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Die vorliegende Erfindung betrifft neue Produkte, die neuartige
Eigenschaften der Verteilung von Fettkügelchen aufweisen, die
Herstellung dieser Produkte und ihre Anwendungen. Der bevorzugte
Bereich der Erfindung ist derjenige von Milchprodukten.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, das es
ermöglicht, Fettkügelchen, die in einem Nahrungsmittelmilieu oder
biologischen Milieu vorhanden sind, ohne in bedeutender Weise ihre
Membranintegrität zu verändern, auf selektive Weise der Größe nach zu
trennen. Im Folgenden ist die Erfindung auf detaillierte Weise unter
Bezugnahme auf die Milchbehandlung beschrieben worden. Tatsächlich
stellt diese einen besonders interessanten Fall einer Lebensmittelflüssigkeit
dar, die diesem Verfahren unterzogen werden kann.
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Das in Milch enthaltene Fett, welche Milch von Säugetieren (Kuh, Ziege,
Schaf, Büffelkuh, Stute, Eselin, Frau...) produziert wird, besteht zu mehr als
95% aus kugelförmigen Klümpchen, die unter dem optischen Mikroskop
sichtbar sind und einen Durchmesser zwischen 0,1 und 20 um aufweisen. In
Bezug auf Kuhmilch beträgt deren mittlerer Durchmesser zwischen 3 und 5
um und ihre Gaußsche Verteilung liegt überwiegend zwischen 2 und
12 um (Alais, 1984, Science du Lait, Edition Sepaic - Milchwissenschaft,
Verlag Sepaic). Die am meisten vertretenen Fettkügelchen (80%) weisen
einen Durchmesser auf, der kleiner als 0,1 um ist, aber sie repräsentieren
nur einen sehr geringen Gewichtsanteil des Milchfettes (Keenan et al.,
1988, Fundamentals of Dairy Chemistry, Edition Van Nostrand Reinhold-
Grundlagen der Chemie der Milch, Verlag Van Nostrand Reinhold). Die
Größenverteilung der Fettkügelchen der Milch variiert leicht nach der
Rasse, der Ernährung und dem Stadium der Laktation der Milchkühe
(Keenan et al., weiter oben zitiert).
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Die Fettkügelchen der Kuhmilch bestehen aus einer Membran mit
komplexer Struktur, die zahlreiche Proteinarten (20 bis 40, lauf den
Autoren) mit amphiphilen, wie das Butyrophilin, oder enzymatischen
Eigenschaften, wie die xanthine Oxydase, komplexen Lipiden
(Phospholipiden und Zerebrosiden, von denen einige ebenfalls komplexe
Glycationen aufweisen, vor allem Sialsäuren, N-acetylgalactosamine ...)
und nuklide Säuren (Keenan et al., weiter oben zitiert), die ein Tröpfchen
von di-et aus Triglyceriden umgeben, die teilweise bei
Umgebungstemperatur kristallisiert sind (Alais, weiter oben zitiert).
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Die Trennung der Fettkügelchen von der restlichen Milch, ein Phänomen,
das Entrahmung genannt wird, basiert auf dem Unterschied der
Volumenmasse (Dichte), die zwischen den Kügelchen und der Flüssigkeit
besteht, in der sie suspendiert sind. Klassischerweise werden zwei
Entrahmungsarten unterschieden: die spontane Entrahmung, die früher in
handwerklichen Buttereien und Käsereien praktiziert wurde, bei der eine
mit zusammenklebenden Fettkügelchen angereicherte Schicht produziert
wird, wobei dieser Vorgang bei 5 bis 10ºC über 10 bis 16 Stunden
durchgeführt wurde, und die zentrifugale Entrahmung, bei der die Milch,
die einer zentrifugalen Rotation in der Größenordnung von 4000 bis 5000
U/min innerhalb eines Stapels konischer Scheiben unterworfen wird
(Towler, 1986, Modern Dairy Technology, Edition Robinson - Moderne
Milchtechnologie, Verlag Robinson), kontinuierlich in Rahm und entrahmte
Milch getrennt wird. Der Rahm, der nach diesem in der weltweiten
Milchindustrie allgemein gebräuchlichen Verfahren hergestellt wird, ist
eine Milch, die stark mit kugelförmiger Fettmasse (ihr gewöhnlicher Gehalt
liegt bei 400 g/kg) angereichert ist. Je nach Wirkungsgrad der
verwendeten Anlage liegt der Fettgehalt der entrahmten Milch bei 0,5
g/kg oder weniger.
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Es besteht ein Bedarf an Produkten, insbesonders Milchprodukten, die
ausgewählte Anteile an Fettkügelchen umfassen, als auch an Produkten,
die kalibrierte Fettkügelchen enthalten. Die Milchindustrie forscht immer
mehr nach neuen Produkten, die den Bedürfnissen der Verbraucher
entsprechen, und darunter nach Produkten, die aus der Umwandlung von
Fettprodukten stammen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrifft eine neue
Verfahrensweise der Trennung und Fraktionierung, mit Hilfe von
Membranen zur Mikrofiltrierung des Fettes, das in einem
Nahrungsmittelmilieu oder biologischen Milieu, insbesondere in der Milch,
vorhanden ist, die von milchgebenden weiblichen Tieren produziert wird,
die nicht wie beim Stand der Technik auf den Unterschieden der
Volumenmassen zwischen Fettkügelchen und entrahmter Milch basiert,
sondern auf den Unterschieden der besonderen Größen der Bestandteile
der Milch von Säugetieren.
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Auf diese Weise betrifft die Erfindung keine totale Trennung der
kugelförmigen Fettmasse, sondern eine differentielle Fraktionierung des
Fettes nach der Größe der Kügelchen mit der Massgabe, die
überraschenden Eigenschaften der mit kleinen und großen Kügelchen
angereicherten Fraktionen auszunutzen.
