Blog

May 19, 2023

So optimieren Sie Trocknungs- und Verdampfungstechnologien für hohe

Die Plant Based Foods Association (PBFA) berichtet, dass 57 Prozent aller US-amerikanischen

Die Plant Based Foods Association (PBFA) berichtet, dass im Jahr 2020 57 Prozent aller US-Haushalte pflanzliche Lebensmittel gekauft haben, gegenüber 53 Prozent im Jahr 2019. Bild von johndavi von Pixabay

Trockene Bohnen, Linsen und Erbsen sind eine beliebte und wachsende Wahl in der westlichen Ernährung, nachdem sie in vielen östlichen Kulturen schon lange als Grundnahrungsmittel etabliert sind. Zu den Faktoren, die den Anstieg des Hülsenfruchtkonsums antreiben, gehören das weit verbreitete Interesse an ethnischen Lebensmitteln und Veränderungen im Ernährungsbewusstsein. Zusammengenommen gehören sie zu den ernährungsphysiologisch umfassendsten Lebensmitteln, sind kostengünstig und weit verbreitet. Diese Sojabohnen, Mungobohnen, Kichererbsen, Lupinen, Linsen und Erbsen sind reich an Proteinen, Ballaststoffen und Kohlenhydraten und haben wenig Fett. Sie sind zu einem gesunden und beliebten Ersatz für Milchprodukte und Fleisch geworden, und der Trend zu veganer, vegetarischer und flexibler Ernährung ist groß Beeinflussung der Verwendung pflanzlicher Proteine ​​als Milch- und Fleischersatz.

Im Jahr 2020 führte die anhaltende Dynamik in der Pflanzenindustrie zu einem schnellen Wachstum. Hunderte neuer Produkte kamen auf den Markt, und wichtige regulatorische Fortschritte bei der Lebensmittelkennzeichnung trugen dazu bei, gleiche Wettbewerbsbedingungen für pflanzliche Produkte sicherzustellen. Die Plant Based Foods Association (PBFA) berichtet, dass im Jahr 2020 57 Prozent aller US-Haushalte pflanzliche Lebensmittel gekauft haben, gegenüber 53 Prozent im Jahr 2019.

Der wichtigste Markttreiber für den Bau einer Anlage zur Herstellung pflanzlicher Proteine ​​besteht darin, die wachsende Nachfrage nach nichttierischen Proteinen und Inhaltsstoffen zu decken und gleichzeitig die Abhängigkeit von der Tierhaltung zu verringern. In der Vergangenheit konzentrierten sich Zutatenhersteller mit Erfahrung in der Getreidefraktionierung auf Stärke als primäres Interesse für ihre zahlreichen Lebensmittel- und Industrieanwendungen. Proteine ​​und Ballaststoffe waren weniger wichtige Einnahmequellen und hauptsächlich für Tierfutter bestimmt. Aufgrund veränderter Ernährungsgewohnheiten und gesellschaftlicher Interessen konzentrieren sich diese Hersteller sowie neue Investoren nun auf wertvolle Proteine ​​aus Erbsen und anderen Hülsenfrüchten, um die Rentabilität zu steigern.

Die meisten Anlagenneugründungen planen die Verarbeitung von 35.000 bis 70.000 Tonnen rohem Erntegut pro Jahr. Diese Werke sind daran interessiert, vom wachstumsstarken Marktsektor pflanzlicher Fleischersatzprodukte zu profitieren und hochwertiges Protein zu produzieren, das zu texturiertem Pflanzenprotein (TPP) – auch texturiertes Pflanzenprotein (TVP) genannt – verarbeitet und dort extrudiert wird ein Fleischersatz für den Einzelhandel und die Gastronomie.

Fleischersatzprodukte werden mit einem Proteingehalt von 70 bis 75 % hergestellt und zu fertigen Fleischprodukten auf pflanzlicher Basis extrudiert oder geformt. Mithilfe von Extrusionsprozessen können die Textur und Form der Produkte definiert und anschließend in Formen wie Streusel, Streifen, Pasteten und Würstchen geformt werden. Im Wesentlichen bilden die Kosten pro Tonne dieses hochwertigen Proteins, wenn es an Extruder verkauft wird, den realsten Maßstab für die Bestimmung des Marktwerts des Rohstoffs.

