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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontinuierlichen Gewinnung von Proteinen aus Pflanzen-Presssäften nach dem Prinzip der Grünen Bioraffinerie. Pflanzen-Presssäfte sind Säfte aus Stängeln und Blättern von grünen Pflanzen, die nach einem Pressvorgang aus diesen gewonnen werden. Der gewonnene Presssaft bildet das Ausgangsprodukt für eine Proteingewinnung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet die Kombination von Koagulation und Phasentrennung als ursprünglich zwei Prozessstufen in einem Apparat. Vorrichtung und Verfahren führen durch eine effiziente kontinuierliche Betriebsweise (geringe Betriebs- und Investkosten) zur Herstellung hochwertiger Proteinkonzentrate z.B. für die Nutzung als Tierfutter.
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Unter Grüner Bioraffinerie versteht man ein Technologiesystem zur stofflichen und energetischen Verwertung nachwachsender Rohstoffe in Form von Grüner Biomasse und Abfallprodukten. In frischem grünem Pflanzengewebe enthaltenes Protein (z.B. Blattprotein) kann durch mechanische Zerstörung der Pflanzenzellwände, wie beispielsweise Hammermühlen, Häcksler, Schneckenpressen, Expeller u.ä., und Auspressen des proteinangereicherten Pflanzensaftes zu einem Teil von den Fasern getrennt werden. Dabei können verschiedene Pflanzen zum Einsatz kommen, unter denen Luzerne (oder Alfalfa, Medicago sativa) eine der eiweissreichsten Pflanzen ist. Die Herstellung von Proteinkonzentraten erfolgt generell in den vier Schritten: Auspressen des Saftes aus der Pflanze; Koagulieren, Abtrennen des Proteins vom Saft und Trocknen des Proteins.
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Dabei können bekanntermaßen unterschiedliche Methoden zur Gewinnung eines Proteingemisches angewendet werden, z.B. Hitzekoagulation; Ausfällen der Proteine durch Ansäuern; Proteinkoagulation infolge Fermentierung; Ausfällen der Proteine durch Einsatz von Polyelektrolyten; Polyampholyten oder andere Flockungsmittel; Ultrafiltration oder durch Kombination der Methoden. Daran anschließend folgen meist eine Dekanterzentrifugation und eine Trocknung des Proteinkonzentrates mit den verschiedensten Methoden. Fällungsmittel verbessern zwar die Koagulation und Abtrennung der Proteine, stellen aber gleichzeitig einen Zusatzstoff dar, der das Produkt verunreinigt und im Falle der Verwendung als Futtermittel wieder entfernt werden müsste.
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Seit vielen Jahren gibt es Bemühungen zur Gewinnung von Blattproteinen für die menschliche Ernährung aber auch als Futtermittel. Mit der Entwicklung einer Technologie zur Herstellung von Proteinen aus Grüngut beschäftigte sich erstmals Pirie in größerem Umfang (Pirie N.W., Leaf Protein as human food. Science 152 (1966) 1701–1705). Dabei stand die Presssaftgewinnung mittels verschiedener Vorbehandlungen und Konstruktionen von Pressen sowie die Zusammensetzung und Nutzung des erhaltenen Proteins im Vordergrund. Der Presssaft wurde in diskontinuierlicher Betriebsweise auf 70 °C erhitzt und die koagulierten Proteine abgetrennt.
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Der ProXan-Prozess baut auf einem von Pirie entwickelten Verfahren auf. Die Technologie hierzu wurde 1968 vom U.S. Department of Agriculture Western Regional Laboratory (USDA) entwickelt und 1976 erstmals in einer Pilotanlage getestet. Verschiedene Methoden zur Proteinextraktion wurden untersucht. Das Proteingemisch enthält in etwa 9% Lipide, 57% Protein, 100mg/kg Xantophyll und in geringen Mengen Minerale, Vitamine, Carotinoide und Isoflavone (
US 3,684,520 A ;
DE 2 224 790 A ). Der Presssaft wird jedoch in einem sehr aufwendigen mechanischen Prozess unter Zugabe von Chemikalien (Ethoxyquin als Antioxidans und Amoniak) gewonnen.
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Der ProXan-Prozess fand zum ersten Mal durch die Firma France Luzerne kommerzielle Anwendung (France Luzerne,
GB 1 528 782 A ). France Lucerne ist heute der weltweit größte Produzent von dehydriertem Alfalfa und grünem Blattproteinkonzentrat [www.deshyfrance.com]. Der Prozess wurde dahingehend modifiziert, dass die Proteine unter milderen Bedingungen extrahiert werden, um qualitativ hochwertig dehydriertes Alfalfa für die Fütterung von Wiederkäuern zu erhalten (der Rohproteingehalt im Futter darf nach Bestimmungen in Europa 15% nicht unterschreiten).
