Optimierung der Fraktionierung von Milchproteinen

Anitha Rasmussen, Application Technologist, und Dr. Hanne Sørensen, Product Manager Food and Beverage based Applications, Tetra Pak Filtration Solutions

Zur Fraktionierung von Magermilch wird Mikrofiltration eingesetzt, für die sowohl keramische als auch polymere Membranen verwendet werden. Bei den beiden Membranarten gibt es erhebliche Preisunterschiede, wobei Keramikmembranen teurer sind. Untersuchungen zeigen, dass Keramikmembranen Polymermembranen bei der Durchlässigkeit der Molkeproteine und beim Zurückhalten von Kasein überlegen sind. Daher haben beide Membranen Vorteile. Welcher Typ letztendlich besser geeignet ist, hängt davon ab, welche Anforderungen am wichtigsten sind.

Keramikmembranen und Polymermembranen haben gemeinsam, dass es eine Porengrößenverteilung anstelle einer festen Trenngrenze gibt, was für die Trennung von Proteinen optimal ist. Die Porengrößenverteilung kann variabel sein, sodass die Leistung der Membranen oft mit der Bildung einer sekundären Deckschicht verbunden ist.

Membranleistungstests

Tetra Pak hat eine Reihe von Tests durchgeführt, in denen die Membranleistung und damit auch die Zusammensetzung der Deckschicht unter verschiedenen Prozessbedingungen untersucht wurde. Die Bewertung der Kombination aus der Membranleistung mit dem Aufbau einer sekundären Deckschicht von Membranen verschiedener Anbieter ist von entscheidender Bedeutung, da sie die endgültige Filtrationsleistung bestimmt.

Versuche haben gezeigt, dass bei einer Polymermembran-Filtrationsanlage je nach eingesetzter Membran durch unterschiedliche Prozessbedingungen eine gute Leistung erzielt werden kann. Eine relativ offene Membran könnte zusammen mit einer dichten Deckschicht eingesetzt werden, die durch einen niedrigen Baseline- und einen niedrigen Cross-Flow-Druck erzeugt wird, was zu einem hohen Flux, einer niedrigen Rückhaltung von Molkeproteinen und einer hohen Rückhaltung von Kasein führt.

Eine andere Membran mit einer kleineren und engeren Porengrößenverteilung könnte mit einem niedrigen Baseline- und einem hohen Cross-Flow-Druck kombiniert werden, was die sekundäre Deckschicht verringert, sodass der Fraktionierungsprozess von den Membraneigenschaften selbst und nicht von der Deckschicht abhängt.

Ein weiterer gut dokumentierter Aspekt ist die Temperatur während der Filtration. Kasein löst sich bei kalter Lagerung teilweise aus der Kaseinmizelle und folgt den Molkeproteinen durch die Membran. Polymermembranen werden oft unter kalten Bedingungen betrieben, was eine lange Produktionszeit, aber leider auch einen hohen Durchfluss von Kasein ermöglicht. Dies könnte durch eine Erhöhung der Temperatur überwunden werden, da dies die Leistungsunterschiede zwischen polymeren und keramischen Filtrationsanlagen minimiert.

Vorbehandlung der Milch wird oft vernachlässigt

Allgemein wird davon ausgegangen, dass Milch frisch und unbehandelt im Werk ankommt. Molkereien könnten Milch jedoch untereinander ausgetauscht haben, sodass eventuell mehrere Pasteurisierungen durchgeführt wurden. Dadurch werden die Molkeproteine teilweise denaturiert, sodass sie die Membran nur schwer oder gar nicht passieren können. Dies wiederum führt zu einer Reihe unerwünschter Effekte, wie z. B. einer verringerten Molkeproteinausbeute, einem Proteinrückhalt im Retentat bzw. verringertem Flux – das alles mindert die Anlagenkapazität.

Eine weitere Vorbehandlung ist die Aufkonzentrierung der Milch für Transportzwecke oder zur Optimierung des Produktionsliniendesigns durch Ultrafiltration bzw. Umkehrosmose. Tetra Pak hat festgestellt, dass der mögliche Grad und die Art der Vorkonzentrierung die nachfolgende Mikrofiltrationsleistung in Bezug auf Flux und Rückhalt beeinflussen. Dadurch ergibt sich eine oft unvorhergesehene Möglichkeit, die Gesamtlinienauslegung zu optimieren. Der Fokus liegt oft auf dem individuellen Prozess, in diesem Fall der Mikrofiltration. Unsere Arbeit hat jedoch gezeigt, dass der Schwerpunkt eher auf eine vollständig optimierte Prozesslinie gesetzt werden sollte, um den Anforderungen der jeweiligen Molkerei gerecht zu werden.

Von Dr. Hanne Sørensen, Product Manager Food and Beverage based Applications, und Anitha Rasmussen,
Application Technologist, Tetra Pak Filtration Solutions