Aber Protein, das im Mittelpunkt steht, macht nur 20 bis 25 % der gesamten Pulsstruktur aus. Die restlichen 75 bis 80 % der Hülsenfrüchte fallen als Nebenprodukte an: Stärke, Ballaststoffe und lösliche Stoffe. Die Herausforderungen, mit denen diese Anlagen konfrontiert sind, bestehen darin, die optimalsten Verfahren zur Trennung von Protein, Stärke, Ballaststoffen und löslichen Stoffen zu identifizieren und zu bewerten und diese Produkte für maximale Rentabilität zu nutzen.

Die Verarbeitung der Zutaten ist fast immer größenabhängig und erfordert große Mengen, um niedrige Margen auszugleichen. Auch wenn die Nachfrage nach neuen Proteinmehlen, -isolaten und -konzentraten schnell wächst, können die Kosten und die Komplexität des Baus von Verarbeitungsanlagen dazu führen, dass die Produktionskapazität für Zutaten nur langsam realisiert wird. Eine der höchsten Prioritäten bei der Herstellung pflanzlicher Proteine ​​ist die Identifizierung von Verarbeitungsmethoden, die eine hohe Leistung, Funktionsvorteile und Effizienz bieten.

Die Herstellung von Hülsenfrüchten zur hochreinen Trennung von Proteinen, Ballaststoffen, Stärken und löslichen Stoffen basiert auf einem Nassfraktionierungsprozess, der Trocknung und Verdampfung für die Endverarbeitung umfasst. Diese Fraktionierungsprozesse umfassen: a) Proteinreinigung; b) Trennung von Ballaststoffen und Stärke; und c) Rückgewinnung löslicher Stoffe.

Proteinextraktion und -reinigung: Der Proteinextraktionsprozess trennt die Hülsenfrüchte in Protein, Ballaststoffe, Stärke und lösliche Stoffe. Nach der anfänglichen Trennung wird die Proteinfraktion modifiziert, um spezifische Eigenschaften und Endverwendungsmerkmale zu erzielen. Das am weitesten verbreitete Verfahren ist eine aktive Fällungsmethode, bei der der pH-Wert der Hülsenfrüchte angepasst wird, um die Extraktion der Proteinfraktion zu fördern.

Anschließend werden durch funktionelle Proteinmodifikation Enzyme eingesetzt, um die von den Herstellern gewünschten Proteineigenschaften zu erzielen, beispielsweise eine ernährungsphysiologische oder funktionelle Eigenschaft wie Emulgierung, Gelierung oder Löslichkeit. Der resultierende Proteinstrom kann in einem Sprühtrockner zu Pulver getrocknet werden, um ein 80 bis 95 %iges Proteinisolat zu erhalten.

Faser-/Stärketrennung: Die Faser- und Stärkefraktion kann als Verbundstrom gehalten und in einem Ringtrockner getrocknet oder weiter in Faser- und Stärkeprodukte aufgetrennt werden. Als hochwertiger Ballaststoff für die menschliche Ernährung oder als andere Lebensmittelzutat kann der Ballaststoff in einem Ringtrockner getrocknet werden.

Die Stärkefraktion kann in einem Schnelltrockner getrocknet und anschließend für Backwaren, Fertiggerichte und andere Lebensmittel- oder Industriezwecke verwendet werden.

Rückgewinnung löslicher Stoffe: Der Wasserabflussstrom aus der Proteinreinigungsstufe enthält zusätzliche Nährstoffe, die als Mehrwertprodukt zurückgewonnen werden können. Viele Rückgewinnungsverfahren können in Betracht gezogen werden, aber die einfache Implementierung eines Verdampfers ermöglicht die Konzentration eines nährstoffreichen, flüssigen Produkts und verbessert gleichzeitig die Umweltauswirkungen des Abwasserstroms. Dieses konzentrierte Produkt kann als Flüssigdünger oder mit Ballaststoffen gemischt als Tierfutter verwendet werden. Darüber hinaus kann der Kondensatstrom mit reduzierter Konzentration an organischen Stoffen als Wärmequelle zurückgewonnen oder zur Prozesswasserrückgewinnung weiterbehandelt werden, um den Frischwasserverbrauch zu senken.

