Projekt 34976/01

Phosphorangepasste Futtermittel am Beispiel Kleie (PhANG)

Projektträger

Technische Universit√§t Hamburg-Harburg Institut f√ľr Umwelttechnik und Energiewirtschaft (IUE)
21073 Hamburg
Telefon: 040428783008

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Phosphor (P) ist ein essentieller N√§hrstoff f√ľr jegliche Art von Leben und daher unverzichtbar f√ľr die Nahrungs- und Futtermittelindustrie; deshalb wird P in der Nahrungs-, Futter- und vor allem D√ľngemittelindustrie eingesetzt. Gleichzeitig ist mineralischer P eine stark limitierte Ressource. In der Biosph√§re liegt P nat√ľrlich zumeist in organisch gebundener Form (z.B. als Phytat/Phytins√§ure), beispielsweise in Getreide und H√ľlsenfr√ľchten vor. In dieser Form kann er jedoch ohne die entsprechenden Enzyme nur schwer bis gar nicht verdaut werden. Daher wird der mit dem Futter aufgenommene P vor allem von Monogastriern, die nicht √ľber Phytasen im Verdauungstrakt verf√ľgen, gr√∂√ütenteils unverdaut wieder ausgeschieden. Diese Exkretion hoher Mengen von P f√ľhrt als eine Folge der Ausbringung von entsprechenden Wirtschaftsd√ľngern auf landwirtschaftliche B√∂den zu einer √úberversorgung und damit zu einer potentiell erh√∂hten Gew√§ssereutrophierung. Daher wird durch eine aktualisierte D√ľngemittelverordnung die fl√§chenspezifische Ausbringungsmenge von P, sowohl in organischer als auch mineralischer Form, stark reguliert.

Das Ziel dieses Projektvorhabens ist es daher, die Roggenkleie als beispielhaftes mineralstoffreiches Tierfutter an P abzureichern, sodass ein P-armes Futtermittel vorliegt, welches eine erh√∂hte P-Exkretion bei gleichzeitiger Nutzung des verbleibenden Protein- und Fasergehalts verhindert. Der so gewonnene P soll dann in nutzbarer Form (z.B. als direkt verf√ľgbare D√ľnge- oder Futtermittelzusatzstoffe) in den Kreislauf zur√ľckgef√ľhrt werden. Somit kann durch eine Substitution mineralischen Ps durch biogenen P dazu beigetragen werden, wertvolle mineralische P-Ressourcen zu schonen.



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√ľtterung und einem Phosphat-Salz zur weiteren Anwendung in verschiedenen Produkten f√ľhrt. Hierbei werden unterschiedliche Prozesspfade zur parallelen oder kombinierten Anwendung betrachtet, um den organisch gebundenen P aus der Kleiematrix zu l√∂sen. Anschlie√üend soll die nat√ľrlich vorliegende P-Form des Phytats gespalten werden, um Phosphat freizusetzen.

¬ē Zun√§chst wird die mechanische Abtrennung einer P-reichen Fraktion aus dem Getreide untersucht, um so bereits einen P-reichen Masseanteil vor √úberf√ľhrung der Kleie in die Nassphase zur weiteren Verarbeitung abtrennen zu k√∂nnen. Mit Blick auf eine technische Umsetzung k√∂nnten dadurch Reaktionsvolumen und Energieaufwand f√ľr eine anschlie√üende Trocknung reduziert werden.
¬ē Aufbauend auf Vorarbeiten der Projekte ¬ĄBusinessP¬ď und ¬ĄValuePP¬ď wird eine enzymatische Behandlung der Kleie im w√§ssrigen Milieu zur P-Reduktion untersucht. Dabei werden sowohl spezifische Phytasen optimiert als auch kommerziell erh√§ltliche Enzymformulierungen hinsichtlich der maximalen P-Reduktion in der Kleie untersucht.
¬ē Erg√§nzend dazu werden neuartige chemische Methoden untersucht, um die Spaltung der Phosphomonoesterbindungen thermisch bzw. katalytisch zu induzieren. Dabei steht eine saure Extraktion mit anschlie√üender Mikrowellen-Behandlung im Fokus.
¬ē Der auf mechanischem, enzymatischem oder chemischem Weg herausgel√∂ste P wird in einem Folgeschritt, vorzugsweise in Salzform (d.h. mittels F√§llung), verf√ľgbar gemacht.

Der so im Labor dargestellte Prozess zur P-Reduktion der Kleie soll anschlie√üend hochskaliert werden, um F√ľtterungsstudien vorzunehmen und die Verdaulichkeit der angepassten Kleie bewerten zu k√∂nnen. Abschlie√üend f√ľhrt eine technische, √∂konomische und √∂kologische Analyse des Gesamtprozesses zur √ľbergreifenden Bewertung der Umsetzbarkeit des entwickelten Prozesses.



