Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Phosphor (P) ist ein essenzieller N\u00e4hrstoff f\u00fcr jegliche Art von Leben und wird deshalb in der Nahrungs-, Futter- und vor allem D\u00fcngemittelindustrie eingesetzt. Gleichzeitig ist mineralischer P eine stark limitierte Ressource. In der Biosph\u00e4re liegt P nat\u00fcrlicherweise zumeist in organisch gebundener Form (z. B. als Phytat\/Phytins\u00e4ure in Getreide und H\u00fclsenfr\u00fcchten) vor. In dieser Form kann P jedoch ohne die entspre-chenden Enzyme nur schwer bis gar nicht verdaut werden. Daher wird der mit dem Futter aufgenommene P vor allem von Monogastriern, die nicht \u00fcber Phytasen im Verdauungstrakt verf\u00fcgen, gr\u00f6\u00dftenteils unverdaut wieder ausgeschieden. Diese Exkretion hoher Mengen von P f\u00fchrt (als eine Folge der Ausbrin-gung von entspre\u00acchenden Wirtschaftsd\u00fcngern auf landwirtschaftliche B\u00f6den) zu einer \u00dcberversorgung der B\u00f6den und damit zu einer potenziell erh\u00f6hten Gew\u00e4ssereutrophierung. Daher wird durch eine aktuali-sierte D\u00fcngemittelverordnung die fl\u00e4chenspezifische Ausbringungsmenge von P, sowohl in organischer als auch mineralischer Form, stark reguliert.<\/p>\n
Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel dieses Projekts, die Roggenkleie als beispielhaftes mineralstoffreiches Tierfutter an P abzureichern, sodass ein P-armes Futtermittel verf\u00fcgbar gemacht wird, das eine erh\u00f6hte P-Exkretion bei gleichzeitiger Nutzung des verbleibenden Protein- und Fasergehalts verhindert. Der dadurch gewonnene P kann dann in einer nutzbaren Form (z. B. als direkt verf\u00fcgbare D\u00fcnge- oder Futtermittelzusatzstoffe) in den nat\u00fcrlichen P-Kreislauf zur\u00fcckgef\u00fchrt werden. Somit kann durch eine Substitution mineralischen Ps durch biogenen P dazu beigetragen werden, wertvolle mineralische P-Ressourcen zu schonen und gleichzeitig die Belastung der Umwelt durch P-Ausschwemmung (d.\u202fh. Gefahr der Eutrophierung) substanziell zu reduzieren.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Projekt soll ein gesamtheitlicher Prozess entwickelt werden, der von der nativen Roggenkleie bis hin zu einer an P abgereicherten Roggenkleie zur direkten Verf\u00fctterung und einem Phosphat-Salz zur weiteren Anwendung in verschiedenen Produkten f\u00fchrt. Hierbei werden unterschiedliche Prozesspfade zur parallelen oder kombinierten Anwendung betrachtet, um den organisch gebundenen P aus der Kleiematrix zu l\u00f6sen. Anschlie\u00dfend soll Phytat gespalten werden, um Phosphat freizusetzen. <\/p>\n
\u2022\tZun\u00e4chst wird die mechanische Abtrennung einer P-reichen Fraktion aus dem Getreide untersucht, um so bereits einen P-reichen Masseanteil vor \u00dcberf\u00fchrung der Kleie in die Nassphase zur weiteren Verarbeitung abtrennen zu k\u00f6nnen. Mit Blick auf eine technische Umsetzung k\u00f6nnten dadurch Reaktionsvolumen und Energieaufwand f\u00fcr eine anschlie\u00dfende Trocknung reduziert werden.
\n\u2022\tAufbauend auf Vorarbeiten der Projekte \u201eBusinessP\u201c und \u201eValuePP\u201c wird eine enzymatische Behandlung der Kleie im w\u00e4ssrigen Milieu zur P-Reduktion untersucht. Dabei werden sowohl spezifische Phytasen optimiert als auch kommerziell erh\u00e4ltliche Enzymformulierungen hinsichtlich der maximalen P-Reduktion in der Kleie untersucht.
\n\u2022\tErg\u00e4nzend dazu werden neuartige chemische Methoden untersucht, um die Spaltung der Phos-phoresterbindungen thermisch bzw. katalytisch zu induzieren. Dabei steht eine saure Extraktion mit anschlie\u00dfender Mikrowellen-Behandlung im Fokus.
