Vom Abfall zum Wertprodukt – Strategien zur maximalen Rohstoffverwertung in der Lebensmittelproduktion
16 Dec 2019
Während der gesamten Kette der Nahrungsmittelproduktion entstehen immer auch Nebenströme aus wertvoller Biomasse, von denen ein Großteil als Abfall entsorgt wird. GEA kooperiert mit wichtigen Partnern in der EU bei der Entwicklung neuer Ansätze zur Aufwertung dieser pflanzlichen Reststoffe. Aus diesen Reststoffen können stark nachgefragte funktionelle Proteine und andere Bioaktivstoffe gewonnen werden zur Nutzung in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen.
Bevölkerungswachstum, steigende Einkommen und Urbanisierung: Diese Faktoren treiben die Nachfrage nachProteinweltweit in die Höhe. Die zunehmende Umweltbelastung durch die Tierzucht und die damit verbundenen Produktionskosten sowie veränderte Vorlieben der Verbraucher führen nun dazu, dass funktionelle Proteine und andere nützliche Verbindungen vermehrt aus Pflanzen gewonnen werden. Bislang galt importiertes Sojabohnenmehl als bevorzugte Quelle für hochwertiges pflanzliches Protein. Doch inzwischen konzentriert man sich zunehmend auf kostengünstigere und weniger ressourcenintensive Alternativen, darunter auch gentechnikfreie Optionen, um Proteine ohne intensive Hitzezufuhr, Lösungsmittel und schädliche Chemikalien zu gewinnen.
Eine wichtige Quelle für diese wertvollen Stoffe ist die überschüssige Biomasse, die bei der Obst- und Gemüseverarbeitung entsteht. So wird in einigen Fällen – etwa in der Fruchtsaftindustrie – ein Teil der Seitenströme genutzt. Ebenso können rohstoffverarbeitende Betriebe ihre überschüssige Biomasse als Futtermittel oder Düngemittel auf den Feldern verwenden. Nach wie vor aber wird Biomasse größtenteils verbrannt oder zu Lasten der Umwelt entsorgt. Und das, obwohl sie noch wertvolle Inhaltsstoffe enthält. Dazu zählen nicht nur Proteine, sondern auch Phenole, die antioxidative oder antimikrobielle Eigenschaften haben, sowie Ballaststoffe und Farbstoffe. Die Extraktion und Veredelung dieser Inhaltsstoffe erfordern Verfahren, die so schonend, energie- und kosteneffizient sind, dass sie sich für unterschiedliche Stakeholder entlang der Wertschöpfungskette rentieren. Darüber hinaus müssen die Verfahren und Endprodukte selbstverständlich den strengen Vorschriften der Branche entsprechen. Unabdingbar ist auch ein Netzwerk – angefangen bei den Landwirten, Produzenten und Verarbeitern bis hin zu den Endverbrauchern oder branchenspezifischen Kunden – um Kontinuität bei Angebot und Nachfrage sicherzustellen.
Pro-Enrich: globale Herausforderungen gemeinsam angehen
Seit 2018 gehört GEA dem KonsortiumPro-Enrichan. Gemeinsam mit 15 anderen Interessenvertretern aus der Industrie sowie Forschungsinstituten aus sieben EU-Mitgliedstaaten lotet das Unternehmen ein neues Geschäftsmodell aus: einen geschlossenen bioökonomischen Kreislauf zur Extraktion hochwertiger Bestandteile aus speziellen landwirtschaftlichen Seitenströmen. Pro-Enrich ist ein auf drei Jahre angelegtes Projekt unter der Leitung des Dänischen Technologischen Instituts (DTI), das über das Bio-Based Industries Joint Undertaking im Rahmen des EU-Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 finanziert wird. Die Ziele des Konsortiums orientieren sich auch an den Zielen für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen: Beiden geht es darum, die Lebensmittelproduktion zu steigern und gleichzeitig die Nahrungsmittelabfälle und den ökologischen Fußabdruck der Landwirtschaft zu reduzieren.