Ergebnisse und Diskussion

Die Untersuchung der mechanischen P-Abtrennung aus Getreidek√∂rnern bereits w√§hrend des Mahlprozesses zeigte eine deutliche Akkumulation des P in den √§u√üeren Schalen von Roggen-, Weizen-, Gerste- und Haferk√∂rnern. Da im Getreide jedoch biologische Schwankungen der Schalenanteile auftreten und w√§hrend des Mahlens relativ grobe Zerkleinerungsmechanismen angewandt werden, kann eine spezifische Abtrennung eines P-reichen Getreideanteils nicht ohne einen gr√∂√üeren Umr√ľstungsaufwand in den vorhandenen Getreidem√ľhlen erreicht werden. Alle weiteren Untersuchungen finden daher weiterhin mit der nicht separierten Roggenkleie statt.

Eine chemische Behandlung der Kleie f√ľhrte mittels salzsaurer Extraktion im Kleie-zu-S√§ure-Verh√§ltnis von 1:20 zu einer hohen Solubilisierungsrate der Phytins√§ure, die bereits bei Raumtemperatur und Extraktionszeiten von unter 40 Minuten maximiert werden konnte. Die verbleibende Kleie zeigt nach Waschung mit 8-facher Menge an Wasser einen deutlich reduzierten P-Gehalt bei verbleibenden Mengen an St√§rke, Proteinen und Fasern. Somit eignet sich die zur√ľckbleibende Kleie potentiell zur weiteren Verf√ľtterung. Eine anschlie√üende thermische Behandlung des fl√ľssigen Roggenkleie-Extrakts in der Mikrowelle f√ľhrte bei 200 ¬įC und 15 Minuten zu 98,5 % Phytins√§ure-Spaltung. Damit konnte eine neue Methode der Phosphat-Freisetzung aus Roggenkleie dargestellt werden, sodass im Hydrolysat freies Phosphat f√ľr eine R√ľckgewinnung in Salzform zur Verf√ľgung steht.

Der Pfad der enzymatischen Kleie-Behandlung wurde mit einem durch die KnowVolution-Strategie ma√ügeschneiderten Phytase-Blend durchgef√ľhrt, der letztlich zu einer im Vergleich mit kommerziellen Enzymen deutlich erh√∂hten Inositol-Phosphat-Reduktion f√ľhrte. So konnten enzymatisch ebenfalls bis zu 93 % Phosphat aus der Phytins√§ure freigesetzt werden. Eine erg√§nzende Nutzung zellspaltender Enzyme kann den Stofftransport der Phytins√§ure in L√∂sung etwa verdoppeln und somit den Prozess beschleunigen. Die enzymatische Behandlung mit dem Phytase-Blend wurde vom Laborma√üstab ausgehend stufenweise bis zu einem Arbeitsvolumen von 375 L mit einem Kleie-zu-Wasser-Verh√§ltnis von 1:7 hochskaliert. So konnten in mehreren Chargen etwa 20 kg konditionierte Roggenkleie f√ľr die folgenden F√ľtterungsstudien bereitgestellt werden. Das verbleibende Hydrolysat wurde hinsichtlich einer Wertstoffnutzung, insbesondere durch R√ľckgewinnung des Phosphats, untersucht.

Die R√ľckgewinnung des P-Gehalts aus dem Hydrolysat wurde vergleichend f√ľr beide Pfade als F√§llung von Struvit bzw. Calciumphosphat untersucht. In beiden Substraten f√ľhrte trotz der unterschiedlichen Zusammensetzung der beiden Hydrolysate eine Zugabe von Magnesiumchlorid bzw. Calciumchlorid/Calciumhydroxid unter alkalischen Bedingungen zu hohen P-R√ľckgewinnungsraten von bis zu > 99 %. Eine R√∂ntgenstrukturanalyse der Pr√§zipitate zeigte eine erfolgreiche F√§llung von Struvitkristallen, die Anwendung in der D√ľngemittelindustrie finden, und von Calciumhydrogenphosphat, welches potentiell als Futtererg√§nzungsmittel genutzt werden kann. Gl√ľhverlustmessungen zeigen allerdings eine Co-F√§llung organischer Komponenten aus dem Hydrolysat, je nach Substrat und Prozessparametern mit einem Anteil von wenigen Prozent bis zu etwa einem Viertel der Pr√§zipitatmasse. Diese k√∂nnten potentiell unsch√§dlich oder sogar wertbringend in einer Ausbringung als D√ľngemittel sein; im Futtermittelbereich jedoch herrschen strikte Zulassungskriterien. Daher wird eine Waschung des Pr√§zipitats zur Herausl√∂sung der organischen Kontaminanten untersucht.