\n\u2022\tDer auf mechanischem, enzymatischem oder chemischem Weg herausgel\u00f6ste P wird in einem Folgeschritt, vorzugsweise in Salzform (d. h. mittels F\u00e4llung), verf\u00fcgbar gemacht. <\/p>\n
Der so im Labor dargestellte Prozess zur P-Reduktion der Kleie soll anschlie\u00dfend hochskaliert werden, um F\u00fctterungsstudien vorzunehmen und die Verdaulichkeit der angepassten Kleie bewerten zu k\u00f6nnen. Abschlie\u00dfend f\u00fchrt eine technische, \u00f6konomische und \u00f6kologische Analyse des Gesamtprozesses zur \u00fcbergreifenden Bewertung der Umsetzbarkeit des entwickelten Prozesses.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Untersuchung der mechanischen P-Abtrennung aus Getreidek\u00f6rnern bereits w\u00e4hrend des Mahlprozesses zeigte eine deutliche Akkumulation des P in den \u00e4u\u00dferen Schalen von Roggen-, Weizen, Gerste- und Haferk\u00f6rnern. Da im Getreide jedoch biologische Schwankungen der Schalenanteile auftreten und w\u00e4hrend des Mahlens relativ grobe Zerkleinerungsmechanismen angewandt werden, kann eine spezifische Abtrennung eines P-reichen Getreideanteils nicht ohne einen gr\u00f6\u00dferen Umr\u00fcstungsaufwand in den vorhandenen Getreidem\u00fchlen erreicht werden. Alle weiteren Untersuchungen finden daher weiterhin mit der nicht separierten Roggenkleie statt.<\/p>\n
Der Pfad der enzymatischen Kleie-Behandlung wurde mit einem durch die KnowVolution-Strategie ma\u00dfgeschneiderten Phytase-Blend durchgef\u00fchrt, der letztlich zu einer im Vergleich mit kommerziellen Enzymen deutlich erh\u00f6hten Phytat-Reduktion f\u00fchrte. So konnten enzymatisch bis zu 93 % Phosphat aus der Phytins\u00e4ure freigesetzt werden. Eine erg\u00e4nzende Nutzung zellspaltender Enzyme kann den Stofftransport der Phytins\u00e4ure in L\u00f6sung etwa verdoppeln und somit den Prozess beschleu\u00acnigen. Die enzymatische Behandlung mit dem Phytase-Blend wurde vom Laborma\u00dfstab ausgehend stufenweise bis zu 400 L mit einem Kleie-zu-Wasser-Verh\u00e4ltnis von 1:7 hochskaliert. So konnten in mehreren Chargen etwa 20 kg konditionierte Roggenkleie f\u00fcr die folgenden F\u00fctterungsstudien bereitgestellt werden. Das verbleibende Hydrolysat wurde hinsichtlich einer Wertstoffnutzung, insbesondere durch R\u00fcckgewinnung des Phosphats, untersucht.<\/p>\n
Eine chemische Behandlung der Kleie f\u00fchrte mittels salzsaurer Extraktion im Kleie-zu-S\u00e4ure-Verh\u00e4ltnis von 1:20 zu einer hohen Solubilisierungsrate der Phytins\u00e4ure, die bereits bei Raumtemperatur und Extraktionszeiten von unter 40 min maximiert werden konnte. Die verbleibende Kleie zeigt nach einer Waschung mit Wasser einen deutlich reduzierten P-Gehalt bei weiter hohen Mengen an St\u00e4rke, Proteinen und Fasern. Somit eignet sich die zur\u00fcckbleibende Kleie potenziell zur weiteren Verf\u00fctterung. Eine an-schlie\u00dfende thermische Behandlung des fl\u00fcssigen Roggenkleie-Extrakts in der Mikrowelle f\u00fchrte bei 200 \u00b0C und nach 15 min zu 98,5 % Phytins\u00e4ure-Spaltung. Damit konnte eine neue Methode der Phosphat-Freisetzung aus Roggenkleie dargestellt werden; Produkt ist ein Hydrolysat mit hohem Gehalt an freiem Phosphat f\u00fcr eine R\u00fcckgewinnung in Salzform. <\/p>\n
Die R\u00fcckgewinnung des P-Gehalts aus dem (sowohl enzymatisch als auch thermo-chemisch dargestellten) Hydrolysat wurde vergleichend f\u00fcr beide Pfade als F\u00e4llung von Struvit bzw. Magnesium-\/Calciumphosphat untersucht. In beiden Substraten f\u00fchrte trotz der unterschiedlichen Zusammensetzung der beiden Hydrolysate eine Zugabe von Magnesiumchlorid bzw. Calciumchlorid\/ Calciumhydroxid unter alkalischen Bedingungen zu hohen P-R\u00fcckgewinnungsraten von bis zu > 99 %. Eine R\u00f6ntgenstrukturanalyse der Pr\u00e4zipitate zeigte eine erfolgreiche F\u00e4llung von Struvitkristallen, die Anwendung in der D\u00fcngemittelindustrie finden, sowie von Magnesiumkaliumphosphat und von Calciumhydrogenphosphat, wel-ches potenziell als Futtererg\u00e4nzungsmittel genutzt werden kann. <\/p>\n