Während sich die Entwicklungen auf dem Markt für pflanzliche Proteine ​​weiterentwickeln, entwickeln Prozesshersteller weiterhin neue Lösungen, um spezielle Anforderungen zu erfüllen. Wie viele Zulieferer hat die Dedert Corporation mit Zutatenherstellern zusammengearbeitet, um maßgeschneiderte Prozesstechnologien zu entwickeln. Nachfolgend sehen wir uns einige Beispiele an.

Als kritischer Prozess bei der Herstellung vieler pulverförmiger Zutaten, wie z. B. pflanzlicher Proteine, erfüllt die Sprühtrocknung eine wichtige Produkttrocknungsfunktion, bei der Lebensmittelsicherheit, Produktqualität, Funktionalität und Nachhaltigkeit in Einklang gebracht werden müssen.

Beim Durchgang durch einen Zerstäuber verdampfen Wassertröpfchen bei Kontakt mit heißer Luft, um das Protein als Pulver freizusetzen, das auf den Boden des Sprühtrockners fällt. Das trockene Proteinpulver wird pneumatisch zu Produktsammelzyklonen gefördert und dann zur Lagerung in Silos oder zum Verpacken in Beuteln oder Behältern an eine Proteinpulver-Förderleitung abgegeben

Sprühtrockner werden für pflanzliche Proteine ​​meist mit Düsenzerstäubung eingesetzt, da die Hersteller mit der Anwendung von Milchproteinen vertraut sind und enge Partikelgrößenverteilungsbereiche spezifizieren. Die Düsenzerstäubung erfordert den Einsatz einer Hochdruckpumpe, die über eine beträchtliche Futteraufnahmekapazität verfügt und daher erhebliche Wartungs- und Hygieneanforderungen mit sich bringen kann. Abhängig von der Anwendung kann eine Düsenzerstäubung erforderlich sein, Alternativen wie die Rotationszerstäubung könnten jedoch Vorteile bieten.

Sprühtrockner für pflanzliche Proteine ​​müssen gemäß den FDA-Richtlinien hohe Lebensmittelstandards erfüllen, höhere Milchstandards wie 3-A Sanitary Standards oder empfohlene Designrichtlinien der European Hygienic Engineering & Design Group (EHEDG) gelten jedoch auch noch nicht die Norm. Einige Lieferanten stellen bereits Sprühtrockner her, die den strengen EHEDG-Hygienic-Design-Standards entsprechen, die je nach Kundenwunsch umgesetzt werden können. Bei diesen Systemen kommen oft neue Designs zum Einsatz, zum Beispiel eine Luftspaltisolierung mit abnehmbaren Paneelen und aufklappbaren Außenverkleidungstüren für einfachen Inspektionszugang – die im Vergleich zu angeschraubten Paneelen in einem Bruchteil der Zeit geöffnet und geschlossen werden können. Wie der Name schon sagt, gibt es weder Glasfaser noch Mineralwolle, stattdessen wird Luft zur Isolierung zwischen der Innen- und Außenhaut des Gefäßes verwendet.

Dieser Trockner verfügt über abnehmbare Paneele, die sich im Vergleich zu herkömmlichen anschraubbaren Paneelen leicht öffnen und schließen lassen. Foto mit freundlicher Genehmigung der Dedert Corporation.

Flash-Trockner werden wegen ihrer thermischen Empfindlichkeit bei Stärke eingesetzt. Wenn Stärke hohen Temperaturen ausgesetzt wird, können die strukturellen und chemischen Eigenschaften verändert werden, was zu Denaturierung, Gelatinierung oder anderen funktionellen Veränderungen führen kann. Die Schnelltrocknung zeichnet sich durch eine kurze Verweilzeit, eine niedrige Luftfeuchtigkeit und ein niedriges Temperaturprofil aus und ist ideal für Stärkeanwendungen.

Flash-Trockner sind pneumatische Systeme, die gleichzeitige Luftförderung und Trocknung kombinieren, wobei die Stärkefeststoffe am Einspeisepunkt eingeführt und in einem einzigen Durchgang getrocknet werden – bevor sie vollständig in ein Produktsammelsystem abgegeben werden.