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Die Technik der Mikrofiltrierung über Membran ist an sich bekannt und
schon vor allem in der Milchindustrie vorgeschlagen worden. Als passende
Referenz kann der Artikel von J. L. Maubois mit dem Titel "Current uses and
future perspectives of M. F. Technology in the dairy industry" (Aktuelle
Anwendungen und Zukunftsperspektiven von M. F. Technologie der
Milchindustrie) in Bulletin der IDF 320, 1997, Seiten 37 bis 40, zitiert werden,
in dem die Kenntnisse der Fachwelt in diesem Bereich dargestellt und
zahlreiche bibliografische Referenzen aufgeführt werden.
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Die Gesamtentrahmung der Vollmilch, das heißt die gesamte Retention
von Kügelchen durch Mikrofiltrierung über Membran in tangentialem Fluss
wurde von Piot et al. (La Technique Loitière Nr. 1016, 1987 - Die
Milchtechnik) vorgeschlagen. Die verwendete Membran mit mittlerem
Porendurchmesser von 1,8 um führte zu einer Zurückhaltung von nahezu
98% des Fettes, die die Autoren im Verhältnis zu der zentrifugalen
Entrahmung als unzureichend einschätzten und, um dies zu verbessern,
haben sie den Einsatz von Membranen zur Mikrofiltrierung mit kleinerem
Porendurchmesser vorgeschlagen.
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Dieser Artikel enthält keine Lehre über die Herstellung von Fettprodukten,
die ausgewählte Anteile an Fettkügelchen enthalten, und unterstreicht,
dass die Technik der Mikrofiltrierung, obwohl sie grundsätzlich für die
Entrahmung und die bakterielle Reinigung der rohen Vollmilch in Betracht
gezogen werden kann, zahlreiche technisch ungelöste Probleme aufwirft.
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Das Patent US 4,140,806 beschreibt ein Verfahren zur Trennung von Milch
durch tangentiale Mikrofiltrierung in einen ersten Anteil, der fast die
Gesamtheit des Fettes enthält, das in dem Ausgangsprodukt enthalten ist,
und in einen zweiten Anteil, der praktisch kein Fett mehr aufweist, unter
Filtrationsbedingungen, die keine Erlangung eines im Wesentlichen
gleichmäßigen transmembranen Druckes ermöglichen.
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Das deutsche Patent DE 37 43 440 beschreibt ein Verfahren zur Trennung
der löslichen und unlöslichen Bestandteile von Milch, das darin besteht,
die Milch einer tangentialen Mikrofiltrierung über eine Membran zu ·
unterziehen, die eine Porengröße von 0,1 bis 2 um aufweist. Dieses
Dokument enthält keinerlei Angabe bezüglich einer selektiven Trennung,
um Anteile zu erhalten, die die unterschiedlichen Zusammensetzungen an
Fettkügelchen aufweisen.
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Das Patent FR 95.02939 (Veröffentlichungs-Nr. 2.731.587) beschreibt ein
Verfahren, um die somatischen Zellen aus Nahrungsmittelmilieus oder
biologischen Milieus zu eliminieren, das darin besteht, das zu behandelnde
Milieu mindestens einer tangentialen Mikrofiltrierung über eine Membran
zu unterziehen, die eine Trennschwelle von mehr als 10 um aufweist,
vorzugsweise zwischen 10 und 50 um. Eine bevorzugte Anwendung dieses
Verfahrens ist die Behandlung von Milch, wobei das technische Problem in
diesem Fall darin besteht, eine Milch herzustellen, die den strengsten
hygienischen Qualitätsanforderungen entspricht, das heißt, deren Gehalt
an somatischen Zellen sehr gering ist, wobei die gewöhnliche Nutzflora bei
der Umwandlung von Milch, beispielsweise zu Käse, beibehalten wird.
Dieses frühere Patent behandelt nur die Probleme, die mit dem
Vorhandensein von somatischen Zellen der Milch zusammenhängen und
enthält keinerlei Lehre über die Herstellung von Fettprodukten, die
ausgewählte Anteile an Fettkügelchen enthalten.
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Die Produkte, die nach diesem Patent hergestellt werden, sind ein
Mikrofiltrat, das weniger als 10 000 somatische Zellen/ml und das
Wesentliche des Fettes der Ausgangsmilch enthält, als auch ein Retentat,
das 4% des Milchvolumens ausmacht, die mit der Membran in Kontakt
gebracht wurde, und das das Wesentliche der somatischen Zellen und ein
wenig Fett enthält.
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Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zur Aufgabe, das ermöglicht,
auf selektive Weise die Fettkügelchen nach ihrer Größe zu trennen und auf
diese Weise Derivate aufzubereiten, die kalibrierte Kügelchen aufweisen.
Diese verbleiben in ihrem Ursprungszustand, was heißen soll, dass ihre
Membran nicht verändert worden ist, und dass sie ihre natürlichen
Eigenschaften beibehält.
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Die Erfindung hat ein Verfahren zur Aufgabe, um auf selektive Weise die
Fettkügelchen nach ihrer Größe zu trennen, die in einem
Nahrungsmittelmilieu oder biologischen Milieu vorhanden sind, das darin
besteht, das zu behandelnde Milieu mindestens einer tangentialen
Mikrofiltrierung über Membran zu unterziehen, die eine Trennschwelle
zwischen 1,8 und 10 um unter im Wesentlichen gleichmäßigen
transmembranen Druckbedingungen aufweist, und darin, das produzierte
Retentat und Permeat zurückzugewinnen.
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Im Falle der Milch werden die hergestellten Produkte für die Aufbereitung
von Milchsorten und Rahmarten verwendet, die in den herkömmlichen
Umwandlungsverfahren oder in neuen Verfahren verwendet werden.
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Die selektive Trennung erfolgt über eine Membran zur Mikrofiltrierung, die
Trennschwellen aufweist, die je nach der gewünschten Auswahl zwischen
1,8 um und 10 um liegen. Die folgenden dargestellten Beispiele zeigen den
Vorteil der Auswahl von Membranen, die eine Trennschwelle aufweisen,
die höher als 1,8 um und niedriger als 10 um ist. Obwohl die Behandlung
durch die tangentiale Mikrofiltrierung technisch gesehen außerhalb dieses
Bereiches möglich ist, führt sie, insbesondere im Falle der Milch, zu
Milchprodukten, die für eine spätere Umwandlung weniger interessant
sind.