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Ein dem ProXan-Prozess ähnlicher Prozess – der Vepex-Prozess zur Herstellung von grünem Proteinkonzentrat im Großmaßstab ohne an die Dehydrierungsindustrie (Trockenwerke) von Grünfutter angeschlossen zu sein, zielt auf eine noch intensivere Extraktion der Proteine ab (Kromus S., Narodoslawsky M., Koschuh W., Grüne Bioraffinerie – Integrierte Grasnutzung als Eckstein einer nachhaltigen Kulturlandschaftsnutzung, Berichte aus Energie- und Umweltforschung 18 (2002) Kapitel 8, S. 117–142). Auf dem Vepex-Prozess basierende Anlagen wurden in den 70ziger und 80ziger Jahren in Dänemark, Ungarn, England und Neuseeland betrieben, sind jedoch durch die energieintensive Vorbehandlung des Grüngutes heute nicht wirtschaftlich. Zudem kann der Prozess nicht kontinuierlich betrieben werden.
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Zusammenfassend ist festzustellen, dass große Volumenströme von Pflanzen-Presssäften bekanntermaßen hohe Konzentrationen an wertvollen Proteinen aufweisen. Es ist deshalb ein Ziel, die vorhandenen Inhaltsstoffe quantitativ und ohne Qualitätseinbußen abzutrennen. Gelöste Proteine lassen sich, wie bereits ausgeführt, thermisch koagulieren, jedoch sind Zugaben von Flockungs- oder Fällungsreagenzien nicht erwünscht. An sich bekannte Verfahren realisieren eine Hitzekoagulation von Proteinen über die Höhe der Temperatur und/oder den eingestellten pH-Wert (Hulst et al.
EP 1 149 193 B1 , Batley
US 3,775,133 A ) oder die Koagulation findet in zwei oder mehr diskontinuierlich betriebenen Behältern statt (Kemme-Kroonsberg et al.
WO 1997/03571 A1 ). Anschließend werden durch Dekantieren die Proteine von einem wässrigen Überstand separiert. Probleme macht bei dieser Betriebsführung insbesondere der gebildete Proteinschaum, der sich nicht sauber separieren lässt. Darüber hinaus sind die Verfahren zeitlich aufwendig und mit Produktionsunterbrechungen (Zeiten für Füllen, Leeren und Reinigen der Apparate) verbunden.
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Die Aufgabe der Erfindung bestand deshalb darin, eine einfache Vorrichtung und ein kostengünstiges Verfahren für die Proteingewinnung aus Pflanzen-Presssäften bereitzustellen, das eine kontinuierliche Arbeitsweise gestattet, ohne Flockungs- oder Fällungsreagenzien auskommt und so Produkte in guten Ausbeuten und Qualitäten liefert.
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Diese Aufgabe kann mit Hilfe einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet eine kontinuierliche Fraktionierung von Pflanzen-Presssäften, wobei Proteinkoagulation und anschließende Separation in proteinreiche Phasen und einen Überstand mit vermindertem Protein-Stickstoff-Gehalt erfolgt. Die proteinreiche Phase als Hauptprodukt kann durch weiteren Wasserentzug in ein Proteinkonzentrat überführt werden.
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Vorrichtung und Verfahren beziehen sich auf Proteine, die aus dem Saft frisch geernteter grüner Pflanzen, wie Luzerne, Gras, Klee, Mais und Getreide (Grünschnitt) sowie grünen Blättern anderer Pflanzen gewonnen werden.
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Die Proteinprodukte stellen z.B. als Frischfutter ein sehr hochwertiges Futter dar und sind auch für Kälber und monogastrische Tiere wie Geflügel geeignet.
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Die Vorrichtung zur kontinuierlichen Gewinnung von Proteinen aus Pflanzen-Presssäften umfasst einen Koagulationsapparat, der in vier Bereiche eingeteilt vorliegt. Diese vier Bereiche sind durch jeweils eine Sperre voneinander getrennt. Dem Koagulationsapparat ist zum einen ein beheizbares Vorlagebecken mit Zulauf für den Pflanzen-Presssaft und zum anderen ein Dampferzeuger vorgeschaltet. Eine Zuleitung führt vom Vorlagebecken zum ersten Bereich des Koagulationsapparates und eine Zuleitung führt vom Dampferzeuger zum zweiten Bereich des Koagulationsapparates. Weiterhin weist der Koagulationsapparat einen unteren ventilgeregelten Auslauf für eine sedimentierte Proteinphase und einen oberen Auswurf für eine Proteinschaumphase im dritten Bereich auf sowie einen Auslauf als Drei-Wege-Ventil für den wässrigen Überstand im vierten Bereich. Die Unteransprüche 2 bis 7 stellen Vorzugsvarianten dar.
