Weniger Salz, mehr Eiweiß: Forscher befassen sich mit Umwelt- und Nachhaltigkeitsproblemen bei der Milchverarbeitung
Forscher sagen, dass der hohe Salzgehalt der Molke - der wässrige Teil der Milch, der nach der Käseherstellung zurückbleibt - dazu beiträgt, dass sie zu einem der umweltschädlichsten Nebenprodukte in der Lebensmittelindustrie wird. In einer neuen Studie demonstrieren Chemiker das erste elektrochemische Redox-Entsalzungsverfahren, das in der Lebensmittelindustrie eingesetzt wird und bis zu 99 % des überschüssigen Salzes aus der Molke entfernt und wiederverwertet, während gleichzeitig mehr als 98 % des wertvollen Proteingehalts der Molke veredelt werden.
Eine grafische Darstellung des neuen Molkeverarbeitungsverfahrens.
Graphic courtesy Xiao Su
Nach Angaben des US-Landwirtschaftsministeriums ist der Käsekonsum in den letzten Jahren sprunghaft angestiegen, und die Prognosen gehen von einem weiteren Wachstum aus. Laut der Studie trägt die Käseproduktion zu etwa 83 % des gesamten Abfallstroms in der Milchwirtschaft bei. Diese Umweltbelastung und der rasch wachsende Bedarf der Bevölkerung an nachhaltigen Lebensmittelsystemen haben Xiao Su, Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der University of Illinois Urbana-Champaign, dazu veranlasst, diese Herausforderung mit Hilfe fortschrittlicher elektrochemischer Technologien anzugehen.
Das in dieser Studie vorgestellte Entsalzungsverfahren verbraucht bis zu 73 % weniger Energie und funktioniert zu 62 % der Betriebskosten, die bei herkömmlichen Entsalzungssystemen anfallen, so die Forscher. Die Ergebnisse der Studie, die von der Illinois-Absolventin Nayeong Kim geleitet wurde, sind im Chemical Engineering Journal veröffentlicht.
"Obwohl überschüssige Molke mit verschiedenen Umweltproblemen behaftet ist, wird sie von der Lebensmittelindustrie auch als wertvolle Nährstoffquelle anerkannt", so Su. "Indem wir die hochkonzentrierten Salze in Molkeabfällen auf nachhaltige Weise entmineralisieren, können wir eine der Umweltgefahren beseitigen, die mit der Verarbeitung von Milchprodukten verbunden sind, und gleichzeitig den Zugang zu den wertvollen Proteinressourcen in Molkeabfällen erschließen".
Su und sein Team gingen diese Herausforderung an, indem sie ein chemisch redox-gekoppeltes Dialysesystem einführten - ein Gerät, das sich nicht allzu sehr von einer Batteriezelle unterscheidet. Das Verfahren umfasst zwei unabhängig voneinander steuerbare Kanäle für die Molkeabfälle und die Elektroden, die durch ein Paar Ionenaustauschmembranen getrennt sind. Laut Su ermöglicht das Verfahren eine kontinuierliche Entsalzung durch eine reversible Redoxreaktion.
"Unser System gewinnt wertvolle Molkeproteine ohne das Risiko der Proteinaggregation oder Denaturierung zurück", so Kim. "Außerdem ist die Molekülgröße der Redoxspezies größer als die Porengröße der Membran, was bedeutet, dass sie die Membran nicht überwinden und die gereinigten Proteine verunreinigen können. Ich glaube, dass das Redox-vermittelte Elektrodialysesystem die Lebensmittelindustrie revolutionieren kann, indem es die gekoppelten Umwelt- und Ernährungskrisen angeht."
Während des Proteinreinigungsprozesses wandern positiv geladene Natriumionen aus dem Futter in den Redoxkanal und werden an der negativen Elektrode chemisch reduziert. Die negativ geladenen Chloridionen bewegen sich zum Redoxkanal, wenn die reduzierten Ionen an der positiven Elektrode oxidiert werden, was zu einer nachhaltigen Regeneration des Redoxpaares führt. In der Studie wird berichtet, dass der Redoxkanal seine Elektrolytkonzentration aufrechterhalten kann, indem er die entfernten Ionen an den Zufuhrkanal abgibt, und dass das zurückgewonnene Natriumchlorid zum Würzen von Käse wiederverwendet werden kann, so dass es sich um einen Prozess handelt, bei dem kein Abfall anfällt.
"Bemerkenswert ist, dass die Leistung der Proteinreinigung und der Salzrückgewinnung über mehrere Zyklen hinweg beibehalten wurde, was eine hervorragende Stabilität und Zyklierbarkeit beweist", so Su. "Insgesamt bietet unser redox-elektrochemischer Prozess eine nachhaltige und elektrifizierte Plattform für die Rückgewinnung wertvoller Proteine aus Abfällen aus der Milchproduktion, wobei für die Zukunft eine Integration mit erneuerbarer Elektrizität geplant ist. Wir hoffen, dass dies der Beginn der Forschung im Bereich der nachhaltigen Lebensmittelherstellung im Allgemeinen sein wird."
Su ist auch mit dem Beckman Institute for Advanced Science and Technology und dem Bau- und Umweltingenieurwesen in Illinois verbunden. Choonsoo Kim von der Kongju National University in Südkorea sowie Jemin Jeon und Johannes Elbert von der University of Illinois haben ebenfalls an der Studie mitgearbeitet.
Die National Science Foundation, das Institut für Nachhaltigkeit, Energie und Umwelt an der University of Illinois, die School of Chemical Sciences in Illinois und die National Research Foundation of Korea unterstützten diese Forschung.
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