Lehrgebiet für Bioverfahrenstechnik (BioVT)

Denitrifikation von Molke und Molkeprodukten - Kombination von Chromatographie und biologischen Nitratabbau

Bei der Herstellung von Käse werden der Käsereimilch bis zu 0,25 g Nitrat pro Liter zugesetzt, um Spätblähungen zu vermeiden. Bei diesem Fermentationsfehler, auch Buttersäure-Gärung genannt, wird Milchsäure durch Clostridium tyrobutyricum zu Buttersäure, Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid abgebaut. Die Folge sind erhöhte Nitratgehalte in der als Nebenprodukt anfallenden Molke, die abhängig von Herstellungsverfahren bei etwa 60 mgl-1 liegen können. Um die Verwendung dieser Molke zur Produktion von Diätetika, Süflwaren, Nutraceuticals und Functional Foods zu ermöglichen, ist eine Abreicherung des Nitratgehaltes auf unter 10 mgl-1 von großer Bedeutung.

Hierzu wurde am Lehrgebiet Bioverfahrenstechnik eine innovative Verfahrensentwicklung zur Absenkung des Nitratgehaltes unter 10 mgl-1 etabliert. Durch den Einsatz eines zweistufigen Chromatographieverfahrens konnte die Abwasserfracht der Aufarbeitung um über 95% gesenkt werden. Dies wird durch eine mikrobielle Wiederaufarbeitungsstufe des Salzeluenten erreicht. Der natriumchloridhaltige Eluent der Anionenaustauschchromatographie wird dabei kontinuierlich in einen Membranbioreaktor mit Paracoccus denitrificans geleitet. Der Mikroorganismus kann das, in dem Eluenten enthaltene, Nitrat unter anaeroben Bedingungen zur gasförmigem Stickstoff reduzieren. Somit ist ein wiederholter Einsatz des Eluenten nach einer Querstrom-Ultrafiltration möglich.

Nach der erfolgreichen Etablierung der einzelnen Denitrifikationsstufen wurde eine kontinuierlich arbeitende Laboranlage in Betrieb genommen. Es folgte ein Transfer auf einen Mini-Pilot-Maflstab, mit dem die kontinuierliche Denitrifikation von 250 mlh-1 Molkekonzentrat durchgeführt werden konnte. Die Anlage konnte über einen Zeitraum von >260 h und 40 Zyklen ohne Austausch des Eluenten betrieben werden. Nach Abstimmung aller Grundoperationen wurde eine vollautomatisierte und fernsteuerbare Technikumsanlage mit einem Denitrifikationsvermögen von 450 ld-1 entwickelt. Die Anlage verfügt über einen 25 l Bioreaktor, dessen Inhalt durch eine 0,8 m2 Ultrafiltrationsmembran gereinigt wird. Die chromatographische Stufe wurde mit zwei 2,3 l Anionentauschersäulen etabliert, die im Wechsel kontinuierliche beladen und regeneriert wurden. Die Mess- und Regelsoftware wurde eigens für diese Anlage am Lehrgebiet entwickelt. Die chromatographische Stufe konnte den Nitratgehalt des zugeführten Molkekonzentrats unter 3 mgl-1 senken. Die biologische Stufe konnte das zurückgehaltene Nitrat vollständig aus dem Eluenten entfernen. 

Kooperationspartner

Biolac GmbH  (Arla Foods Ingredients GmbH)
Orelis Environment (Novasep Process)

StatusAbgeschlossenes Projekt
FördermittelgeberBMWi/AiF
Förderzeitraum08/2004 - 12/2006
Fördernummer14038N

Veröffentlichungen und Tagungsbeiträge

  • N. Tippkötter, W. Roikaew, A. Hoffmann, H.-J. Denzler, H. Buchholz, R. Ulber; Paracoccus denitrificans for the Effluent Recycling During Continuous Denitrification of Liquid Food; Biotechnol. Prog. 26 (2010) 756-762
  • R. Ulber, N. Tippkötter; Nitratfreie Molke - Neue Methoden zur Aufarbeitung von Milch- und Molkeproteinen; Rundschau für Fleischhygiene und Lebensmittelüberwachung 4 (2009) 2-4
  • R. Ulber; Innovative Verfahren in der Molkeaufarbeitung; Deutsche Molkerei Zeitung 7 (2009) 20-23
  • N. Tippkötter,W. Roikaew, R. Ulber; Nitrate removal from whey concentrate with biotechnological regeneration of the waste water; European Dairy Journal 1 (2008) 30-32
  • N. Tippkötter, W. Roikaew, R. Ulber; Nitratentfernung aus Molkekonzentrat mit biotechnologischer Regeneration der Abwässer, Deutsche Milchwirtschaft 15 (2007) 540-542
  • R. Ulber, N. Tippkötter, W. Roikaew, A. Deterding; Nitratabreicherung in Molke und Molkekonzentrat; Chem.-Ing.Tech. 77 (2005) 1182-1183
  • R. Ulber, N. Tippkötter, H. Buchholz, W. Demmer, T. Scheper; Innovative Verfahren in der Molkeaufbereitung zur Gewinnung neuer Produkte; Deutsche Milchwirtschaft 19 (2008)  
  • R. Ulber, N. Tippkötter; Innovative Verfahren in der Molkeaufarbeitung zur Gewinnung neuer Produkte; in: Von der Idee zum Projekt - vom Projekt in die Praxis; FEI e. V. (Hrsg.) (2008) 13-23
  • N. Tippkötter, W. Roikaew, R. Ulber, An automated chromatographic and microbiologic denitrification pilot plant for whey concentrate; Biorefinica (2009) Osnabrück
  • N. Tippkötter, R. Ulber; Construction of a denitrification pilot plant with automated process control implemented in LabVIEW; 7th European Symposium on Biochemical Engineering Science (2008) Porto  
  • N. Tippkötter, W. Roikaew, R. Ulber; An automated pilot plant for the bioengineering processing of concentrated whey; European BioPerspectives (2008) Hannover; Book of Abstracts 98
  • W. Roikaew, N. Tippkötter, H.J. Denzler, H. Buchholz, R. Ulber; Denitrification of whey concentrate by immobilized cells of P. denitrificans; European BioPerspectives (2007) Köln
  • N. Tippkötter, W. Roikaew, A. Hoffmann, H.J. Denzler, H. Buchholz, R. Ulber; Nitrate reduction in whey and whey concentrate; BioPerspectives in Focus: From µl to m3 (2006) Hamburg
  • N. Tippkötter, W. Roikaew, A. Hoffmann, H.J. Denzler, H. Buchholz, R. Ulber; Bioprocess Engineering Approach for the Removal of Nitrate from Whey; European Downstream Technology Forum 2006 (2006) Göttingen
  • N. Tippkötter , W. Roikaew , A. Hoffmann , H. J. Denzler , H. Buchholz , R. Ulber; Removal of nitrate from whey concentrate: an improvement for liquid foods; IUFoST 13th World Congress of Food Science and Technology FOOD IS LIFE (2006), Nantes, Frankreich
  • N. Tippkötter, W. Roikaew, A. Hoffmann, H.J. Denzler, H. Buchholz, R. Ulber; Kontinuierliche Nitratentfernung aus Molkekonzentrat; 13. Heiligenstädter Kolloquium: Technische Systeme für Biotechnologie und Umwelt (2006) Heiligenstadt
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