Innovative Ansätze zur Gewinnung und Veredelung von Speiseölen

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1 R. J. Eggers Innovative Ansätze zur Gewinnung und Veredelung von Speiseölen Technische Universität Hamburg-Harburg Inhalt: Verfahrensschritte bei der Verarbeitung von Ölsaaten zu Speiseölen Verfahrensansatz: Hochtemperatur-Kurzzeit Konditionierung (HTST) Verfahrensansatz: Gasunterstützte Fest/ Flüssig Trennung von Ölsaaten Grundlagen Experimente Ergebnisse Ausblick Inhalt

2 Von der Ölsaat zum Speiseöl Ölsaat Konditionierung Mechanisches Pressen Preßkuchen Lösungs- mittel- Extraktion Schrot Rohöl Entschleimung Lecithin Chemische Entsäuerung Seife Bleicherde Bleichung Gebrauchte Bleicherde Bleicherde Bleichung Gebrauchte Bleicherde Physikalische Entsäuerung Freie Fettsäuren Desodorierung Raffinat Destillat Fraktionierung Prozeßablauf Speiseölherstellung

3 Verfahrensparameter der Ölgewinnung Durchsatz in Ölmühlen z.b t Sojabohnen/Tag, d.h. 360 t Öl/Tag Prozeßschritt Temperatur Druck Dauer Hilfsmittel [ C] [bar] [min] Konditionierung Dampf Pressung Preßtemperatur Preßdruck 0,1-5 Evtl.?? Vorwärmung Extraktion Hexan Entschleimung Wasser, Säure Entsäuerung alkalisch Natronlauge physikalisch ,01 20 Dampf Bleichung 90 0,05 30 Bleicherde Desodorierung , Dampf Prozeßablauf Speiseölherstellung

4 Rapssaat Reinigen Vorwärmen (50 C) Flockieren Presskuchen Brechen Extrahieren Pressöl Konditionieren Pressen Miscella Destillation Extraktionsöl Schrot Rohöl Innovative Verfahrensansätze

5 Ölsaat Konditionierung Konditionierbedingungen Mechanisches Pressen Aktuell; 95 C, Minuten (indirekte Beheizung) Qualität, Analyse Angestrebt: 120 C 145, < Kurzzeit HTST Konditionierung

6 Verbesserter Zellaufschluss durch thermische Effekte Verbesserung der Ölqualität durch thermische Enzymdenaturierung Anreicherung gewünschter Ölbegleitkomponenten durch Zerstörung der Zellwände, Hydrolyse von Esterbindungen, Haftölmobilisierung Thermische Zerstörung von Antinutriven Stoffen Positive Beeinflussung der Proteinstruktur Bypasseiweiß Verstärkung der Effekte durch die Wahl höherer Prozesstemperaturen, bei gleichzeitiger Verkürzung der Kontaktzeit Limit: Thermische Mobilisierung Thermische Zerstörung HTST Konditionierung

7 Kurzzeitige Hochtemperaturbehandlung von Rapssaat Anreicherung von Polyphenole sowohl im Press- als auch im Extraktöl Phospholipide reichern sich im Extraktöl an Gehalt an Tocopherolen bleibt von der Behandlung unbeeinflusst Extraktionsöl ist sehr oxidationsstabil Wasserdampf Material zur Konditionierung T p Die zusätzliche Mobilisierung von Begleitkomponenten wird durch hohe Temperatur erreicht HTST Konditionierung

8 Zellzerstörung Unbehandelte Rapssaat in TEM Aufnahme. Zu erkennen sind die Zellwand (CW), Proteinkörper (P), der Zellkern (N) und Öltröpfchen(L) Ponne, C. J. Agric. Food Chem., 1996 (44) TEM Bild von mit Wasserdampf behandelter Rapssaat nach unterschiedlichen Behandlungszeiten: (A) 20s, (B) 40s, (C) 90s, (D) 200s Ölsaatkonditionierung

9 Polyphenolgehalt in ppm C 115 C 125 C 145 C Behandlungszeit in Minuten Polyphenol reichert sich fast linear mit steigender Temperatur und Dauer im Extraktöl an Gehalt an Tocopherolen bleibt von der Behandlung unbeeinflusst HTST Konditionierung / Polyphenolanreicherung

10 Daten für Rapsöl gesamt aus Pressölen + Ektraktölen aus Pressrückständen keine Behandlung 145 C 145 C 145 C konventionelle Behandlung 1 min 5 min 15 min FFA % (oleic acid) 0,91 0,78 0,99 0,84 0,75 Polyphenol (mg/kg sinapic acid eq.) Rancimat 110 C (h) 10,44 29,52 30,91 29,66 23,87 Rancimat 110 C (h) nach W. Degumm ,59-10,30 Peroxide Value (meq/kg) 2,2 6,3 9,9 6,4 7,4 Phosphorus (mg/kg) Phosphorus nach W. Degumm. (mg/kg) α Tocopherol (mg/kg) γ Tocopherol (mg/kg) Campesterol (wt.%) 0,329 0,316 0,326 0,306 0,324 Stigmasterol (wt.%) 0,000 0,002 0,003 0,002 0,003 Sitosterol (wt.%) 0,395 0,382 0,402 0,378 0,406 Sitostanol (wt.%) 0,048 0,043 0,044 0,042 0,044 Total (kein Brassicasterol) 0,772 0,742 0,775 0,728 0,777 HT ST Konditionierung