Mit einer kurzen Verweilzeit von nur wenigen Sekunden stehen die Stärkefeststoffe für kurze Zeit in Kontakt mit einer Umgebung mit relativ geringer Hitze. Dadurch erzeugen Flash-Trockner qualitativ hochwertige Endstärkeprodukte mit durchgehend gleichmäßigem Feuchtigkeitsgehalt und konsistenter Partikelgrößenverteilung.

Der Flash-Trockner in der Konfiguration mit offenem Kreislauf arbeitet bei der niedrigsten Temperatur für eine bestimmte Anwendung und gewährleistet so eine gleichmäßige Trocknung und schonende Behandlung des Stärkematerials. Durch die Verwendung von Frischluft bleibt die Stärke immer in Kontakt mit einem sauberen, unverfälschten Trocknungsmedium mit niedriger Luftfeuchtigkeit, um das Risiko einer Kontamination oder einer Veränderung des gewünschten Zustands des Produkts zu vermeiden.

Der Ringtrocknungsprozess ist eine Erweiterung der Flash-Trocknung und ist anwendbar, wenn Fasern und Stärke im Vergleich zur Flash-Trocknung in einem Durchgang längere Trocknungszeiten erfordern.

Die Ringtrocknung sorgt für eine deutliche Effizienzsteigerung durch den Einbau eines Verteilerklassierers, der halbgetrocknetes und übergroßes Material zentrifugal zur weiteren Trocknung in das Trocknungssystem zurückführt. Durch die interne Rezirkulation halbtrockener Feststoffe bis zur vollständigen Trocknung kann der Ringtrockner bei ansonsten identischer Anwendung bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden als ein Flash-Trockner. Dennoch sorgt der Ringtrockner für eine kurze Verweilzeit von nur wenigen Sekunden, wodurch die Feststoffe nur kurz den Betriebstemperaturen ausgesetzt werden.

Je nach Anwendung stehen drei Konfigurationen von Ringtrocknern zur Verfügung:

Ringtrockner vom Zuführtyp – sind so angeordnet, dass der Verteiler die Feststoffrückführung zurück in die Zufuhrzone mit höherer Temperatur leitet, um eine maximale Trocknereffizienz zu erreichen. Der Verteiler fungiert als Zentrifugalklassierer und recycelt das schwerere halbtrockene Produkt selektiv über eine Rutsche zum Dispergierer für einen weiteren Trocknungsdurchgang. Diese Ringtrockneranordnung eignet sich für widerstandsfähigere Produkttypen, die nur begrenzt hoher Hitze ausgesetzt werden können.

Ringtrockner vom Typ P —Der Verteiler leitet die Feststoffrückführung zurück in die Abluftzone mit niedrigerer Temperatur für temperaturempfindliche Produkte. Diese Anordnung bietet bestimmten schwerer zu trocknenden Produkten die zusätzliche Verweilzeit, um eine ausreichende Trockenheit zu erreichen, ohne unerwünschte Denaturierung zu verursachen, und wird traditionell zum Trocknen modifizierter Stärken verwendet.

Vollringtrockner – verfügen über ein einzigartiges Verteilerdesign, das zwei Funktionen erfüllen kann: a) Feststoffrückführung durch den heißen Kanal zu einem luftgespülten Desintegrator und b) verlängerte Verweildauer, falls erforderlich, innerhalb des Verteilers, um eine ausreichende Trockenheit zu erreichen. Anspruchsvolle Trocknungsanwendungen, die zusätzliches Mahlen oder dynamisches Mischen im Luftstrom erfordern, profitieren von diesem Trocknertyp.

Jeder der Ringtrocknertypen kann je nach Produktanwendung oder betrieblichen Anforderungen entweder eine Konfiguration mit offenem Kreislauf (OC) oder mit teilweiser Gasrückführung (PGR) haben. Bei OC wird Umgebungsluft als einstufiges Trocknungsmedium verwendet. Mit PGR wird eine zusätzliche Energieeffizienz erreicht, indem der Großteil des Trocknerabgasstroms als vorgewärmtes Trocknungsmedium zurück zum Lufterhitzer zurückgeführt wird.