Allein in Europa werden jedes Jahr Millionen Tonnen Biomasse produziert. Die Produktion von Raps- und Olivenöl sowie die Verarbeitung von Zitrusfrüchten und Gemüse (z. B. Tomaten) tragen in hohem Maße zur Entstehung von Abfallbiomasse bei. Und obwohl die Reststoffe wertvolle Verbindungen enthalten, galten sie lange als uninteressant, da eine Extraktion zu schwierig und/oder zu kostspielig war.
Mit neuen Methoden und Verfahren testet Pro-Enrich derzeit die technische und kommerzielle Umsetzung einer Extraktion von Inhaltsstoffen aus der Biomasse dieser vier Seitenströme per Bioverarbeitung im kleinen wie im großen Umfang. Die so erhaltenen funktionellen Proteine, Polyphenole, Ballaststoffe und Farbstoffe werden anschließend geprüft und in Lebensmitteln, Futtermitteln, Kosmetika und Klebstoffen eingesetzt.
Obgleich wir mit spezifischen Seitenströmen arbeiten, wollen wir letztlich ein flexibles Bioraffinerie-Modell für den Einsatz rund ums Jahr entwickeln, das auch anderen als Vorbild für die Extrahierung wertvoller Inhaltsstoffe aus ebendiesen oder auch ganz anderen Arten von Ernterückständen dienen kann.“– Dr. Anne Christine Hastrup, Projektkoordinatorin Pro-Enrich, Dänisches Technologisches Institut
– Dr. Anne Christine Hastrup, Projektkoordinatorin Pro-Enrich, Dänisches Technologisches Institut
Der Maßstab für die nachhaltige Produktion funktioneller Inhaltsstoffe
Im ersten Schritt des Bioraffinerie-Verfahrens von Pro-Enrich, an dem neben dem DTI teilweise auch die Bangor University in Großbritannien arbeitet, wird der Biomasseabfall einer kombinierten mechanischen Vor- und Nassverarbeitung unterzogen. Hierbei werden Enzyme eingesetzt, um bestimmte Verbindungen freizusetzen. Anschließend werden die relevanten Verbindungen u. a. mit Hilfe vonGEA KlärseparatorenundGEA Dekanternschonend extrahiert und getrennt. Reinheit, Funktionalität und Qualität werden dabei gewährleistet. Jeder Arbeitsschritt muss nicht nur kosten- und energieeffizient sein, sondern auch die Rohstoffverwertung maximieren und natürlich hochwertige Produkte hervorbringen.
Im letzten Schritt, der Trocknung, werden Materialstabilität und Haltbarkeit sichergestellt. Danach werden die Proteine und Bioaktivstoffe unter realen Bedingungen von den Endkunden im Konsortium getestet. Anhand ihres Feedbacks nehmen die Verarbeitungsspezialisten dann etwaige Anpassungen vor. „Obwohl Pro-Enrich nur das Pilotprojekt verantwortet, ist es enorm hilfreich, alle Partner an Bord zu haben“, so Dr. Anne Christine Hastrup, Projektkoordinatorin für Pro-Enrich beim Dänischen Technologischen Institut. „Das gilt insbesondere für die Endkunden, die unsere Fraktionierungen testen und auch beeinflussen können – und damit sicherstellen, dass das Endergebnis so nützlich wie rentabel ist.“
Rapsschrot/-presskuchen
Raps ist weltweit eine wichtige Nutzpflanze, die in der EU hauptsächlich zur Gewinnung von Öl angebaut wird. Bei der Extraktion von Rapsöl fällt als Nebenprodukt das proteinreiche Rapsschrot an, das häufig in Futtermitteln für Wiederkäuer, Schweine und Hühner verwendet wird. Allerdings ist das Rapsschrot während der Extraktion oftmals hohen Temperaturen und mitunter auch Chemikalien ausgesetzt, weshalb es keine Lebensmittelqualität aufweist und auch für den Einsatz in Tiernahrung teilweise unbrauchbar wird.
