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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von
Bakterien und bakteriellen Sporen aus Milch. Dieses Verfahren kann
insbesondere in der Herstellung von Milch und Käse zur Konsumierung auf vorteilhafte
Art und Weise angewendet werden, wobei das erforderliche Erhitzen
der Milch auf ein Minimum reduziert werden kann.
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Zur
Herstellung eines Milchproduktes mit einer guten Haltbarkeitsdauer
und einem guten Geschmack ist es erforderlich, nach einer Balance
zwischen auf der einen Seite dem Wunsch, ein Produkt mit der maximal
möglichen
bakteriologischen Qualität
zu suchen, das auf der anderen Seite durch die erforderliche Wärmebehandlung
nicht nachteilig beeinträchtigt
ist.
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Die
Mikrofiltration wird häufig
zur Sterilisierung von Flüssigkeiten
angewendet, bspw. in der pharmazeutischen Indus trie. Zu diesen Zwecken werden
im Allgemeinen Filter mit einer Porengröße verwendet, die kleiner oder
gleich 200 nm ist. Die Möglichkeit,
Bakterien aus der Milch durch die Verwendung von Mikrofiltration
zu entfernen, wurde bereits beschrieben. Caseinmicellen sind im
Durchschnitt etwa sechsmal kleiner als Mikroorganismen, beide Komponenten
haben jedoch eine Größenverteilung
von erheblicher Breite. Es scheint sogar eine Überlappung in den Größenverteilungen
zu geben. Die größten Caseinmicellen
sind vermutlich so groß wie
die kleinsten Bakterien. Es ist des Weiteren offensichtlich, dass
wegen der vergleichbaren Partikelgrößen von Bakterien und Fett
die Milch zur Filtration vor der Filtration entrahmt werden muss.
Die beigefügte 1 aus
einem Artikel von J.-L. Maubois, Bulletin of the IDF, 320, 37 (1997)
zeigt das Vorkommen von verschiedenen Partikeln in Bezug auf die
Größe (nm, logarithmisch).
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Die
Membrantypen, die zur Mikrofiltrierung von Milch verwendet werden,
können
im Allgemeinen als Membranen mit einer bestimmten Verteilung bzgl. der
Porengröße (keine
präzisen
Porenabmessungen) und einer Dicke charakterisiert werden, die ein Vielfaches
und bis zu sogar hundertfach größer ist als
der durchschnittliche Porendurchmesser. Es gibt keinen direkten
Bezug zwischen dem bakteriellen Rückstand und der durchschnittlichen
Porengröße der Membran.
Während
der Mikrofiltrierung der Milch kann ein hoher Anteil einer Entfernung
von Bakterien mit einer Keramikmembran von 1400 nm erreicht werden,
wobei bekannt ist, dass kaum mehr als die Hälfte der Bakterien kleiner
sind als 1400 nm. Die Retention der Bakterien hängt u.a. in großem Maße von der
Verfahrensentwicklung und den Verfahrensbedingungen ab. Zusätzlich hängt die
Retention der Bakterien auch von der Morphologie der Membranfilter,
wie bspw. der Tortuosität der
Poren, ab. Diese Faktoren bestimmen das Ausmaß der Kontamination des Filters
während
der Durchführung
des Verfahrens. Dadurch wird die Anwendung von Mikrofiltration zur
Entfernung von Bakterien komplex, da es erforderlich ist, die Abhängigkeit
der Bakterienretention von der Wahl der Membranfilter und der Anwendung des
Filtrationsverfahrens zu berücksichtigen.
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In
der internationaler. Patentanmeldung WO 96/36238 ist ein Verfahren
zur Herstellung von Milch zur Konsumierung mit verbesserter Haltbarkeitsdauer
beschrieben. Dieses Verfahren basiert auf der Mikrofiltration. Eine
entscheidende Einschränkung
dieses Verfahrens betrifft die Selektivität zwischen Caseinmicellen und
Bakterien. Um eine ausreichende Entfernung von Bakterien zu erzielen,
werden die Arbeitsschritte im Hinblick auf die relativ niedrige
Selektivität
gewöhnlich
unter Bedingungen ausgeführt,
bei denen ein Teil des Caseins durch den Mikrofilter zurückgehalten
wird. Da eine Balance zwischen der Produktoptimierung (so wenig
Bakterien wie möglich) und
einer Kostenminimierung (so viel Durchfluss des Flüssigkeitsstroms
wie möglich)
gefunden werden muss, ist die Permeatausbeute des Mikrofiltrierungsverfahrens üblicherweise
in dieser Hinsicht auf weniger oder gleich 95 % begrenzt. In diesem
Verfahren wird die fettreiche Fraktion der Milch außerdem zuvor von
der Milch abgetrennt und separat behandelt. In der beschriebenen
Situation würde
eine Mikrofiltration von Milch mit dem Fett auf Grund einer schnellen Kontamination
des Filters nur schlechtere Ergebnisse liefern.