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Der Auslauf für den wässrigen Überstand im vierten Bereich führt bevorzugt über einen Wärmetauscher zu einem weiteren Auslauf zur Ableitung des wässrigen Überstandes. Der am Vorlagebecken befindliche Zulauf für den Presssaft kann auch über den Wärmeaustauscher in das Vorlagebecken geführt werden, wodurch dieser bereits vorgewärmt wird.
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Das Verfahren zur kontinuierlichen Gewinnung von Proteinen aus Pflanzen-Presssäften unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass Pflanzen-Presssaft in das Vorlagebecken gegeben und auf 40 bis 60°C vorgewärmt wird. Anschließend wird der vorgewärmte Presssaft in die Koagulationsapparatur überführt und Wasserdampf eingeleitet. Die Temperatur wird kontrolliert und die weitere Erwärmung erfolgt auf 75–85°C, so dass die Proteine koagulieren und Agglomerate bilden, die sich am Boden absetzen oder zur Oberfläche schwimmen und so als Sediment und Proteinschaum gewonnen werden.
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Der wässrige Überstand kann zur Vorwärmung des Presssaftes verwendet werden. Die Proteinfraktionen können dann vereinigt, ggf. getrocknet und ihrer Verwendung zugeführt werden.
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Das entwickelte Koagulationsverfahren erlaubt unter Zuhilfenahme von Dampf und/oder speziellen Trägergasen die Erzeugung von Mikrobläschen auch bei Temperaturen von 40 °C bis zu 85°C. So kann durch die Anwendung der Koagulation ein Einsatz von Flockungs- und Entschäumungschemikalien vermieden werden. Das gewonnene Proteinkonzentrat ist deutlich kompakter und besser entwässert als bei konventionellen Koagulationsverfahren.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die direkte Koagulation von Proteinen mit Hilfe von Dampf und eine anschließende fest/flüssig Phasentrennung durch Sedimentation in einer kontinuierlichen Betriebsweise. Es werden die Koagulation und die Phasentrennung als ursprünglich zwei Prozessstufen in einem Apparat vereint. Zusätzlich ist z.B. eine Schaufelkette vorhanden, die den entstehenden Proteinschaum abschöpft. Durch die Verknüpfung von Koagulation und Phasentrennung in einem Apparat mit einer speziellen Strömungsführung ist eine effiziente kontinuierliche Betriebsweise (geringe Betriebs- und Investkosten) für die Herstellung eines hochwertigen Proteinkonzentrates gegeben.
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Die Vorrichtung gestattet eine effektive Hitzekoagulation. Mit Hilfe von kleinen Dampfblasen kann ohne den Einsatz von Fällungsmitteln oder anderen Zusätzen eine Phasentrennung erfolgen. Das Proteinkonzentrat kann z.B. zur direkten Verfütterung ohne vorherige Trocknung verwendet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
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1 stellt eine bevorzugte Vorrichtung dar:
Gehäckseltes Grüngut wird nach an sich bekannten Techniken z.B. mittels einer Schneckenpresse in Presssaft und Presskuchen getrennt. Wichtig ist, dass der Presssaft ohne lange Lagerung, in der Regel spätestens einen Tag nach der Ernte der weiteren Verarbeitung zugeführt wird. Dabei erfolgen Koagulation der Proteine und Phasentrennung kontinuierlich in der Vorrichtung.
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Kernstück der Vorrichtung ist ein Koagulationsapparat mit vier Bereichen B1, B2, B3, B4, die durch Sperren E1, E2, E3 voneinander abgetrennt sind, sowie ein diesem vorgeschaltetes Vorlagebecken 1 und einem ebenfalls vorgeschalteten Dampferzeuger 5.
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Der Koagulationsapparat hat bevorzugt eine Form, die kastenförmig und ca. doppelt so lang wie breit ist. Die Höhe entspricht etwa der Breite, wobei im hinteren Teil Aufbauten von ca. einem Drittel bis zur Hälfte der Höhe hinzukommen.
