Extraktion mit Ethanol setzt wertvolle Inhaltsstoffe frei

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Geschälte Rapssaat zur Herstellung von Roh- und Wertstoffen zu nutzen, war das Ziel bei der Entwicklung des EthaNa-Verfahrens. Der große Unterschied zu den konventionellen Verfahren liegt im Lösemittel. Die Forscher vom Fraunhofer CBP und der B+B Engineering GmbH setzen nicht Hexan, sondern Ethanol zur Extraktion der Ölsaaten ein. Das Verfahren soll schon bald in einer Raps-Bioraffinerie umgesetzt werden.

Aufgrund seiner hohen Löslichkeit für Triglyceride und der anschließend guten Abtrennung von der Miscella wird in der rapsverarbeitenden Industrie vornehmlich n-Hexan als Extraktionsmittel verwendet. In den letzten Jahrzehnten wurden darauf basierende Extraktionsverfahren optimiert, die Ölausbeuten erhöht und die Wirtschaftlichkeit der Verfahren verbessert. Nachteilig bei diesen konventionellen Verfahren ist jedoch generell der Einsatz von Hexan als Extraktionsmittel. Hexan ist zum einen selbst ernährungsphysiologisch bedenklich. Zudem ist das Raps-Extraktionsschrot nur begrenzt als Tierfutter einsatzfähig, da im Raps vorhandene antinutritive Substanzen nicht mit Hexan extrahiert werden und im Raps-Extraktionsschrot verbleiben. Dazu kommt, dass wertvolle Inhaltsstoffe mittels Hexan gar nicht extrahiert werden können. Die thermische Belastung während des Austreibens der Hexan-Rückstände im Extraktionsschrot führt zur Proteinschädigung. Dies begrenzt die Anwendung als wertvolle Futterkomponente und senkt im Folgenden den Preis dieses Hauptproduktes bei der Rapsverarbeitung. So werden derzeit Extraktionsmethoden mit alternativen Lösemitteln wie Ethanol untersucht.

Alternativer Verfahrensansatz

Ethanol kann zur Entfernung von Bitterstoffen, sogenannten Glucosinolaten und ihren Hydrolyseprodukten direkt aus dem Rapssamen verwendet werden. So kann Ethanol nicht nur zur Ölgewinnung, sondern auch zur gleichzeitigen Beseitigung der unerwünschten Nebenprodukte in einem Prozessschritt eingesetzt werden. Der Ansatz des ethanolischen nativen Extraktionsverfahren (EthaNa) besteht darin, geschälte Rapssaat zur Herstellung von Roh- und Wertstoffen zu nutzen. Durch den Schälprozess werden Faseranteile der Rapsschalen entfernt und damit der Proteingehalt im Tierfutter erhöht. Wertvolle Inhaltsstoffe wie Tocopherole, Polyphenole, Sinapin etc. können ebenfalls mittels Ethanol extrahiert werden.

Die Prozessschritte in der herkömmlichen Rapsverarbeitung in klassischen Ölmühlen schließen das Zerkleinern, Konditionieren, Vorpressen, eine Hexanextraktion und anschließende Desolventierung ein. Das EthaNa-Verfahren als alternativer Verfahrensansatz umfasst hauptsächlich die Schälung der Rapssaat, die Zerkleinerung, die Lösemittel- und Verdrängungsextraktion und die Fest-Flüsssig-Trennung und Desolventierung. Innovativ ist hierbei die mechanische Behandlung der geschälten Rapssaat.

