Table Of ContentFORSCHUNGS BERICHT DES LANDES NORDRHEIN -WESTF ALEN
Nr. 2700/Fachgruppe Maschinenbau/Verfahrenstechnik
Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Heinz Kühn
vom Minister für Wissenschaft und Forschung Johannes Rau
Prof. Dr. -Ing. Robert Rautenbach
Dipl. -Ing. Klaus Rauch
Institut für Verfahrenst echnik
der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen
Membranverfahren
zur wirtschaftlichen Aufbereitung
von Molken
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
CIP-Kurztitelau~nahme der Deutschen Bibliothek
Rautenbach, Rabert
Membranverfahren zur wirtschaftlichen Aufbe
reitung von Molken / Robert Rautenbach; Klaus
Rauch. - 1. Au~l. - Opladen: Westdeutscher
Verlag, 1978.
(Forschungs berichte des Landes Nordrhein
West~alen; Nr. 2700 : Fachgruppe Maschinen
bau, Verfahrenstechnik)
NE: Rauch, Klaus:
ISBN 978-3-531-02700-5 ISBN 978-3-663-06778-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-06778-8
© 1 978 by Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen 1978.
Inhalt
1. Einleitung 1
2. Wirkungsweise und Grundlagen der 4
Membranfiltration
2.1 Membranaufbau und Membrankennzeichnung 5
2.2 Stoffaustauschvorgänge vor Membranen 7
3. Membranfiltration im Molkereiwesen 9
4. Experimentelle Untersuchungen 12
5. Prozeß- und Wirtschaftlichkeitsanalyse 25
5.1 Herstellung eines Molkenkonzentrats 25
durch Ultrafiltration
5.2 Optimale Flächenaufteilung beim 30
mehrstufigen UF-Prozeß
5.3 Verweilzeitverhalten der UF-Anlage 34
5.4 Verbesserung des Protein-Laktose/Salz 38
Verhältnisses durch Waschen des Molken
konzenlrals
5.5 Herstellung eines Proteinpulvers 39
6. Zu sammenfassung 45
7. Formelzeichen 47
8. Li tera tur 49
- 1 -
1. Einle}i tung
Verfahrenstechnisch gesehen ist die Käseherstellung ein Fällungs
prozeß, bei dem durch Zugabe von Lab oder Säurewecker zur Milch
die Kaseinfraktion abgetrennt wird. Nebenprodukt ist die Molke,
die außer Wasser als Hauptbestandteil fast den gesamten Milch
zucker. 1/5 der Milchproteine und den größten Teil der Vitamine
und Mineralien der Milch enthält. Entsprechend der Zugabe von
Lab oder Säurewecker zur Milch unterscheidet man noch zwischen
Süßmolke (Labmolke) und Sauermolke (Quarkmolke).
In der Literatur werden über die Zusammensetzung der Molke zum
Teil abweichende Angaben gemacht. Diese lassen sich jedoch auf
grund des unterschiedlichen Verarbeitungsverfahrens in den Käse
reien, der verschiedenen Analysenverfahren und der jahreszeitli
chen Einflüsse auf die Milch erklären. In Tabelle 1 sind die
wichtigsten Inhaltssloffe von Sauermolke zusammengeslellt.
Tabelle 1: Zusammensetzung der Sauermolke
Wasser 94 95 Gew-%
Laklose 3,8 4,2 Gew-%
Eiweiß 0,8 1,0 Gew-%
Mineralische
0,7 0,8 Gew-%
ßeslandl'3ile
Die Unterschiede zwischen Lab- und Sauermolke liegen vor allem
im Milchzucker- und Milchsäuregehalt bzw. dem damit zusammen
hängenden pH-Wert.
