FLANDERS' FOOD RADAR

Solvent resistente nanofiltratie: opmerkelijke opportuniteiten in de voedingsindustrie

Solvent resistente nanofiltratie zou die voedingsproductieprocessen waarbij organische solventen worden gebruikt, wel eens grondig kunnen gaan hertekenen. Vooral in het extractie- en raffinageproces van plantaardige oliën zijn de voordelen en potentiële mogelijkheden groot.

Solvent resistente nanofiltratie (SRNF) is één van de opkomende ontwikkelingen binnen de membraantechnologie. SRNF maakt het mogelijk om organische mengsels tot op moleculair niveau te scheiden door eenvoudigweg een drukgradiënt over een solvent resistent membraan aan te leggen. Dat op deze wijze tal van industriële processen tevens milieu- en energievriendelijker kunnen gemaakt worden draagt bij tot een groeiende interesse in deze technologie.

De meest belovende implementaties van SRNF in de voedingsindustrie situeren zich in het productieproces van plantaardige oliën. Hierbij worden solventen zoals aceton (bij triacylglycerolen fractionatie) en hexaan (bij olie extractie) gebruikt. Het hele proces is echter energieverslindend, produceert heel wat afvalstromen en is verre van optimaal (een substantieel deel van de olie gaat nog steeds verloren). Introductie van SRNF zou volgende voordelen bieden:

  • Energiebesparing
  • Optimalere olie opbrengst
  • Verbeterde olie kwaliteit (minder thermische schade)
  • Beter behoud van nutriënten
  • Minder chemicaliën nodig
  • Opwaardering van nevenstromen (bijvoorbeeld carotenoïden)


Het productieproces van plantaardige oliën

1. Persen (of wringen)

Zaden met een hoog vetgehalte (> 35%, bijvoorbeeld koolzaad) worden mechanisch geperst. Hierbij wordt enerzijds olie en anderzijds perskoek bekomen.

2. Extractie

De olie die nog in de perskoek zit, of die aanwezig is in zaden met een laag vetgehalte (< 25%, bijvoorbeeld sojabonen) wordt geëxtraheerd. Meestal gebeurt dit in tegenstroom met hexaan als solvent. Dit mengsel van olie en hexaan (micella genoemd) wordt afgevoerd naar een destilleertoestel waarbij hexaan wordt verdampt en in een condensator gerecupereerd.

3. Raffinage

De oliefractie bevat naast zowat 95% triacylglycerolen een complex mengsel, bestaande uit fosfolipiden, vrije vetzuren, pigmenten, sterolen, koolhydraten en proteïnen. Deze substanties beperken de houdbaarheid van de olie en kunnen aanleiding geven tot vorming van ongewenste reuk-, kleur- en smaakstoffen. Ze worden daarom via verschillende stappen in een raffinageproces verwijderd:

3.1 Verwijdering van fosfolipiden (‘ontgomming’)

3.2 Neutralisatie van vrije vetzuren door verzeping met NaOH

3.3 Absorptie van pigmenten aan bleekaarde (klei)

3.4 Verwijderen van vluchtige reuk- en smaakstoffen via stoomdestillatie


De toepassingsmogelijkheden van SRNF situeren zich in bijzonder in het extractie-, het ontgommings- en neutralisatieproces (Figuur 1).


Figuur 1: Schema van het productieproces van plantaardige oliën met mogelijke toepassingsmogelijkheden van SRNF. Bron: Vandezande et al. (Chemical Society Reviews, 2008)