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Auf diese Weise ist bei einer Porengröße der Membranen von 0,8 um und
1,4 um, der Fettgehalt des Permeates niedrig (jeweils 5,6 g/kg und 2,4
g/kg). Eine Membran von 12 um Porendurchmesser führt zu einer Trennung
von sehr großen Fettkügelchen.
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Die Erfindung findet eine bevorzugte Anwendung, um das kugelförmige
Fett aufzuteilen, das in der Vollmilch oder in dem Rahm, der aus der
Entrahmung von Vollmilch stammt, enthalten ist.
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Je nach den Ausgangsrohstoffen ermöglicht die Erfindung somit, neue
Milchprodukte herzustellen, die sich von denjenigen des Standes der
Technik durch ihre Aufteilung der Fettkügelchen unterscheiden.
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Die Erfindung betrifft insbesondere die nachfolgenden Milchprodukte, von
denen die ersten beiden in Form von Permeat und das letzte in Form von
Retentat aufgefangen werden:
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(i) Milchprodukt, das einen Gesamtfettgehalt von weniger oder
gleich 400 g/kg aufweist und dessen Aufteilung der Fettkügelchen
so ist, dass die Kügelchen mit einem Durchmesser, der kleiner als
2,0 um ist, 10 bis 60% ausmachen, vorzugsweise 20 bis 40
Gewichtsprozent des Gesamtfettes, und die Fettkügelchen mit
einem Durchmesser, der größer als 6 um ist, 10 bis 30%
ausmachen, vorzugsweise 15 bis 20 Gewichtsprozent des
Gesamtfettes.
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(ii) Milchprodukt, das einen Gesamtfettgehalt von weniger oder
gleich 400 g/kg aufweist und dessen Aufteilung der Fettkügelchen
so ist, dass die Fettkügelchen mit einem Durchmesser, der kleiner
als 3,0 um ist, 20 bis 90% und vorzugsweise 30 bis 80
Gewichtsprozent des Gesamtfettes ausmachen, und die
Fettkügelchen mit einem Durchmesser, der größer als 6 um ist, 10
bis 30% und vorzugsweise 15 bis 20 Gewichtsprozent des
Gesamtfettes ausmachen.
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(iii) Milchprodukt, das einen Gesamtfettgehalt von mehr oder gleich
30 g/kg aufweist und dessen Aufteilung so ist, dass die Kügelchen
mit einem Durchmesser, der kleiner als 5 um weniger als 90% und
vorzugsweise weniger als 80 Gewichtsprozent des Gesamtfettes
ausmachen, und die Kügelchen mit einem Durchmesser, der
größer als 6 um ist, mehr als 10% und vorzugsweise mehr als 20
Gewichtsprozent des Gesamtfettes ausmachen.
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In dem Verfahren der Erfindung kann irgendeine Membranart,
mineralische, organische oder zusammengesetzte, unter der
Voraussetzung verwendet werden, dass die in Betracht gezogene
Membran an die eingesetzte Anlage der tangentialen Mikrofiltrierung
angepasst ist.
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Der Fachmann kennt die allgemeinen Eigenschaften der Anlagen zur
tangentialen Mikrofiltrierung und falls Bedarf besteht, kann er sich auf die
bibliographischen Referenzen beziehen, die zu diesem Thema in der
Einleitung der vorliegenden Beschreibung zitiert werden, beispielsweise der
Artikel von Piot et al. (1987), von J. L. Maubois (1997) und das unter der Nr.
2.731.587 veröffentlichte französische Patent.
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Die eigentliche Anwendung der Mikrofiltrierung mit tangentialem Fluss wird
in einer Anlage bekannter Art durchgeführt. Das zu behandelnde Produkt
wird durch eine Zufuhrpumpe dazu gebracht, in tangentialem Fluss durch
Kanäle, die aus geeigneten Membranen bestehen, oder die diese enthalten,
zu fließen. Ein Anteil des Produktes, das Permeat oder Mikrofiltrat,
passiert die Membran und wird in einem abgeschlossenen Bereich
aufgefangen. Das Milieu oder Retentat, das nicht durch die Membran
geht, wird zu der Umlaufpumpe zurückgeführt und mit dem einlaufenden
Produkt vermischt, um erneut der Mikrofiltrierung unterzogen zu werden. In
der Praxis stellen sich die Anlagen von daher als ein System in
Schleifenform dar. Solche Schleifen können parallel verbunden sein, um
Anlagen mitgrößerer Kapazität zu bilden. Ein passendes Beispiel dieser Art
von Anlage ist die Einheit der Mikrofiltrierung MFS der Firma Alfa Laval.
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Das Verfahren der Erfindung eignet sich für kontinuierliche oder
diskontinuierliche Anwendung. In diesem letzten Fall wird eine bestimmte
Menge des zu behandelnden Milieus mit den Membranen der Einheit zur
Mikrofiltrierung in Kontakt gebracht, bis ein Permeat und ein Retentat
erzielt werden, die die gewünschten Eigenschaften aufweisen. Aber die
Anlagen der tangentialen Mikrofiltrierung eignen sich ebenfalls zu einer
kontinuierlichen Anwendung, nach der das zu behandelnde Milieu auf
kontinuierliche Weise mit den Membranen in Kontakt gebracht wird,
wobei die Arbeitsbedingungen so ausgewählt werden, dass, ebenfalls
kontinuierlich, ein Permeat und ein Retentat mit den gewünschten
Eigenschaften aufgefangen werden können. Dem Fachmann stehen die
Regulierungsmittel für die Einheiten zur Mikrofiltrierung zu seiner Verfügung,
um ein solches Ergebnis unter industriellen Bedingungen zu erzielen.
