Из рапса производят не только масло, но и протеины

 04.09.2023 08:38:13

Пресс-релиз Fraunhofer CBP / 3 мая 2023 г.

В Центре химико-биотехнологических процессов CBP Фраунгофера в Лейне, Германия, представители политики, науки и промышленности открыли новую пилотную установку для мягкой обработки семян рапса, чтобы увеличить потенциал добавленной стоимости рапса как сырья. На базе биоперерабатывающего завода завод производит не только высококачественное рафинированное масло предрафинатного качества, но и высококачественный, богатый белком концентрат рапсового ядра, растворенные в этаноле второстепенные растительные вещества и рапсовую шелуху, которые представляют собой дополнительную продукцию. . Завод был построен в рамках совместного исследовательского проекта EthaNa, который финансировался Федеральным министерством продовольствия и сельского хозяйства Германии (BMEL).

Схематическое изображение переработки семян рапса: традиционная обработка на промышленных маслобойнях (слева) в сравнении с процессом EthaNa, основанным на нативной экстракции этанолом (справа).
© Фраунгофера IGB
Схематическое изображение переработки семян рапса: традиционная обработка на промышленных маслобойнях (слева) в сравнении с процессом EthaNa, основанным на нативной экстракции этанолом (справа).
Система шелушения
© ЦБП Фраунгофера
На шелушильной установке в непрерывном режиме можно шелушить до 100 килограммов рапса в час.

© ЦБП Фраунгофера
На шелушильной установке рапс (слева) сначала измельчается, а более легкая шелуха (справа) отделяется от более тяжелого зерна (в центре).
Наряду с соевым, рапсовое масло является самым важным маслом в мире, а рапсовое масло также является самым популярным кулинарным маслом в Германии. Помимо масла, которое составляет примерно 40 процентов содержания, рапс, как и соевые бобы, также содержит полноценные белки. Они похожи на молочные белки и поэтому могут использоваться в качестве ценного источника растительного белка для пищевых продуктов и кормов для животных.

Однако традиционный процесс горячего прессования, используемый на промышленных маслобойнях, требует высоких температур и давлений. Они изменяют структуру белков и снижают их качество и качество получаемого рапсового шрота. Эти высокие температуры необходимы снова после прессования для испарения гексана, используемого в качестве растворителя. В ходе этого процесса из жмыхов извлекается масло, что позволяет увеличить выход масла. Вторым фактором, снижающим качество традиционного процесса экстракции масла, являются горькие вещества, которые попадают в шрот, например, из шелухи, которая также проходит через пресс.

Поскольку рапс можно использовать не только для производства популярного масла, но и для производства востребованных высококачественных растительных белков, 11 партнеров из научных и промышленных кругов последние пять лет работали вместе над совместным исследовательским проектом EthaNa. . Вместе они исследовали новый подход к мягкой переработке рапса в больших масштабах, а также спроектировали и построили первый пилотный завод. Пилотная установка EthaNa® в Центре химико-биотехнологических процессов CBP Фраунгофера в Лейне может перерабатывать до 50 килограммов рапса в день. Проект финансируется Федеральным министерством продовольствия и сельского хозяйства Германии (BMEL) и координируется Fraunhofer CBP и магдебургской фирмой B+B Engineering GmbH.

Пилотная установка EthaNa® обеспечивает полную утилизацию семян рапса.
Пилотная установка состоит из шелушильной и экстракционной установки. По завершении проекта EthaNa завод был впервые введен в эксплуатацию в 2022 году и официально открыт 3 мая 2023 года в рамках празднования десятилетнего юбилея Fraunhofer CBP.

Запатентованный процесс EthaNa основан на подходе, который до сих пор использовался только в лабораторных масштабах - использовании этанола для извлечения нефти. Задачей этого проекта было масштабирование процесса и внедрение его на пилотном заводе. «В ходе проекта мы исследовали, как и с помощью какого оборудования и компонентов мы могли бы выполнить различные этапы процесса для полного использования рапса на техническом предприятии, а также как необходимо спроектировать всю систему», - объясняет доктор Роберт. Хартманн, менеджер группы фракционирования биомассы в Fraunhofer CBP.