Mittels Adsorption k\u00f6nnen aus dem Hydrolysat au\u00dferdem phenolische Komponenten gewonnen werden. Etwa 80 % der Phenole binden beispielsweise an Amberlit als Adsorbens und k\u00f6nnten so f\u00fcr weitreichende Einsatzm\u00f6glichkeiten zur Verf\u00fcgung stehen. Die verbleibende Organik, insbesondere gel\u00f6ster Zucker, k\u00f6nnten au\u00dferdem als N\u00e4hrmedium f\u00fcr mikrobiologische Prozesse weitergenutzt werden, um die Abfallstr\u00f6me aus dem Prozess zu minimieren.<\/p>\n
Die F\u00fctterungsstudien mit der konditionierten, an P abgereicherten Kleie zeigen eine gute Futterannahme der als Modelltiere eingesetzten Kaninchen. Die Verdaulichkeit des in der Kleie verbleibenden P ist zwar niedrig und schlechter als in der nativen Kleie; der insgesamt deutlich gesenkte P-Gehalt erlaubt jedoch einen h\u00f6heren Anteil an Kleiebeimischung in Futtermitteln.<\/p>\n
Die \u00fcbergreifende Prozessbewertung erfolgte unter der Annahme eines Ma\u00dfstabs von 660 kg\/h an zu prozessierender Kleie; die gro\u00dftechnische Umsetzung in diesem Ma\u00dfstab ist aus Sicht der technischen Analyse f\u00fcr beide Pfade m\u00f6glich. Eine \u00fcberschl\u00e4gige Kostenanalyse ergibt Produktgestehungskosten von 29 bzw. 58 \u20ac\/kg Phosphat-Pr\u00e4zipitat f\u00fcr den enzymatischen bzw. den thermo-chemischen Prozesspfad; damit ist eine Produktion des Phosphat-Pr\u00e4zipitats unter den aktuellen Rahmenbedingungen deutlich kostenintensiver im Vergleich zu Phosphat-Additiven, die kommerziell f\u00fcr die Futter- bzw. D\u00fcngemittelindustrie angeboten werden. Anpassungen in den Prozessbedingungen, die technisch denkbar w\u00e4ren, k\u00f6nnten jedoch zu signifikanten Kosteneinsparungen f\u00fchren; so z. B. eine Nassf\u00fctterung der Kleie oder eine elektrochemische statt der klassischen F\u00e4llung.
\nDie \u00f6kologische Bewertung zeigt deutliche Vorteile des enzymatischen Pfads gegen\u00fcber der Gewinnung mineralischer D\u00fcngemittel (am Beispiel Diammoniumphosphat) und der R\u00fcckgewinnung von P aus Kl\u00e4rschlamm (beispielhaft mittels der Verfahren AquaReci und PHOXNAN), da sowohl die Umweltauswirkungen auf die Wirkungskategorien Klimawandel und Versauerung von B\u00f6den niedriger sind als in den jeweiligen Vergleichsprozessen. Die Umweltauswirkungen des chemischen Pfads liegen in etwa in derselben Gr\u00f6\u00dfenordnung wie die der entsprechenden Vergleichsprozesse; Hauptgrund hierf\u00fcr ist der hohe Einsatz an Salzs\u00e4ure im Extraktionsschritt sowie die hohe Energienachfrage \u00fcber den gesamten Prozess.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Projektergebnisse wurden laufend sowohl auf nationalen und internationalen Konferenzen als auch in wissenschaftlichen Artikeln ver\u00f6ffentlicht. Beitr\u00e4ge wurden beispielsweise auf den Himmelfahrtstagungen der Dechema in Frankfurt, der ISGC in La Rochelle, der ESPC in Wien, der EUBCE in Bologna und der ProcessNet vorgestellt.<\/p>\n
Die Publikationen, die im Zusammenhang mit diesem Projekt entstanden sind, k\u00f6nnen unter den folgenden Links abgerufen werden<\/p>\n
\u2022\tHintergrund und Stand der Technik zum im Projekt angestrebten Kleie-Konditionierungsprozess: https:\/\/doi.org\/10.3390\/su14073998
\n\u2022\tAusf\u00fchrliche Darstellung und Diskussion der mechanischen Abtrennung einer P-reichen Fraktion aus Roggen-, Weizen-, Gerste- und Haferk\u00f6rnern: https:\/\/doi.org\/10.1007\/s11947-022-02981-3
\n\u2022\tAnpassung einer aus E. coli exprimierten Phytase zur verbesserten Spaltung von Inositoltetraphosphat mittels KnowVolution-Strategie: https:\/\/doi.org\/10.3389\/fceng.2022.838056
\n\u2022\tDarstellung von Polyphosphat zur Nahrungsmittelanwendung aus Samen und Kleie mit Hilfe von Enzymen: https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.bioeco.2023.100048
