Am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna, Deutschland, eröffneten Vertreter aus Politik, Forschung und Industrie eine neuartige Pilotanlage zur schonenden Verarbeitung von Raps, um das Wertschöpfungspotenzial des Rohstoffs Raps zu steigern. Basierend auf einer Bioraffinerie liefert die Anlage nicht nur hochwertiges Rapsöl in vorraffinierter Qualität, sondern auch ein hochwertiges, proteinreiches Rapskernkonzentrat, in Ethanol gelöste sekundäre Pflanzenstoffe und Rapsschalen, die weitere Produkte darstellen . Die Anlage wurde im Rahmen des Verbundforschungsprojekts EthaNa errichtet.
Raps ist neben Soja das wichtigste Öl weltweit und Rapsöl ist auch in Deutschland das beliebteste Speiseöl. Neben dem Öl, das ca. 40 % des Inhalts ausmacht, enthält die Rapssaat – wie die Sojabohne – auch hochwertige Proteine. Diese ähneln Milchproteinen und könnten daher als wertvolle pflanzliche Proteinquelle für Lebens- und Futtermittel genutzt werden.
Das herkömmliche Heißpressverfahren, das in industriellen Ölmühlen verwendet wird, erfordert jedoch hohe Temperaturen und Drücke. Diese verändern die Proteinstrukturen und mindern deren Qualität und die des daraus resultierenden Rapsschrotes. Diese hohen Temperaturen werden nach dem Pressen wieder benötigt, um das als Lösungsmittel verwendete Hexan zu verdampfen. Bei diesem Verfahren wird das in den Presskuchen verbliebene Öl extrahiert, um die Ölausbeute zu erhöhen. Ein zweiter qualitätsmindernder Faktor bei der konventionellen Ölgewinnung sind die Bitterstoffe, die beispielsweise aus den Schalen, die ebenfalls durch die Presse gehen, in das Extraktionsschrot gelangen.
Weil aus Raps nicht nur das beliebte Öl, sondern auch immer mehr nachgefragte, hochwertige pflanzliche Proteine gewonnen werden können, arbeiten seit fünf Jahren 11 Partner aus Forschung und Industrie im gemeinsamen Forschungsprojekt EthaNa zusammen . Gemeinsam haben sie einen neuen Ansatz zur schonenden 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 Rapssamen pro Tag verarbeiten.
EthaNa-Pilotanlage ermöglicht vollständige Verwertung von Rapssaat
Die Pilotanlage besteht aus einer Schäl- und einer Extraktionsanlage. Nach Abschluss des EthaNa-Projekts wurde die Anlage 2022 erstmals in Betrieb genommen und am 3. Mai 2023 im Rahmen der zehnjährigen Jubiläumsfeier des Fraunhofer CBP offiziell eröffnet.
Das patentierte EthaNa-Verfahren basiert auf einem bisher nur im Labormaßstab angewandten Ansatz – der Verwendung von Ethanol zur Ölgewinnung. Die Herausforderung bei diesem Projekt bestand darin, den Prozess 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 zur vollständigen Verwertung von Rapssaat in einer technischen Anlage durchführen können und wie die Gesamtanlage aufgebaut sein müsste“, erklärt Dr. Robert Hartmann, Gruppenleiter Biomassefraktionierung am Fraunhofer CBP.
Das EthaNa-Verfahren arbeitet mit geschälter Rapssaat, um den Anteil an Bitterstoffen und anderen für Mensch und Tier unnötigen oder gar schädlichen Stoffen sowie Ballaststoffe zu reduzieren. Nach intensiver Entwicklung konnte das Projektteam erfolgreich ein Schälsystem schaffen, das im Dauerbetrieb bis zu 100 kg Rapssaat pro Stunde schälen kann. Die Schalen der Samen werden zunächst aufgespalten und dann in einem Luftstrom, der durch eine Wirbelschichtanlage erzeugt wird, von den schwereren Kernen getrennt. Die Hüllenfraktion ist ein zusätzliches Produkt, das beispielsweise zur Herstellung von biobasierten Dämmstoffen verwendet werden kann.
Aufgrund des geringen Ballaststoffgehalts kommt eine herkömmliche mechanische Pressung zur Gewinnung von Öl aus geschälten Rapskernen nicht in Frage. Stattdessen verwendet das EthaNa-Verfahren Ethanol, einen Alkohol, der sich in den Studien der Forscher als optimal erwiesen hat. In einem als Verdrängungsextraktion bezeichneten Verfahren werden kleine Tröpfchen des Rapsöls aus dem gemahlenen Kern in der Ethanolphase bei milden 70 °C emulgiert.
Ein weiterer Vorteil der Technologie ist, dass sekundäre Pflanzenstoffe aus dem Rapskern wie Sinapinsäure, Tocopherole und Polyphenole in Ethanol löslich sind. Wenn diese gezielt extrahiert werden können, können die bioaktiven Inhaltsstoffe beispielsweise für kosmetische oder pharmazeutische Zwecke verwendet werden.