Процесс EthaNa работает с очищенными от шелухи рапсом, чтобы уменьшить долю горьких веществ и других веществ, которые не нужны или даже вредны для людей и животных, а также снижает содержание клетчатки. После интенсивных разработок команде проекта удалось успешно создать систему шелушения, которая способна шелушить до 100 кг рапса в час при непрерывной работе. Оболочки семян сначала раскалываются, а затем отделяются от более тяжелого ядра в потоке воздуха, создаваемом системой псевдоожиженного слоя. Фракция корпуса является дополнительным продуктом, который может, например, использоваться для производства изоляционных материалов на биологической основе, как продемонстрировали исследователи Fraunhofer CBP в проекте, финансируемом землей Саксония-Анхальт.Низкое содержание клетчатки означает, что традиционное механическое прессование для производства масла из очищенных от шелухи зерен рапса неприменимо. Вместо этого в процессе EthaNa используется этанол, спирт, который, как показали исследования исследователей, является оптимальным. В процессе, называемом вытеснительной экстракцией, небольшие капли рапсового масла из измельченного ядра эмульгируются в фазе этанола при умеренной температуре 70°C. Еще одним преимуществом технологии является то, что вторичные растительные вещества из ядра рапса, такие как синапиновая кислота, токоферолы и полифенолы, растворимы в этаноле. Если их можно избирательно экстрагировать, биоактивное содержимое можно использовать, например, в косметических или фармацевтических целях.

© ЦБП Фраунгофера
Исследователи Фраунгофера уже смогли произвести изоляционный материал на биологической основе из шелухи рапса в рамках проекта DaerPa.

Шнековый экструдер для разделения твердой и жидкой фаз
© ЦБП Фраунгофера
В модифицированном шнековом прессе жидкая этанолово-масляная фракция отделяется от богатой белком твердой фракции.

Декантер для отделения взвешенных частиц
© ЦБП Фраунгофера
Концентрат рапса, полученный в декантере, где мелочь и взвешенные вещества все еще отделяются после разделения твердой и жидкой фаз, богат белками.
Высокосортное масло предрафинатного качества.
Чтобы высвободить масло из зерен рапса, очищенные от шелухи зерна сначала смешивают с этанолом и перед разделением измельчают. «Мы обрабатываем кондиционированную биомассу либо в модифицированном шнековом прессе, либо в декантере, чтобы отделить этаноло-масляную фракцию, жидкую фазу, от богатой белком твердой фракции», - объясняет доктор Фабиан Штеффлер, который руководил проектом в Fraunhofer CBP. . Наконец, эмульгированное масло отделяют от этанола с помощью декантатора.

«Наши исследования показали, что масло, полученное на пилотной установке EthaNa®, почти полностью не содержит свободных жирных кислот и фосфатидов», - говорит Штеффлер. Преимущество маслозаводов очевидно. «Масло больше не требует интенсивной очистки, поскольку экстракция этанолом доводит его до предрафинатного или полурафинатного качества. Это означает, что его можно интегрировать непосредственно в существующие производственные линии и подвергать дальнейшей обработке», - продолжает исследователь.

концентрат семян рапса
© ЦБП Фраунгофера
Концентрат рапса, полученный на пилотной установке EthaNa®, содержит более 40 процентов высококачественных белков.
Богатый белком концентрат рапса для пищевых продуктов и кормов для животных.
Оставшийся, в значительной степени обезжиренный, твердый материал содержит белки в концентрированной форме. «Для дальнейшего обезжиривания рапсового концентрата используются различные этапы экстракции, которые можно по-разному комбинировать друг с другом», - объясняет Штеффлер. Концентрат сушат в трубчатой сушилке, извлекая этанол.

Полученный таким образом богатый белком рапсовый концентрат является значительно более качественным продуктом, чем рапсовый шрот, получаемый на промышленных маслозаводах. «Наш рапсовый концентрат не содержит шелухи и вторичных растительных веществ и, следовательно, содержит лишь очень небольшое количество нежелательных танинов и горьких веществ», - с радостью сообщает Штеффлер. Высокое содержание белка, составляющее в настоящее время 42-43 процента, аналогично рапсовому жмыху холодного отжима, частично очищенному от шелухи, получаемому на децентрализованных маслобойнях.

Еще одним значительным преимуществом являются мягкие условия обработки в процессе EthaNa, которые оставляют структуру белков неизменной, а это означает, что они имеют постоянное экономическое использование и ценность. «Белки легко растворимы в воде. Это означает, что мы можем извлекать их и использовать в качестве альтернативных источников растительного белка для пищевой промышленности, например, в продуктах, заменяющих мясо», - говорит Хартманн. Дальнейшая исследовательская работа, например, о том, как можно получить белки рапса для производства продуктов питания, уже началась в рамках нового проекта ЕС.