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Um dem Verfahren der Erfindung unterzogen werden zu können, genügt
es, dass die zu behandelnden Milieus pumpfähig sind, so dass sie mit den
Membranen in tangentialen Kontakt gebracht werden können. Diese
Milieus können von daher Suspensionen oder Flüssigkeiten sein. Es kann
sich von daher, wie schon vorstehend erwähnt, um biologische Milieus
oder Nahrungsmittelmilieus handeln, besonders bevorzugt die Milch oder
ein Produkt, das aus Milch entstanden ist, wie beispielsweise Rahm oder
Molke, oder eine Mischung, die eine oder mehrere Milcharten oder eine
oder mehrere Milchbestandteile enthält. Das Milchprodukt, das mit der
Membran zur Mikrofiltrierung in Kontakt gebracht wird, kann von daher ein
Rahm sein, der durch zentrifugale Entrahmung oder durch jegliches
andere Mittel produziert worden ist.
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Die Milch kann von irgendeinem weiblichen milchgebenden Tier
stammen: Kuh, Ziege, Schaf, Eselin, Büffelkuh, allein oder als Mischung. Das
Verfahren der Erfindung ist ganz besonders für die Behandlung von roher
Vollmilch geeignet.
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Die Durchführung des Verfahrens, um die Selektionseigenschaften der
Membran zu gewährleisten und die Verstopfung zu verhindern, wird
gewährleistet, indem die geeigneten hydrodynamischen Bedingungen
befolgt werden, vor allem:
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- Umwälzung des Retentates (von der Membran zurückgehaltenes
Produkt) bei einer mittleren tangentialen Geschwindigkeit von 1 bis
10 m/Sek, vorzugsweise 4 bis 8 m/Sek;
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- Umwälzung im Gleichstrom des Permeates (Filtrat, das durch die
Membran hindurchgeht) an der äußeren Oberfläche des
Trägermateriales der filtrierenden Membran. Der Permeatdurchsatz
wird auf eine Weise reguliert, dass ein identischer und schwacher
transmembraner Druck (zwischen 0,2 und 1,0 bar) über die gesamte
Membran erzielt wird;
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- Versorgung der Filtrierungsschleife bei einem Druck, der ausreichend
ist, um einen guten Ablauf der Filtrierung zu ermöglichen;
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- Temperatur: 37 bis 55ºC. Die Durchführung kann ebenfalls bei
anderen Temperaturen unter der Bedingung erfolgen, dass das
Produkt pumpfähig bleibt und dass es durch die thermische
Behandlung nicht verändert wird.
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Die Umwälzung des Permeates im Gleichstrom stellt eine erste
Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung dar, die ermöglicht,
einen im Wesentlichen gleichmäßigen transmembranen Druck über die
Gesamtheit der Oberfläche der Membran des Filters aufrechtzuerhalten.
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Die Umwälzung des Permeates im Gleichstrom an der äußeren
Oberfläche des Trägermateriales der filternden Membran ermöglicht auf
diese Weise, einen identischen Druckverlust (Unterschied zwischen dem
Eingangsdruck und dem Ausgangsdruck der Flüssigkeiten, die auf jeder
Seite der filternden Membran fließen) in jedem der Filterabteile und von
daher einen im Wesentlichen identischen Druckunterschied an jedem
gegebenen Punkt der filternden Membran zu erhalten, und dies über die
Gesamtheit der filternden Fläche. Die Technik dei Umwälzung des
Permeates im Gleichstrom ist beispielsweise in dem schwedischen Patent
SE 74 16 257 (Sandblom) beschrieben.
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Die Erzielung eines im Wesentlichen gleichmäßigen transmembranen
Druckes über die Gesamtheit der filternden Fläche stellt eines der
wesentlichen Kennzeichen des Verfahrens nach der Erfindung dar, um die
gewünschte Trennung der Kügelchen nach ihrer Größe zu erhalten.
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Nach der Erfindung wurde herausgefunden, dass, bei Abwesenheit eines
im Wesentlichen gleichmäßigen transmembranen Druckes, die Membran
zur Mikrofiltrierung schnell verstopft (nach ungefähr 5 bis 20 Minuten) und
der Durchgang der Fettkügelchen nicht mehr stattfindet. Diese
Eigenschaft der Verstopfung des Filters kann ein Vorteil in den Verfahren
sein, bei denen die Herstellung eines Anteils, der praktisch frei von
Fettkügelchen ist, und eines Anteiles, der praktisch die Gesamtheit der
Fettkügelchen des Anfangsmilieus enthält, gewünscht wird.
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Im Gegenteil, ein Fehler beim Durchgang der Fettkügelchen stellt einen
schweren Nachteil bei der Durchführung des Verfahrens nach der
Erfindung dar, weil die selektive Trennung der Fettkügelchen nach ihrer
Größe nicht mehr möglich wäre.
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Die Kügelchen müssen ihre Ursprungsgröße beibehalten, das heißt weder
geteilt werden, noch eine Koaleszenz durch mechanische Auswirkungen
erleiden, die mit dem Verfahren zusammenhängen, beispielsweise
aufgrund des Pumpvorganges (Eigenschaft und Art der Pumpe,
Umdrehungsgeschwindigkeit ...), aufgrund der Umwälzung (Aufbau der
Kreisläufe ...), aufgrund der Extraktion des Retentates und des Permeates
(Ventile, Pumpen ...) oder aufgrund des angewendeten Druckes.
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Wie vorstehend bemerkt, kann die Durchführung des Verfahrens
diskontinuierlich oder kontinuierlich sein, aber es wird vorgezogen,
kontinuierlich zu arbeiten, um die Phänomene der Homogenisierung
und/oder der Koaleszenz der Fettkügelchen zu verhindern. Ein minimales
Volumen der Umwälzungsschleifen von Retentat und Permeat ist
wünschenswert, um die Verweilzeiten und demzufolge die Zeitdauer der
mechanischen Auswirkungen auf die Produkte in der Anlage zur
Mikrofiltrierung maximal einzuschränken.
