Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Ziel des Projektes ist die ganzheitliche, \u00f6konomische und \u00f6kologische, Bewertung von zwei Verfahren zur Magermilchkonzentration mittels Membranfiltration im Vergleich zur herk\u00f6mmlichen Eindampfung unter Ber\u00fccksichtigung der Auswirkungen auf die Konzentrat- und Pulvereigenschaften. Kernpunkt der Membranverfahren ist die Verschaltung der Filtrationsarten Umkehrosmose (RO), Nanofiltration (NF) und Ultrafiltration (UF) zu zwei verschiedenen Kaskaden. Die Konzentration von Magermilch mittels Membranfiltration \u00fcber Kaskadenschaltung zeigt gegen\u00fcber der Eindampfung ein erhebliches Potential zur Energieeinsparung und damit eine direkte Entlastung f\u00fcr die Umwelt.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenMagermilchkonzentrat wird \u00fcber die traditionelle Eindampfung sowie zwei verschiedene Kaskaden herge-stellt und im Anschluss \u00fcber einen Spr\u00fchturm zu Pulver weiterverarbeitet. Zur Beurteilung der Eigenschaf-ten werden die Konzentrate und Pulver chemisch, physikalisch und rasterelektronenmikroskopisch unter-sucht. Als Kooperationspartner unterst\u00fctzt die Molkerei Ammerland eG bei der physikalischen Pulveranalytik. Die gewonnenen verfahrenstechnischen und analytischen Daten dienen als Grundlage f\u00fcr die vergleichende Projektierung der einzelnen Anlagenkonzepte (Eindampfung, UF-RO inkl. Eindampfung und RO-NF-(UF) Kaskade) im Industriema\u00dfstab. Die Projektierung dieser einzelnen Konzepte wird durch den Kooperationspartner GEA TDS GmbH durchgef\u00fchrt. Anhand der generierten Energie- und Stoffstr\u00f6me wird die spezifische CO2-Bilanz zu jedem Anlagenkonzept ermittelt und verglichen, um das Potential zur Reduzierung von Treibhausgasen aufzuzeigen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Herstellung von Magermilchkonzentrat (MMK) durch Einsatz einer RO-NF und RO-NF-UF Kaskade auf Trockenmassen (TM) von 40 %, 44 % und 48 % ist m\u00f6glich. Die produzierten Konzentrate entsprechen in ihrer Zusammensetzung Magermilchkonzentrat, welches durch einen reinen Eindampfungsprozess und durch eine UF-RO Kaskade mit anschlie\u00dfender Eindampfung hergestellt wird. Dies war durch Entwicklung eines mehrw\u00f6chigen Versuchsaufbaus m\u00f6glich, bei dem produzierte UF- und NF-Permeate unmittelbar nach der Herstellung eingefroren und in der Folgewoche in konstanten Verh\u00e4ltnissen rezirkuliert wurden. Durch Einsatz einer dynamischen Cross-Flow Filtrationsanlage (DCF) wurden die Magermilchkonzentrate konstant geschert und zeigten keine Vergr\u00f6\u00dferung der Partikelgr\u00f6\u00dfenverteilung durch Agglomeration. RO-NF-UF Magermilchkonzentrate (bis Soll-Trockenmasse 45 und 50 %) wiesen bei niedrigen Scherraten (94 s-1) eine erh\u00f6hte Viskosit\u00e4t auf. Bei hohen Scherraten bis 1000 s-1, wie sie an der D\u00fcse eines Spr\u00fchtrocknungsturms auftreten, hatten die Magermilchkonzentrate vergleichbare Viskosit\u00e4ten mit Kon-zentraten aus Eindampfungsprozessen von 38 – 54 mPa s. Auf Basis der generierten Daten wurden vom Projektpartner GEA TDS GmbH Anlagen im Industriema\u00dfstab projektiert.