Концентрат рапса также считается полноценным кормом для скота. Рапсовый шрот, производимый традиционными маслозаводами, уже используется в качестве корма для свиней, птицы и крупного рогатого скота. А вот для молодняка птицы и беременных животных нежелателен высокий уровень глюкозинолатов в шроте, получаемом из шелухи рапса. Чтобы обеспечить необходимое количество белка, в кормовые смеси в настоящее время добавляют до 30 процентов соевого шрота, импортируемого из-за границы. Рапсовый концентрат также очень хорошо подходит для жвачных животных из-за низкого содержания клетчатки, которое даже ниже, чем в соевом шроте.

Новые направления деятельности маслозаводов

«Рапсовый концентрат, богатый полноценными белками, откроет новые источники дохода для маслозаводов», - убежден Хартманн. Пилотная установка EthaNa® на CBP Фраунгофера теперь доступна для тестовых испытаний рапса с промышленных маслозаводов, чтобы предоставить образцы продукции в большем масштабе. Новые системы также могут быть интегрированы в существующую инфраструктуру маслозаводов в качестве альтернативных технологических линий. Именно здесь на помощь приходит компания B+B Engineering - фирма, которая также планировала пилотную установку на CBP Фраунгофера.

В то же время исследователи из Fraunhofer CBP также совершенствуют работу пилотной системы, чтобы обеспечить надежность и стабильность процесса, а также повысить экономичность и энергоэффективность. «Мы определили потенциальные способы оптимизации добычи нефти», - поясняет Штеффлер. «Кроме того, мы также хотим расширить завод, включив в него противоточный процесс экстракции этанола, чтобы мы могли рециркулировать этанол, который мы использовали для экстракции нефти», - говорит эксперт. Он и его команда также намерены увеличить содержание белка в концентрате рапса почти до 50 процентов.

Хартманн уверен, что у этой процедуры еще больший потенциал. «Мы уже ведем дискуссии об исследовании обработки других семян на заводе EthaNa®, таких как подсолнечник или буковые орехи, или даже кофейная гуща и семена конопли».

Партнеры
Одиннадцать партнеров работают над новым процессом в рамках проекта EthaNa, который финансируется Федеральным министерством продовольствия и сельского хозяйства Германии (BMEL):

Центр химико-биотехнологических процессов Фраунгофера CBP, Лойна (координация)
Институт межфазной инженерии и биотехнологии Фраунгофера IGB, Штутгарт
Институт технологического проектирования и упаковки Фраунгофера IVV, Фрайзинг
Технологический институт Карлсруэ KIT, Карлсруэ
Международная исследовательская ассоциация Feed Technology e.V. (МКФ), Брауншвейг
B+B Engineering GmbH, Магдебург
AVA - Anhaltinische Verfahrens- und Anlagentechnik GmbH, Магдебург (Анхальтинский процесс
и машиностроение)
Miccra GmbH, Хайтерсхайм
VetterTec GmbH, Кассель
C. Thywissen GmbH, Нойс
Technologietransfer und Innovationsförderung (tti) Magdeburg GmbH, Магдебург (Передача технологий и продвижение инноваций)

Rapeseed makes more than just oil - it's a source of proteins too
Press release Fraunhofer CBP / May 03, 2023

At the Fraunhofer Center for Chemical-Biotechnological Processes CBP in Leuna, Germany, representatives from politics, research and industry opened a novel pilot plant for the mild processing of rapeseed to increase the added-value potential of rape as a raw material. Based on a biorefinery, the plant not only delivers high-grade, pre-raffinate-quality rapeseed oil, but also a high-grade, protein-rich rapeseed kernel concentrate, secondary plant substances dissolved in ethanol and rapeseed hulls, which represent further products. The plant was built as part of the joint research project EthaNa, which has been funded by the German Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL).

Schematic representation of the processing of rapeseed: conventional processing in industrial oil mills (left) compared to the EthaNa process based on ethanolic native extraction (right).
© Fraunhofer IGB
Schematic representation of the processing of rapeseed: conventional processing in industrial oil mills (left) compared to the EthaNa process based on ethanolic native extraction (right).
De-hulling system
© Fraunhofer CBP
In the de-hulling plant, up to 100 kilograms of rapeseed per hour can be de-hulled in continuous operation.

