Raps ist mehr als nur Öl - er ist auch eine Eiweißquelle

Raps ist neben der Sojabohne das weltweit wichtigste Öl und auch in Deutschland ist Rapsöl das beliebteste Speiseöl. Neben dem Öl, das etwa 40 Prozent des Inhalts ausmacht, enthält die Rapssaat - wie auch die Sojabohne - hochwertige Proteine. Diese ähneln den Milchproteinen und könnten daher als wertvolle pflanzliche Eiweißquelle für Lebens- und Futtermittel genutzt werden.

Das herkömmliche Heißpressverfahren, das in industriellen Ölmühlen eingesetzt wird, erfordert jedoch hohe Temperaturen und Drücke. Diese verändern die Eiweißstrukturen und mindern deren Qualität sowie die des entstehenden Rapsschrots. Diese hohen Temperaturen werden nach dem Pressen erneut benötigt, um das als Lösungsmittel verwendete Hexan zu verdampfen. Durch diesen Prozess wird das im Presskuchen verbliebene Öl extrahiert, um die Ölausbeute zu erhöhen. Ein zweiter qualitätsmindernder Faktor bei der konventionellen Ölgewinnung sind Bitterstoffe, die in das Extraktionsschrot gelangen, zum Beispiel aus den Schalen, die ebenfalls durch die Presse gehen.

Weil aus Raps nicht nur das begehrte Öl gewonnen werden kann, sondern auch die immer stärker nachgefragten, hochwertigen pflanzlichen Proteine, arbeiten 11 Partner aus Forschung und Industrie seit fünf Jahren im Verbundprojekt EthaNa zusammen. Gemeinsam haben sie einen neuen Ansatz für eine schonende Verarbeitung von Raps im großen Maßstab untersucht und die erste Pilotanlage konzipiert und gebaut. Die EthaNa®-Pilotanlage am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna kann bis zu 50 Kilogramm Rapssaat pro Tag verarbeiten. Das vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) geförderte Projekt wird vom Fraunhofer CBP und der Magdeburger Firma B+B Engineering GmbH koordiniert.

EthaNa®-Pilotanlage ermöglicht vollständige Verwertung von Raps

Die Pilotanlage besteht aus einer Entschalungs- und einer Extraktionsanlage. Nach Abschluss des EthaNa-Projekts wurde die Anlage 2022 erstmals in Betrieb genommen und am 3. Mai 2023 im Rahmen der Zehn-Jahres-Feier des Fraunhofer CBP offiziell eingeweiht.

Das patentierte EthaNa-Verfahren basiert auf einem Ansatz, der bisher nur im Labormaßstab angewendet wurde - der Ölextraktion mit Ethanol. Die Herausforderung bei diesem Projekt bestand darin, das Verfahren zu skalieren und in einer Pilotanlage umzusetzen. "Im Rahmen des Projekts haben wir untersucht, wie und mit welchen Geräten und Komponenten wir die verschiedenen Prozessschritte für die vollständige Nutzung von Raps in einer technischen Anlage durchführen können und wie die gesamte Anlage ausgelegt sein muss", erklärt Dr. Robert Hartmann, Gruppenleiter Biomassefraktionierung am Fraunhofer CBP.

Das EthaNa-Verfahren arbeitet mit geschältem Raps, um den Anteil an Bitterstoffen und anderen für Mensch und Tier unnötigen oder gar schädlichen Stoffen zu reduzieren und gleichzeitig die Faserstoffe zu verringern. Nach intensiver Entwicklung ist es dem Projektteam gelungen, eine Entschälungsanlage zu entwickeln, die im Dauerbetrieb bis zu 100 kg Raps pro Stunde entschälen kann. Die Schalen der Samen werden zunächst aufgespalten und dann in einem Luftstrom, der durch ein Wirbelschichtsystem erzeugt wird, vom schwereren Kern getrennt. Die Schalenfraktion ist ein Zusatzprodukt, das beispielsweise zur Herstellung von biobasierten Dämmstoffen verwendet werden kann, wie Forscher des Fraunhofer CBP in einem vom Land Sachsen-Anhalt geförderten Projekt zeigen.

Aufgrund des geringen Faseranteils kommt eine konventionelle mechanische Pressung zur Ölgewinnung aus den entschälten Rapskernen nicht in Frage. Stattdessen wird beim EthaNa-Verfahren der Alkohol Ethanol eingesetzt, der sich in den Untersuchungen der Forscher als optimal erwiesen hat. In einem als Verdrängungsextraktion bezeichneten Prozess werden kleine Tropfen des Rapsöls aus dem geschälten Kern bei milden 70 °C in der Ethanolphase emulgiert. Ein weiterer Vorteil der Technologie ist, dass sekundäre Pflanzenstoffe aus dem Rapskern, wie Sinapinsäure, Tocopherole und Polyphenole, in Ethanol löslich sind. Gelingt es, diese selektiv zu extrahieren, können die bioaktiven Inhaltsstoffe beispielsweise für kosmetische oder pharmazeutische Zwecke genutzt werden.

Hochwertiges Öl in Vorraffinatqualität

Um das Öl aus den Rapskernen freizusetzen, werden die geschälten Kerne zunächst mit Ethanol vermischt und vor der Abtrennung gemahlen. "Wir behandeln die konditionierten Biomassen entweder in einer modifizierten Schneckenpresse oder einem Dekanter, um die Ethanol-Öl-Fraktion, die flüssige Phase, von der proteinreichen Feststofffraktion zu trennen", erklärt Dr. Fabian Steffler, der das Projekt am Fraunhofer CBP leitete. Das emulgierte Öl wird schließlich in einem Dekantierbehälter vom Ethanol getrennt.

"Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass das in der EthaNa®-Pilotanlage gewonnene Öl fast vollständig frei von freien Fettsäuren und Phosphatiden ist", so Steffler. Der Vorteil für die Ölmühlen liegt auf der Hand. "Das Öl muss nicht mehr aufwendig gereinigt werden, da es durch die Ethanolextraktion auf Vorraffinat- oder Halbraffinatqualität gebracht wird. Damit kann es direkt in bestehende Produktionslinien integriert und weiterverarbeitet werden", so der Forscher weiter.

Proteinreiches Rapskonzentrat für Lebens- und Futtermittel

Der verbleibende, weitgehend entölte Feststoff enthält Proteine in konzentrierter Form. "Um das Rapskonzentrat weiter zu entölen, kommen verschiedene Extraktionsschritte zum Einsatz, die auf unterschiedliche Weise miteinander kombiniert werden können", erklärt Steffler. Das Konzentrat wird in einem Rohrbündeltrockner getrocknet, wobei das Ethanol zurückgewonnen wird.

Das so gewonnene eiweißreiche Rapskonzentrat ist ein deutlich höherwertiges Produkt als das Rapsschrot aus industriellen Ölmühlen. "Unser Rapskonzentrat ist frei von Schalen und sekundären Pflanzenstoffen und enthält daher nur äußerst geringe Mengen an unerwünschten Gerb- und Bitterstoffen", freut sich Steffler. Der hohe Proteingehalt von derzeit 42 bis 43 Prozent ist vergleichbar mit den kaltgepressten, teilentschälten Rapskuchen dezentraler Ölmühlen.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil sind die schonenden Verarbeitungsbedingungen des EthaNa-Verfahrens, die die Proteine in ihrer Struktur unverändert lassen und damit wirtschaftlich weiter nutzbar machen. "Die Proteine sind leicht in Wasser löslich. Das heißt, wir können sie extrahieren und als alternative pflanzliche Proteinquelle für die Lebensmittelindustrie nutzen, zum Beispiel in Fleischersatzprodukten", sagt Hartmann. Weitere Forschungsarbeiten, zum Beispiel zur Gewinnung der Rapsproteine für die Herstellung von Lebensmitteln, sind im Rahmen eines neuen EU-Projekts bereits angelaufen.

Das Rapskonzentrat gilt auch als hochwertiges Tierfutter. Rapsschrot aus konventionellen Ölmühlen wird bereits als Futtermittel für Schweine, Geflügel und Rinder verwendet. Für Junggeflügel oder trächtige Tiere ist der hohe Gehalt an Glucosinolaten im Schrot, die aus den Rapsschalen stammen, jedoch unerwünscht. Um die erforderliche Eiweißmenge zu gewährleisten, werden die Futtermischungen derzeit mit bis zu 30 Prozent Sojaextraktionsschrot - importiert aus Übersee - ergänzt. Rapskonzentrat ist wegen seines geringen Fasergehalts, der sogar unter dem von Sojaschrot liegt, auch für Wiederkäuer sehr gut geeignet.

Neue Geschäftsfelder für Ölmühlen

"Das proteinreiche Rapskonzentrat wird den Ölmühlen neue Einnahmequellen erschließen", ist Hartmann überzeugt. Die EthaNa®-Pilotanlage am Fraunhofer CBP steht ab sofort für Testläufe mit dem Raps aus industriellen Ölmühlen zur Verfügung, um Produktmuster in größerem Maßstab bereitzustellen. Neue Systeme können auch als alternative Verarbeitungslinien in die bestehende Infrastruktur von Ölmühlen integriert werden. Hier kommt die Firma B+B Engineering ins Spiel, die auch die Pilotanlage am Fraunhofer CBP geplant hat.

Gleichzeitig verbessern die Forscher am Fraunhofer CBP auch den Betrieb der Pilotanlage, um einen robusten und stabilen Prozess mit verbesserter Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz zu gewährleisten. "Wir haben Möglichkeiten identifiziert, die Ölausbeute zu optimieren", verdeutlicht Steffler. "Außerdem wollen wir die Anlage um ein Gegenstromverfahren zur Ethanolextraktion erweitern, so dass wir das Ethanol, das wir zur Ölextraktion verwendet haben, wieder in den Kreislauf zurückführen können", sagt der Experte. Außerdem wollen er und sein Team den Proteingehalt des Rapskonzentrats auf fast 50 Prozent erhöhen.

Hartmann ist sich sicher, dass das Verfahren noch mehr Potenzial hat. "Wir sind bereits in Gesprächen, um die Verarbeitung anderer Saaten in der EthaNa®-Anlage zu erforschen, etwa Sonnenblumen- oder Buchennüsse, aber auch Kaffeesatz und Hanfsamen."

Partner

In dem vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) geförderten Projekt EthaNa arbeiten elf Partner an dem neuartigen Verfahren:

- Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP, Leuna (Koordination)
- Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart
- Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV, Freising
- Karlsruher Institut für Technologie KIT, Karlsruhe
- Internationale Forschungsgemeinschaft Futtermitteltechnik e.V. (IFF), Braunschweig
- B+B Engineering GmbH, Magdeburg
- AVA - Anhaltinische Verfahrens- und Anlagentechnik GmbH, Magdeburg
- Miccra GmbH, Heitersheim
- VetterTec GmbH, Kassel
- C. Thywissen GmbH, Neuss
- Technologietransfer und Innovationsförderung (tti) Magdeburg GmbH, Magdeburg