Toepassingsmogelijkheden in het extractieproces

SRNF vormt een aantrekkelijk alternatief om de olie fractie te scheiden van de solvent fractie. Veelal zal de zo opgeconcentreerde olie fractie van het retentaat nog verder opgezuiverd dienen te worden via desitillatie. Doch, hiervoor zal duidelijk minder energie vereist zijn dan in het klassieke proces. Goede resultaten werden reeds bekomen met membranen op basis van cross-linked polydimethylsiloxaan (PDMS) voor scheiding van olie van hexaan en i-octaan. Polyamide (PA) membranen met hydrofobe PDMS componenten werden met succes getest voor het scheiden van oliezuur van hexaan en methanol. Er kan echter nog een stap verder gedacht worden. Door het gebruik van SRNF hoeven de solventen niet langer vluchtig te zijn. Met andere woorden, nieuwe solventen zouden in de productie van plantaardige oliën geïntroduceerd kunnen worden. Er kan gedacht worden aan ketonen en alcoholen met verhoogde extractie opbrengsten en veiligere en milieuvriendelijkere processen tot gevolg. Bovendien komen hiervoor commercieel verkrijgbare cellulose acetaat (CA), polyvinylideen fluoride (PVDF) en PA membranen in aanmerking. Simpele ketonen zoals aceton worden nu reeds gebruikt voor fractionatie van triacylglycerolen uit cacaoboter. Momenteel wordt de aceton hierbij via verdamping verwijderd wat echter tot gedeeltelijke afbraak van het product leidt. In de plaats daarvan zou een membraan gebaseerd scheidingsproces op kamertemperatuur gebruikt kunnen worden wat de olie kwaliteit duidelijk te goede zal komen.

Toepassingsmogelijkheden in het ontgommingsproces

De fosfolipiden micellen, welke een moleculair gewicht van zowat 20 kDa hebben, kunnen makkelijk uit het olie/solvent mengsel gefilterd worden (Figuur 1). Siliconen SRNF membranen toonden in experimenten de beste resultaten. Nadeel was wel dat bepaalde van deze membranen ook tot 35% van de olie fractie weerhielden. Andere problemen die waargenomen werden, waren verstopping en massa transfer problemen. PVDF en polyimide (PI)membranen zijn mogelijke alternatieven.

Toepassingsmogelijkheden in het neutralisatieproces

Het verwijderen van vrije vetzuren via klassieke verzeping is een energie intensieve bewerking waarbij veel water en chemicaliën verbruikt worden. Men is dan ook naarstig op zoek naar alternatieven. De selectiviteit en permeabiliteit van de meeste SRNF membranen is echter onvoldoende voor rechtstreekse toepassing in dit proces. Een mogelijke oplossing ligt in het combineren van membranen met hoge en lage permeabiliteit. Een andere benadering is het verdunnen van de geconcentreerde olie met hexaan waarbij SRNF membranen de triacylglycerolen weerhouden en het solvent met de vrije vetzuren laten permeëren. Experimenteel beloftevolle resultaten werden zo reeds bekomen voor zonnebloemolie met polyethyleen oxide-b-amide (PEBAX) en cellulose gebaseerde membranen. Verder kan ook hier gedacht worden aan het gebruik van andere solventen. Methanol heeft bijvoorbeeld een goede selectiviteit voor vrije vetzuren. Vervolgens kunnen met behulp van omgekeerde osmose membranen (die minder doorlatend zijn dan nanofiltratie membranen), zoals Desal-5 (GE/Osmonics) en NTR-759 (Nitto Denko), de vrije vetzuren uit de methanol gefilterd worden.

Toepassingsmogelijkheden in andere voedingsproductieprocessen

SRNF is ook onderzocht geweest voor toepassing in het productieproces van aspartaam. Hierbij werd een PA/polyfenylsulfon (PPSf) membraan getest om het aspartaam dipeptide te scheiden van vrije (ongereageerde) aminozuren in een methanol solvent. Ook voor het opzuiveren van bio-actieve componenten zoals xantofyl uit ethanol extracten van maïs en cafeïne uit ethanol extracten van groene thee werden bevredigende resultaten bekomen met commerciële SRNF membranen.

Interessante link

Centrum voor Oppervlaktechemie en Katalyse (K.U.Leuven)

Bron

Vandezande P., Gevers L.E.M., Vankelecom I.F.J. (2008) Solvent resistant nanofiltration: separating on a molecular level. Chemical Society Reviews 37, 365-405.

Meer informatie over deze thematiek evenals een kopie van dit artikel kan bekomen worden bij: Prof. Ivo Vankelecom (ivo.vankelecom@biw.kuleuven.be).

Nuttige links