über die Zusammensetzung der Molke zum Teil abweichende Angaben gemacht. Diese lassen sich jedoch auf grund des unterschiedlichen Verarbeitungsverfahrens in den Käse reien, der verschiedenen Analysenverfahren und der jahreszeitli chen Einflüsse auf die Milch erklären. In Tabelle 1 sind die wichtigsten Inhaltssloffe von Sauermolke zusammengeslellt. Tabelle 1: Zusammensetzung der Sauermolke Wasser 94 95 Gew-% Laklose 3,8 4,2 Gew-% Eiweiß 0,8 1,0 Gew-% Mineralische 0,7 0,8 Gew-% ßeslandl'3ile Die Unterschiede zwischen Lab- und Sauermolke liegen vor allem im Milchzucker- und Milchsäuregehalt bzw. dem damit zusammen hängenden pH-Wert. Hauptsächlich aufgrund des technischen Aufwandes. den der Milch lranspor t über längere Strecken erfordert. waren in der Vel'J,.:angen heil Molkereien dezentralisiert und klein. Die Frage "wohin mil der Molke" konn le daher im allgemeinen so gelösl werden. da(~ die - 2 - Milchlieferanten Molke als wertvolle Grundlage für ein Viehfutter zurücknahmen. Kleinere Mengen wurden in die Kanalisation abgelas sen, obwohl aufgrund des hohen Laktose- und Proteingehaltes - ein .. + Liter Molke entspricht einem Einwohneräquivalent (EA) - Molke eine starke Belastung für jede Kläranlage darstellt. Die zunehmen de Zentralisierung der Molkereien - (in einer modernen Großmolke rei fallen etwa 400 t Molke pro Tag an) - macht diese tradi tio nellen Methoden der Molkeverwendung unmöglich und zwingt zu neuen Überlegungen bezüglich der Molke. Bild 1 zeigt den Verlauf des Molkenanfalls in den Jahren 1966 bis 1973. Beachtet man dabei, daß dieser erhöhte Molkeanfall bei einer gleichzeitigen Abnahme der Molkereien erzielt wurde - in NRW nahm z.ß. die Anzahl der Molkereien von 1960 bis 1975 von 303 auf 79 ab -, dann wird der große Strukturwandel in der Milchwirt schaft deu tUch. -- I-- o 60 t-- ~ 6 ~ 40 I-- ~ oE ~ gc: 20 2 ... ..lO: Ö o o ~ 1964 1966 1968 1970 1972 1974 Bild 1: Zunahme des jährlichen Molkenanfalls /1/ + EÄ - die durch einen Menschen pro Tag abgegebene Menge an or Substanzen - in der nRD auf 54 g nsn5 ~aniAchcn Sauerslorfbodarf in 5 (!!iolo~ij;chor Ta~en) reRl~ele~l. - 3 - Nicht übersehen werden darf hierbei, daß bei einem Molkenanfall von etwa 75.106 t/a die Molke eine interessante Proteinquelle darstellt /1/. Während die Verwendung der Molke in reiner Form als Viehfutter an ßedeutung verloren hat, konnten auf anderen Gebieten neue Absatzmärkte für Molkenprodukte erschlossen werden, z.B. in der Lebensmittelindustrie, in der pharmazeutischen und chemischen Industrie. Großtechnisch wird Molke z. Zt. überwiegend durch Vakuumeindampfung und nachfolgende Walzen- oder Sprüh-frocknung entsprechend ßild 2 zu einem Pulver aufgearbeitet. Milch KäSt Zusammensetzung des PlJlvers: Eiweiß: 12 Gr.w._o,o Laktose : 6'lGr.w.-% mineralische Bestandteile: 12 Gew.-% Molkenpulvcr ßild 2: Herstellung eines Vollmolkenpulvers - 4 - Entscheidender Nachteil dieser Verfahrensweise ist, daß hier nur Wasser entzogen wird, die Mengenrelation der restlichen Inhalts stoffe also erhalten bleibt. Ernährungsphysiologisch gesehen ist aber ein Pulver mit ca. 65 % Laktose, 12 % Eiweiß und 12 % Mine ralien nicht zumutbar - übrigens auch dann nicht, wenn durch Zwischenschalten einer Elektrodialyse und/oder Teilkristallisa tion des Milchzuckers eine geringfügige Verbesserung des Pro tein Laktose/Salz-Verhältnisses erzielt wird. Proteinkonzen tra tionen woi t über 50 'Iv und dami t en tschoidondc Qua litätsverbesserungen sind aber möglich durch den Einsatz der Ul trafiltration. 