Grüne Bioraffinerie - Gewinnung von Proteinen aus Grassäften

Status

abgeschlossen

Die Grüne Bioraffinerie - Ausgangslage und Motivation

Die Bewirtschaftung von Grünland zählt zweifellos zu den nachhaltigsten Produktionsweisen der Landwirtschaft. Die stoffliche Nutzung von Grünlandbiomasse ("Gras") bietet eine breite Palette von möglichen Produkten, die bisher im technischen Bereich nicht genutzt werden. Mittelfristig werden durch den Strukturwandel in der Landwirtschaft nach Schätzungen der BAL-Gumpenstein 750.000 Tonnen Trockenmasse pro Jahr von Wiesen Österreichweit verfügbar sein. Gras soll in Zukunft nicht nur als Energiequelle dienen, sondern auch zur Produktion von Chemikalien, biogener Werkstoffe (wie Kunststoff und Verpackungsmaterial) und Pflanzenfasern (z.B. für Dämmplatten) verwendet werden.

Gemeinsam mit potenten Industriepartnern wird durch das KORNBERG INSTITUT und die Hartberger Außenstelle des JOANNEUM RESEARCH ein wirtschaftlich rentables Konzept entwickelt. Dazu wurde im Rahmen der "Fabrik der Zukunft" ein Projektbündel Grüne Bioraffinerie definiert, welches sich aus drei Teilprojekten mit jeweils eigenen Zielen zusammensetzt:

• Teilprojekt-I: "Verwertung der Faserfraktion",
• Teilprojekt-II: "Proteine aus Grassäften",
• Teilprojekt-III: "Milchsäure aus Grassilagesäften".

Das Gesamtprojekt Grüne Bioraffinerie Österreich birgt eine Fülle regionalpolitischer Aspekte. Exemplarisch sei hier der Erhalt und Schutz der Kulturlandschaft und die Ökologisierung der Landwirtschaft auf Basis eines wirtschaftlich tragfähigen Konzepts zu nennen.

Proteine aus Grassäften - Inhalt und Ziele des Teilprojekts

Proteine aus Grünlandbiomasse sind wohl das bekannteste Produkt aus dieser Gruppe der Nachwachsenden Rohstoffe. Bereits 1773 wurde eine Proteinfraktion aus Grünmasse gewonnen. Die Erzeugung der Proteine aus frischer Grünmasse erfordert Kampagnenbetrieb von Mai bis Oktober. Durch das Konzept der Lagerung der Grünmasse in Form von Silage soll ein ganzjähriger Betrieb ermöglicht werden. Leider existiert derzeit keine oder kaum Literatur zur Gewinnung von Proteinen aus Silage. Der Industriepartner LACTOPROT AG, einer der führenden Casein-Hersteller, ist daran interessiert gentechnikfreie "Grassaftproteine" in hochwertigen Spezialfuttermitteln (Milchaustauscher) einzusetzen. In diesem Projektmodul wird nun untersucht inwiefern sich derartige Eiweiße dafür eignen und welche Unterschiede zwischen Grünmasse- und Silageproteinen in Struktur (Proteine, Peptide, freie Aminosäuren), Abtrennbarkeit (Gewinnung) und Verarbeitung bestehen. Ziel ist die Formulierung eines hochwertigen Milchaustauscherfutters bzw. das Aufzeigen möglicher Produktalternativen auf Basis von Silageproteinen.

Methode der Bearbeitung und verwendete Daten

Die Umsetzung des Teilprojekts "Proteine aus Grassäften" erfolgte in sechs Arbeitspaketen.

1. Rohstoffgewinnung,
2. Analytik,
3. Versuche im Technikums- bzw. Pilotanlagenmaßstab,
4. Produktspezifikation u. Pilotanlagenkonzipierung,
5. Logistik und
6. Literaturrecherche und Berichtslegung.

Bei diesem Projekt handelte es sich primär um empirische Forschung. In begrenztem Umfang (Saft-Basisanalytik) konnte auf Vorprojekte zurückgegriffen werden. Die vorangestellten Versuche zur Fraktionierung der Grünlandbiomasse und Silagen fanden bereits in der Größenordnung von Pilotanlagen statt. Ultrafiltrationsversuche konnten im bis zu 100 l Maßstab durchgeführt werden. Die begleitende Analytik der unterschiedlichen Phasen wurde einerseits durch das IFA-Tulln, das Institut für Lebensmitteltechnologie der BOKU und der Bundesanstalt für Alpenländische Landwirtschaft durchgeführt. Bevor mit der Arbeit im Labor begonnen wurde, wurde die Literatur recherchiert und mit Experten diskutiert. Die Ergebnisse der Versuche wurden direkt mit den beteiligten Firmen besprochen. Darauf folgte die Überprüfung der vorgeschlagenen Prozesswege auf ihre Wirtschaftlichkeit. Prinzipiell wurden nur solche Verfahrensschritte weitergehend verfolgt, die das Prädikat "Nachhaltige Technologie" bestmöglich erfüllen.