Hochwertiges Öl in vorraffinierter Qualität
Um das Öl aus den Rapskernen zu lösen, werden die geschälten Kerne zunächst mit Ethanol vermischt und vor der Trennung gemahlen. „Die konditionierte Biomasse behandeln wir entweder in einer modifizierten Schneckenpresse oder einem Dekanter, um die Ethanol-Öl-Fraktion, die Flüssigphase, von der proteinreichen Feststofffraktion zu trennen“, erklärt Dr. Fabian Steffler, der das Projekt am Fraunhofer CBP leitete . Abschließend wird das emulgierte Öl in einem Dekantierbehälter vom Ethanol getrennt.
„Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass das in der EthaNa-Pilotanlage gewonnene Öl nahezu vollständig frei von freien Fettsäuren und Phosphatiden ist“, sagt Steffler. Der Vorteil für Ölmühlen liegt auf der Hand. „Das Öl muss nicht mehr intensiv gereinigt werden, da es durch die Ethanolextraktion auf Vorraffinat- oder Halbraffinatqualität gebracht wird. Dadurch kann es direkt in bestehende Produktionslinien integriert und weiterverarbeitet werden“, so der Forscher weiter.
Proteinreiches Rapskonzentrat für Lebens- und Futtermittel
Der zurückbleibende, weitgehend entölte Feststoff enthält Proteine in konzentrierter Form. „Um das Rapskonzentrat weiter zu entölen, kommen verschiedene Extraktionsschritte zum Einsatz, die unterschiedlich miteinander kombiniert werden können“, erklärt Steffler. Das Konzentrat wird in einem Rohrbündeltrockner getrocknet, wobei das Ethanol zurückgewonnen wird.
Das so gewonnene proteinreiche Rapskonzentrat ist ein deutlich hochwertigeres 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 42–43 % ähnelt dem kaltgepressten, teilweise geschälten Rapskuchen dezentraler Ölmühlen.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil sind die milden Verarbeitungsbedingungen des EthaNa-Prozesses, die die Struktur der Proteine unverändert lassen und somit einen wirtschaftlichen Nutzen und Wert haben. „Die Proteine sind gut wasserlöslich. Dadurch können wir sie extrahieren und als alternative pflanzliche Proteinquellen für die Lebensmittelindustrie nutzen, zum Beispiel in Fleischersatzprodukten“, sagt Hartmann. Weitere Forschungsarbeiten, beispielsweise wie die Rapsproteine für die Herstellung von Lebensmitteln gewonnen werden können, haben im Rahmen eines neuen EU-Projekts bereits begonnen.
Das Rapskonzentrat gilt auch als hochwertiges Nutztierfutter. Rapsschrot aus konventionellen Ölmühlen wird bereits als Futtermittel für Schweine, Geflügel und Rinder verwendet. Für Junggeflügel oder trächtige Tiere sind jedoch die hohen Gehalte an Glucosinolaten im Mehl, die aus den Rapsschalen stammen, unerwünscht. Um die erforderliche Proteinzufuhr zu gewährleisten, werden Futtermischungen derzeit mit bis zu 30 % Sojaextraktionsschrot – importiert aus Übersee – ergänzt. Auch für Wiederkäuer ist Rapskonzentrat aufgrund seines geringen Ballaststoffgehalts, der sogar unter dem von Sojaschrot liegt, sehr gut geeignet.
Neue Geschäftsfelder für Ölmühlen
„Das an hochwertigen Proteinen reiche Rapskonzentrat wird Ölmühlen neue Einnahmequellen erschließen“, ist Hartmann überzeugt. Die EthaNa-Pilotanlage am Fraunhofer CBP steht nun für Testläufe mit dem Raps aus industriellen Ölmühlen zur Verfügung, um Produktmuster in größerem Maßstab zur Verfügung zu stellen. Auch neue Anlagen können 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 des Fraunhofer CBP auch den Betrieb der Pilotanlage, um einen robusten und stabilen Prozess mit verbesserter Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz zu gewährleisten. „Wir haben Potenziale zur Optimierung der Ölausbeute identifiziert“, verdeutlicht Steffler. „Darüber hinaus wollen wir die Anlage auch um ein Gegenstromverfahren zur Ethanolextraktion erweitern, um das bei der Ölgewinnung eingesetzte Ethanol wieder in den Kreislauf zu führen“, sagt der Experte. Außerdem wollen er und sein Team den Proteingehalt des Rapskonzentrats auf fast 50 Prozent steigern.
Hartmann ist sich sicher, dass das Verfahren noch mehr Potenzial hat. „Wir sind bereits in Gesprächen darüber, die Verarbeitung anderer Samen in der EthaNa-Pflanze zu erforschen, wie Sonnenblumen- oder Bucheckern oder sogar Kaffeesatz und Hanfsamen.“