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Wenn die Umwälzung des Permeates im Gleichstrom durchgeführt wird
und gewünscht wird, einen gleichmäßigen transmembranen Druck zu
gewährleisten, wurden die besten Ergebnisse mit mineralischen oder
keramischen Membranen, wie zum Beispiel denjenigen aus Alpha-
Aluminiumoxid erzielt, die von der Firma Société des Céramiques
Techniques (Frankreich), unter der Marke Membralox auf den Markt
gebracht wurde, oder von der Firma Société Orelis France, unter der
Marke KERASEP, oder sogar die Membranen der Marke STERILOX (siehe
Artikel von J. L. Maubois, 1997, weiter oben zitiert).
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Nach einem anderen Aspekt wird die filternde Membran auf ein
makroporöses Trägermaterial mit einem Durchlässigkeitsgradienten in
Längsrichtung aufgebracht. Solch ein Trägermaterial besitzt eine derartige
Beschaffenheit, dass es einen Porösitätsgradienten aufweist, der von
einem zum anderen Ende der filternden Membran abnimmt.
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Dank eines solchen Filterträgermateriales, nimmt der hydraulische
Widerstand von einem Ende der filternden Membran zu dem anderen ab,
wodurch der Erhalt eines gleichmäßigen transmembranen Druckes über
den gesamten Membranweg ermöglicht wird.
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Ein Filter dieser Art ist vorteilhafterweise aus Keramik hergestellt, wie das
Filterträgermaterial, das in der französischen Patentanmeldung Nr. FR 97 04
359 beschrieben ist.
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Das Verfahren der Erfindung impliziert mindestens eine Mikrofiltrierung mit
einer Membran, die eine Schnittschwelle zwischen 1,8 und 10 um aufweist,
dies bedeutet, dass das Verfahren mit einer einzigen Membran zur
Mikrofiltrierung angewendet werden kann, die dieser Definition entspricht oder
aber in Kaskadenschaltung, das heißt, es können zwei oder mehrere
aufeinanderfolgende Mikrofiltrierungen bei verschiedenen
Trennschwellen, die in dem Bereich zwischen 1,8 und 10 um liegen,
durchgeführt werden, um eine Population von Fettkügelchen
auszuwählen.
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So wie es in der Technik der Mikrofiltrierung bekannt ist, kann das Milieu mit
den Fettkügelchen ebenfalls im Verlaufe der Mikrofiltrierung durch
Diafiltrierung verändert werden, wobei in diesem Falle das Milieu, das
gerade mikrofiltriert wird oder das entsprechende Retentat hinzugefügt
wird, von einem anderen Milieu, oder eine Lösung, beispielsweise von
entrahmter Milch, von Permeat ultrafiltrierter Milch, von Permeat
mikrofiltrierter Milch oder von Wasser.
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Mit der Erfindung wird vor allem ermöglicht, Folgendes zu erzielen:
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(a) Zusammensetzungspermeate, die den Erzeugungsmilcharten für die
Umwandlung entsprechen:
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- in Joghurtarten, beispielsweise ein Permeat, das 10 g/kg Fett
enthält;
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- in Trinkmilcharten, pasteurisierten, ultrahocherhitzten (UHT),
beispielsweise ein Permeat, das 17 g/kg Fett enthält;
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- in Käsearten, beispielsweise ein Permeat, das 17 bis 38 g/kg Fett
enthält;
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- in leichtem Rahm, beispielsweise ein Permeat, das zwischen 150
und 300 g/kg Fett enthält.
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(b) diafiltrierte oder nicht diafiltrierte Retentate, die als
Erzeugungsmilcharten für dieselben Produkte verwendet werden
können, wie diejenigen, die für die Permeate oder für Rahmarten
angegeben werden, die nach dem Buttern bei der
Butterumwandlung verwendet werden können.
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Die Erfindung ist dargestellt, ohne in irgendeiner Weise durch die
folgenden Beispiele eingeschränkt zu sein. Die Messmethoden der
Parameter und der Eigenschaften der genannten Produkte sind
diejenigen, die in dem weiter oben zitierten Artikel von M. Piot et ah. (1987)
angegeben sind.
Beispiel 1
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Stark vermischte Vollmilch, die aus einem Sammelbereich einer Molkerei
stammt, wurde in einem Plattenwärmetauscher wieder auf 50ºC erhitzt,
bevor sie in das Startbecken der Mikrofiltrierungsanlage gefüllt wurde.
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Diese Anlage war eine Einheit MFS 1 Tétra-Laval, die mit einem
Mehrkanalstab SCT Membralox P 19-40 ausgestattet war, der Poren mit
einem Durchmesser von 5 um und eine Filterfläche von 0,2 m² aufweist.
Die Beschickung des Systemes war von dem Startbecken aus durch eine
Zentrifugalpumpe Alfa-Laval des Typs KH 10-50 gewährleistet. Die
Umwälzung in der Retentatschleife wurde durch eine Verdrängerpumpe
mit Flügeln (Pumpe IBEX 53-2H) mit regulierbarem Durchsatz erzielt, der auf
4,0 m³/h eingestellt war, was eine mittlere tangentiale Geschwindigkeit
von 4,6 m/Sek bewirkt. Die Umwälzung in der Permeatschleife wurde
durch eine Verdrängerpumpe mit Flügeln (Pumpe IBEX 42-2H) mit
regulierbarem Durchsatz erzielt, der automatisch in Abhängigkeit des
Druckverlustes, der in der Retentatschleife erzeugt wurde, geregelt wurde.
Die Umwälzung wurde im Gleichstrom ausgeführt, um einen
gleichmäßigen transmembranen Druck von 480 mbar aufrechtzuerhalten.
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Die Filtrierung wurde auf kontinuierliche Weise durchgeführt und die
Extraktionsdurchsätze des Permeates und des Retentates waren jeweils
auf 1875 und 208 l/h/m² festgelegt, was einem Konzentrationsfaktor von 10
entspricht.
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Unter diesen Betriebsbedingungen, ist die Aufteilung des Fettes diejenige,
die in Tabelle 1 angegeben ist.