\nAus den Magermilchkonzentraten produzierte Magermilchpulver (MMP) erf\u00fcllen unabh\u00e4ngig vom Herstel-lungsprozess die gesetzlichen Standards f\u00fcr Magermilchpulver in Bezug auf L\u00f6slichkeit, Reinheit (Schmutzbild), Farbe und den Eiwei\u00dfgehalt in der Trockenmasse. Nur in Bezug auf die Endtrockenmasse sind die produzierten Magermilchpulver mit 95 – 96 % TM unter den Vorgaben f\u00fcr Interventionsware.
\nProduzierte Koppelstr\u00f6me der Eindampfungs- und Filtrationsprozesse, Br\u00fcden und RO-Permeat, zeigen un-terschiedliche Qualit\u00e4ten in Bezug auf den chemischen Sauerstoffbedarf und den gesamten organischen Kohlenstoff auf. Der Br\u00fcden aus Eindampfungsprozessen hat eine niedrigere Belastung als RO-Permeat aus der RO-NF und der RO-NF-UF Kaskade. Das RO-Permeat aus der UF-RO Kaskade weist eine stark erh\u00f6hte organische Belastung auf, welche h\u00f6chstwahrscheinlich auf partielle Permeation von Laktose bei der RO von UF-Permeat aufgetreten ist.
\nBei Betrachtung der Versuche im Technikumsma\u00dfstab haben die untersuchten Membrankaskaden erhebliches energetisches Potential im Vergleich zum Eindampfungsprozess. In projektierten Anlagen im Indust-riema\u00dfstab kann der spezifische Energiebedarf von Eindampfungsprozessen durch Einsatz von mechanischer und thermischer Br\u00fcdenkompression erheblich reduziert werden. Durch Planung von Filtrationsanlagen mit keramischen R\u00f6hrenmodulen und dynamischen Scheibenmodulen haben die projektierten Anlagen ein erhebliches Anlagenvolumen. Hieraus resultieren betr\u00e4chtliche Energie- und Investitionskosten der Membrankaskaden, wodurch diese aus energetischer, \u00f6konomischer und \u00f6kologischer Sicht aktuell keine Alternative zur reinen Eindampfung darstellen. Im Gegenzug zeigt die teilweise Substitution von Eindampfungsprozessen durch eine RO bis 24 % TM ein erhebliches Einsparungspotential bei gleichzeitiger Ver-besserung der CO2-Bilanz des Konzentrationsprozesses. <\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse wurden im Rahmen von internationalen und nationalen Kongressen und Tagungen einem Fachpublikum vorgestellt. Durch die Covid-19 Pandemie wurden diese teilweise ins Jahr 2022 verschoben. Studierende konnten im Rahmen des Projekts Bachelor- und Masterarbeiten anfertigen. Weitere Artikel in wissenschaftlichen Fachjournalen und eine Dissertationsschrift sind auf Basis der Ergebnisse im Projekt in 2022 und 2023 geplant. Durch Beitr\u00e4ge in Podcasts konnten die Resultate einem breiten fachfremden Publikum dargestellt werden, wodurch ein Beitrag zur Wissenschaftskommunikation geleistet werden konnte.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die Ergebnisse des Forschungsprojekts zeigen, dass eine teilweise Substitution der Eindampfung bis zu einer TM von ca. 24-25 % durch RO bzw. UF-RO zu einer Verbesserung der CO2-Bilanz und Herstellungs-kosten im Vergleich zum herk\u00f6mmlichen Prozess der Eindampfung f\u00fchrt. Eine vollst\u00e4ndige Substitution der Eindampfung durch Einsatz einer RO-NF und RO-NF-UF Kaskade f\u00fchrt zu einer Erh\u00f6hung der Elektrifizierung. Die genannten Kaskaden haben jedoch eine schlechtere energetische Effizienz mit einhergehenden h\u00f6heren Herstellungskosten.
\nEine Optimierung der Prozessparameter (wie z.B. die Filtrationstemperatur), der Ziel-TM der verschiedenen Membranschritte und der Austausch von keramischen Membranen gegen Spiralwickelmodule kann die Konkurrenzf\u00e4higkeit der RO-NF-(UF) Kaskade verbessern.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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