Produktion af kartoffelprotein og protamylasse på oplagret kartoffelfrugtsaft og -frugtvand Andels-Kartoffelmelsfabrikken Sønderjylland Marts 2016 Udgivelsesdato : 5. april 2016 Udarbejdet af :
Indholdsfortegnelse INDHOLDSFORTEGNELSE SIDE IKKE-TEKNISK RESUME... 1 1 INDLEDNING... 2 2 FORMÅL... 2 3 BAGGRUND FOR PROJEKTET... 3 4 PROJEKTDELTAGERE... 4 5 BESKRIVELSE AF PROJEKT TILTAG.... 4 6 PLANLÆGNING AF FORSØG... 5 7 GENNEMFØRELSE AF OPBEVARINGSFORSØG... 5 8 RESULTATER AF OPBEVARINGSFORSØG.... 5 9 KONKLUSION OPBEVARINGSFORSØG.... 6 10 GENNEMFØRELSE AF FORSØG- REDUKTION AF SKUMDANNELSE.... 6 11 RESULTATER - REDUKTION AF SKUMDANNELSE.... 7 12 KONKLUSION - REDUKTION AF SKUMDANNELSE.... 8 BILAG ingen,
Side 1 IKKE-TEKNISK RESUME Nærværende dokument beskriver projekt og forsøgsarbejder gennemført hos Andelskartoffelfabrikken Sønderjylland i løbet af 2015. Intentionen med projektet er at udvikle nye løsninger som omfatter en optimeret produktion af protein og protamylasse på oplagret frugtsaft eller frugtvand fra overdækkede laguner. Allerede ved de indledende forsøg kunne det konstateres at oplagring af frugtsat og frugtvand ikke kunne understøtte en forøget proteinproduktion. Årsagen hertil er en markant omsætning og gæring af organiske komponenter i frugtsaften. Denne omsætning afstedkommer også at den efterfølgende inddampningsproces bliver ineffektiv. Observationer under de indledende forsøg tilkendegav derimod et potentiale ved at reducere den skumdannelse der sker under proteinfremstillingsprocessen. Projektarbejdet blev derfor suppleret med aktiviteter relateret til reduktion af skumdannelse. Forsøg blev gennemført i pilotskala og i fuldskala. Udstyr til reduktion af selve skumdannelsen blev identificeret og implementeret. Løbende analyse og laboratoriearbejder understøtter at der kan frembringes et forøget proteinproduktion hvis dannelsen af skum reduceres. Projektets overordnede konklusioner er; Lagring af frugvand og/eller frugtsaft understøtter ikke en mere effektiv proteinproduktion. Reduktion af den skumdannelse der forekommer ved tilvejebringelsen af proteiner kan vedvirke til en øget produktion af proteiner. Kartoffelafgiftsfonden har ydet økonomisk støtte til gennemførelse af projektet.