Tabelle I
Beispiel 2
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Dieses Beispiel wurde mit stark vermischter, roher Vollmilch auf derselben
Anlage wie der in dem Beispiel 1 durchgeführt.
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Die verwendeten Parameter waren die folgenden:
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- Membran SCT Membralox P19-40
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- Porendurchmesser 3 um
-
- Filterfläche 0,2 m²
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- Temperatur: 51ºC
-
- Umwälzungsdurchsatz des Retentates: 6,2 m³/h
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- mittlere tangentiale Geschwindigkeit
des Retentates: 7,2 m/Sek
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- transmembraner Druck: 610 mbar
-
- Extraktionsdurchsatz:
-
-- Permeat: 1040 l/h/m²
-
-- Retentat: 115 l/h/m²
-
- Konzentrationsfaktor: 10
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Die Aufteilung des Fettes war die folgende (Tabelle II).
Tabelle II
Beispiel 3
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Dieses Beispiel wurde mit stark vermischter, roher Vollmilch auf derselben
Anlage wie der in dem Beispiel 1 durchgeführt.
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Die verwendeten Parameter waren die folgenden:
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- Membran SCT Membralox P19-40
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- Porendurchmesser 2 um
-
- Filterfläche 0,2 m²
-
- Temperatur: 49ºC
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- Umwälzungsdurchsatz des Retentates: 6,6 m3/h
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- mittlere tangentiale Geschwindigkeit: 7,6 m/Sek
-
- transmembraner Druck: 570 mbar
-
- Extraktionsdurchsatz:
-
-- Permeat: 755 l/h/m²
-
-- Retentat: 120 l/h/m²
-
- Konzentrationsfaktor: 7,3
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Die Aufteilung des Fettes war die folgende (Tabelle III).
Tabelle III
Beispiel 4
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Dieses Beispiel wurde mit Rahm, der durch zentrifugale Entrahmung stark
vermischter, roher Vollmilch auf einer industriellen Anlage bei 50ºC
hergestellt wurde, durchgeführt. Der Fettgehalt des Rahmes (421 g/kg)
wurde durch Verdünnung mit entrahmter Milch auf 200 g/kg vor der
Mikrofiltrierung zurückgeführt.
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Die in dem Beispiel 1 beschriebene Anlage wurde mit den folgenden
Parametern gefahren.
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- Membran SCT Membralox P19-40
-
- Porendurchmesser 5 um
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- Filterfläche 0,2 m²
-
- Temperatur: 53ºC
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- Umwälzungsdurchsatz des Retentates: 4,3 m³/h
-
- mittlere tangentiale Geschwindigkeit: 5 m/Sek
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- transmembraner Druck: 230 mbar
-
- Extraktionsdurchsatz:
-
-- Permeat: 250 l/h/m²
-
-- Retentat: 250 l/h/m²
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- Konzentrationsfaktor: 2
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Die Aufteilung des Fettes war die folgende (Tabelle IV).
Tabelle IV
Beispiel 5
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Dieses Beispiel wurde mit Rahm, der durch zentrifugale Entrahmung stark
vermischter, roher Vollmilch auf einer industriellen Anlage bei 50ºC
hergestellt wurde, durchgeführt. Der Fettgehalt des Rahmes (410 g/kg)
wurde durch Verdünnung mit entrahmter Milch auf 203 g/kg vor der
Mikrofiltrierung zurückgeführt.
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Die in dem Beispiel 1 beschriebene Anlage wurde mit den folgenden
Parametern gefahren.
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- Membran SCT Membralox P19-40
-
- Porendurchmesser 2 um
-
- Filterfläche 0,2 m²
-
- Temperatur: 49ºC
-
- Umwälzungsdurchsatz des Retentates: 4,5 m³/h
-
- mittlere tangentiale Geschwindigkeit: 5,1 m/Sek
-
- transmembraner Druck: 422 mbar
-
- Extraktionsdurchsatz:
-
-- Permeat: 256 l/h/m²
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-- Retentat: 120 l/h/m²
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- Konzentrationsfaktor: 3,1
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Die Aufteilung des Fettes war die folgende (Tabelle V).
Tabelle V
Beispiel 6
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Stark vermischte, rohe Vollmilch, die auf 50ºC erhitzt worden war, wurde in
das Startbecken einer Mikrofiltrierungsanlage gefüllt, die sich von den
Anlagen der Beispiele 1 bis 5 unterscheidet.
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Diese Einheit MFSI Tétra-Laval unterschied sich von der ersten in den
folgenden Punkten:
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- vollkommen manuelle Steuerung;
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- zentrifugale Pumpen:
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-- Zufuhr: Alfa-Laval GM - 2A/115
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-- Umwälzung Retentat: FRISTAM, FP 712
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-- Umwälzung Permeat: Alfa-Laval GM - 2A/115
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Die verwendeten Parametern waren die folgenden:
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- Membran SCT Membralox P19-40
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- Porendurchmesser 5 um
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- Filterfläche 0,2 m²
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- Temperatur: 50ºC
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- Umwälzungsdurchsatz des Retentates: 6 m³/h
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- mittlere tangentiale Geschwindigkeit: 6,9 m/Sek
-
- transmembraner Druck: 1750 mbar
-
- Extraktionsdurchsatz:
-
-- Permeat: 1750 l/h/m²
-
-- Retentat: 90 l/h/m²
-
- Konzentrationsfaktor: 20
-
Die Aufteilung des Fettes war die folgende (Tabelle VI).
Tabelle VI
Beispiel 7
-
Das durch Mikrofiltrierung über die Membran SCT Membralox P19-40,
Porendurchmesser 2 um in dem Beispiel 3 hergestellte Permeat entspricht
einer teilentrahmten Trinkmilch. Vergleichsweise wurde eine
Vergleichsmilch durch Mischung von entrahmter Milch und Rahm
zubereitet, die durch die zentrifugale Entrahmung eines aliquoten Anteiles der
Vollmilch hergestellt wurde, die der Mikrofiltrierung unterzogen wird. Die
Zusammensetzung der beiden Milcharten war die folgende (Tabelle VII):
Tabelle VII
-
Diese beiden Milcharten sind bei 72ºC über 15 Sekunden pasteurisiert und
anschließend sofort auf 2ºC abgekühlt worden und 24 Stunden bei dieser
Temperatur aufbewahrt worden.