© Fraunhofer CBP
In the de-hulling plant, the rapeseed (left) is first crushed and the lighter hulls (right) are separated from the heavier kernels (center).
Alongside soybean, rapeseed is the most important oil globally, and rapeseed oil is also the most popular cooking oil in Germany. As well as the oil, which makes up approximately 40 percent of the content, the rapeseed - like soybean - also contains high-grade proteins. These are similar to milk proteins and could therefore be used as a valuable source of plant-based protein for food and animal feed.

However, the conventional hot-pressing process used in industrial oil mills requires high temperatures and pressures. These change the protein structures and reduce their quality and that of the resulting rapeseed meal. These high temperatures are required again after pressing, to evaporate the hexane used as a solvent. This process extracts the oil that remains in the press cakes in order to increase the oil yield. A second factor that reduces quality in the conventional oil-extraction process is the bitter substances that enter into the extraction meal, for example, from the hulls that also go through the press.

Because rapeseed can be used not only for the popular oil, but also to generate increasingly in-demand, high-quality plant-based proteins, 11 partners from research and industry have been working together for the last five years on the EthaNa joint research project. Together, they have investigated a new approach for a mild processing of rapeseed on a large scale, and designed and built the first pilot plant. The EthaNa® pilot plant at the Fraunhofer Center for Chemical-Biotechnological Processes CBP, in Leuna, can process up to 50 kilograms of rapeseed per day. The project has been funded by the German Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL) and coordinated by Fraunhofer CBP and Magdeburg-based firm, B+B Engineering GmbH.

EthaNa® pilot plant enables complete utilization of rapeseed
The pilot plant consists of a de-hulling and an extraction plant. Upon conclusion of the EthaNa project, the plant was put into operation for the first time in 2022 and was officially opened on May 3, 2023, as part of the ten-year anniversary celebrations at Fraunhofer CBP.

The patented EthaNa process is based on an approach that had so far only been used on a laboratory-scale - using ethanol to extract oil. The challenge for this project was scaling the process and implementing it in a pilot plant. "During the project, we investigated how and with which equipment and components we could carry out the various process steps for the complete use of rapeseed in a technical plant, along with how the entire system would need to be designed," explains Dr. Robert Hartmann, group manager of Biomass Fractionation at Fraunhofer CBP.

The EthaNa process works with de-hulled rapeseed in order to reduce the proportion of bitter substances and other substances that are unnecessary or even harmful to people and animals, while also reducing fiber. After intensive development, the project team were able to successfully create a de-hulling system that can de-hull up to 100 kg of rapeseed per hour in continuous operation. The hulls of the seeds are first split open and then separated from the heavier kernel in an air stream created by a fluidized bed system. The hull fraction is an additional product that can, for instance, be used to manufacture biobased insulating materials, as demonstrated by Fraunhofer CBP researchers in a project funded by the State of Saxony-Anhalt.

The low fiber content means conventional mechanical pressing for producing oil from de-hulled rape kernels is not an option. Instead, the EthaNa process uses ethanol, an alcohol, which was proven to be optimal in the researchers' studies. In a process referred to as displacement extraction, small droplets of the rapeseed oil from the ground kernel are emulsified in the ethanol phase at mild 70°C. Another advantage of the technology is that secondary plant substances from the rape kernel, like sinapinic acid, tocopherols and polyphenols, are soluble in ethanol. If these can be selectively extracted, the bioactive contents can be used for cosmetic or pharmaceutical purposes, for instance.

© Fraunhofer CBP
Fraunhofer researchers have already been able to produce a biobased insulating material from rapeseed hulls in the DaerPa project.

Screw extruder for solid/liquid separation
© Fraunhofer CBP
In a modified screw press, the liquid ethanol-oil fraction is separated from the protein-rich solid fraction.

Decanter for separating suspended particles
© Fraunhofer CBP
The rapeseed concentrate obtained in the decanter, where fines and suspended solids are still separated after solid-liquid separation, is rich in proteins.
High-grade, pre-raffinate-quality oil
To release the oil from the rape kernels, the de-hulled kernels are first mixed with ethanol and ground before separation. "We treat the conditioned biomasses in either a modified screw press or a decanter, to separate the ethanol-oil fraction, the liquid phase, from the protein-rich solid fraction," explains Dr. Fabian Steffler, who led the project at Fraunhofer CBP. Finally, the emulsified oil is separated from the ethanol using a decanting tank.