Ergebnisse

Grünlandbiomasse mit durchschnittlichen bis hohen Proteingehalten (Kleegras, Bastardraygras, Dauerwiese, Luzerne und Knaulgras) wurde für die Versuche der Jahre 2001 und 2002 herangezogen. Grünlandbiomasse wurde entweder erntefrisch oder als, mit Milchsäurebakterien beimpfte, Silage eingesetzt. Alle erzeugten Siloballen wiesen hervorragende Qualität (keine Fehlgärung) auf. Die Abtrennung der Proteine erfolgte nach der Zerkleinerung mittels Schneckenpressen bei einem Durchsatz von bis zu 500 kg FM/h. Die Rohproteinausbeute (CP) aus frischer Grünlandbiomasse betrug rund 20 % in beiden Versuchsjahren, trotz Variation der Versuchsparameter (Doppelpressung). Die CP-Ausbeute aus der Silage konnte gegenüber dem ersten Versuchsjahr um ca. 70 % auf rund 50 % gesteigert werden. Im Rahmen des vorliegenden Projekts konnte schlüssig bewiesen werden, dass nur ein Teil des Rohproteins aus den Säften mit den untersuchten Technologien abtrennbar ist. Zwei wichtige Technologien, die Ultrafiltration und die Koagulation/Zentrifugation mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen wurden für die Abtrennungsversuche herangezogen. Die Ergebnisse zeigten für beide Wege ähnliche Produkte. Allerdings wurde festgestellt, dass lediglich aus frischer Luzerne eine ausreichend hohe Proteinausbeute aus dem Saft erreicht werden kann. Durch eine Diplomarbeit (Povoden 2002) wurde dieser Sachverhalt verifiziert. Es stellte sich heraus, dass zwischen dem gängigen Parameter "Rohprotein" und dem tatsächlich vorliegenden (abtrennbaren) Protein eine große Kluft herrscht. Besonders der Silagesaft zeigt nur rund 5 bis 10 % des gemessenen Rohproteins als Peptide > 1,2 kD (ca. 15 Aminosäuren). Silagesaftproteine können daher wirtschaftlich sinnvoll mit keiner der beiden Technologien großtechnisch abgetrennt werden. Die Ausbeuten aus Grünem Saft (außer Luzerne) sind mit < 50 % als unbefriedigend einzustufen. Dennoch konnten hochwertige Proteinprodukte, die als Futtermittel geeignet sind, hergestellt werden. Die Trocknung der Konzentrate erfolgte problemlos ohne Zusatzstoffe. Die mikrobiologische Untersuchung der UF-Retentate ist zunächst nicht befriedigend und Verfahren zur Verringerung der Keimbelastung müssten gefunden werden. Aufwendige Aminosäurenanalytik zeigte ein sehr positives und vielversprechendes Aminosäurenprofil. Viele essentielle Aminosäuren sind überdurchschnittlich vertreten. Besonders die Silagesäfte bieten mit sehr hohen Ausbeuten aus den Rohstoffen ein enormes Potenzial an freien Aminosäuren.

Schlussfolgerungen

Die Gewinnung eines Proteinkonzentrats aus Luzerne wäre ein technologisch gangbarer Weg zu einem hochwertigen Produkt. Durch den Ausfall der Silage als Proteinlieferantin ist die Wirtschaftlichkeit nur bedingt gegeben und Teile des innovativen Elements bleiben auf der Strecke. Allerdings zeigt die Zusammensetzung der Silagesäfte (freie Aminosäuren) wesentlich höheres Potenzial, als dies durch ein Futtermittelproteinkonzentrat jemals erreichbar gewesen wäre. Die Abtrennung dieser Aminosäuren benötigt jedoch größeren Technologieentwicklungsaufwand. Eine Analyse der Silage-Aminosäuren nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten zeigt, dass großer Spielraum für Investitionen in Trenntechnologien besteht. Durch die strategische Fokussierung der Grünen Bioraffinerie Österreich und dem positiven Ausblick auf den modularen Systemaufbau in den Bereichen Aminosäuren und Milchsäure wird das Projekt einem Leuchtturm im Sinne der Programmlinie "Fabrik der Zukunft" gerecht. Es konnte im Rahmen dieses Projekts ein Know-how Vorsprung gegenüber anderen europäischen Grüne Bioraffinerie Projekten erarbeitet werden. Durch die Weiterführung des Konzepts auf Basis von Silage wird die Technologieführerschaft weiter ausgebaut werden.

Projektleiter

Dipl.-Ing.Dr. Christian Krotscheck
Kornberg Institut für nachhaltige Regionalentwicklung und angewandte Forschung
Steirisches Vulkanland Regionalentwicklung GmbH

Projekt- und Kooperationspartner

• Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Michael Narodoslawsky
  Institut für Gl. der Verfahrens- und Anlagentechnik, TU Graz
• Univ.-Doz. Dr. Karl Buchgraber
  Bundesanstalt für alpenländische Landwirtschaft (BAL) Gumpenstein, Institut für Pflanzenbau und Kulturlandschaft
• Dipl.-Ing. Werner Lorenz
  LactoProt AG
• Dipl.-Ing. Dr. Michael Koncar
  VTU-Engineering GmbH
• Christian Hiel
  KeyDreams
• Dr. Steffi Dudek
  Inst. für Angewandte Proteinchemie e. V., (ProChem)
• Dipl.-Ing. Michael Mandl
  JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH, Regionale Innovations- und Forschungsstelle Hartberg
• Univ.-Prof.DI.Dr. Gerhart Braunegg
  Inst. f. Biotechnologie, TU Graz
• Univ.-Ass. Dipl.-Ing. Dr. Herbert Danner
  Abteilung für Umweltbiotechnologie, IFA Tulln

Dipl.-Ing.Dr. Christian Krotscheck
Kornberg Institut für nachhaltige Regionalentwicklung und angewandte Forschung
Steirisches Vulkanland Regionalentwicklung GmbH
Haus der Region, Dörfl 2
A-8330 Feldbach
Tel.: +43 (3152) 83 80-23
Fax: +43 (3152) 83 80-4
E-Mail: krotscheck@vulkanland.at
Web: www.vulkanland.at