Vor einer Lösemittelextraktion mit Hexan wird gemäß derzeitigem Stand der Technik eine Pressung als erste Entölungsstufe durchgeführt. Werden jedoch geschälte Rapssaaten verarbeitet, ist die Verwendung eines Kompressionsverfahrens (Vorpressen) nicht möglich. Es bedarf alternativer Methoden, um die Zellen zu brechen und das Öl freizusetzen. Diese schließen im neuen Verfahren einen mechanischen Zellaufschluss durch einen Rotor-Stator-System ein. Die anschließende ethanolische Extraktion der vorbehandelten geschälten Rapssamen führt zu Ölen mit Vorraffinat-Qualität. Nach Extraktion der Rapskerne durch Ethanol (in einer Maische mit 20 % Feststoffgehalt) bei ca. 60 °C führt dies zur Isolierung von freiem Öl mit einem Gehalt an freien Fettsäuren (FFA) von 0,06 bis 0,3 %. Der Phosphorgehalt ist mit 8,3 ppm ebenso vergleichbar mit Raps-Speiseöl. Zusätzlich führen die Extraktionsbedingungen zu einer Eliminierung der antinutritiven Substanzen im Rapskernkonzentrat bei gleichzeitiger Anreicherung von Proteinen. In diesem Fall wurde ein Restölgehalt unter Laborbedingungen von weniger als 2 % sowie ein Glucosinolatgehalt von weniger als 2 µmol/g erreicht. Der Proteinanteil betrug mehr als 50 %. Die isolierte Zwischenphase, als Extraktmix bezeichnet, enthält neben Phospholipiden, phenolische Verbindungen weitere wertvolle Inhaltsstoffe. Mittels Chromatographie konnte zudem qualitativ Sinapinsäure nachgewiesen werden. Die Rapsschalen werden in einem vorgelagerten Prozess abgetrennt und liegen als Faser und Ligninquelle vor. Untersuchungen für eine effiziente stoffliche Nutzung der Rapsschalen stehen zum jetzigen Zeitpunkt noch aus .

Pilotierung und Prozessbewertung

Das Fraunhofer CBP und B+B Engineering entwickeln seit 2013 das Verfahrenskonzept zur Effizienzverbesserung bei der Rapsverarbeitung. 2017 wurde ein Patent für ein Verfahren zum kombinierten Zellaufschluss und zur Extraktion ölhaltiger Saaten angemeldet. Mit dem Kickoff-Meeting im September 2017 erfolgte nun der Startschuss für das vom BMEL und über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) geförderte EthaNa-Projekt . Elf Partner aus Industrie und Forschung entwickeln das Verfahren unter Koordination des Fraunhofer CBP weiter. Ziel ist die Optimierung der Technologie im Pilotmaßstab und die industrielle Umsetzung. Hauptaugenmerk liegt auf der Prozessentwicklung und Demonstration des Gesamtverfahrens mit der Errichtung einer Pilotanlage am Fraunhofer CBP in Leuna für die Prozessschritte Schälung der Rapssaaten, Aufschluss und Extraktion der Rapskerne sowie die Abtrennung der Produktfraktionen. Dies schließt die Optimierung von Prozess- und Verfahrensparametern ein. Die isolierten Produkte sollen anschließend für den Einsatz in der Nahrungs- und Futtermittelindustrie bewertet werden. Die Ergebnisse und Daten sind Grundlage für eine techno-ökonomische und ökologische Verfahrensbewertung. Bestandteil des Projekts ist zudem die Erarbeitung von Strategien zur Industrieeinführung und Technologievermarktung. Erste Prozesseinheiten der Pilotanlage sollen im Herbst 2018 in Betrieb gehen. Die Herstellung von Produktmustern an Rapsöl und Rapskernkonzentrat sind für Ende 2019 geplant.

Hauptziel ist es, Prozesse für eine Raps-Bioraffinerie in Deutschland zu etablieren. Im Fokus steht die Integration einer alternativen Verarbeitungslinie von Raps, die zukünftig in die vorhandene Infrastruktur bestehender Ölmühlen eingebunden werden kann. Durch die Entwicklung dieses Prozesses ergibt sich neben neuen Produkten das Potenzial zur weltweiten Vermarktung der Verfahren und Anlagen. Weiterhin ermöglichen die Prozesse eine deutliche qualitative Verbesserung bisheriger Rapsprodukte. Das erweitert die Verwertung und steigert den Verkaufserlös. Als Ergebnis und durch die Isolierung von Wertstoffen schafft man neue Absatzmärkte für die Produkte.

www.prozesstechnik-online.de

Suchwort: cav0418fraunhofer


Autoren: Dr. Daniela Pufky-Heinrich Dr. Fabian Steffler Gunter Börner

Stellvertretende Leiterin Fraunhofer CBP, Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP

Projektleiter Raps-Bioraffinerie,

Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP

Direktor Innovation,

B+B Engineering

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