Proteinverschiebung

Mit einer neuen gemeinschaftlichen Entwicklung von den Firmen F.H. SCHULE Mühlenbau GmbH, HOSOKAWA Alpine AG und AMANDUS Kahl GmbH & Co. KG werden ersatzweise hochwertige pflanzliche Protein- und Stärkekonzentrate wirtschaftlich hergestellt. Die pflanzlichen Proteine werden aus schnell nachwachsenden, preiswerten, stärkehaltigen Leguminosen gewonnen.

Die Bedeutung von Proteinen für die Nahrungs- und Futtermittelindustrie steigt von Jahr zu Jahr an. Dieser steigende Bedarf ist auf die Ausschöpfung der natürlichen Ressourcen, die wachsenden Bevölkerungszahlen sowie die sich verändernden Essgewohnheiten zurückzuführen.

1. Allgemeine Informationen zur Proteinverschiebung:

Die Leguminosen wie z.B. Erbsen und Bohnen werden in eine stark angereicherte Stärke und eine stark angereicherte Proteinfraktion zerlegt.

Proteinfraktion:

Bisher wurden hauptsächlich tierische Proteine für den Kraftfuttersektor verwendet. Doch die Preise steigen dramatisch. Allein im Jahr 2007 gab es eine Steigerung von über 25% bei Fischmehl. Hierzu sollten auch die Wildfischbestände betrachtet werden, die weltweit in Gefahr sind. Daher wird jede Alternative zu tierischen Proteinen als eine Chance gesehen.

Zusammensetzung eines Futtermittels:

(Abbildung 1)

Die Bedeutung von Proteinressourcen wird gerade am Beispiel der Fischindustrie, mit ihrer zunehmenden Anzahl von Fischfarmen, welche die allgemein verbreitete industrielle Tierhaltung widerspiegelt. Die Proteinversorgung im Futtermittel erfolgt überwiegend aus Fischmehl von Wildfischbeständen. Die Bilanz zeigt, dass 5 kg Wildfisch benötigt werden, um in Fischfarmen 1 kg Fisch zu erzeugen! (Powell K. (2003), Nature 426, 378-379).

Das Proteinkonzentrat dient nicht nur für diverse Futterrezepturen der Fisch- und Geflügel- bzw. Aufzuchtsfutterindustrie, insbesondere für den Bereich der Convenience Food Industrie sind Proteinkonzentrate zur Steigerung des Nährwertes von Interesse.

Stärkefraktion:

Die Fraktionierung des Produktes bietet das Stärkekonzentrat als weitere wertvolle Komponente. Neben der Verwendung als Mastfutterzugabe mit geringstem Ballaststoffgehalt, bietet die Eigenschaft der Stärke mit dem relativ hohen

Amylosegehalt von z.B. Erbsen, interessante Anwendungen in der Lebensmittelindustrie. Neben weiteren interessanten Anwendungen ist hier insbesondere die Süßwarenindustrie zu nennen. Nicht immer sind hier die qualitativ hochwertigen Stärken der Stärkefabriken notwendig. Andere optimale Prozesse für das Stärkekonzentrat liegen in den Anwendungen der Papierindustrie sowie biologisch abbaubaren Biokunststoffen.

Eine weitere wesentliche Verwendung für das Stärkekonzentrat ist die Verwendung zur Bioethanolherstellung. Durch den reduzierten Fasergehalt bietet sich diese Fraktion als effektiver Rohstoff durch eine reduzierte Wasseraufnahme an. Die Partikelgröße ermöglicht eine schnellere und intensivere Fermentation welche eine 32%ige höhere Ausbeute (im Vergleich zu Weizen) an reinen Alkohol ermöglicht.

2. Das Präzisionsverfahren Proteinverschiebung der Firmen Schule, Hosokawa und Kahl

Nur durch die gemeinsame Forschung und Entwicklung der Firmen F.H. SCHULE Mühlenbau, HOSOKAWA Alpine und AMANDUS Kahl konnten die sonst so problematischen Schnittstellen in ein Optimiertes Übergreifendes Präzisionsverfahren umgesetzt werden. Der optimale Notwendigen Schälgrad wird mit dem Schule Schälprozess genau eingestellt. Dieser Prozess gewährleistet des weiteren eine vier mal höhere Standzeit der Schälwerkzeuge im Vergleich zu den am Markt erhältlichen alternativen Schälmaschinen. Hierdurch erhöht sich die Anzahl der Mahlwerkzeuge in der Feinstvermahlung in etwa um das zehnfache. Für die Pelletierung der drei Fraktionen, Protein- Stärke- und Schalenfraktion wurde das Dosier- und Pelletierverfahren optimiert.

Mit diesem Präzisionsverfahren wurde der gesamte Prozess Schnittstellenfrei gelöst.

Ergebnisse des Präzisionsverfahrens:

a. Schule Reinigungs- und Sortierprozess:

Die Proteinverschiebung beginnt mit der Reinigung, Sortierung und Schälung der Produkte.

