Einsatz von synthetischen anorganischen Adsorbermaterialien zur Proteinaufreinigung am Beispiel der Molkeproteine

Abstract

Seit dem Beginn der Produktion und Veredelung von Nahrungsmitteln im großtechnischen Maßstab steigen nicht nur die Mengen an den Hauptprodukten dieser Prozesse, sondern auch die Mengen der dabei anfallenden Nebenprodukte. Die Entsorgung dieser Nebenprodukte über Flüsse oder Kläranlagen stellte auf Grund deren BOD (biochemical oxygen demand) zunehmend ein Problem dar, dessen Lösung unabdingbar wurde. Eines dieser Nebenprodukte, welches in stets zunehmender Menge anfällt ist Molke, das Hauptnebenprodukt der Käseherstellung. Die produzierte Jahresmenge betrug für das Jahr 2011 alleine in Deutschland geschätzte 11,80 Mio. Tonnen. Das einstige Abfallprodukt Molke wird seit den 1950er Jahren in zunehmendem Maß vorwiegend zu Molkekonzentrat, einer 5 bis 6-fach aufkonzentrierten Molkelösung, und Molkeproteinpulvern mit steigendem Proteinanteil aufgearbeitet. In den 2000er Jahren kamen verstärkt Isolate einzelner Molkeproteine dieser Produktpalette hinzu. Bereits vor 15 Jahren wurde die weltweit produzierte Menge an Molkeproteinkonzentrat auf über 140.000 Tonnen geschätzt. Molkeproteinpulver und alpha-Lactalbumin (ALA) wurden zu dieser Zeit in einer geschätzten Menge von 2.300 Tonnen bzw. 230 Tonnen jährlich hergestellt. Mit der zunehmenden Reinheit der Proteinfraktionen stieg auch deren Marktwert von etwa 1 $/kg für die ersten Molkeproteinpulver in den 1960er Jahren bis auf 600$/kg für Fraktionen einzelner Proteine mit hoher Reinheit. Die überwiegende Mehrheit dieser Produkte findet seinen Einsatz in der Nahrungsmittelindustrie, wie beispielsweise bei der Produktion von Säuglingsnahrung, Sportlerernährung oder als Texturbildner in verschiedensten Nahrungsmitteln des täglichen Konsums. Die am weitesten verbreiteten Prozesse zur großindustriellen Aufarbeitung von Molke sind die Ultrafiltration und die Chromatographie. Andere Verfahren wie Fällungsprozesse oder peptische Hydrolysen kommen mit steigender Prozessgröße immer seltener als alleiniges Aufarbeitungsverfahren von Molke zum Einsatz. Viele der beschriebenen und angewendeten Verfahren arbeiten in einem der ersten Schritte mit einer Modifikation des pH-Wertes des Eduktes Molke. Dies ist in dem hier vorgestellten Verfahren nicht der Fall, das Edukt wird ohne Veränderungen oder Modifikationen eingesetzt. Es werden keine einzelnen Komponenten der Molke im Voraus entfernt oder durch z. B. peptische Hydrolyse zerstört. Die eingesetzten Chemikalien sind ungiftig und müssen keinen kostenintensiven Entsorgungsverfahren zugeführt werden. Im Gegensatz zu Verfahren mit Fällungssalzen können die eingesetzten Chemikalien im Produkt durch Neutralisation einfach wieder entfernt werden oder kommen in nur geringen Konzentrationen vor. Es treten im Gegensatz zu chromatographischen Methoden nur geringe Fluidströme, z. B. Waschwasser, auf und der Prozess bedarf keiner massiven Temperaturerhöhung des Eduktes, um beispielsweise die Viskosität zu erhöhen. Die eingesetzten Adsorbentien sind kostengünstig (unter 10 €/kg) und können im Fall von Siliziumdioxid als restproteinbeladener Tierfutterzusatz entsorgt werden. In dem vorgestellten Prozess können die Hauptkomponenten der Molke alpha-Lactalbumin (ALA), beta-Lactoglobulin (BLG) und Lactose voneinander getrennt werden, was mit den meisten Membranverfahren im industriellen Maßstab nicht oder nur ungenügend möglich ist. Im Prozess werden lediglich einfache Rührkessel und Filtrationseinheiten eingesetzt. Des Weiteren ist der Prozess leicht in bestehende Aufarbeitungsverfahren integrierbar und/oder durch zusätzliche Verfahren, wie beispielsweise vor- oder nachgeschaltete Membranverfahren, ergänzbar. Dadurch besitzt er ein hohes Potential zur Optimierung und weiteren Kostenersparnis. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze zur Aufarbeitung verfolgt, miteinander verglichen und ein Prozessentwurf mit Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für den Batch-Ansatz vorgestellt. Für einen chromatographischen Ansatz wird ausgehend von Isothermen und Adsorptions- und Desorptionsversuchen in einer Kleinsäule die Produktivität für ein Material aus gamma-Aluminiumoxid ermittelt. Für alle in dieser Arbeit verwendeten Materialien aus Bentonit/Kieselsäure, Siliziumdioxid und gamma-Aluminiumoxid werden die Permeabilität der Säulenpackung, deren maximale Bindekapazität und Stabilität angegeben. Der Einfluss einer Reduktion der Partikelgröße auf die Proteinbindekapazität daraus resultierender Adsorbensschüttungen wird ebenfalls betrachtet. Eine gängige Betriebsweise für viskose Fluide mit teilweise ungelöstem Feststoffanteil, wie Molkekonzentrat, stellt die Expanded Bed Chromatographie dar. Eine rechnerische Abschätzung für das Material aus gamma-Aluminiumoxid ergänzt experimentelle Beobachtungen hinsichtlich der Eignung des Materials für die Expanded Bed Chromatographie. Zur Trennung von ALA und BLG wird ein Ansatz mittels selektiver Adsorption im Durchbruch mit einem Ansatz mittels selektiver Desorption in einem Stufengradienten aus Kaliumphosphat als Eluent verglichen. Für den Batch-Ansatz wird aus den Ergebnissen von Adsorptionsisothermen und einstufigen Batchversuchen eine Stoffstromsimulation auf Grundlage eines verfahrenstechnischen Fließbilds erstellt. Der vorgestellte Prozess besteht aus 6 Rührkesselreaktoren, Filtrationsmodulen zur Fest-Flüssig-Phasen Trennung und zwei Sprühtrocknungseinheiten. Eine Prüfung des vorgestellten Prozesses auf seine Wirtschaftlichkeit wird vor dem Hintergrund möglicher Produktpreise diskutiert