11 Industrielle Ausführung nach Fa. GEA Loop zur Kurzzeit Erwärmung hoher Ölsaatmengen

12 Phytosterol Gehalt [ppm] Tocopherol Gehalt [ppm] Öl Sorte Maiskeim Olive Raps Soja Sonnenblume Ziel: -Öl angereichert an Phytosterolen -Erhaltung der Tocopherole Begleitkomponenten

13 Saat HT-ST Pressöl Mechanisches Abpressen Presskuchen SCF Extraktion Öl angereicht in Minor Compounds Konzept: Phytosterolanreicherung im Öl

14 Phasengleichgewicht

15 K i= C sterol Oil CO2 C sterol Oil Liquid K'i Raffiniertes Rapsöl + 1.5% freie Sterole Pressure [MPa] Campesterol 50 ºC Sitosterol 50 ºC Campesterol 80 ºC Sitosterol 80 ºC Phasengleichgewichte freie Sterole

16 14 12 Total sterols Sterol content g/kg F1 F2 F3 F4 F5 F6 Fraction F1 F2 F3 F4 F5 F6 Fraction of total oil (%) Campesterol (g/kg) Sitosterol (g/kg) Sitostanol (g/kg) Total sterols* (g/kg) α-tocopherol (mg/kg) γ-tocopherol (mg/kg) Total polyphenol (mg/kg SAE) *brassicasterol not included SCF Extraktion HT ST behandeltes Material

17 Phasengleichgewicht Speiseöl / CO 2

18 Dichte Viskosität Diffusion Grenzflächenspannung flüssigkeitsähnlich gasähnlich zwischen Gas und Flüssigkeit reduziert im Falle von partieller Mischbarkeit flüssig starke Abnahme verbessert Auswirkung auf Benetzbarkeit Charakteristische Daten

19 Innovativer Verfahrensansatz: Gasunterstütztes Abpressen

20 Gasunterstütztes Abpressen -druckgekammert- (N. Foidl)

21 Viskositätsabnahme (η ) besserer Drainage Einlösen von Gas (CO 2 ) in Öl Volumenvergrößerung (m, ρ ) Verschiebung Reduzierung der Grenzflächenspannung (σ ) veringerter Ölrückhalt Verdrängung Strömung von nicht eingelöstem Gas Mitriß Wirkmechanismen / Gasunterstütztes Pressen

22 P max =50MPa T max =150 C Hochdruck - Kugelfallviskosimeter

23 oil oil with CO 2 dynamic viscosity pressure Ölviskositäten mit und ohne CO 2

24 Sorption von CO 2 in Speiseöl bei 20 MPa und 40 C: a) unter atmosphärischem Druck b) kurz nach Druckzunahme c) 2 h nach Druckzunahme d) im Gleichgewichtszustand Einlösung von CO 2 in Öl / Schwellung

25 Polystyrol P = 157 bar T = 90 C mco 2 [g] Triglyceride P = 90 bar T = 20 C t [s] Einlösung von CO 2 in Öl / Kinetik

26 System P T D MPa C 10-8 m 2 /s CO 2 in Wasser Koffein in Wasser Koffein in CO 2 (Knaff) CO 2 in Öl Öl in CO Diffusionskoeffizienten

27 Tropfenflüssigkeit Hochdrucksichtzelle PC CCD Kamera Hochdruckfenster Pendant drop

28 σ [mn/m] Zitrusöl Kaffeöl Nussöl Getreidekeimöl Olivenöl P [MPa] Grenzflächenspannung σ von Speiseöl in Kontakt mit komprimiertem CO 2 Grenzflächenspannungen

29 PI Kondensator Kolbenpumpe PI mech. Druck F/A Raps-Saat PI Puffer CO 2 Gasdruck TIC PI FI N 2 Druckminderer Backpressure regulator Gasunterstützte Pressung / Kolbenpresse

30 Vergleich des Ölgehaltes von Rapsflocken nach dem Pressen mit und ohne Zuhilfenahme von Gas 50 Ölgehalt [%] Anfangsölgehalt Anfänglicher CO CO2 2 N N2 2 Ohne GA ohne GU Ölgehalt 15 MPa Gasdruck bei 60 C Gasunterstützte Pressung / Ergebnisse

31 CO 2 CO 2 Phasengleichgewicht und Kinetik Sorptionseffekte Masse Volumen Dichte Viskosität Grenzflächenspannung Benetzung (Wasser) (Öl) Desorptionseffekte Masse Volumen Dichte Blasen Schaumbildung Zusammenfassung / Sorption und Desorption

32 Merkmale -CO 2 Einlösung über die gesamte Länge der Presse - konstanter Gasdruck - Abtrennung von gasgesättigtem Öl Zukünftige Aufgaben - Auslegung der Presse und der Gasinjektion - Prozeßparameter - Analyse für Öl und Preßkuchen - geringe CO 2 - Konvektion - Hoher Konstruktionsaufwand für die Druckkammer und die Gasdichtigkeit -Betrieb als Druckbehälter mit Feststoffschleusen Ausblick / gekammerte Schneckenpressen

33 Merkmale - CO2 Einlösung auf Injektionszone begrenzt / begrenzte Einlösungszeit - Gasdruck entweicht hinter der Injektionszone (JT Effect) - Ölablauf bei Umgebungsdruck - hohe CO2 - Konvektion - begrenzter Konstruktionsaufwand für Druckkammer und Gasdichtigkeit Zukünftige Forschungsarbeiten: Feed Gas Gas Gasinjektion mit homogener CO2 Verteilung Aufklärung von Druckprofil - Verweilzeiten - Einlösekinetik Prozessparameter Analysen und Qualitätsparameter für Öl und Presskuchen M Öl & Gas Presskuchen Ausblick / offene Schneckenpressen