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Die Anordnung der vier Bereiche ist wie folgt:
Erster Bereich B1 ist dem Vorlagebecken 1 zugewandt und erstreckt sich bis zum Boden des Apparates. Abgetrennt wird der Bereich B1 durch eine Sperre E1, die vom Deckel des Behälters senkrecht bis kurz über den Boden reicht. Zwischen Boden und Sperre ist ein schmaler Durchlass, der variiert werden kann. Durch diesen Durchlass strömt der vorgewärmte Presssaft in den Bereich B2 wo die Dampfeinleitung stattfindet. Der Bereich B2 ist ein vom Boden des Apparates ausgehender und bis zur halben Höhe des Apparates reichender, schräg nach oben gerichteter Schacht welcher von den Sperren E1 und E2 begrenzt wird. Der Bereich B2 geht im oberen Teil des Apparates in den Bereich B3 über. Die Sperre E2 ist ein auf dem Boden in der Mitte des Apparates über dessen gesamte Breite und bis zur halben Höhe verlaufendes trapezförmiges Wehr, um die Strömungszone B2 von der Beruhigungszone B3 zu trennen und so die Sedimentation zu ermöglichen. An der Oberfläche von Bereich B3 wird mit Hilfe eines Abräumers der gebildete Schaum abgeschöpft. Um den Bereich B4 des Apparates abzutrennen ist eine Sperre E3 eingebaut. Sie besteht aus einer geraden dünnen Wand vom Boden des Apparates bis zur bzw. kurz unter die Füllstandshöhe im Behälter. Um in gewissen Grenzen in der Füllstandshöhe variabel zu sein, ist die Wand im oberen Drittel nach hinten abgewinkelt und beweglich. Im Bereich B4 wird dadurch der Überstand (wässrige Phase) gesammelt und kann getrennt abgeführt werden....
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Die Volumina der Behälterbereiche sind für B1 15–20%, B2 5–10%, B3 50–60% und B4 ca. 20% des Füllvolumens des Behälters.
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Der Pflanzen-Presssaft wird mittels Zulauf, vorzugsweise über einen Wärmetauscher 19, zum Vorlagebecken 1 geführt.
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Das Vorlagebecken hat vorzugsweise eine Größe, dass es die, der maximalen Verweilzeit entsprechende, Menge an Presssaft aufnehmen kann. Im Vorlagebecken 1 erfolgt eine Vorwärmung der proteinreichen Flüssigkeit auf 40–60 °C. Diese Erwärmung kann elektrisch mit einer Heizpatrone 2 im oder am Vorlagebecken 1 über einen Temperaturregler 4 gesteuert, erfolgen. Bevorzugt jedoch mit Hilfe eines Wärmetauschers 19 unter Nutzung der Wärme des Überstandes nach der Dampfkoagulation. Der Wärmetauscher 19 ist dem Vorlagebecken 1 vorgeschaltet, so dass gegebenenfalls ein Nachheizen im Vorlagebecken 1 erfolgen kann. Zur Durchmischung ist im Vorlagebecken 1 gegebenenfalls ein Rührwerk 3 installiert.
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Aus dem Vorlagebecken 1 wird der erwärmte Pflanzen-Presssaft in den vorderen Bereich B1 des Koagulationsapparates über eine Zuflussregelung 20 geleitet. Der Zuflussregler 20 befindet sich bevorzugt am oberen Ende des ersten Bereiches B1.
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In dem ebenfalls vorgeschalteten Dampferzeuger 5 wird der für die Koagulation erforderliche Dampf erzeugt und in den zweiten Bereich B2 des Koagulationsapparates von unten in diesen eingeleitet. Der Dampf wird z.B. über ein Absperrventil 6, Regelventil 7, eine Temperaturüberwachung 8 und einen Mengenregler 9 in den unteren (zweiten) Bereich des Koagulationsapparates B2 hinter der dort vorhandenen ersten Sperre E1 zwischen erstem und zweitem Bereich B1, B2 des Koagulationsapparates eingeblasen. Diese erste Sperre E1 verhindert die Rückvermischung von bereits koagulierter Flüssigkeit mit weiterer vorgewärmter proteinreicher Flüssigkeit. Die Einleitung des Dampfes erfolgt z.B. mittels Mikroblasrohr 10, das sich an den Mengenregler 9 anschließt und das in den zweiten Bereich B2 des Koagulationsapparates bis hinter die Sperre E1 hineinragt, zur Erzeugung von besonders kleinen Dampfblasen. Die Dampfeinleitung erzeugt eine gute Durchmischung und bringt die Flüssigkeit auf Koagulationstemperatur. Die einzelnen Dampfblasen bilden die Initialpunkte für die Agglomerisation.