Die Rückgewinnung der Nährstoffe in der aus dem Proteinreinigungsschritt verbleibenden Flüssigkeit kann durch Verdunstung erfolgen. Bei pflanzlichen Proteinanwendungen bietet die Bauweise eines Fallfilmverdampfers ein einfaches Betriebskonzept.

Fallfilmverdampfung– Die Flüssigkeit bildet einen dünnen Film entlang der Rohrwände und wandert durch die Schwerkraft nach unten (fallend) zum Boden des Verdampfers, während gleichzeitig Wasser im rohrförmigen Dampfraum verdampft.

Mechanische Dampfrekompression (MVR)– Durch die Hinzufügung eines mechanischen Kompressors oder Ventilators wird der verdampfte Prozessdampf auf einen höheren Druck komprimiert, um als Antriebsdampf für die Verdampfung zu dienen und so den Dampfverbrauch zu minimieren.

Thermische Dampfrekompression (TVR) – ist energieeffizienter als ein dampfbeheiztes System, wenn Dampf mit mittlerem bis hohem Druck verfügbar ist. Der Treibdampf tritt durch den Dampfkompressor ein und saugt verdampften Dampf an. Der Dampf vermischt sich im konvergierenden Abschnitt und der Druck wird erhöht, um als Antriebsdampf für die Verdampfung zu dienen und so den Dampfverbrauch zu minimieren.

Die Nassfraktionierung zur Gewinnung von Pflanzenprotein, Stärke und Ballaststoffen basiert auf Lösungsmitteln und intensiver Trocknung. Diese Prozesse sind energie- und wasserintensiv.

Da die Trocknung der energieintensivste Prozess der Nassfraktionierung ist, verringert sich der Energiebedarf des gesamten Prozesses erheblich, wenn weniger Wasser getrocknet werden muss. Prozessinnovationen für Nachhaltigkeit und verbesserte Energieeffizienz werden derzeit von Lieferanten und anderen gleichgesinnten Prozesspartnern entwickelt.

Aus energetischer Sicht verursacht die thermische Trocknung aufgrund der latenten Verdampfungswärme von Wasser von etwa 970 BTU/lb natürlich Kosten im Zusammenhang mit dem Brennstoffbedarf oder anderen Heizquellen. (2256 kJ/kg). Die Prozesseffizienz kann durch die Verlagerung der Feuchtigkeitsreduzierung auf andere Prozesse gesteigert werden. Im Allgemeinen sollte, wenn möglich, zuerst eine mechanische Entwässerung durchgeführt werden, gefolgt von einer Konzentration und anschließend einer thermischen Trocknung, um die integrierte Prozesseffizienz zu maximieren. Diese Anordnung eröffnet auch die Möglichkeit, alternative Trocknungstechnologien mit verbesserter Kosten- und Energieeffizienz für den Anlagenbetrieb in Betracht zu ziehen. Der Erfolg dieser Vereinbarung hängt von einem ganzheitlichen Ansatz bei der Prozessgestaltung ab, der eine kooperative Partnerschaft zwischen Prozesslieferanten erfordert, um eine nahtlos integrierte Prozesslösung sicherzustellen.

Neben der Energieeffizienz ist der Frischwasserverbrauch ein weiterer Bereich innovativer Designuntersuchungen. Prozessintegrationen zwischen den vorgelagerten Wassernutzern und den nachgelagerten Verdampfungs- und Trocknungstechnologien könnten zu einer Wasserrückgewinnung zur Verwendung als Prozesswasser oder anderen verbesserten Nachhaltigkeitsvorteilen führen.

Weitere Informationen finden Sie auf der Website von Dedert unter www.dedert.com.

Markt für pflanzliche Proteine

Laut PBFA und dem Good Food Institute (GFI) wuchs der US-Einzelhandelsmarkt für pflanzliche Proteine ​​im Jahr 2020 um 27,1 Prozent, fast doppelt so schnell wie der gesamte Lebensmitteleinzelhandelsmarkt, auf knapp über 7 Milliarden US-Dollar. An der Spitze des Wachstums stand pflanzliches Fleisch, dessen Einzelhandelsumsätze im Vergleich zu 2019 um 45 Prozent auf 1,4 Milliarden US-Dollar stiegen. Die Kategorie pflanzliches Fleisch wuchs doppelt so schnell wie herkömmliches Fleisch und macht nun 2,7 Prozent des Einzelhandelsumsatzes mit verpacktem Fleisch aus.