Inzwischen wird Rapsöl immer häufiger durch Kaltpressung gewonnen. Dementsprechend steigt auch die verfügbare Menge an Rapsschrot für die weitere Verarbeitung. Durch die Weiterentwicklung der Technik – zum Beispiel durch besagte Kaltpressung – ist eine schonendere Extraktion der Proteine und aus Protein gewonnenen Inhaltsstoffe möglich. So behalten sie mehr von ihren ursprünglichen Nährstoffen und ihrer ursprünglichen Wirkung, eignen sich besser für Lebensmittel und Tiernahrung und sind zudem eine gute Alternative zu Soja. Pro-Enrich widmet sich künftig auch Verfahren und Prozessen zur Isolierung von Bestandteilen mit niedrigem Glucosinolat- und Phytinsäuregehalt, die zwar als problematisch, aber dennoch potenziell wertvoll gelten.
[Bild von Kristina Wulff/Agro Business Park]
Oliventrester und Olivenmühlenabwasser
Die EU ist der weltweit größte Produzent von Olivenöl – wobei der Großteil für den menschlichen Verzehr vorgesehen ist.
Die nach der Gewinnung des Olivenöls verbleibenden Rückstände – Fruchtfleisch, Schale, Kerne und Mühlenabwasser – werden als Oliventrester bezeichnet. Aufgrund der hohen organischen Belastung und des niedrigen pH-Wertes stellen Olivenölrückstände ein nicht unerhebliches Problem für die Umwelt dar. Und derzeit sind strengere Rechtsvorschriften erforderlich, um die Einleitungen von Ölmühlen in der gesamten EU besser zu regeln.
Der verbleibende Oliventrester enthält große Mengen an Phenolverbindungen sowie einige Proteine und Ballaststoffe, die zwecks Wiederverwertung in Heilmitteln, Gesundheits- und Wellnessprodukten sowie Klebemitteln extrahiert und isoliert werden können. Im Olivenmühlenabwasser wiederum sind Phenolverbindungen, Zucker und organische Säuren enthalten, die in der Kosmetik- und in der Klebstoffindustrie, als Lebensmittelzutaten sowie in Nahrungsergänzungsmitteln Verwendung finden können. Durch Isolierung der Phenole lässt sich der Reinheitsgrad des Olivenmühlenabwassers vor der Entsorgung bzw. vor der weiteren Verwendung als Betriebswasser verbessern.
Reststoffe von Zitrusfrüchten
Orangen, Zitronen, Grapefruits und Mandarinen sind die am weitesten verbreiteten Früchte im weltweiten Obstanbau. Sie werden hauptsächlich zu Fruchtsäften oder Marmelade verarbeitet. Die bei der Verarbeitung von Zitrusfrüchten anfallenden Reststoffe wie Schalen, Kerne, Fruchtmasse und Fruchtfleisch werden zum Teil bereits genutzt. So werden neben Apfel- und Traubenschalen auch Zitronenschalen, die bei der Fruchtsaftproduktion übrig bleiben, für die Herstellung von Pektin eingesetzt. Darüber hinaus werden die Schalen auch zur Herstellung von ätherischen Ölen, Hesperidin (gehört zu den Bioflavonoiden) und Zellstoff-Fraktionen verwendet.
Es gibt weitere Einsatzmöglichkeiten, die jedoch bislang noch kaum Berücksichtigung gefunden haben. Dazu zählt die Isolierung von Polyphenolen, Antioxidantien, Kohlenhydraten, Proteinen, Ballaststoffen und anderen wertvollen Verbindungen für die Verwendung in hochwertigen Lebensmittelzutaten, Kosmetika, Tiernahrungsprodukten und Nahrungsergänzungsmitteln.