-
Die sensorielle Analyse hat gezeigt, dass die Geschmackstester die beiden
Milcharten durch ihre Struktur unterschieden. Die mikrofiltrierte Milch wurde
als konsistenter, sahniger und länger im Mund verbleibend bewertet.
Beispiel 8
-
Zwei Milcharten der Käserei wurden durch Mischung der Produkte des
Beispiels 5 vorbereitet:
-
- Vergleichsmilch: entrahmte Milch und Rahm mit 410
g/kg Fett;
-
- Mikrofiltrierte Milch: entrahmte Milch und das Permeat
mit 84 g/kg Fett.
-
Die Milcharten hatten die folgende Zusammensetzung (in g/kg) (Tabelle
VIII).
Tabelle VIII
-
Diese beiden Milcharten sind nach einer für den Fachmann
herkömmlichen Technologie und unter absolut identischen Bedingungen
in Camembertkäse umgewandelt worden:
-
- Pasteurisieren bei 72ºC über 15 Sekunden
-
- Einimpfen mit mesophilen Treibmitteln EZAL mm 101 (0,02 Einheit/kg)
und Flora Danica (0,08 Einheit/kg)
-
- Vorreifen über 16 Stunden bei 13ºC
-
- Erhitzen auf 34ºC und Zugabe des Labfermentes bei pH 6,25
-
- Koagulieren, Schneiden, Abtropfen, Wendevorgänge mit
Temperaturkinetik gemäß dem Fachmann bekannter Anwendungen
-
- Salzen durch Salzlake
-
- Einimpfen der Oberflächenflora
-
- Reifen:
-
10 Tage bei 13ºC
-
7 Tage bei 7ºC
-
7 Tage bei 4ºC
-
Beim Ausformen hatten die Käsearten die folgende Zusammensetzung
(Tabelle IX):
Tabelle IX
-
Die rheologische Analyse der Struktur der Käsearten durch Messung der
Penetrationsstärke mit Hilfe eines STEVENS-Gerätes unter denselben
Betriebsbedingungen hat die folgenden Ergebnisse erbracht
(durchschnittlich 20 Messungen) (Tabelle X):
Tabelle X
-
Diese Ergebnisse bestätigten die feinere, weichere Struktur, die beim
Probieren der Käsearten, die aus der mikrofiltrierten Milch entstanden
waren, festgestellt wurde.
-
Nach der Reifung konnten die Geschmackstester die Käsearten, die aus
mikrofiltrierter Milch entstanden waren, durch die Struktur des nicht
gereiften Teiles (Nerzstück) unterscheiden, die als weniger kreidig beurteilt
wurde.
Beispiel 9
-
Zwei Milcharten der Käserei wurden mit Hilfe der folgenden Bestandteile
vorbereitet:
-
- Vergleichsmilch: rohe Voltmilch, die in dem Beispiel 3
eingesetzt wurde, und entrahmte
Milch, die durch Zentrifugieren bei
35ºC aus dieser selben Milch
hergestellt wurde.
-
- Mikrofiltrierte Milch: Permeat aus Beispiel 3.
-
Die Zusammensetzung der beiden Milcharten (in g/kg) war die folgende
(Tabelle XI):
Tabelle XI
-
Diese Milcharten wurden in nicht gereifte Frischkäsearten nach der dem
Fachmann bekannten Technologie umgewandelt:
-
- Pasteurisieren der Milcharten bei 72ºC über 15 Sekunden
-
- Einimpfen von 4 kg jeweils der Milch bei 26ºC: Treibmittel EZAL mm
101-0,06 Einheit/kg
-
- Reifen im Raum bei 22ºC
-
- nach 1,5 Stunden Reifen: Zugabe des Labfermentes 0,1 ml Extrakt
von Labferment/kg
-
- nach 17 Stunden Reifen: Formen in zylinderförmigen perforierten
Formen (1 kg Koagulat pro Form) von 5,5 cm Durchmesser und 20 cm
Höhe
-
- Abtropfen bei 22ºC über 24 Stunden
-
- Ausformen und Abkühlen bei 13ºC.
-
Die Gehalte an Trockenmasse der Käsearten betrugen jeweils 282 g/kg für
den Vergleichskäse und 286 g/kg für den Käse, der aus der mikrofiltrierten
Milch hergestellt wurde.
-
Die sensorielle Analyse der Käsearten zeigte, dass die Struktur des Käses,
der aus der mikrofiltrierten Milch entstanden war, feiner, homogener,
besser zusammengewachsen und weniger fest war.
-
Die rheologische Analyse der Struktur der Käsearten durch die Messung
der Penetrationsstärke mit Hilfe eines STEVENS-Gerätes unter denselben
Betriebsbedingungen zeigte ebenfalls einen Unterschied (Ergebnisse:
durchschnittlich 20 Messungen), siehe Tabelle XII:
Tabelle XII
Beispiel 10 (Vergleich)
-
Dieses Beispiel wurde mit stark vermischter, roher Vollmilch auf derselben
Anlage wie in dem Beispiel 1 durchgeführt.
-
Die verwendeten Parameter waren die folgenden:
-
- Membran SCT Stérilox P19-40
-
- Porendurchmesser 1,4 um
-
- Filterfläche 0,2 m²
-
- Temperatur: 50ºC
-
- Umwälzungsdurchsatz des Retentates: 6,6 m³/h
-
- mittlere tangentiale Geschwindigkeit: 7,6 m/Sek
-
- transmembraner Druck: 500 mbar
-
- Extraktionsdurchsatz:
-
-- Permeat: 275 l/h/m²
-
-- Retentat: 69 l/h/m²
-
- Konzentrationsfaktor: 5
-
Die Aufteilung des Fettes war die folgende (Tabelle XIII).