Die von der Natur zum Schutz des Endosperms (Gewebe im Inneren der Samenanlage) bestimmte hochmolekulare Fraktion der Samenschale ist für die nachfolgende Feinstvermahlung schwer mahlbar. Daher liegt der Energieaufwand zur Vermahlung der Samenschale, bestehend aus Zellulose, Lignin und Pektin deutlich höher als für die restlichen Bestandteile des Endosperms.

Die Prozessleistung reduziert sich auf bis zu 50%, sollte dem Vermahlungsprozess eine nicht optimal geschälte Erbse oder Bohne zugeführt werden.

Nach der Reinigung des Produktes mit der SCHULE - Reinigungsmaschine ist es von Bedeutung eine effiziente Klassifizierung durchzuführen. Diese geschieht auf Grund der physikalischen Korneigenschaften. Bei der Verarbeitung von Erbsen ist es wichtig, farbgleiche Erbsen (Gelb oder Grün) zu verarbeiten. Die Rohware besteht überwiegend aus ca. 50% Gelbe und 50% grüne Erbsen. Diese werden nach der physikalische Sortierung über Farbsortierung in eine gelb und eine grüne Fraktion getrennt. (Abbildung 2)

Die Bedeutung einer Sortierung der Produkte nach Farbe ist aus verschiedenen Gründen von Wichtigkeit. Zum einen ist die Vermahlungseigenschaft von gelben und grünen Erbsen unterschiedlich und zum anderen ergeben sich folgende Farbveränderungen der einzelnen Konzentrate:

b. Schule Schälprozess:

Die konische Schälmaschine Verticone VPC von Schule, verfügt über ein neues Konzept zum kontrollierten Schälen von Getreide, das linear einstellbar ist.

Die besonderen Eigenschaften der Schälmaschine ermöglichen eine Trennung von Endosperm und Schale, mit einem geringeren Feinmehl Anteil als andere Systeme und dadurch erhöht sich die Ausbeute der Fraktionen.

Verticone Leistung (Abbildung 3):

  • Bis zu 15 t/h
  • Antriebsleistung bis zu 90 kW
  • SPS-kompatibel

Über eine Schnecke, die sich im Einlauf befindet, wird das Produkt in den Schälraum befördert. Der Schälraum besteht aus einem konischen Siebmantel und abrasiven konischen Schleifscheiben bzw. Schälrotor, in dem Luftkanäle eingearbeitet sind. Der kleine Durchmesser des Schälrotors befindet sich unter der Einlaufschnecke; der größere Durchmesser über dem Auslauf.

Unter dem Schälraum am Auslauf befindet sich ein Auslaufring der das Produkt im Schälraum hält.

Diese Maschine ermöglicht ein optimales Anpassen an die verschiedensten Produktgrößen durch die Einstellbarkeit des Schälspaltes (zwischen Schälrotor und Siebmantel), sowie eine Beeinflussung des Schälgrades, <abbr lang="de" title="z.B.">zum Beispiel</abbr> durch das variieren des Gegendruckes des Auslaufringes. Die Leistung pro Stunde und die Beschaffenheit der Verzögerungseinheit sind weitere Einflussmöglichkeiten auf den Schälgrad.

Durch diesen Prozess kann auf Wunsch eine vollständige Entfernung der Samenschale gewährleistet werden.

 

c. Hosokawa Alpine Sichtermühle:

Der Sichtermühle wird das Material kontinuierlich zudosiert. Die horizontal drehende Mahlscheibe beschleunigt das Material gegen die am Umfang statisch angeordnete Mahlbahn. Die um die Mahlscheibe radial austretende Prozessluft führt das Material unmittelbar nach dem Aufprall aus der Mahlzone zu einem integrierten Windsichter. Die Sichterdrehzahl hindert Partikel, welche über der Primärkorngröße liegen, am Austritt aus der Mühle. Diese werden wieder in die Mahlzone zurückgeführt. Partikel, welche unter der Primärkorngröße liegen, werden mit dem Prozessgas durch das Windsichterrad geführt und in einem nachgeschalteten Filter abgeschieden. (Abbildung 4 + 5)

Die Rückführung zur Mahlzone wird wiederholt, bis das gesamte Mahlgut auf die gewünschte Primärkorngröße vermahlen wurde. Zu- und Abförderung werden über die automatische Steuerung der Mühle in Balance gehalten. Eine Überfüllung der Mühle ist damit ausgeschlossen. (Abbildung 6)

Das aus der Mühle geführte Material liegt nun in den Hauptbestandteilen des Endosperms (Stärke und Proteine) in aufgeschlossener Form vor. Teilweise lagern sich die Proteinpartikel in Feinheiten < 15µm an die Stärkepartikel an. Die Stärkekörner sind nicht mehr in der Matrix des Endosperms eingeschlossen. Sie sind unbeschädigt und liegen lose als Primärkorn in Feinheiten von 25 bis 35 µm vor. Ein relevanter Faktor für den nachfolgenden Verarbeitungsschritt ist die unterschiedliche Schüttdichte für Protein und Stärkepartikel

d. Hosokawa Alpine Hochleistungswindsichter:

Im Hochleistungswindsichter wird eine optimale Dispergierung des aufgemahlenen Materials erzielt. Eine scharfe Trennung durch die Ausführung des Sichterrads ermöglicht die optimale Fraktionierung in Fein- und Grobgut. Durch die Aufteilung des Prozessgases in Zentralluft und Kranzluft wird das Grobgut vor dem Verlassen des Sichtergehäuses intensiv durchspült. (Abbildung 7)

Ein sauberes Grobgut und damit maximaler Stärkeanteil ist damit sichergestellt. Durch die Proteinverschiebung in die Feingutfraktion erhöht sich proportional der Anteil der Stärke in der Grobgutfraktion. Das Diagramm stellt die Zusammenhänge zwischen Protein und Stärke in Feingut und Grobgut dar. Eine

Erhöhung des Stärkeanteils im Grobgut zieht zwangsläufig eine Reduzierung des Proteinanteils in der Feingutfraktion nach sich.

Der übliche Feingutauszug liegt bei ca. 30 bis 35%. Wie im Diagramm dargestellt, ergeben sich dabei Proteinwerte in der Feingutfraktion von ca. 53 bis 55%. Unter dieser Voraussetzung enthält dann die Grobgutfraktion einen Stärkeanteil von ca. 67 bis 73%. (Abbildung 8)

e. Amandus Kahl Pellet Presse:

Amandus Kahl Pressanlagen werden seit Jahrzehnten erfolgreich für die Kompaktierung von organischen Produkten mit unterschiedlicher Teilchengröße, Feuchte und Schüttdichte eingesetzt.

Die Produkte werden von den Kollern durch eine Matrize gedrückt und zu endlosen Strängen geformt, die mit Messern in die gewünschte Teilchenlänge zerschnitten werden.

Die Kahl Pelletpresse erlaubt die Verarbeitung unterschiedlichster Produkte in Bezug auf Struktur, Schüttdichte, Bindefähigkeit und Teilchengröße. Pulverförmige, faserige, grobstückige und pastöse Produkte können zu gleichförmigen Pellets mit unterschiedlicher Größe verarbeitet werden. (Abbildung 9)

Amandus Kahl Pelletieranlagen werden im Verfahren der Proteinverschiebung zur Kompaktierung und Formgebung der drei Fraktionen Stärke- und Proteinkonzentrat sowie der Samenschalen eingesetzt. Erst hierdurch wird eine praktikable Lagerung oder Transport gewährleistet.

Die Zukunft für Futter- und Nahrungsmittelhersteller

Das beschriebene Verfahren erweitert entscheidend die Ressourcen aus pflanzlichen Proteinen. Dem Anwender bieten sich neue Möglichkeiten für Beschaffung, Verfahrenstechnik und in der Distributionspolitik.

Die Auftrennung der Rohware in ihre wesentlichen Bestandteile von Faser, Protein und Stärke erlauben es, mit maßgeschneiderten Produkten die Marktforderungen in vielen Bereichen zu Erfüllen. Flexible und genauer abgestimmte Produkte erhöhen die Wertschöpfung in der Verarbeitung vom Roh- zum Fertigprodukt für die Futter- und Lebensmittelindustrie.

Die Vorteile für Futterhersteller sind zahlreich und nahezu unbegrenzt:

  • Optimierte Konzentrate aus Protein und Stärke
  • Reduzierter Faseranteil ermöglicht Verwendung auch bei Monogastrischen Tieren
  • Erweiterung der Rohmaterialressourcen und damit Kosten sparende Beschaffung
  • Die Aminosäuren aus pflanzlichen Proteinen lassen in der Rezeptur eine Substitution von tierischen Proteinen zu
  • Geringe mikrobielle Risiken
  • Hohe Marge bietet die Lebensmittelindustrie
  • Der hohe Lysinanteil macht das Proteinkonzentrat ernährungsphysiologisch wertvoll
  • Keine GEN-Manipulation, ökologischer Anbau
  • Die Samenschale ist reich an Hemizellulosen welche ernährungsphysiologisch mehr und mehr an Bedeutung gewinnt (Zivilisationskrankheiten)

Weite Felder in der Industrie:

  • Das Stärkekonzentrat findet Verwendung in dem Stärkeherstellungsprozess. Nur genetisch modifizierte stärkehaltige Pflanzen bieten einen vergleichbaren Stärkeanteil von > 70%!
  • Substitution des Harnstoffleims (Basis ist Harnstoff und Formaldehyd) in der Karton- / Pappenherstellung sowie der Spanplattenherstellung
  • Verwendung für die biologisch abbaubaren Kunststoffe für Folien und Verpackung
  • Rohstoff für die Alkoholherstellung – höhere Qualitäten des Rohstoffes ermöglichen höchste Qualitäten der Endprodukte.