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Viel Forschung rund um Membranen

Die Euromembrane bot mehr als 600 Forschern und Industriefachleuten aus aller Welt eine gemeinsame Plattform für den Austausch von Ideen und Forschungsergebnissen auf dem Gebiet der Membrantrenntechnik.

von Alimenta Import

Mit insgesamt 34 Themenschwerpunkten erfasste der Kongress Euro­membrane, der im letzten Herbst in der südfranzösischen Kleinstadt Montpellier stattfand, alle Aspekte der Technik, angefangen von der Entwicklung und Herstellung von Membranen aus den verschiedensten Mate­rialien über Moduldesign und -optimierung bis hin zu Membrananwendungen im Wasser- und Umweltbereich, in der nachhaltigen ­Chemie, in der Lebensmittelindustrie, Biotechnologie und Pharmazie. Es wurden zahlreiche Arbeiten aus dem Lebensmittelbereich präsentiert. Ein zentrales Thema war dabei die Vermeidung der Deckschichtbildung auf den Membranen. Eine Deckschicht verringert die Filtrationsleistung.
So wurden rotierende Membranen zur Trennung der Molkenproteine a-Lactalbumin (a-La) und ß-Lactoglobulin (ß-Lg) in Magermilch verwendet, um die Deckschichtbildung zu verringern. Die beiden Molkenproteine sind technologisch und für die Ernährung ­interessant. a-La wird beispielsweise in der Säuglingsnahrung eingesetzt oder in der Pharmazie wegen seines hohen Tryptophangehaltes. ß-Lg findet aufgrund seiner Emulgiereigenschaften in der Fleischindustrie Verwendung. Eine weitere Arbeit beschäftigte sich mit den Veränderungen in der Struktur und Funktionalität von a-La bei der Ultra­filtration dieser Proteinlösungen durch eine Tiefenmembran (sogenannte Dead-End-­Ultrafiltration). Der Durchgang des Proteins a-La durch die Membran wurde durch seine Proteinstruktur bestimmt, welche auch vom Salzgehalt der Lösung abhing. Wenn an das Protein nur sehr wenig Calcium gebunden war, dann war die Löslichkeit dieses Proteins in der Ausgangslösung am isoelektrischen Punkt (im sauren pH-Bereich) schlecht. Es konnte gezeigt werden, dass im Verlauf der Filtration teilweise Calcium an das Protein ­gebunden wurde, wahrscheinlich in Membran­nähe. Somit konnte das Ausfallen des Proteins auf die Membran am isoelektrischen Punkt verhindert und die Deckschichtbildung ver­min­dert werden. In Zukunft könnte der ­Calcium-Ionen-Übergang beispielsweise mittels der Membranchemie und/oder der Membranporengrösse kontrolliert werden.

Die Galacto-Oligosacchariden
Galacto-Oligosacchariden (GOS) werden prebiotische Eigenschaften zugeschrieben. Sie sollen das Wachstum und die Aktivität der Darmbakterienflora stimulieren. Sie können beispielsweise aus konzentrierten Ultrafiltrationspermeaten hergestellt werden (siehe ­Grafik): Die Laktose (ein Zweifachzucker aus Galactose und Glukose) wird durch das ­Enzym ß-Galactosidase in Glukose und einen Galactosyl-Enzym-Komplex gespalten. Dieser Galactosylrest wird auf einen weiteren Zucker (Saccharid) übertragen. Es entstehen kurz­kettige Galacto-Oligosaccharide. Letztendlich entsteht eine Mischung aus Laktose, Galaktose, Glukose und GOS unterschiedlicher ­Kettenlänge und Verknüpfung. Die GOS-­Bildungsreaktion wird von den beiden Monosacchariden Glukose und Galaktose gehemmt. Dies soll vermieden werden. Mittels Nano­filtration mit einer Celluloseacetatmembran gelang es, diese schwerabtrennbaren Monosacchariden vom Substrat Laktose und den ge­bildeten GOS abzutrennen, und somit konnte die Ausbeute um 62% gesteigert werden.

Membrane fördern Ökologie

Eine Fallstudie bei einer französischen Molkerei, die 583?000 kg Milch pro Tag verarbeitet, bewertete die Umweltbelastung des Milch­vorbehandlungsprozesses zur Molkenproteinkonzentratherstellung inklusive ihres Reinigungsprozesses. Hierbei schnitten die energie­intensivsten Prozesse, die Hitzebehandlungen, am schlechtesten ab. Es wurden auch neue ­Bioreiniger aus erneuerbaren Rohstoffen, wie Milchproteine, Butter, Rahm, Magermilch, Rohmilch, Olivenöl oder Kernseife, entwickelt und für die Reinigung von Spiralwickelmo­dulen zur Ultrafiltration getestet. Die Reinigungsleistung lag mit einer Proteinentfernung von der Membran von 66% zwischen Natronlauge und kommerziell erhältlichen Reinigern. Die Anwendung von Desinfektionsmitteln auf ungenügend gereinigten Membranen kann sowohl zu einer höheren als auch niedrigeren Filtrationsleistung führen.

Membraneinsatz in Getränkeverarbeitung
Auch für den Bereich der Getränkeindustrie wurden neue Verfahrensanwendungen vor­gestellt. So wurden verschiedene Membran­destillationsverfahren für das Aroma-Strippen (Austreiben von Aromastoffen) von schwar­zem Johannisbeersaft bewertet. Bei der ­Membrandestillation trennt eine Membrane zwei wässrige Lösungen oder eine Lösung und ein Gas entweder bei unterschiedlichen Temperaturen oder aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzungen. Das Wasser verdampft auf der einen Seite der Membran­oberfläche, passiert als Dampf die Membran und kondensiert auf der anderen Seite der Membran. Somit wird auf der einen Seite der Membran der Zulauf mit schwererflüchtigen Komponenten konzentriert, auf der anderen Seite werden die schwererflüchtigen Komponenten verdünnt und die leichterflüchtigen Aromakomponenten angereichert. Für teure, hochwertige Säfte ist wegen der kombinierten Aroma-­Abtrennung mit einem schonenden Saftkonzentrierungsprozesse vor allem die ­vakuumunterstützte Membrandestillation interessant.

Phenolische Antioxidantien waren auf dem Kongress auch ein Thema. Zur An­reicherung von natürlichen phenolischen Anti­oxidantien in Cranberrysaft wurde eine Elektrodialyse kombiniert mit Ultrafiltra­tionsmembranen getestet. Gleichzeitig wurde bei diesem Verfahren auch der Geschmack des Saftes verbessert. Die Elektrodialyse mit sogenannten Bipolarmembranen ist ein weiteres produktschonendes Verfahren, mit welchem beispielsweise der pH-Wert von Wein, Most oder Fruchtsäften eingestellt werden kann ohne zusätzlichen Chemikalieneinsatz. Eine Neutralisierung und Entfernung der Säure
ist somit ohne Beeinträchtigung des Geschmacks, Geruchs und der Farbe – beispielsweise beim Roséwein – möglich.

* Die Autorin arbeitet an der Forschungsanstalt Agroscope ALP in Bern-Liebefeld.