2. Wirkungsweise und Grundlagen der Membranfiltration Man unterscheidet bei der Membranfiltration in Abhängigkeit vom 'frcnnbcrcich der MDmbra~ zwischen Ultrafiltration (Url und Um kehrosmose (RO). Die zur Ultrafiltration eingesetzten Mombranon besitzen eine Porenstruktur, die so beschaffen ist, daß sämtli che Eiweißverbindungen zurückgehalten werden. Alle niedermole kularen Verbindungen wie Laktose, Salze (sowie Wasser) können dagegen die Membran permeieren. Von Umkehrosmose spricht man, wenn auch die niedermolekularen Inhaltsstoffe von der Membran zurückgehalten werden. Die Grenze zwischen Ultrafiltration und Umkehrosmose ist also im Grunde nicht scharf definiert. In jedem Fall erfordert das Abpressen des Filtrats eine trans membrane Druckdifferenz. Diese ist bei der Ultrafiltration meist nur gering « 6 bar). Bei der Umkehrosmose arbei tet man dagegen wegen der dichteren Membranen und des zu berücksichti genden osmotischen Drucks mit transmembranen Druckdifferenzen von mehr als 30 bar. - 5 - 2.1 Membranaufbau und Membrankennzeichnung Selektiv wirkende Membranen können heute - und dies trägt wesent lich zu der augenblicklich explosionsartigen Ausbreitung von Membrantrennprozessen bei - aus einer Vielzahl von Materialien gefertigt werden, Z.ß. aus Celluloseestern (Celluloseacelal, Cellulosetriacetat), Polyamid, Polycrylnitril und porösem Glas. Zur Umkehrosmose werden heute noch bevorzugt Membranen aus Celluloseacetat (CA) eingesetzt, die in ihrer Leistung, wenn auch leider nicht in ihrer chemischen Beständigkeit, noch immer unübertroffen sind /2/. Der Membranaufbau ist dabei entsprechend Bild 3 asymmetrisch: Auf einem hochporösen l'raggerüst, das den Stofftransporl bei der Umkehrosmose und Ultrafillration kaum beeinflußl, silzl die sehr dünne und dichte Schicht (0,2 - 1 ~m), die für die Stoff trennung maßgebend ist. Die Trenncharakteristik dieser "ak liven" Membranschichtkann durch Variation der Herstellungs bedingungen in weiten Grenzen variiert werden. ~~~~~~~~~~~it aktive SChich1t _ _ Bild 3: Schematische Darstellung einer asymmetrischen Membran - 6 - Zur Kennzeichnung der UF-Membranen hat sich neben dem scheinbaren Rückhaltevermögen R R = 1 - (1 ) die molekulare Trenngrenze eingeführt. Diese gibt an, von welcher Molmasse an aufwärts die gelösten Inhaltsstoffe mehr oder weniger vollständig von der Membran zurückgehalten werden. Im Grunde kann allerdings die Trenngüte einer Ul traUl trationsmembran nur durch eine Trennkurve (Bild 4) charakterisiert werden. Die mit gcei~ neten Testsubstanzen experimentell zu bestimmende Trennkurve gibt dann an, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Teilchen bestimmter Molmasse von der Membran zurückgehal ten wird .. Legt man das Poren modell für die Membran zugrunde, so besteht ein strenger Zusam menhang zwischen der Trennkurve und der Porengrößenverteilung. 1,0 I ·1 Trennverhalten /, - , 0: ideal . I .Cc, I -_-.-- scharf / ,I :E;0; diffus / ,I -.>, 0,5 .I , ö / I ~ :~:U:1 -- V- ,II 0: /' I MO -molekulare . ---.." / V Trenngrenze ..,." 103 10' Moimassl M Bild 4: Trenngüte verschiedener UF-Membranen - 7 - Der technische Einsatz der Membranen erfolgt in sogenannten Mo dulen, die sich vor allem durch die Ausbildung der Membran-Ab stützung unterscheiden. Wichtigste Bauformen für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie sind die Röhren-, Platten- und Kapil larmodulp.. 2.2 Stoffaustauschvorgänge vor Membranen Leistungsbegrenzend wirkt sich, wie bei allen Membranverfahren, die Konzentrationsüberhöhung, d.h. die Anreicherung der zurück gehaltenen Inhaltsstoffe an der Membranoberfläche aus (Bild 5) . • nieder moleku lar e Stoffe (Laktose, Salze) cp Ap v ---+ o EiweiO o o >.. o , c Molken- M,olke 0 c:::t> . 0 konzentrat Strömungskern . . 0 __ __._ .:....D_..L- """T""": O · .0 . 0 0 ° Grenzschicht '0 .0 00 '000 , 00 0' '0 ' • 0 0'0' ? 0000.00.0 .-~~ Membran . . ~Filtrat Bild 5: Stoffaustausch vor Membranen bei der Molkeverarbeitung Aufgrund des treibenden transmembranen Druckgefälles werden das Lösungsmittel und der gelöste Stoff konvektiv zur Membran trans portiert. Bedingt durch die stark unterschiedlichen Flüsse für Lösungsmittel und Gelöstes in der Membran, muß der größte Teil
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