Tabelle XIII
Beispiel 11 (Vergleich)
-
Dieses Beispiel wurde mit stark vermischter, roher Vollmilch auf derselben
Anlage wie in dem Beispiel 1 durchgeführt.
-
Die verwendeten Parameter waren die folgenden:
-
- Membran SCT Stérilox P19-40
-
- Porendurchmesser 0,8 um
-
- Filterfläche 0,2 m²
-
- Temperatur: 50ºC
-
- Umwälzungsdurchsatz des Retentates: 6,6 m³/h
-
- mittlere tangentiale Geschwindigkeit: 7,6 m/Sek
-
- transmembraner Druck: 600 mbar
-
- Extraktionsdurchsatz:
-
-- Permeat: 285 l/h/m²
-
-- Retentat: 71 l/h/m²
-
- Konzentrationsfaktor: 5
-
Die Aufteilung des Fettes war die folgende (Tabelle XIV).
Tabelle XIV
Beispiel 12 (Vergleich)
-
Dieses Beispiel wurde mit stark vermischter, roher Ziegenvollmilch auf
derselben Anlage wie in dem Beispiel 1 durchgeführt.
-
Die verwendeten Parameter waren die folgenden:
-
- Membran SCT Membralox P19-40
-
- Porendurchmesser 12 um
-
- Filterfläche 0,2 m²
-
- Temperatur: 50ºC
-
- Umwälzungsdurchsatz des Retentates: 5,4 m³/h
-
- mittlere tangentiale Geschwindigkeit: 6,3 m/Sek
-
- transmembraner Druck: 320 mbar
-
- Extraktionsdurchsatz:
-
-- Permeat: 750 l/h/m²
-
-- Retentat: 83 l/h/m²
-
- Konzentrationsfaktor: 10
-
Die Aufteilung des Fettes war die folgende (Tabelle XV).
Tabelle XV
-
Die hier vorstehend aufgeführten Beispiele zeigen die überraschenden
Auswirkungen in Bezug auf die Struktur der Milchprodukte, die aus
Permeaten der Mikrofiltrierung zubereitet wurden, die in unterschiedlicher
Weise mit Fettkügelchen kleiner Größe im Verhältnis zu der Milch, die mit
der Mikrofiltrierungsmembran in Kontakt war, angereichert worden waren.
Diese Anreicherung vervielfältigt die Interaktionseigenschaften der
Kügelchen mit den anderen Bestandteilen der Milch.
-
Dank der Erfindung verfügt die Milchindustrie über ein Verfahren der
industrialisierbaren Fraktionierung des kugelförmigen Milchfettes. Dies ist
eine neue und umfangreiche Diversifikationsmöglichkeit, die auf diese
Weise den Milchfachleuten für die Umwandlung von Fettprodukten
geboten wird. Die mit Fettkügelchen kleiner Größe angereicherten und
die verarmten Anteile können zu Folgendem führen:
-
- Käsearten aller Kategorien, verschiedener. Strukturen und
verschiedener Geschmacksrichtungen, wobei zahlreiche Enzyme in
der Membran der Fettkügelchen angeordnet sind;
-
- Butterarten, Rahmarten mit unterschiedlicher Struktur und
Geschmacksrichtung mit unterschiedlichen Beiprodukten
(Buttermilch, entrahmte Milch);
-
- Fermentierte Milcharten unterschiedlicher Struktur und
Geschmacksrichtung;
-
- Milchfettpulversorfen mit unterschiedlicher Konservierung und
unterschiedlicher Struktur und Geschmacksrichtung nach der
Wiederherstellung.
-
Die Erfindung findet daher eine sehr weite Anwendung bei der
Umwandlung von Milch.
Beispiel 13
-
Dieses Beispiel wurde mit Vollmilch, die mit Rahm angereichert worden
war, auf derselben Anlage wie in dem Beispiel 1 durchgeführt.
-
Die verwendeten Parameter waren die folgenden:
-
- Membran SCT Membralox P19-40
-
- Porendurchmesser 2 um
-
- Filterfläche 0,2 m²
-
- Temperatur: 50ºC
-
- Umwälzungsdurchsatz des Retentates: 5,6 m³/h
-
- mittlere tangentiale Geschwindigkeit
des Retentates: 6,5 m/Sek
-
- transmembraner Druck: 550 mbar
-
- Extraktionsdurchsatz:
-
-- Permeat: 355 l/h/m²
-
-- Retentat: 89 l/h/m²
-
- Konzentrationsfaktor: 5
-
Die Aufteilung des Fettes war die folgende:
Tabelle XVI
-
Bei den Anteilen von Permeat und von Retentat war durch Zentrifugieren
mittels einer herkömmlichen Entrahmungsmaschine das Fett konzentriert.
Ebenso war ein Teil des Vollmilchgemisches und des Rahmes, der der
Mikrofiltrierung unterzogen worden war, in Rahm umgewandelt worden
(Vergleichsrahm). Die Fettgehalte von den drei Rahmarten wurden auf
340 g/kg angepasst.
-
Sie erfuhren eine Wärmebehandlung bei 75ºC über 20 Sekunden.
-
Sie wurden auf 4ºC über 3,5 Stunden abgekühlt und anschließend wieder
auf 18ºC erhitzt und mit Milchtreibmitteln geimpft (EZAL mm 100 und MD
099). Sie erfuhren dann eine Reifung bei dieser Temperatur, bis sie einen
pH von 5,15 erreichten.
-
Sie wurden dann auf 12ºC abgekühlt und gebuttert (Marke Elecrem 30).
-
Die entstandenen Butterarten hatten die folgende Zusammensetzung:
Tabelle XVII
-
Vorläufiger Geschmackstest:
-
- Die Permeatbutter war schmierfähig, kaum schmelzend und
vollkommen anders als die Vergleichsbutter.
-
- Die Retentatbutter war schmelzend und der Vergleichsbutter sehr
ähnlich.