\n\u2022\tKurzvorstellung der FTIR-Analytik zur inline-Messung des Phytatgehalts: https:\/\/doi.org\/10.1002\/cite.202255084
\n\u2022\tExperimentelle Untersuchungen und Modellierung der thermischen Phytat-Spaltung im MikrowellenSystem: https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.lwt.2023.115499
\n\u2022\tScale-Up der enzymatischen Roggenkleie-Behandlung: https:\/\/doi.org\/10.1186\/s40643-024-00765-5<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Projekt angestrebt wurde die Konditionierung von Kleie im Hinblick auf einen reduzierten P-Gehalt sowie die Nutzbarmachung des herausgel\u00f6sten P als Phosphatsalz. Beide Produkte konnten mit zwei al-ternativen Pfaden dargestellt werden. Die chemische Hydrolyse stellt dabei eine neuartige Methode der Phytins\u00e4ure-Spaltung mit hoher Ausbeute dar. Die enzymatische Kleie-Behandlung findet hingegen bei deutlich milderen Bedingungen statt und konnte bereits erfolgreich in Reaktoren mit bis zu 400 L hochskaliert werden. Die Kostenanalyse zeigt vergleichsweise hohe Produktgestehungskosten, die einer potenziellen Markteinf\u00fchrung prohibitiv entgegenstehen; deshalb m\u00fcssen zuk\u00fcnftig m\u00f6gliche Einsparpotenziale bei einer ggf. zu realisierenden gro\u00dftechnischen Umsetzung des Prozesses erschlossen werden. So k\u00f6nnte ein kosteng\u00fcnstiges \u2013 und damit potenziell wettbewerbsf\u00e4higes \u2013 Phosphatsalz erzeugt werden, das durch deutliche umweltseitige Vorteile gegen\u00fcber mineralischem D\u00fcngemittel-P bzw. Rezyklaten aus Kl\u00e4rschlamm gekennzeichnet ist.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Phosphor (P) ist ein essenzieller N\u00e4hrstoff f\u00fcr jegliche Art von Leben und wird deshalb in der Nahrungs-, Futter- und vor allem D\u00fcngemittelindustrie eingesetzt. Gleichzeitig ist mineralischer P eine stark limitierte Ressource. In der Biosph\u00e4re liegt P nat\u00fcrlicherweise zumeist in organisch gebundener Form (z. B. als Phytat\/Phytins\u00e4ure in Getreide und H\u00fclsenfr\u00fcchten) […]<\/p>\n","protected":false},"author":0,"featured_media":0,"template":"","meta":{"footnotes":""},"categories":[],"tags":[61,2422],"class_list":["post-27310","projektdatenbank","type-projektdatenbank","status-publish","hentry","tag-hamburg","tag-landnutzung"],"meta_box":{"dbu_projektdatenbank_az_ges":"34976\/01","dbu_projektdatenbank_medien":"","dbu_projektdatenbank_pdfdatei":"","dbu_projektdatenbank_bsumme":"636.492,00","dbu_projektdatenbank_firma":"Technische Universit\u00e4t Hamburg (TUHH)\nInstitut f\u00fcr Umwelttechnik und Energiewirtschaft (IUE)","dbu_projektdatenbank_strasse":"","dbu_projektdatenbank_plz_str":"21073","dbu_projektdatenbank_ort_str":"Hamburg","dbu_projektdatenbank_p_von":"2020-07-01 00:00:00","dbu_projektdatenbank_p_bis":"2024-03-31 00:00:00","dbu_projektdatenbank_laufzeit":"3 Jahre und 9 Monate","dbu_projektdatenbank_telefon":"040428783008","dbu_projektdatenbank_inet":"","dbu_projektdatenbank_bundesland":"Hamburg","dbu_projektdatenbank_foerderber":"170","dbu_projektdatenbank_ab_bericht":"DBU-Abschlussbericht-AZ-34976_01-Hauptbericht.pdf","dbu_projektdatenbank_ist_nachbewilligung_von":"","dbu_projektdatenbank_hat_nachbewilligung":"","dbu_headerimage_cover":"","dbu_submenu":"","dbu_submenu_position":"","dbu_submenu_entry":[]},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/27310","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/projektdatenbank"}],"version-history":[{"count":2,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/27310\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":43680,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/27310\/revisions\/43680"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=27310"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=27310"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=27310"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}