Integration of activated carbon and membrane technology for decolourisation of glucose syrup

Abstract

Glukosesirup, ein weit verbreitetes Süßungsmittel mit vielen weiteren Anwendungen, wird durch saure und/oder enzymatische Hydrolyse aus Stärke hergestellt. Dieser Prozess führt, aufgrund von Maillard-Reaktionen und Karamellisierung, zur Bildung einer bräunlichen Farbe, was zu einem unerwünschten Aussehen und Geschmack führen kann. Üblicherweise werden die Farbstoffe durch Aktivkohle und Ionenaustauscherharz entfernt, wobei letzteres bereits durch einige Regularien in der Lebensmittelindustrie nur beschränk anwendbar ist. Mittels moderner Membrantechnologie kombiniert mit Aktivkohleadsorption könnte ein energieeffizienterer und umweltfreundlicherer Entfärbungsprozess erreicht werden. In dieser Forschungsarbeit wurden die Verbesserungen bei der Entfärbung von Glukosesirup durch ein komplementäres Verfahren mit Membrantechnik und anschließender Aktivkohleadsorption untersucht. Aktivkohleadsorption wurde zuerst ohne Membrantrennverfahren mit verschiedenen Sirupverdünnungen und Aktivkohledosierungen untersucht. Darüber hinaus wurden Ultrafiltrations- (UF) und Nanofiltrations- (NF) Membranen als eine Vorbehandlung des Sirups mit sieben verschiedenen mehrstufigen Membrankonfigurationen getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass der Adsorptionsprozess einer mehrschichtigen Adsorption ohne anfängliche einschichtiger-Bedeckung folgt, welcher durch Intrapartikeldiffusion dominiert wird. Die Aktivkohleabscheidung durch Filtration mit 2 bis 3 μm Filterpapier war mit ca. 5 % die Hauptursache für den Zuckerverlust beim Adsorptionsprozess. Eine mehrstufige Membranvorbehandlung führte zu einer Reduktion der Aktivkohledosierung um mehr als 60 %, insbesondere aufgrund einer Konfiguration mit tight UF (5 kDa) gefolgt von tight NF (150 - 300 Da). Damit wurde gezeigt, dass die Membrantechnologie in Kombination mit Aktivkohleadsorption großes Potenzial zeigt, einen weniger ressourcenintensiven und energieeffizienten Prozess zu schaffen. Allerdings müssen die Zuckerverluste durch die zuckerreiche Nebenströme des Retentats in zukünftigen Studien weiter untersucht werden.

Glucose syrup, mainly used as a sweetener but also utilised for many other applications, is produced by acidic and/or enzymatic hydrolysis of starch. This process leads to the formation of a brownish colour, primarily due to the Maillard reaction and caramelisation, which can result in an undesired appearance and flavour. Usually, the colour compounds are removed by activated carbon (AC) and ion exchange resin. The latter is already restricted in organic food industries due to new EU standards. Modern membrane technology in combination with AC adsorption could lead to a more energy-efficient and environmentally friendly decolourisation process. This research studied the improvements in glucose syrup decolourisation of a complementary process including membrane separation followed by AC adsorption. A fundamental study on AC adsorption without membrane-based pre-treatment is carried out with different syrup dilutions and AC dosages. Furthermore, ultrafiltration (UF) and nanofiltration (NF) membranes are tested as a pre-treatment by seven different multistage membrane configurations. The results showed that the adsorption process follows multilayer adsorption without initial monolayer coverage and is dominated by intraparticle diffusion. The AC separation by filtration with 2 to 3 μm filter paper was the leading cause of sugar loss of approximately 5 % at the adsorption process. By membrane multistage based pre-treatment AC dosage reduction of more than 60 % was achievable, especially with tight UF (5 kDa) followed by tight NF (150 – 300 Da). This proves the potential of membrane technology in combination with AC adsorption in creating a less resource consuming and more energy efficient process. However, sugar losses due to sugar-rich side streams in the retentate must be addressed in future studies.