Hauptsächlich aufgrund des technischen Aufwandes. den der Milch
lranspor t über längere Strecken erfordert. waren in der Vel'J,.:angen
heil Molkereien dezentralisiert und klein. Die Frage "wohin mil
der Molke" konn le daher im allgemeinen so gelösl werden. da(~ die
- 2 -
Milchlieferanten Molke als wertvolle Grundlage für ein Viehfutter
zurücknahmen. Kleinere Mengen wurden in die Kanalisation abgelas
sen, obwohl aufgrund des hohen Laktose- und Proteingehaltes - ein
.. +
Liter Molke entspricht einem Einwohneräquivalent (EA) - Molke
eine starke Belastung für jede Kläranlage darstellt. Die zunehmen
de Zentralisierung der Molkereien - (in einer modernen Großmolke
rei fallen etwa 400 t Molke pro Tag an) - macht diese tradi tio
nellen Methoden der Molkeverwendung unmöglich und zwingt zu
neuen Überlegungen bezüglich der Molke.
Bild 1 zeigt den Verlauf des Molkenanfalls in den Jahren 1966
bis 1973. Beachtet man dabei, daß dieser erhöhte Molkeanfall bei
einer gleichzeitigen Abnahme der Molkereien erzielt wurde - in
NRW nahm z.ß. die Anzahl der Molkereien von 1960 bis 1975 von 303
auf 79 ab -, dann wird der große Strukturwandel in der Milchwirt
schaft deu tUch.
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60 t-- ~ 6 ~
40
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~ gc:
20 2 ...
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Ö
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o ~
1964 1966 1968 1970 1972 1974
Bild 1: Zunahme des jährlichen Molkenanfalls /1/
+ EÄ - die durch einen Menschen pro Tag abgegebene Menge an or
Substanzen - in der nRD auf 54 g nsn5
~aniAchcn
Sauerslorfbodarf in 5
(!!iolo~ij;chor Ta~en) reRl~ele~l.
- 3 -
Nicht übersehen werden darf hierbei, daß bei einem Molkenanfall
von etwa 75.106 t/a die Molke eine interessante Proteinquelle
darstellt /1/.
Während die Verwendung der Molke in reiner Form als Viehfutter
an ßedeutung verloren hat, konnten auf anderen Gebieten neue
Absatzmärkte für Molkenprodukte erschlossen werden, z.B. in der
Lebensmittelindustrie, in der pharmazeutischen und chemischen
Industrie. Großtechnisch wird Molke z. Zt. überwiegend durch
Vakuumeindampfung und nachfolgende Walzen- oder Sprüh-frocknung
entsprechend ßild 2 zu einem Pulver aufgearbeitet.
Milch
KäSt
Zusammensetzung
des PlJlvers:
Eiweiß: 12 Gr.w._o,o
Laktose : 6'lGr.w.-%
mineralische
Bestandteile: 12 Gew.-%
Molkenpulvcr
ßild 2: Herstellung eines Vollmolkenpulvers
- 4 -
Entscheidender Nachteil dieser Verfahrensweise ist, daß hier nur
Wasser entzogen wird, die Mengenrelation der restlichen Inhalts
stoffe also erhalten bleibt. Ernährungsphysiologisch gesehen ist
aber ein Pulver mit ca. 65 % Laktose, 12 % Eiweiß und 12 % Mine
ralien nicht zumutbar - übrigens auch dann nicht, wenn durch
Zwischenschalten einer Elektrodialyse und/oder Teilkristallisa
tion des Milchzuckers eine geringfügige Verbesserung des Pro tein
Laktose/Salz-Verhältnisses erzielt wird.
Proteinkonzen tra tionen woi t über 50 'Iv und dami t en tschoidondc Qua
litätsverbesserungen sind aber möglich durch den Einsatz der Ul
trafiltration.
2. Wirkungsweise und Grundlagen der Membranfiltration
Man unterscheidet bei der Membranfiltration in Abhängigkeit vom
'frcnnbcrcich der MDmbra~ zwischen Ultrafiltration (Url und Um
kehrosmose (RO). Die zur Ultrafiltration eingesetzten Mombranon
besitzen eine Porenstruktur, die so beschaffen ist, daß sämtli
che Eiweißverbindungen zurückgehalten werden. Alle niedermole
kularen Verbindungen wie Laktose, Salze (sowie Wasser) können
dagegen die Membran permeieren. Von Umkehrosmose spricht man,
wenn auch die niedermolekularen Inhaltsstoffe von der Membran
zurückgehalten werden. Die Grenze zwischen Ultrafiltration und
Umkehrosmose ist also im Grunde nicht scharf definiert.
