DE69430825T2 - Verfahren zur trennung einer wasserfreien fettsubstanz in eine fraktion mit hohen schmelzpunkten und eine fraktion mit niedrigen schmelzpunkten und vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung eines Öls oder einer wasserfreien Fettsubstanz in hydrophober flüssiger Phase in eine Fraktion mit hohen Schmelzpunkten und eine Fraktion mit niedrigen Schmelzpunkten. Sie betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Die Erfindung findet eine besonders vorteilhafte Anwendung bei der Erzeugung von Butter mit harter oder weicher Textur.
• In der folgenden Beschreibung und aus Gründen der Vereinfachung wird unter Fettsubstanz sowohl ein Öl als auch eine Fettsubstanz im eigentlichen Sinn verstanden.
• Ganz allgemein besteht eine Fettsubstanz unabhängig davon, ob sie tierischer Herkunft ist, wie die Fette, oder pflanzlicher Herkunft ist, wie die Öle, überwiegend aus Glycerintriestern, die als Triglyceride bezeichnet werden, deren Variation, Vielfalt und Zusammensetzung ihre speziellen Eigenschaften ausmachen. Hinsichtlich der Festigkeit der nach der Butterbildung durch Phasenumkehr erhaltenen Produkte ist bekannt, daß einer der maßgeblichen Faktoren das Verhältnis der Menge der Triglyceride mit hohen Schmelzpunkten (HPF) zu der Menge der Triglyceride mit niedrigen Schmelzpunkten (BPF) ist. Dieses Verhältnis wird üblicherweise durch den "Solid Fat Index" oder SFI gemessen, der der Menge an Feststoffen, demnach an kristallisierten Triglyceriden, bei einer gegebenen Temperatur entspricht. Bei den verschiedenen Butter- und Margarinesorten ist der SFI(20) oder Gehalt an festen Fettsubstanzen bei 20ºC gut mit der Festigkeit korreliert, die entweder mit einem kegelförmigen Eindringkörper (Penetrometer) oder mit einem Gerät INSTRON (eingetragene Marke) gemessen wird. Der SFI(20) kann demnach als technisches Ziel für die Herstellung von Butter oder Fetten für spezielle Verwendungen dienen, d. h. wenn
• - eine Erweichung erwünscht ist, die ein besseres Verteilen der Substanz ermöglicht, wie z. B. um die Weichheit von Winterbutter zu verbessern,
• - umgekehrt eher eine größere Festigkeit bei höheren Temperaturen erwünscht ist, aus technischen Gründen der Verarbeitung oder zur Beseitigung einer "fettig" aussehenden Textur des fertigen Produkts, wie z. B. bei Konditoreiwaren und bei der Keksherstellung.
• Bislang basieren die Techniken, die eine derartige Beeinflussung ermöglichen, auf zwei Technologien:
• -einer traditionellen Technologie, die auf Wärmebehandlungen basiert, die dazu dienen, die Gleichgewichte zwischen polymorphen Phasen in der kristallisierten Fettsubstanz zu modifizieren. Diese Techniken ermöglichen es, einige Probleme zu lösen, sind aber hinsichtlich der Variationsbreite begrenzt. Mit ihnen ist es beispielsweise nicht möglich, die Auswirkungen der Jahreszeiten auf die Festigkeit von Butter vollkommen zu kompensieren;
• - einer etwas jüngeren Technik, die auf der kryogenen Zerlegung einer teilweise kristallisierten Substanz durch Filtrieren und/oder Zentrifugieren beruht. In der unter der Nummer EP-A-0 397 233 veröffentlichten europäischen Patentanmeldung wird ein Verfahren zur Trennung einer wasserfreien Fettsubstanz in Fraktionen beschrieben, bei dem diese Technik Anwendung findet. Diese Technik kann sowohl bei einer reinen wasserfreien Fettsubstanz, wie z. B. der wasserfreien Fettsubstanz von Milch (= "Matière Grasse Laitière Anhydre" oder "MGLA"), als auch bei Lösungen derartiger Fette oder Öle in im allgemeinen polaren Lösemitteln angewendet werden. Für die Trennung, die auf die fraktionierende Kristallisation folgt, können drei verschiedene Techniken eingesetzt werden, die einfache Filtration, die Zentrifugation und die Filtration durch eine semipermeable Membran. Die letzte dieser drei Techniken wurden besonders empfohlen für spezielle Trennungen in einem Lösemittel, die beispielsweise mit der Ziel durchgeführt werden, einen speziellen Bestandteil zu extrahieren oder anzureichern: Cholesterin, Phospholipide, etc.