Side 2 1 INDLEDNING Nærværende rapport beskriver et projekt omhandlende produktion af kartoffelprotein og protamylasse på oplagret kartoffelfrugtsaft og -frugtvand ved. Intentionen med projektet var at udvikle nye løsninger som omfatter en optimeret produktion baseret på oplagret frugtsaft eller frugtvand fra overdækkede laguner. Dette i et omfang som svarer til den planlagte forøgede produktion af kartoffelmel. Allerede ved de indledende forsøg kunne det konstateres at oplagring af frugtsat og frugtvand ikke kunne understøtte en forøget produktion af protein og protamylasse. Observationer under de indledende forsøg tilkendegav derimod et potentiale ved at reducere den skumdannelse der sker under proteinfremstillingsprocessen. Projektarbejdet blev derfor suppleret med aktiviteter relateret til reduktion af skumdannelse. Projektet er gennemført i 2015 og støttet af Kartoffelafgiftsfonden. 2 FORMÅL Indledningsvis kan det oplyses, at ud fra ca. 180.000 tons kartofler producerer ca. 41.000 tons kartoffelmel pr. år eller pr. kampagne, som primært bliver anvendt i forskellige fødevarerapplikationer. Ud over denne produktion har fabrikken en produktion kartoffelpulp (fiber) på ca. 27.000 tons, som bliver anvendt til kvægfoder og en produktion af frugtsaft på ca. 150.000 m3, som bliver anvendt til en produktion på ca. 1900 tons kartoffelprotein, som anvendes til foderformål eller som næringssubstrat i fermenteringsindustrien og en produktion på ca. 11.000 tons protamylasse (koncentrat) som bliver anvendt til gødningsformål. Produktionen af kartoffelmel er en såkaldt kold proces hvor kartoflerne rives og ekstraheres og separeres til en pulpfraktion, samt en stivelses- og saftfraktion, hvor denne fraktion efterfølgende separeres til kartoffelfrugtsaft og kartoffelstivelse som raffineres og tørres til kartoffelmel. Produktionen af kartoffelprotein fra kartoffelfrugtsaft produceres ved brug af en syrevarmekoagulering ved en ph værdi på ca. 5, som er det isoelektriske punkt hvor proteinerne udfældes og efterfølgende kan afvandes og tørres til et proteinpulver. Fra denne produktion produceres kartoffelfrugtvand (frugtsaft efter proteinproduktion) som efterfølgende inddampes til et koncentrat benævnt protamylasse. Formålet med projektet er at udvikle et koncept til produktion af kartoffelprotein og protamylasse baseret på oplagret frugtsaft og frugtvand, efter kampagneperioden. Ved brug af dette koncept / system er det ønsket at forøge produktionen af kartoffelmel og samtidigt, at bruge det eksisterende produktionsudstyr til produktion af protein og protamylasse på den oplagrede frugtsaft eller frugtvand.
Side 3 Det nye koncept vil være et markant økonomisk alternativ til en traditionel af udvidelse af produktionskapaciteten, i forbindelse med et behov for en øget produktion af protein og protamylasse, på grund af en udvidet produktion af kartoffelmel. I projektet vil der blive undersøgt 2 alternative løsninger til den traditionelle proces, som er følgende: Oplagring af frugtsaft og en efterfølgende produktion af protein og protamylasse på eksisterende produktionsanlæg udenfor kampagnen. Delinvestering i nyt udstyr til en udvidet produktion af protein med en efterfølgende oplagring af frugtvand til senere inddampning på eksisterende produktionsanlæg uden for kampagneperioden. Årsagen til at optimere produktionskapaciteten og at undersøge mulighederne for en udnyttelse af det eksisterende produktionsanlæg er begrundet i en planlagt udvidelse af produktionskapaciteten af kartoffelmel på ca. 80 %. Dette vil medføre en tilsvarende øget mængde af frugtsaft til behandling i proteinfabrikken og fabrikkens inddamper. En udbygning af det eksisterende procesudstyr vil være meget