"Our investigations demonstrated that the oil obtained in the EthaNa® pilot plant is almost entirely free from free fatty acids and phosphatides," says Steffler. The advantage for oil mills is obvious. "The oil no longer requires intensive purification, as the ethanol extraction brings it to pre-raffinate or semi-raffinate quality. This means it can be integrated directly into existing production lines and further processed," the researcher continues.

rape seed concentrate
© Fraunhofer CBP
The rapeseed concentrate obtained from the EthaNa® pilot plant contains over 40 percent high-quality proteins.
Protein-rich rapeseed concentrate for food and animal feed
The remaining, largely de-oiled, solid material contains proteins in concentrated form. "To further de-oil the rapeseed concentrate, various extraction steps are used, which can be combined with each other in various ways," explains Steffler. The concentrate is dried in a tube bundle dryer, recovering the ethanol.

The protein-rich rapeseed concentrate obtained in this way is a significantly higher-grade product than the rapeseed meal from industrial oil mills. "Our rapeseed concentrate is free from hulls and secondary plant substances and therefore contains only extremely small amounts of unwanted tannins and bitter substances," Steffler is pleased to announce. The high protein content, currently 42-43 percent, is similar to the cold-pressed, partially de-hulled rapeseed cakes of decentralized oil mills.

Another considerable advantage is the mild processing conditions of the EthaNa process, which leave the structure of the proteins unchanged, meaning they have continuing economic use and value. "The proteins are easily soluble in water. This means we can extract them and use them as alternative plant-protein sources for the food industry, for instance, in meat-replacement products," says Hartmann. Further research work, for example on how the rapeseed proteins can be obtained to manufacture food, has already begun as part of a new EU project.

The rapeseed concentrate is also considered a high-grade livestock feed. Rapeseed meal from conventional oil mills is already used as feed for pigs, poultry and cattle. But for young poultry or pregnant animals the high levels of glucosinolates in the meal, which come from the rapeseed hulls, are undesirable. In order to ensure the required amount of protein is provided, feed mixes are currently supplemented with up to 30 percent soybean extraction meal - imported from overseas. Rapeseed concentrate is also very well suited to ruminants, because of its low fiber content, which is even below that of soybean meal.

New business lines for oil mills
"The rapeseed concentrate, which is rich in high-grade proteins, will open up new sources of income for oil mills," Hartmann is convinced. The EthaNa® pilot plant at Fraunhofer CBP is now available for test runs with the rapeseed from industrial oil mills, to provide product samples on a larger scale. New systems can also be integrated into the existing infrastructure at oil mills as alternative processing lines. This is where the company B+B Engineering - the firm that also planned the pilot plant at Fraunhofer CBP - comes in.

At the same time, the researchers at Fraunhofer CBP are also improving the operation of the pilot system to ensure the process is robust and stable with improved economy and energy efficiency. "We have identified potential ways of optimizing the oil yield," Steffler clarifies. "In addition, we also want to expand the plant to include a countercurrent process for ethanol extraction, so that we can re-circulate the ethanol we used for oil extraction," the expert says. He and his team also intend to increase the protein content of the rapeseed concentrate to almost 50 percent.

Hartmann is sure the procedure has yet more potential. "We're already in discussions about researching the processing of other seeds in the EthaNa® plant, like sunflower or beech nuts, or even coffee grounds and hemp seeds."

Partners
Eleven partners have been working on the novel process in the EthaNa project, which is funded by the German Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL):

Fraunhofer Center for Chemical-Biotechnological Processes CBP, Leuna (Coordination)
Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB, Stuttgart
Fraunhofer Institute for Process Engineering and Packaging IVV, Freising
Karlsruhe Institute for Technology KIT, Karlsruhe
International Research Association Feed Technology e.V. (IFF), Braunschweig
B+B Engineering GmbH, Magdeburg
AVA - Anhaltinische Verfahrens- und Anlagentechnik GmbH, Magdeburg (Anhaltin process
and plant engineering)
Miccra GmbH, Heitersheim
VetterTec GmbH, Kassel
C. Thywissen GmbH, Neuss
Technologietransfer und Innovationsförderung (tti) Magdeburg GmbH, Magdeburg (Technology transfer and innovation promotion)