Pflanzliches Fleisch, das Fleischesser anspricht, ist eine relativ junge Innovation. Obwohl es Tofu, Tempeh und Seitan schon seit Jahrhunderten gibt, haben wir erst vor kurzem herausgefunden, wie man Fleisch auf pflanzlicher Basis herstellen kann, das ein sensorisches Erlebnis bietet, das kaum von einem herkömmlichen Burger oder Chicken Nugget zu unterscheiden ist.

Laut GFI „ist der Markt für pflanzliches Fleisch in den letzten Jahren erheblich gewachsen, da Unternehmen Burger und andere Produkte auf pflanzlicher Basis herstellen, die praktisch nicht von herkömmlichem Fleisch zu unterscheiden sind.“ Dieser Ansatz begann im Jahr 2012 mit der Einführung des Hühnchenfleischs von Beyond Meat Streifen, und mit der Einführung des Impossible Burger und des Beyond Burger im Jahr 2016, die beide in Mainstream-Fast-Food-Läden erfolgreich waren, ging es richtig los.

Die PBFA berichtet, dass im Jahr 2020 17,6 Prozent der US-Haushalte Fleisch auf pflanzlicher Basis kauften. Aber Pflanzenmilch bleibt der Marktführer in diesem Segment: 39,0 Prozent der Haushalte kauften im Jahr 2020 Pflanzenmilch, was einem Einzelhandelsumsatz von 2,4 Milliarden US-Dollar und einem jährlichen Umsatzwachstum von 20,4 Prozent entspricht. Zusammengenommen machten diese beiden Kategorien 55,7 Prozent (3,9 Milliarden US-Dollar) des gesamten Einzelhandelsumsatzes mit pflanzlichen Lebensmitteln in den USA im Jahr 2020 aus

Die verbleibenden 3,1 Milliarden US-Dollar des US-Einzelhandelsumsatzes mit pflanzlichen Lebensmitteln im Jahr 2020 stammten aus diesen Kategorien: Tiefkühlgerichte 520 Millionen US-Dollar; Eiscreme/gefrorene Neuheiten 435 Millionen US-Dollar; Milchkännchen 394 Millionen US-Dollar; Joghurt 343 Millionen US-Dollar; Proteinpulver 292 Millionen US-Dollar; Butter 275 Millionen Dollar; Käse 270 Millionen Dollar; Tofu/Tempeh 175 Millionen US-Dollar; Backwaren 152 Millionen US-Dollar; trinkfertige Getränke 137 Millionen US-Dollar; Gewürze 81 Millionen US-Dollar; Milchaufstriche/Saucen 81 Millionen US-Dollar; und Eier 27 Millionen Dollar.

Dieses zunehmende Wachstum der Einzelhandelsumsätze auf pflanzlicher Basis hat die Tür für Investitionsmöglichkeiten geöffnet. Tatsächlich war 2020 ein Rekordjahr für Investitionen auf pflanzlicher Basis in den USA. Laut GFI gab es mehr Einzelinvestoren im US-amerikanischen Markt für pflanzliche Produkte um 44 Prozent im Jahr 2020 im Vergleich zu 2019. Im Jahr 2020 wurde mehr Kapital eingesammelt als in jedem anderen Jahr in der Geschichte der Branche seit 1980, insgesamt wurden 2,2 Milliarden US-Dollar in den pflanzlichen Bereich investiert.

Gregory See Hoye ist Branchenmanager bei Dedert Corporation, einem Anbieter von Trocknungs- und Verdampfungstechnologielösungen. Sein aktueller Aufgabenschwerpunkt liegt in der Unterstützung von Entwicklungen bei der Herstellung pflanzlicher Lebensmittelzutaten. Hoye verfügt über 17 Jahre Erfahrung in der Lebensmittel- und Agrarlebensmittelbranche, davon 12 Jahre mit Spezialisierung auf Verdampfungs- und Trocknungslösungen.