omkostningsfyldt. Det vurderes bl.a., at en fuld udbygning af produktionskapaciteten til håndtering af frugtsaften med 80 % vil beløbe sig til ca. 30 mio. kr. i protein produktionen og yderligere 30 mio. kr. til udvidelse af inddamper kapaciteten. Det forventes med projektet er at udvikle nye løsninger som omfatter en produktion på oplagret frugtsaft eller frugtvand fra overdækkede laguner som svarer til den forøgede produktion af kartoffelmel. Efter afslutning af kampagnen vil den oplagrede frugtsaft eller frugtvand efterfølgende kunne pumpes tilbage fra laguner til proteinfabrikken og inddamperen for udvinding af protein og protamylasse. I projektet vil der blive undersøgt muligheder for opbevaring af frugtsaft og frugtvand i laguner ved en passende tilpasninger i produktionsanlægget, i lagunerne, bl.a. omfattende nye pumperutiner og valg af passende ph værdi i lagnunen for at opnå en konservering og for at undgå en nedbrydning og ødelæggelse af proteinet i frugtsaften. Desuden undersøges muligheder for anvendelse af omrøring, recirkulation mv. Endvidere vil blive undersøgt kvaliteten af protein og beskrevet nødvendige investeringer til nyt anlæg og ikke mindst holdbarhed af anlæg mv. Under projektet vil blive undersøgt påvirkninger som f.eks. korrosion på eksisterende udstyr i proteinfabrikken og i inddampersystemet forårsaget af ph ændringer, øgede saltdoseringer mv. 3 BAGGRUND FOR PROJEKTET Baggrunden for projektet er, at planlægger en udvidelse af produktionen af kartoffelmel med ca. 50 % og produktionskapaciteten med 80 %. Dette medfører bl.a., at der vil blive produceret en tilsvarende øget mængde af frugtsaft på ca. 80 % fra i dag ca. 50 m3 pr. time til ca. 90 m3 pr. time. I dag bliver frugtsaften forarbejdet i et procesanlæg som omfatter en produktion af kartoffelprotein og efterfølgende produktion af protamylasse (koncentrat). En øget produktion af kartoffelmel vil således stille store krav til fabrikken om en udvidelse af anlægskapaciteten til forarbejdning af frugtsaften og frugtvandet eller som nærværende projektansøgning at undersøge og udvikle nye systemer der kan imødekomme opgaven, som denne ansøgning omfatter.
Side 4 Da investering i en udvidelse af proteinfabrikken til modtagelse af 80 % øget frugtsaft vil være meget store har fabrikken målrettet arbejdet på at udvikle et nyt og billigere koncept til bearbejdningen af frugtsaften på det eksisterende procesanlæg, således at der samtidig kan opnås en pasende kvalitet og udbytte af protein og protamylasse. Det eksisterende produktionsudstyr på fabrikken bruges normalt kun i kampagneperioden og formålet for nærværende projekt at undersøge mulighederne for anvendelse af eksisterende produktionsudstyr. Udfordringerne ved brug af denne løsning vil bl.a. være om frugtsaften og frugtvandet efter lagring vil kunne stabiliseres og anvendes til formålet og om det eksisterende produktionsudstyr vil kunne bruges til en forarbejdning af opbevaret frugtsaft på tilfredsstillende måde, således at der kan opretholdes en acceptabel protein og protamylassekvalitet. En af udfordringerne er bl.a. udfældninger af protein ved lave ph værdier. Der er kendskab til at proteinet ved en ph værdi på ca. 3, som vil være nødvendigt for at kunne opbevare / konservere frugtsaften, vil udfælde i lagunerne, men der er også erfaringer med, at det udfældede kartoffelprotein vil bestå af meget løse proteinflok som forholdsvis let lader sig genopløse ved passende omrøring eller recirkulation i lagunen. Positive resultater fra projektet vil komme alle andre kartoffelmelsfabrikker til gavn i forbindelse med muligheder for udvidelser af produktionen. De samlede omkostninger til projektet omfattende honorar, forsøg, analyser, udlæg mv. kan beregnes til i alt ca. 3 mio. kr. plus moms. 4 PROJEKTDELTAGERE Projektet udarbejdes af Andelskartoffelmelfabrikken Sønderjylland, som endvidere vil være projektleder for projektet. Det kan endvidere oplyses, at de øvrige kartoffelmelfabrikker i Danmark er inviteret til at deltage i projektet. Projektet vil blive gennemført i samarbejde med leverandører af udstyr, KMC`s laboratorie og fabrikkens rådgivere. 