• Mit dieser Technologie der Kryofraktionierung ist es möglich, sehr speziellen Fraktionen zu erhalten, es wird jedoch eine schwere und kompliziert zu bedienende Apparatur eingesetzt, und sie liefert teure und stark veränderte Endprodukte, bezogen auf das Ausgangsmaterial, z. B. Butter. Um eine begrenzte Änderung des SFI einer Butter zu erhalten, ist es daher immer erforderlich, beträchtliche Mengen von Fraktionen mit hohen oder niedrigen Schmelzpunkten zuzugeben. Eine derartige Verfahrensweise, die in bezug auf die Textur zu dem gewünschten Ergebnis führt, weist den zweifachen Nachteil auf, daß die Fettsubstanz stark verändert wird und daß die Gestehungskosten beträchtlich erhöht werden.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Trennung einer wasserfreien Fettsubstanz in hydrophober flüssiger Phase in eine Fraktion mit hohen Schmelzpunkten und eine Fraktion mit niedrigen Schmelzpunkten anzugeben, das es ermöglicht, hinsichtlich der Textur die gleiche Leistungsfähigkeit wie bei dem bekannten Verfahren der Kryofraktionierung zu erreichen, jedoch bei niedrigeren Kosten und ohne eine Veränderung der Fettsubstanz.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verfahren einen Schritt umfaßt, in dem eine Tangentialfiltration der wasserfreien Fettsubstanz in hydrophober flüssiger Phase durch eine hydrophobe Membran durchgeführt wird, die zur Trennung der Fettsubstanz in ein Filtrationsretentat, das die Fraktion mit hohen Schmelzpunkten bildet, und in ein Filtrationspermeat, das die Fraktion mit niedrigen Schmelzpunkten bildet, führt.
• Die vorliegende Erfindung kann daher als ein Verfahren zur Anreicherung einer Fraktion, des Permeats, mit bestimmten Triglyceriden, die meisten mit einem niedrigen Schmelzpunkt, während gleichzeitig die andere Fraktion, das Retentat, mit anderen Triglyceriden, die meisten mit hohem Schmelzpunkt, angereichert wird. Es soll darauf hingewiesen werden, daß, obwohl die meisten Beispiele, die in der vorliegenden Beschreibung angegeben werden, die Fettsubstanz von Butter betreffen, das erfindungsgemäße Verfahren ebenso interessante Ergebnisse auf dem Gebiet der pflanzlichen oder tierischen Öle und Fette liefert.
• Die Anreicherung der Fraktionen unter Anwendung des erfindungsgemaßen Trennverfahren kann aus einem einfachen Ungleichgewicht bestehen, das es ermöglicht, beispielsweise im Fall von Butter, entweder eine härtere Butter aus dem Retentat oder eine weichere Butter aus dem Permeat zu erhalten. Hierfür wird das erhaltene Retentat oder Permeat mit einer nicht fettigen Substanz vermischt und anschließend einem an sich bekannten Verfahren zur Buttererzeugung unterzogen. Die Anreicherung kann gleichwohl bis zu einer echten Zerlegung verfolgt werden, wenn das Ausmaß der Rückführung groß ist und das Ausmaß der Extraktion des Permeats gering ausfällt. Hierfür ist es vorgesehen, daß das Retentat im Laufe der Filtration wieder in die wasserfreie Fettsubstanz eingearbeitet wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es somit, ausgehend von einer geschmolzenen, wasserfreien Fettsubstanz, wie einer MGLA, bei einer festgelegten, oberhalb von 45ºC liegenden Temperatur wunschgemäß am Ende des Verfahrens eine Butter zu erhalten, die entweder die charakteristischen Eigenschaften einer Winterbutter oder einer Sommerbutter aufweist. Wenn die Fraktionierung sehr weitgehend durchgeführt wird, ist es möglich, Fettsubstanzen mit speziellen Eigenschaften für eine besondere Anwendung zu erzeugen: eine als Aufstrich dienende Milchspezialität, harte Fettsubstanzen ...
• Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einer Trennung vom trimolekularen Typ verschiedener Typen von Triglyceridmolekülen gemäß ihrer Größe, ihrem Rotationsradius in hydrophobem flüssigem Medium, ihrem Sättigungsgrad und demnach ihrer Steifigkeit. Es besteht demnach aus einer Trennung durch eine Tangentialfiltration von Lipidmolekülen in flüssigem, insbesondere geschmolzenem und vollständig hydrophobem Medium durch eine hydrophobe Membran. Die eingesetzte Fettsubstanz muß absolut wasserfrei sein, wie z. B. eine MGLA. Sie muß, beispielsweise bei einer Temperatur oberhalb von 45ºC für eine MGLA, geschmolzen bleiben und während des gesamten Trennverfahrens frei von allen Wasserspuren bleiben.
• Es ist das Ziel, im hydrophoben Medium Trennungen vom gleichen Typ und mit gleicher Effizienz wie bei der hydrophilen Ultrafiltration der wasserlöslichen Bestandteile der Milch zu erhalten; dies wird erreicht, indem die Wechselwirkungen, die bei der herkömmlichen Ultrafiltration im wäßrigen Medium hydrophilen Charakter haben, vollkommen umgekehrt werden. Diese Wechselwirkungen sind im vorliegenden Verfahren vollkommen hydrophob.
• Es muß hervorgehoben werden, daß Wasser für das erfindungsgemäße Verfahren besonders schädlich ist, weil seine Gegenwart in der in flüssiger Phase vorliegenden Fettsubstanz im Bereich der Membran zur Bildung einer Emulsion und einer sehr schnellen Verstopfung führt, die eine Zunahme des Transmembrandrucks und eine Abnahme des Extraktionsdurchsatzes bewirkt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren findet demnach bei Fettsubstanzen in flüssiger Phase (Öle bei mittlerer Temperatur oder Fette bei einer Temperatur oberhalb ihrer Schmelztemperatur) Anwendung, die ohne Wasser eingesetzt werden müssen, um ein möglichst hydrophobes Medium in einem hydrophoben Medium und auf einer hydrophoben Membran zu erhalten.
• Die verwendete Membran muß so hydrophob wie möglich sein, was beispielsweise mit Membranen aus einem gesinterten Metall erreicht wird oder indem stark hydrophobe Polymere, unter anderem vom Teflon-Typ, eingesetzt werden.
• Die Porosität der Membran hat einen größeren Einfluß auf die hydrodynamischen Bedingungen im Betrieb (Transmembrandruck und Durchsätze) als auf die Effizienz und die Selektivität der Membran. In allen Fällen ist der Porendurchmesser (0,005 bis 1,0 um) sehr viel größer als der Rotationsradius der zu trennenden Moleküle. Die Trimolekularität, die sich in der Membran einstellt, wird demnach nicht ausschließlich durch einen rein sterischen Effekt und einen Fluideffekt hervorgerufen: sie ist das Ergebnis der hydrophoben Wechselwirkung zwischen dem Partikel und der Membranoberfläche, die sich in einer differentiellen Adsorption an dieser Oberfläche äußert, mit einem Gesamteffekt, der je nach dem betreffenden Molekül aus einem Zurückhalten (Retention) oder einem Durchlassen besteht.
• Eine derartige Wechselwirkung hängt demnach gleichzeitig vom Triglycerid-Molekül (Größe, Art der Fettsäuren, Sättigung etc.) und der Membran ab, vermittelt durch die hydrophoben Wechselwirkungen, die sie imstande ist, im Kontakt mit dem Molekül zu erzeugen. Da diese äußerst komplexen Wechselwirkungen von Molekül zu Molekül nicht identisch sind, ergibt sich hieraus die gewünschte Trennung.