In jedem Fall erfordert das Abpressen des Filtrats eine trans
membrane Druckdifferenz. Diese ist bei der Ultrafiltration
meist nur gering « 6 bar). Bei der Umkehrosmose arbei tet man
dagegen wegen der dichteren Membranen und des zu berücksichti
genden osmotischen Drucks mit transmembranen Druckdifferenzen
von mehr als 30 bar.
- 5 -
2.1 Membranaufbau und Membrankennzeichnung
Selektiv wirkende Membranen können heute - und dies trägt wesent
lich zu der augenblicklich explosionsartigen Ausbreitung von
Membrantrennprozessen bei - aus einer Vielzahl von Materialien
gefertigt werden, Z.ß. aus Celluloseestern (Celluloseacelal,
Cellulosetriacetat), Polyamid, Polycrylnitril und porösem Glas.
Zur Umkehrosmose werden heute noch bevorzugt Membranen aus
Celluloseacetat (CA) eingesetzt, die in ihrer Leistung, wenn
auch leider nicht in ihrer chemischen Beständigkeit, noch immer
unübertroffen sind /2/.
Der Membranaufbau ist dabei entsprechend Bild 3 asymmetrisch:
Auf einem hochporösen l'raggerüst, das den Stofftransporl bei
der Umkehrosmose und Ultrafillration kaum beeinflußl, silzl
die sehr dünne und dichte Schicht (0,2 - 1 ~m), die für die
Stoff trennung maßgebend ist. Die Trenncharakteristik dieser
"ak liven" Membranschichtkann durch Variation der Herstellungs
bedingungen in weiten Grenzen variiert werden.
~~~~~~~~~~~it
aktive SChich1t _ _
Bild 3: Schematische Darstellung einer asymmetrischen Membran
- 6 -
Zur Kennzeichnung der UF-Membranen hat sich neben dem scheinbaren
Rückhaltevermögen R
R = 1 - (1 )
die molekulare Trenngrenze eingeführt. Diese gibt an, von welcher
Molmasse an aufwärts die gelösten Inhaltsstoffe mehr oder weniger
vollständig von der Membran zurückgehalten werden. Im Grunde kann
allerdings die Trenngüte einer Ul traUl trationsmembran nur durch
eine Trennkurve (Bild 4) charakterisiert werden. Die mit
gcei~
neten Testsubstanzen experimentell zu bestimmende Trennkurve gibt
dann an, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Teilchen bestimmter
Molmasse von der Membran zurückgehal ten wird .. Legt man das Poren
modell für die Membran zugrunde, so besteht ein strenger Zusam
menhang zwischen der Trennkurve und der Porengrößenverteilung.
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Moimassl M
Bild 4: Trenngüte verschiedener UF-Membranen
- 7 -
Der technische Einsatz der Membranen erfolgt in sogenannten Mo
dulen, die sich vor allem durch die Ausbildung der Membran-Ab
stützung unterscheiden. Wichtigste Bauformen für den Einsatz in
der Lebensmittelindustrie sind die Röhren-, Platten- und Kapil
larmodulp..
2.2 Stoffaustauschvorgänge vor Membranen
Leistungsbegrenzend wirkt sich, wie bei allen Membranverfahren,
die Konzentrationsüberhöhung, d.h. die Anreicherung der zurück
gehaltenen Inhaltsstoffe an der Membranoberfläche aus (Bild 5) .
• nieder moleku lar e Stoffe
(Laktose, Salze) cp Ap v
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~Filtrat
Bild 5: Stoffaustausch vor Membranen bei der Molkeverarbeitung
Aufgrund des treibenden transmembranen Druckgefälles werden das
Lösungsmittel und der gelöste Stoff konvektiv zur Membran trans
portiert. Bedingt durch die stark unterschiedlichen Flüsse für
Lösungsmittel und Gelöstes in der Membran, muß der größte Teil