Tomatenreststoffe
Ordnet man die Tomate – entsprechend der EU-Definition – der Kategorie „Gemüse“ zu (und nicht etwa „Obst“), dann ist sie das weltweit am meisten konsumierte Gemüse. In Europa werden Tomaten vorwiegend in Gewächshäusern angebaut, denn nur so ist eine nahezu ganzjährige Produktion möglich.
Bei der Verarbeitung von Tomaten entsteht tonnenweise Abfall in Form von Schalen und Kernen. Das meiste davon bleibt ungenutzt. Dabei lassen sich durch Extraktion wertvolle Verbindungen wie Polyphenole, Proteine, Farbstoffe, Kohlenhydrate und Ballaststoffe isolieren und in hochwertigen Lebensmittelzutaten, Kosmetika, Tiernahrungsprodukten und Nahrungsergänzungsmitteln verwerten.
Technologie spielt bei diesem Projekt natürlich eine wesentliche Rolle. Gleichwohl sind Vernetzung und Zusammenarbeit mit den Projektpartnern und anderen Unternehmen immens wichtig. Schließlich wollen wir alle Stakeholder einbeziehen, um die Ziele der Bioökonomie weiter voranzutreiben.“– Dominik Krienke, Specialist Process Technology Renewable Resources, GEA
– Dominik Krienke, Specialist Process Technology Renewable Resources, GEA
Faktoren des Erfolgs
Für Pro-Enrich sind die technischen Abläufe nur ein Aspekt des Projekts: Das Team möchte auch die Möglichkeiten für eine effizientere und nachhaltigere Produktion dieser Verbindungen aufzeigen und den Aufbau von Lieferketten über verschiedene Branchen hinweg vereinfachen. So will man sicherstellen, dass die Seitenströme und die hieraus gewonnenen hochwertigen Inhaltsstoffe in der gesamten EU oder sogar weltweit genutzt werden können. Zur erfolgreichen Umsetzung des neuen Geschäftsmodells hat Pro-Enrich die relevanten Stakeholder entlang der gesamten Lieferkette in das Team einbezogen. Als da wären: Landwirtschaftsbetriebe und Lieferanten von Biomasse (Emmelev, Anecoop, MARZI FRANKA, Olivar de Segura), Verarbeitungs- und Technologieexperten (GEA, Tailorzyme), Organisationen zur Betreuung von Pilotprojekten inkl. Verarbeitung und Analyse (InnoRenew, DTI, BU), Hersteller (Mars, Tate and Lyle, Chimar, Natac) sowie Spezialisten für eine Intensivierung der Aktivitäten mit Informationskampagnen zur Arbeit von Pro-Enrich (Agro Business Park, Innovarum).
Obwohl GEA in erster Linie aufgrund des technischen Know-hows an Bord geholt wurde, leistet das Unternehmen mit seiner enormen Kompetenz, Erfahrung und Flexibilität in allen Phasen des Projektes wichtige Beiträge.“– Dr. Anne Christine Hastrup, Projektkoordinatorin Pro-Enrich, Dänisches Technologisches Institut
– Dr. Anne Christine Hastrup, Projektkoordinatorin Pro-Enrich, Dänisches Technologisches Institut
Pro-Enrich wird finanziert mit Fördermitteln des Bio-Based Industries Joint Undertaking im Rahmen des EU-Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 (Fördervereinbarung Nr. 792050).
Expertise von GEA für die optimale Herstellung pflanzlicher Proteine
Wir unterstützen den Kunden in allen Phasen der Anlagenkonzeption und -konstruktion sowie bei Installation, Inbetriebnahme und Übergabe. Unsere Testzentren stehen den Kunden außerdem zur Verfügung, um gemeinsam neue Proteinquellen zu erschließen, Abfälle und Energieverbräuche zu reduzieren, die Qualitätssicherung und Reproduzierbarkeit zu verbessern sowie die einzelnen Prozessstufen zu optimieren (z. B. Separation, Wärmebehandlung, Verdampfung, Membranfiltration, Feststofftrocknung, Sprühtrocknung).