5 BESKRIVELSE AF PROJEKT TILTAG. For projektet blev der udarbejdet følgende handlingsplan Handlingsplanen for projektet omfattede i første omgang følgende elementer: 1. Planlægning af forsøg 2. Gennemførelse af opbevaringsforsøg 3. Gennemførelse af forsøg i proteinfabrikken 4. Gennemførelse af forsøg i inddampersystemet 5. Udarbejdelse af projekt for etablering af det nye system
Side 5 Som følge af at det efter tiltag 2 kunne konstateres at opbevaring af frugtsaft og frugtvand ikke havde et potentiale, rettedes fokus på forsøg omhandlende reduktion af skumdannelse. Tiltag 3 og 4 blev erstattet med gennemførelsen af forsøg omfattende skumreduktion - dette med øget proteinproduktion til følge. 6 PLANLÆGNING AF FORSØG Med udgangspunkt i konkrete produktionsdata for udvidelse af produktionen af kartoffelmel og dermed den forøgede mængde af frugtsaft eller frugtvand planlægges de kommende forsøg. I denne fase blev der blive taget kontakt til leverandører af produktionsudstyr for drøftelse af mulighederne. I denne fase blev overvejedes, kortlagtes og planlagtes nødvendige investeringer i nyt pumpeudstyr, omrører mv., undersøgt krav til hygiejne, miljø mv. Desuden vil der blive beskrevet pumperutiner for de planlagte forsøg. Desuden vil der blive gennemført indledende laboratorieforsøg på oplagret frugtsaft for fastlæggelse af ph værdier og for undersøgelse af mulighederne herunder udfældning af protein og analyser af frugtsaft og frugtvand (frugtsaft efter proteinfældning) forud for gennemførelse af fuldskalaforsøg. 7 GENNEMFØRELSE AF OPBEVARINGSFORSØG I denne fase blev tidligere erfaringer fra fabrikken vedr. opbevaring af frugtsaft anvendt til vurdering af muligheder for lagring. Herunder undersøgtes og vurderedes forhold som svarede til oplagring af overdækkede laguner og herunder dannelse af suspenderet stof, udfældning af protein, iltforhold / lugt, lugtskumdannelse, passende ph værdi for holdbarhed af frugtsaft og kvalitet og forventet udbytte af protein samt øvrige påvirkninger af frugtsaften under opbevaringen. Under opbevaringen blev hhv. frugtsaft og frugtvand stabiliseret til ph værdi på ca. 2,5-3, da det var erfaringerne at en ph værdi på ca. 3 vil kunne sikre en tilfredsstillende holdbarhed / konservering af medierne bl.a. for at undgå nedbrydning og lugtgenere mv. Valg af syredoseringer og valg af syre som bedst egnede sig til forsøget f.eks. saltsyre og svovlsyre blev vurderet og undersøgt. Til gennemførelse af opbevaringsforsøgene etableredes en række mindre lukkede tanke som indeholdt hhv. frugtsaft og frugtvand tilsat forskellige syrer for opnåelse af de respektive ph værdier. I en periode på 3 mdr. observeredes tilstanden i de respektive tanke. 8 RESULTATER AF OPBEVARINGSFORSØG. Allerede efter 3 dages opbevaring i de respektive tanke var der klare tilkendegivelser af der pågik en gæring i medierne. Det kunne konstateres at indholdet af organiske komponenter i medierne var årsag til en markant omsætningsaktivitet og en kraftig gasproduktion til følge. Dette var gældende for samtlige prøver - også de prøver der var konditioneret med forskellige syrer. Omsætningsaktiviteterne pågik både over en kort og lang periode. Det var også klart at denne organisk omsætning ville medføre at mulig udvinding at potentielle proteiner ikke kunne lade sig gøre.