• Es wird im übrigen darauf hingewiesen, daß die auf dieser Art von hydrophober Wechselwirkung basierende Trennung vorteilhaft auf anderen Gebieten angewendet werden kann, wie auf dem Gebiet der Lebensmittelindustrie, und insbesondere immer dann, wenn die von der Trennung betroffenen Medium stark hydrophob sind, wie z. B. Gemische von Kohlenwasserstoffen, die entweder aus der Erdöldestillation oder von. Überresten der Beseitigung einer Umweltverschmutzung oder von einer Veredelung stammen.
• Die folgende Beschreibung, die auf die beigefügten Figuren Bezug nimmt, die als nicht einschränkende Beispiele angegeben werden, veranschaulicht deutlich, worauf die Erfindung beruht und wie sie ausgeführt werden kann.
• Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Die Fig. 2a bis 2d zeigen Meßkurven, in denen die Ausbeute des erfindungsgemäßen Verfahrens für einfach, zweifach, dreifach ungesättigte Triglyceride und für gesättigte Triglyceride dargestellt wird.
• Fig. 1 veranschaulicht schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Trennung einer wasserfreien Fettsubstanz in hydrophober flüssiger Phase, wie eine MGLA, die bei einer Temperatur oberhalb von 45ºC in einem Ausgangsbehälter 10 gehalten wird, der in der dargestellten Ausführungsform ebenfalls als Behälter für das rückgeführte Retentat 2 dient, wenn dieses im Laufe der Filtration wieder in die wasserfreie Fettsubstanz 1 eingebracht wird.
• Die MGLA wird mit Hilfe einer Pumpe 11 dem Modul 20 zur Membranfiltration zugeführt, in dem die Fettsubstanz 1 einer Tangentialfiltration durch eine hydrophobe Membran 21 unterzogen wird, die aus einem Stapel aus mehreren Elementarmembranen mit ebener Geometrie bestehen kann, wie dies in Fig. 1 der Fall ist. Diese spezielle Anordnung der Membran wird jedoch in keiner Weise durch das erfindungsgemäße Verfahren vorgegeben, und alle sonstigen Typen ebener oder radialer Stapel können verwendet werden. Die Membran 21 besteht aus einem gesinterten Metall, beispielsweise aus einem gesinterten, nichtrostenden Stahl, oder einem hydrophoben Polymer, wie Teflon, und sie weist eine Porosität im Bereich von 0,005 bis 0,1 um auf.
• Durch die in dem Modul 20 erfolgende Tangentialfiltration wird die MGLA in ein Retentat 2, das eine Fraktion mit hohen Schmelzpunkten bildet, das hier in den Behälter 10 zurückgeleitet wird, und ein Permeat 3 aufgetrennt, das eine Fraktion mit niedrigen Schmelzpunkten bildet und über ein Steuerventil 31, mit dem der Transmembrandruck und damit der Extraktionsdurchsatz des Permeats 3 gesteuert werden kann, in einen Vorratsbehälter 30 geleitet wird.
• Die gesamte Apparatur muß in dem gewählten Beispiel zwingend bei einer Temperatur von mindestens 45ºC gehalten werden, und in dem Kreislauf muß jegliche Gegenwart von Wasser sorgfältig vermieden werden.
• Die Anmelderin hat gezeigt, daß mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Retentat 2 und ein Permeat 3 mit einem SFI(20) von 33 bzw. 26 durch Tangentialfiltration einer MGLA mit einem mittleren SFI(20) von 30 während 30 min erhalten werden können.