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Nach der Dampfeinleitung wird die erhitzte Flüssigkeit über die weitere zweite Sperre E2 zwischen zweitem Bereich B2 und drittem Bereich B3, z.B. ein Wehr, in den dritten Bereich des Koagulationsapparates B3 geführt. Hier erfolgt die weitere Koagulation und Agglomerisation und beginnt die Absetzphase, da durch das eingebaute Wehr eine beruhigte Zone entsteht. Die Temperatur wird z.B. mit Hilfe eines Temperaturreglers 11 im dritten Bereich B3 überwacht und kann über den Dampfmengenregler 9 eingestellt werden. Sie beträgt vorzugsweise 75–85°C.
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Ein Teil der Proteine schwimmt während der Koagulation im dritten Bereich B3 auf und wird im oberen Bereich von B3 z.B. durch einen dort befindlichen Abräumer 12 z.B. in Form einer Schaufelkette, angetrieben über einen integrierten Antrieb 17, abgeschöpft und mit Hilfe eines Abstreifers 18 in einen separaten Auswurfschacht 16 befördert und abgenommen.
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Die im Koagulationsbecken sedimentierten Proteine und Faseranteile können an der tiefsten Stelle des dritten Bereiches B3 des vorzugsweise konischen geformten Bodens kontinuierlich entnommen werden. Die nach der Sedimentation und der Abschöpfung der Proteine vorhandene weitere Phase (Überstand) wird durch eine dritte Sperre E3, die sich zwischen dem dritten und vierten Bereich befindet, z.B. ein weiteres Wehr separat abgetrennt und aus dem Behälterbereich B4 ggf. über Ventile 13 abgezogen.
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Sie kann anschließend der Vorwärmung der proteinreichen Flüssigkeit im Wärmetauscher 19 dienen.
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Die Verweilzeit der Flüssigkeit im Koagulationsapparat (vorzugsweise 10–30 min.) kann über einen Mengenregler 20 am Zulauf für den Presssaft eingestellt werden. Ebenso kann der Auslauf der Proteinphase über die Menge geregelt werden. Die einzustellende Menge ergibt sich aus der gewünschten Konsistenz der Proteinphase.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorlagebecken
- 2
- Heizpatrone
- 3
- Rührwerk
- 4
- Temperaturregler
- 5
- Dampferzeuger
- 6
- Absperrventil
- 7
- Regelventil
- 8
- Temperatur-Überwachung
- 9
- Mengenregler
- 10
- Mikroblasrohr
- 11
- Temperaturregler
- 12
- Abräumer
- 13
- Regelventile Auslauf Überstand
- 14
- Auslauf Proteinphase
- 15
- Auslauf Überstand
- 16
- Auswurf Flotat
- 17
- Antrieb für den Abräumer
- 18
- Abstreifer
- 19
- Wärmetauscher
- 20
- Zuflussreglung
- B1
- Koagulationsapparat-Behälterbereich am Einlass
- E1
- Eingebaute Sperre
- B2
- Koagulationsapparat-Bereich mit Dampfblasen
- E2
- Wehr
- B3
- Koagulationsapparat-Sedimentationsbereich
- E3
- Eingebaute Sperre
- B4
- Koagulationsapparat-Bereich zur Sammlung des Überstandes
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Ausführungsbeispiel:
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Zur Erzeugung eines frischen Pflanzenpresssaftes wurde am 24. Juni 2009 geerntete Luzerne (1,52 t) am Tag nach der Ernte gepresst. Von diesem Presssaft mit einem Trockensubstanzgehalt von 12,3 % wurden 43,5 kg nach der oben dargestellten ausführlichen Beschreibung im Koagulationsapparat durch Dampf erhitzt und die Proteine zur Koagulation gebracht. Abgezogen wurden zwei Phasen: eine dünnflüssige braune Phase (Überstand) und eine breiige grüne Phase (Proteine), die aus der Vermischung der abgeschöpften und der sedimentierten Phase entstand. Für den Überstand konnte ein TS-Gehalt von 9,6 % und für die Proteinphase von 30,5 % bestimmt werden. Die Proteinphase kann entweder direkt verfüttert oder weiter dehydriert und/oder getrocknet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3684520 A [0005]
- DE 2224790 A [0005]
- GB 1528782 A [0006]
- EP 1149193 B1 [0008]
- US 3775133 A [0008]
- WO 199703571 A1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Pirie N.W., Leaf Protein as human food. Science 152 (1966) 1701–1705 [0004]
- Kromus S., Narodoslawsky M., Koschuh W., Grüne Bioraffinerie – Integrierte Grasnutzung als Eckstein einer nachhaltigen Kulturlandschaftsnutzung, Berichte aus Energie- und Umweltforschung 18 (2002) Kapitel 8, S. 117–142 [0007]
