Innovative Kleiebioraffinerie: vom Nebenprodukt zu High-Value- Produkten

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1 25. Hülsenberger Gespräche, Innovative Kleiebioraffinerie: vom Nebenprodukt zu High-Value- Produkten Wolfgang Kneifel, Wien

2 Teller oder Tank? Bereits 1920 wurde die Verwendung von Lebensmitteln für die Schnapsund Bierherstellung angeprangert!...sind wir denn toll geworden? Brauchen wir Bier und Schnaps oder Brot und Kartoffeln...? Flugblatt, Hamburg 1920

3 INHALT Hintergrundinformationen Kleie als Rohstoff Das Cereval -Kleie-Bioraffineriekonzept Einblicke in ausgewählte Forschungsaktivitäten W. Kneifel: 25. Hülsenberger Gespräche, 2014

4 Verwendung verschiedener Getreidearten Getreide ist weltweit der wichtigste landwirtschaftliche Rohstoff Mais Nahrungsmittel Reis Futtermittel Weizen Gerste Industrielle Nutzung Andere Sorghum Saatgut und Verluste Mio. t W. Kneifel: 25. Hülsenberger Gespräche, 2014

5 Mio. t Globale Getreideproduktion von 1965 bis : 1,0 Mrd. t 2010: 2,4 Mrd. t Mais Reis Weizen Gerste Sorghum Andere W. Kneifel: 25. Hülsenberger Gespräche, 2014

6 > 10 Mio. t pro Jahr ~ 150 Mio. t pro Jahr Hauptproduzenten: W. Kneifel: 25. Hülsenberger Gespräche, 2014

7 pro t Weizenkleie im internationalen Handel Preisentwicklung für Futterweizen und Weizenkleie in EU-Ländern* vom Jahr 2005 bis 2013 (Daten Eurostat) Weizen Weizenkleie W. Kneifel: 25. Hülsenberger Gespräche,

8 Weizenkorn Der Anteil der Weizenkleie beträgt ca. 20% des vermahlenen Korns und setzt sich aus verschiedenen Zellschichten (Fruchthülle, Samenschale, Hyalinschicht, Aleuronschicht) zusammen. W. Kneifel: 25. Hülsenberger Gespräche, 2014

9 Zusammensetzung - Weizenkleie 3,7 5,9 5,6 19,4 Stärke Cellulose Gesamtarabinoxylane 17 11,2 Wasser Protein Fett Asche 12,1 Lignin 25 W. Kneifel: 25. Hülsenberger Gespräche, 2014

10 Weizenkleie als Rohstoff Nebenprodukt der Mühlenindustrie Derzeit Verwendung als Futtermittel, geringfügig als diätetisches Produkt Wertvolle Biomasse aufgrund wertgebender Inhaltsstoffe Möglichkeiten: (I) (II) Erzeugung wertvoller Produkte und Zutaten für LM- und FM- Industrie durch geeignete Aufbereitungs-, Extraktions- und Syntheseverfahren Nutzungsperspektiven im Non-Food-Bereich (z.b. biogene Kunststoffe, Düngemittel, Compound-Materialien) (III) Verwertung von Restströmen zur Energiegewinnung INNOVATIVE KLEIEBIORAFFINERIE W. Kneifel: 25. Hülsenberger Gespräche, 2014

11 Die Bioraffinerie zielt auf die umfassende stoffliche und energetische Verwertung von Biomasse ab BIOGENER AUSGANGSSTOFF Nahrungsmittel(komponenten) Futtermittel(komponenten) Grundchemikalien Feinchemikalien Treibstoffe, Energie, Strom, Wärme W. Kneifel: 25. Hülsenberger Gespräche, 2014

12 Bioraffineriekonzepte LIGNOCELLULOSE-BIORAFFINERIE Lignin, Cellulose, Hemicellulosen PFLANZEN-BIORAFFINERIE Stärke GRÜNE BIORAFFINERIE Presssaft (nach Fermentation) mit organ. Säuren, Protein Milchsäure, Aminosäuren Ethanol, PE, PVC, HMF, SYN-Gas, organische Säuren

13 Substanzklassen der Weizenkleie Biologisch abbaubare Kunststoffe W. Kneifel: 25. Hülsenberger Gespräche, 2014

14 Building Blocks W. Kneifel: 25. Hülsenberger Gespräche, 2014

15 KLEIE: STOFFSTRÖME IM FOKUS W. Kneifel: 25. Hülsenberger Gespräche, 2014

16 Veredelungszweig A Kleie Fraktionierung, Abbau, Hydrolyse und Extraktion Nicht-Kohlenhydrat basierte Produkte gerichtet auf Vorbehandlung Analytik Anwendung Kohlenhydrat basierte Produkte Veredelungszweig B Phenolische Komponenten Proteine Lipide Verwendung der Nebenprodukte Abfallmanagement Energie Nachhaltigkeit Ballaststoffe Stärke Glucose

17 Das Kaskadenprinzip DIREKT MECHANISCHE/THERMISCHE MODIFIZIERUNG MILDE VORBEHANDLUNG (THERMISCH, ENZYMATISCH...) THERMISCHE VORBEHANDLUNG (Hydrothermal, Steam explosion, Organosolv...) TRENNPROZESSE NEBENSTRÖME AUFREINIGUNG