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In
der internationalen Patentanmeldung WO 97/49295 ist ein Verfahren
zur Herstellung von steriler Milch beschrieben. Für dieses
Verfahren werden Membranen mit einer Porengröße zwischen 50 und 200 nm verwendet.
Der größte Teil
des Caseins in der Milch bleibt bei diesem Verfahren in dem Retentat zurück. Dieses
fettreiche und caseinreiche Retentat wird einer Erhitzung auf eine
hohe Temperatur unterworfen und dann zu dem Permeat hinzu gegeben. Ein
großer
Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass zusätzlich zu
dem Fett der größte Teil
des Caseins in der Milch ebenfalls von dem Mikrofilter zurückgehalten
wird. Dies führt
dazu, dass ein großer Teil
der Milch mittels einer weiteren Sterilisierungstechnik sterilisiert
werden muss, üblicherweise
durch Hocherhitzung, was zu einer Beeinträchtigung des Geschmacks führt. Ferner
führt der
relativ geringe Durchfluss zu deutlich höheren Kosten.
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Das
US-Patent 4,140,806 beschreibt bei der Trennung entrahmter Milch
von Flüssigmilch
die Verwendung eines Filters, bei dem der Großteil der Filterporen jeweils
einen Durchmesser von 200 bis 10000 nm aufweist, wobei in dem Verfahren
die Milchprodukte entlang einer Filteroberfläche auf einer Seite des Filters
mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 20 m/sec fließen. In
der WO 98/13131 ist ein System zur Filtration von medizinischen
und biologischen Flüssigkeiten
beschrieben, bei dem eine Filtermembran bereitgestellt wird, die
präzise
dimensionierte Porengrößen aufweist,
die an den Partikeltyp angepasst sind. Die Membranen können verschiedene
Dicken haben, wie bspw. 1000 nm, 3000 nm, 5000 nm oder 10000 nm.
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In
dem niederländischen
Patent mit der Nummer 100618 C und der entsprechenden EP-Patentanmeldung
879635 ist eine Vorrichtung zur Filtration einer fermentierten Flüssigkeit
beschrieben, mit der Bakterien entfernt werden. Gemäß der dort
beschriebenen Erfindung weist der Filter eine dünne Membranfil terschicht mit
Poren einer präzise
festgelegten Größe auf,
die an die Mikroorganismen, wie bspw. Hefezellen, angepasst ist,
wobei die Poren unter Nutzung von photolithographischen Techniken gebildet
werden. Die Verwendung der Vorrichtung zur Filtration von fermentierten
Flüssigkeiten
liefert ein zuverlässiges
Filtrationsergebnis.
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Die
Verwendung eines Membranfilters mit einer dünnen Membranfilterschicht und
Poren einer genau festgelegten Größe, die wie bspw. in der
NL 100618 C hergestellt
werden, liefert auch ein zuverlässiges
Filtrationsergebnis, wenn dies auf Milch angewendet wird, und zwar
mit einer unerwartet hohen Selektivität zwischen Bakterien und Caseinmicellen. Dies
ist überraschend,
da die Bakterien und die Caseinmicellen in ihren Abmessungen wenig
voneinander abweichen, und die Größenverteilungen sogar miteinander überlappen
(siehe beigefügte
1). Die
Poren werden vorzugsweise unter Verwendung von photolithographischen
Techniken gebildet, weiter vorzugsweise eine Größe von kleiner als 1500 nm, kleiner
als 1000 nm, oder kleiner als 500 nm und ein Minimum von etwa 50
nm aufweisen. Die Standardabweichung (StA) der Porengröße beträgt weniger als
5 %, vorzugsweise weniger als 3 % oder 1 %.
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Die
Tortuosität
der Poren in der zu verwendenden Membranfilterschicht ist gering,
kleiner als 0,1, vorzugsweise kleiner als 0,01.
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Die
Membranfilterschicht weist eine Dicke auf, die kleiner ist als 2000
nm, vorzugsweise kleiner als 1500 nm oder kleiner als 1000 nm oder
als 500 nm, und mindestens etwa 50 nm beträgt.
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Die
Membranoberfläche
des verwendeten Membranfilters ist ferner glatt, d.h. die Rauigkeit
hiervon beträgt
weniger als 100 nm, vorzugsweise weniger als 50 nm, weiter bevorzugt
weniger als 10 nm.