• Das weitere Verfahren ist fakultativ: auf dem Weg A wird das in dem Behälter 1 aufbewahrte Retentat durch eine zweite Pumpe 41 in einen Mischbehälter 40 geleitet, in dem es mit einer nicht fettigen Substanz 4 vermischt wird, wonach das Ganze abgekühlt wird und in einer herkömmlichen Apparatur zur Buttererzeugung texturiert wird, beispielsweise durch die Verwendung von Austauschen mit einer Oberfläche, die Keile aufweist. Die auf dem Weg A erhaltene Butter ist eine Butter vom Typ der Winterbutter mit "harter" Textur, während der Weg B, der in gleicher Weise durchgeführt wird, zu einer Butter vom Typ der Sommerbutter mit "weicher" Textur führt.
• Im übrigen ist es wichtig, darauf hinzuweisen, daß die meßbaren tatsächlichen Änderungen der Zusammensetzung der Butterfettsubstanz für ein derartiges Ergebnis sehr gering sind: es handelt sich dem nach immer noch um eine Butter, was hinsichtlich des kommerziellen Interesses von großer Bedeutung ist.
• Zwischentypen in bezug auf die Textureigenschaften können nach dem vorliegenden Verfahren erhalten werden durch ein geeignetes Gemisch der Fraktionen von Weg A oder B mit einer gegebenen, als Ausgangsmaterial verwendeten Fettsubstanz. Durch die Feinregulierung der Bedingungen (Ausmaß der Rückführung, Extraktionsdurchsatz), unter denen die Tangentialfiltration durchgeführt wird, ist es möglich, zu mehr oder weniger verschiedenen Fettsubstanzen zu gelangen, wobei die Produkte in einem Spektrum von Produkten liegen, die entweder nur ein einfaches Ungleichgewicht hinsichtlich des SFI(20) aufweisen oder aber das Ergebnis einer echten Fraktionierung sind.
• Wegen der speziellen Anreicherungsbedingungen weisen die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen Produkte nicht das charakteristische Profil der Buttersorten auf, die mit Fraktionen versetzt wurde, in dem im Bereich der hohen Schmelzpunkte Schultern auftreten. Das Profil des Thermogramms entspricht vielmehr dem Profil von Butter, nur das Oberflächenverhältnis von HPF zu BPF, das zur Berechnung des SFI- Wertes dient, ist verschieden.
• Die Fig. 2a bis 2d stellen Meßkurven dar, die sich auf die Ausbeute des erfindungsgemäßen Verfahrens für einfach, zweifach bzw. dreifach ungesättigte Triglyceride und für gesättigte Triglyceride beziehen. Jede dieser Meßkurven gibt das Ausmaß an, in dem das Retentat und das Permeat an Triglyceriden in Abhängigkeit von ihrem Molekulargewicht angereichert oder verarmt sind, was ein guter Indikator für die Schmelzpunkte ist, solange man bei Molekülen vom gleichen Sättigungstyp bleibt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Trennung einer wasserfreien Fettsubstanz in hydrophober flüssiger Phase in eine Fraktion mit hohen Schmelzpunkten und eine Fraktion mit niedrigen Schmelzpunkten, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren einen Schritt umfaßt, in dem eine Tangentialfiltration der wasserfreien Fettsubstanz in hydrophober flüssiger Phase durch eine hydrophobe Membran durchgeführt wird, die zur Trennung der Fettsubstanz in ein Filtrationsretentat, das die Fraktion mit hohen Schmelzpunkten bildet, und in ein Filtrationspermeat, das die Fraktion mit niedrigen Schmelzpunkten bildet, führt.

2. Trennverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Retentat im Laufe der Filtration wieder in die wasserfreie Fettsubstanz eingebracht wird.

3. Trennverfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Retentat mit einer nicht fettigen Substanz vermischt wird und dann einer Buttererzeugung unterzogen wird.

4. Trennverfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erhaltene Permeat mit einer nicht fettigen Substanz vermischt wird und dann einer Buttererzeugung unterzogen wird.

5. Anwendung des Trennverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auf geschmolzene wasserfreie tierische Fettsubstanzen.

6. Anwendung des Trennverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auf flüssige oder geschmolzene wasserfreie pflanzliche Fettsubstanzen.

7. Anwendung des Trennverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auf Mineralöle.