18 EINBLICKE IN AUSGEWÄHLTE FORSCHUNGSBEREICHE

19 Einsatz von Kleie bei möglichst geringer Modifikation LEBENSMITTEL FUTTERMITTEL NON-FOOD POSITIV Sättigungseffekt Beeinflusst den Glykämischen Index Enthält mehrere gesundheitlich wertvolle Komponenten: - Antioxidantien (Phenolsäuren) - Phytoöstrogene - Arabinoxylane, ß-Glucan - B-Vitamine, Mineralstoffe NEGATIV Hoher Phytatgehalt Beeinflusst die Teigrheologie in Brot und Backwaren: - Geringeres Teigvolumen - Verzögerte Teigbildung - Geänderte Wasserbindung - Kürzere Teigstabilität Sensorische Nachteile (bitter, adstringierend, dunkel, sandig)

20 Kleieverwertung: Fettfraktion Essentielle Fettsäuren Vitamin E (Tocopherol) Weizenkeimlinge Kleie Phystosterole Alkyresorcinol + +++

21 Prüfung der Lipaseaktivität Kleie-Fettextraktion Physikal. Stabilität von Kleie- Suspensionen/Dis persionen Backversuche Präparative Herstellung von Alkyresorcinol-Standards

22 Einsatz von Kleie bei möglichst geringer Modifikation LEBENSMITTEL FUTTERMITTEL NON-FOOD Bran attributes Monogastric animals Ruminant animals Crude fiber (-) + Starch - + Hemicelluloses (-) + Protein + Not relevant for ruminants Crude fat (high acid number) + - Free fatty acids + - Native phytase + + Fermented bran + - Esterified bran - + Antioxidants + + Lysine ~ Not relevant for ruminants Minerals + + Arabinoxylans - +

23 Überlegungen zur Nutzung von Kleie als Futtermittel Quantitative Steigerung des Kleieanteils Kombination mit anderen Fütterungsstrategien Verbessertes Wachstum Verbesserte Nährstoffaufnahme Verbesserte P-Verdaulichkeit Erhöhung des Anteils an löslichen Ballaststoffen Präbiotische Stimulierung der Mikrobiota Positive gesundheitliche Effekte

24 Gefördert von der Stiftung Strategien für Weizenkleie als Futtermittel Einsatz nach mechanischer, ggf. thermischer Modifikation (Vermahlung, Extrusion) Direkter Einsatz Einsatz nach mikrobiologischer Modifikation (Fermentation)

25 AVENUES OF BRAN (PRE-)TREATMENT Hydrothermal pre-treatment Mild hydrothermal pre-treatment Organosolv process Other Secondary hydrolytic processes (Enzymatic, acid, combined etc.) Acid Recycling T a i l o r e d s e p a ra t i o n s t e p s Platform Chemicals Building blocks Intermediates Fermentation...PRODUCTS..

26 (Lignocellulose-)Aufschluss : Hydrothermaler Aufschluss (= Autohydrolyse in wässriger Suspension bei hohen Temperaturen) VERSUCHE IM LABOR Variables Verhältnis Kleie + Wasser Variable Temperatur-Zeit- Bedingungen Aufwändige Analytik zur Beurteilung der aufgeschlossenen Brühen notwendig Optimierung der Wassermenge Optimierung der Hydrolysebedingungen Analyse der enstehenden (Neben-)Produkte Up-scaling auf 20 l Reaktor

27 Extrakte mit unterschiedlicher Zusammensetzung und unterschiedlichen Eigenschaften Kohlenhydrate Protein, Peptide Ballaststoffe Mineralstoffe Nebenprodukte

28 FLÜSSIG- PHASE KH? VERFAHREN FERMENTATION 28

29 Fermentation von Glucose zu Milchsäure mit geeigneten Milchsäurebakterienkulturen

30 ARABINOXYLAN Erhöhung des Ballaststoffanteils Präbiotischer Effekt (AXOs, XOs) Texturale und sensorische Effekte (Brot und Backwaren) Wirkung von Arabinosidasen aus Milchsäurebakterien

31 LEBENSMITTELTECHNOLOGIE (BIO)CHEMIE VERFAHRENSTECHNIK MIKROBIOLOGIE TOXIKOLOGIE BIOTECHNOLOGIE (TIER)ERNÄHRUNG KUNSTSTOFFTECHNOLOGIE

32 Einfluss verschiedener (Vor-) Behandlungsmethoden auf strukturelle Änderungen der Arabinoxylanfraktion

33 Einsatz der Immunofluoreszenz zur Lokalisierung der Arabinoxylane

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37 Offizielle Eröffnung des CD-Labors CEREVAL am 14. Juni 2012 in Wien: Dr. Dr.hc. Christian Patermann bei seiner Festrede

38 Offizielle Eröffnung des CD-Labors CEREVAL am 14. Juni 2012

39 ...Weizen, das Killerkorn: Der Neurologe Dr. David Perlmutter belegt mit neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen, dass Weizen unsere Gesundheit, speziell unsere Denkleistung und unser Gedächtnis, massiv angreift...

40 Danke für Ihre Aufmerksamkeit