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Es
versteht sich, dass diese Abmessungen von dem herzustellenden Produkt
abhängen,
aus dem Bakterien entfernt werden sollen, wie bspw. ein Produkt
mit einer Haltbarkeitsdauer, die vergleichbar ist mit der von pasteurisierter
oder sterilisierter Milch, d.h. abhängig von der gewünschten
bakteriologischen Qualität
des Produktes.
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Im
Allgemeinen wird ein Membranfilter verwendet, der eine stützende Trägerschicht
aus bspw. Keramik beinhaltet, wobei die Membran oder der Membranfilter
selbst als Membranfilterschicht bezeichnet wird. Die Verwendung
eines Membranfilters einschließlich
dieser Trägerschicht
zur Entfernung von Bakterien aus Milch bildet ebenfalls einen Teil
der vorliegenden Erfindung.
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Wenn
das erfindungsgemäße Verfahren
verwendet wird, ist eine größere Reduzierung
der Bakterienzahlen möglich,
ohne dass der Caseingehalt in dem Retentatdurchlauf in dem Verfahren
zunimmt. Zusätzlich
werden höhere
Durchflussraten erreicht als jene, die für die bekannten Mikrofiltrationsvorrichtungen
beschrieben werden. Letztlich ist es unerwarteterweise nicht erforderlich,
die Milch vor der Filtration zu entrahmen.
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Wenn
eine Mikrofiltrierung mit dem oben erwähnten Membranfilter verwendet
wird, ist es möglich,
eine eindeutige Trennung zwischen Caseinmicellen auf der einen Seite
und Bakterien und bakteriellen Sporen auf der anderen Seite zu erreichen.
Wie sich dies aus den Abmessungen der Milchpartikel, wie in 1 gezeigt,
ergibt, wird vorzugsweise ein Filter mit einem Porendurchmesser
von etwa 50 bis etwa 1500 nm verwendet, wobei die Caseinmicellen in
den Permeatdurchfluss eintreten und die Bakterien zusammen mit den
Fettkügelchen
in den Retentatdurchfluss eintreten.
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Im
Hinblick auf die geringen Größenunterschiede
zwischen den Caseinmicellen und den Bakterien ist es für einen
erfolgreichen Verlauf des Mikrofiltrationsverfahrens wichtig, eine
Trennung zwischen den Komponenten zu erreichen, die so scharf wie möglich ist.
Die Verwendung eines Membranfilters mit Poren einer präzise festgelegten
Größe ist hier von
größter Wichtigkeit.
Wenn die Membranen dann eine sehr dünne Filterschicht aufweisen,
eine sehr glatte Membranoberfläche
und Poren mit einer sehr geringen Tortuosität, zeigt das gesamte Mikrofiltrationsverfahren
eine unerwartet hohe Verbesserung. Ein entscheidender Vorteil ist,
dass die Bakterienretention während
des Filtrationsverfahrens praktisch konstant ist, wenn ein festgelegter
Membranfilter verwendet wird, und deshalb nicht länger von
der Verfahrensentwicklung oder Verfahrensbedingungen oder dergleichen
abhängig
ist, da die Poren des Membranfilters wesentlich weniger kontaminiert
werden als bei der Verwendung eines konventionellen Mikrofilters.
Hierbei werden Durchflussraten erzielt, die höher sind als jene, die für bekannte
Mikrofiltrationsvorrichtungen beschrieben werden. Der Durchfluss
von Caseinmicellen durch die Membran war bereits mit einer Membran
mit einer Filterschicht mit einer Dicke von 1000 bis 2000 nm groß. Berechnungen demonstrieren,
dass der Durchfluss von Caseinmicellen noch weiter zunimmt, wenn
die Dicke der Filter schicht auf bspw. 500 nm oder 200 nm abnimmt. Die
Bakterien werden bereits zurückgehalten,
bevor sie die Membran erreichen, während die Caseinmicellen relativ
schnell durch den Membranfilter hindurchtreten, so dass keine Akkumulierung
von Komponenten direkt vor der Membran stattfindet, so dass dies
einen starken Einfluss auf die wirksame Retention von Bakterien
ausübt.
Darüber
hinaus kann das Mikrofiltrationsverfahren mit den beschriebenen Membranfiltern überraschenderweise
bei sehr geringem Transmembrandruck durchgeführt werden. Ein maximaler Durchfluss
wird gewöhnlich
bereits bei einem Transmembrandruck von weniger als 200 mbar erreicht.
Bei den in den Beispielen verwendeten Transmembrandrücken ist
der Durchfluss bei konventionellen Mikrofiltrationsmembranen vernachlässigbar
niedrig.