Side 6 Resultatet af de indledende opbevaringsforsøg var en klar tilkendegivelse af at frugtsaft gav anledning til en kraftig og ikke kontrollerbar omsætning af tilstedeværende organisk materiale. Denne omsætning medførte også et større indhold at elementer der medfører vanskeligere inddampning af frugtvand. Omsætningen af organiske komponenter vil medføre større omfang af potentielle påbrændinger i inddamper proces, hvilket vil give anledning til større procesomkostninger. Under den indledende periode af opbevaringsforsøgene blev et andet forhold iagttaget. Det er erfaringen at der ved frembringelsen af proteiner sker en skumdannelse. Udviklingen af skum er en barrierer for produktion af proteiner. Ved opbevaringsforsøgene kunne en mindre skumdannelse konstateres. En iagttagelse som gav anledning udvidelse af forsøgsrammen og overvejelser om hvorledes skumreduktion kunne medføre øget protein produktion. 9 KONKLUSION OPBEVARINGSFORSØG. På baggrund af de gennemførte opbevaringsforsøg kunne det konkluderes at opbevaring af såvel frugtsaft som frugtvand, for derved at øge produktionen af protein, ikke har et potentiale. Opbevaringsforsøgene har vist at indholdet af organiske komponenter medfører en øjeblikkelig gæring og omsætning i et omgang der forhindrer produktion af potentielle proteiner. Endvidere konstateredes det at omsætningen af organiske komponenter vil medføre større omfang af potentielle påbrændinger i inddamper proces, hvilket vil give anledning til større procesomkostninger. Til gengæld gav iagttagelser af reduceret skumdannelse anledning til udvidelse af forsøgsrammen og overvejelser om hvorledes skumreduktion kunne medføre øget protein produktion. 10 GENNEMFØRELSE AF FORSØG- REDUKTION AF SKUMDANNELSE. Det er erfaringen at produktion at kartoffelproduktion giver anledning til skumdannelse og ofte i et omfang at det reducerer mængden af protein der kan udvindes. Derfor blev det på baggrund af hidtidige erfaringer og de gennemførte opbevaringsforsøg forsøgt at identificere hvilke faktorer der har indflydelse på skumdannelsen. Dette tiltag tog sit udgangspunkt i etableringen af faciliteter hvor forskellige komponenter kunne afprøves. Til understøtning at dette blev diverse udstyr hhv. lejet og fremstillet. Gennem rækken af indledende pilotforsøg blev et en såkaldt skumdæmpningsbeholder udviklet og afprøvet i flere stadier. Skumdæmpningen viste sig at have en særdeles positiv indflydelse på selve proteinkoaguleringen.
Side 7 Med reference til de gennemførtes pilotforsøg udvidedes forsøgsomfanget og flere versioner af udstyr og komponenter blev afprøvet. Et særligt fokus blev rettet mod udstyret til reduktion af skumdannelsen og løbende udvikling afprøvedes. Dette ud fra både et procestekniks, et maskinteknisk og et styringsteknisk perspektiv. Løbende målinger og analyser foretaget i samarbejde KMC tilkendegav positive resultater ved de gennemførte tiltag og muligheden for en større udvinding af protein kunne tilkendegives. På baggrund heraf blev et fuldskala faciliteter med en skumdæmpningstank som omdrejningspunkt etableret. 11 RESULTATER - REDUKTION AF SKUMDANNELSE. Som det fremgår i følgende diagram kan der påvises en forøget proteinproduktion når skumdannelsen reduceres - gul kurve. Serie 1 Proteinindhold før decanter Serie 2 Proteinindhold efter decanter Serie 3 ingen betydning Serie 4 Procentvis udnyttelse af potentiel proteinmængde 1 målinger under forsøg 2 målinger under normal produktion 3 målinger under normal produktion 4 målinger under normal produktion 5 målinger efter implementering udstyr i fuldskala.
Side 8 12 KONKLUSION - REDUKTION AF SKUMDANNELSE. Overordnet kan det konkluderes at tiltag rettet mod reduktion af skum i proteinfremstillingsprocessen har en positiv effekt på mængden af protein der kan udvindes. På baggrund af de gennemførte pilotskal og fuld skala kan det mere specifikt konkluderes at den teknologi (skumdæmpningstank) der er identificeret og implementeret i fuldskala giver anledning til en større protein udvinding. De positive resultater vil medføre markante økonomiske besparelser for fabrikken og erfaringer fra projektet vil komme alle andre kartoffelmelfabrikker til gavn i forbindelse med muligheder for udvidelse af produktionen af kartoffelmel. Det kan oplyses, at i de seneste år har arbejdet målrettet mod at anvende alle restprodukter fra produktionen af kartoffelmel og at forbedre miljø og energiforholdende på fabrikken ved investering i nyt udstyr for at opnå reduktion af såvel vand som energibesparelse. De her beskrevne og gennemførte tiltag er et markant bidrag hertil.