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Wenn
das erfindungsgemäße Verfahren
zur Entfernung von Bakterien in Milch verwendet wird, tritt der
größte Teil
des Caseins in der Milch durch die Membran und tritt in das Permeat
ein. Die Permeatausbeute kann dadurch im Vergleich zur Anwendung
von konventionellen Mikrofiltrationstechniken erhöht werden
und es muss lediglich ein kleiner Teil der Milch (Retentat und/oder
Sahne) auf andere Art und Weise noch sterilisiert werden. Auf diese
Weise ist es möglich,
sterile Milch herzustellen, die im Vergleich zu auf konventionelle
Art hergestellter steriler Milch und ultrahocherhitzter Milch einen
beträchtlich verbesserten
Geschmack aufweist, wobei ein Erhitzungsvorgang von zumindest einer
Sekunde bei 135°C
verwendet wird, wie dies in dem Dutch Commodities Act, Foodstuffs
(B-1.3.1, Programm III, veröffentlicht
12-12-1999) spezifiziert ist. Es ist auch möglich (hoch-)pasteurisierte
Milch mit einer im Vergleich zu auf konventionelle Art hergestellter
Milch verbesserter Haltbarkeitsdauer herzustellen, wozu eine hohe
Temperatur für kurze
Zeit verwendet wird (z.B. ein Minimum von 71,7°C für 15 Sekunden), siehe den oben
erwähnten „Dutch
Commodities Act".
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Es
wird sogar als nicht länger
erforderlich angesehen, die Milch zu entrahmen, wenn der wie oben beschriebenen
dünne Membranfilter
verwendet wird. Die Fettpartikel werden zusammen mit den Bakterien in
dem Rententatdurchfluss zurückgehalten,
ohne dass dies eine nachteilige Auswirkung auf die Durchdringung
der Caseinmicellen durch den Filter hat. Auf diese Weise wird die
Permeatausbeute des Verfahrens optimiert. Der Fettgehalt des Permeatdurchflusses
kann natürlich
auf den gewünschten
Spiegel gebracht werden, indem er mit der gewünschten Menge von steriler
Sahne vermischt wird. Für
diese Zwecke kann nach der Sterilisierung, bspw. durch Erhitzung, das
Retentat verwendet werden.
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Es
versteht sich für
den Fachmann, dass das erfindungsgemäße Verfahren gleichermaßen auf
vorteilhafte Art und Weise in einem Verfahren, das die Herstellung
von Milch zum Konsum betrifft, verwendet wird, wobei Milch in jeglicher
Form gereinigt wird, wie bspw. zur Entfernung von Bakterien oder
bakteriellen Sporen aus Käsemilch,
um Käse
herzustellen, wie bspw. Rohmilchkäse.
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Die
Erfindung wird des Weiteren unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele
erläutert,
die lediglich zur Illustrierung dienen und die Reichweite der Erfindung
nicht beeinträchtigen.
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Beispiel 1
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Entrahmte
Milch wird bei 50°C
mit einem glatten (Oberflächenrauigkeit
von weniger als 100 nm) Membranfilter behandelt, der eine Filterschicht mit
einer Porengröße von 750
nm (StA 5 %) und einer Dicke von 1000 nm aufweist. Bei einem Druck
von 25 mbar wird ein Durchfluss von 263 l/m2h
(Liter pro m2 Membranoberflächenbereich
pro Stunde) gemessen. Bei einem Druck von 37 mbar erhöht sich
der Durchfluss auf 630 l/m2h.
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Beispiel 2
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Entrahmte
Milch wird bei 50°C
mit einem glatten Membranfilter behandelt, der eine Filterschicht
mit einer Porengröße von 1200
nm (StA 5 %) und einer Dicke von 1000 nm aufweist. Bei einem Druck
von 10 mbar wird ein Durchfluss von 3500 l/m2h
gemessen.
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Beispiel 3
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Entrahmte
Milch wird bei 50°C
bei einem Transmembrandruck von etwa 20 mbar mit einem glatten Membranfilter
behandelt, der eine Filterschicht mit einer Porengröße von 750
nm (StA 5 %) und einer Porengröße von 1200
nm (STD 5 %) aufweist. In keinem Fall wird eine Proteinretention
gemessen; eine Kjeldahl-Bestimmung
des Stickstoffs ergibt eine Retention von < 0,01.
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Beispiel 4
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Synthetisches
Milchultrafiltrat (SMUF), wie von R. Jenness und J. Koops in Neth.
Milk Dairy J. 16, 153 (1962) beschrieben, beimpft mit Bacillus subtilis-Bakterien,
wird in einer „dead
end"-Konfiguration" behandelt, wobei
die Flüssigkeitsgeschwindigkeit tangential
zu der Membran Null beträgt,
mit einem glatten Filter mit einer Porengröße von 500 nm (StA 5 %) und
einer Dicke von 1000 nm. Eine Dezimalreduktion von Bakterien von
6,6 wird gemessen.