Mittels Adsorption k√∂nnen aus dem Hydrolysat au√üerdem phenolische Komponenten gewonnen werden. Etwa 80 % der Phenole binden beispielsweise an Amberlite als Adsorbens (XAD 16 bzw. 7 HP) und k√∂nnten so f√ľr weitreichende Einsatzm√∂glichkeiten zur Verf√ľgung stehen. Die verbleibende Organik, insbesondere gel√∂ste Zucker, k√∂nnten au√üerdem als N√§hrmedium f√ľr mikrobiologische Prozesse weitergenutzt werden.

Die F√ľtterungsstudie mit der konditionierten Kleie wird in der verbleibenden Projektzeit an 42 Kaninchen durchgef√ľhrt, welche in drei Gruppen je vergleichend unterschiedliche Mischfutter bereitgestellt bekommen, die den P-Bedarf mit 3 g/kg genau decken. Die Vergleichsgruppe wird mit einer Grundmischung und dem entsprechenden Anteil an Mononatriumphosphat (MNP) als leicht verdaulichem P gef√ľttert, einer zweiten Gruppe wird die Grundmischung mit nativer Roggenkleie gereicht und die letzte Gruppe bekommt schlie√ülich die Grundmischung mit der P-reduzierten Roggenkleie und der entsprechenden Erg√§nzung des P-Gehalts durch MNP gef√ľttert. Da der Ca-Gehalt die P-Verdaulichkeit entscheidend beeinflusst, wird mittels Calciumcarbonat ein identisches Ca:P-Verh√§ltnis in allen Futtermischungen sichergestellt. Nach einer Adaptationsphase von 5 Tagen folgen die Kollektionsphase von 5 Tagen zur Kotsammlung, die anschlie√üende Analytik und die Bewertung der Verdaulichkeit.

Die Ergebnisse der F√ľtterungsstudie sowie eine umfassende Bewertung aller technischen, √∂konomischen sowie √∂kologischen Faktoren zur Implementierung des dargestellten Prozesses sind aktuell noch ausstehend.




√Ėffentlichkeitsarbeit und Pr√§sentation

Die Projektergebnisse wurden laufend sowohl auf nationalen und internationalen Konferenzen als auch in wissenschaftlichen Artikeln veröffentlicht. Beiträge wurden beispielsweise auf Himmelfahrtstagungen der Dechema in Frankfurt, der ISGC in La Rochelle, der ESPC in Wien, der EUBCE in Bologna und der ProcessNet vorgestellt.

Die Publikationen, die im Zusammenhang mit diesem Projekt entstanden sind, können unter den folgenden Links abgerufen werden:

¬ē Hintergrund und Stand der Technik zum im Projekt angestrebten Kleie-Konditionierungsprozess: https://doi.org/10.3390/su14073998

¬ē Ausf√ľhrliche Darstellung und Diskussion der mechanischen Abtrennung einer P-reichen Fraktion aus Roggen-, Weizen-, Gerste- und Haferk√∂rnern: https://doi.org/10.1007/s11947-022-02981-3

¬ē Anpassung einer aus E. coli exprimierten Phytase zur verbesserten Spaltung von Inositoltetraphosphat mittels KnowVolution-Strategie: https://doi.org/10.3389/fceng.2022.838056

¬ē Darstellung von Polyphosphat zur Nahrungsmittelanwendung aus Samen und Kleie mit Hilfe von Enzymen: https://doi.org/10.1016/j.bioeco.2023.100048

¬ē Kurzvorstellung der FTIR-Analytik zur inline-Messung des Phytatgehalts: https://doi.org/10.1002/cite.202255084



Fazit

Im Projekt angestrebt wurde die Konditionierung von Kleie im Hinblick auf einen reduzierten P-Gehalt sowie die Nutzbarmachung des herausgel√∂sten P. Beide Produkte konnten mit zwei alternativen Pfaden dargestellt werden. Die chemische Hydrolyse stellt dabei eine neuartige und sehr effiziente Methode der Phytins√§ure-Spaltung dar. Die enzymatische Kleie-Behandlung findet hingegen bei deutlich milderen Bedingungen statt und konnte bereits erfolgreich hochskaliert werden, um Substrat f√ľr einen F√ľtterungsversuch herzustellen. Die abschlie√üende Prozessbewertung wird einen Einblick in die M√∂glichkeiten einer gr√∂√üer technischen Implementierung geben und sowohl aus wirtschaftlicher als auch √∂kologischer Sicht zeigen, wie der Prozess zu einer nachhaltigen P-Kreislaufwirtschaft beitragen kann.

√úbersicht

Fördersumme

636.492,00 ‚ā¨

Förderzeitraum

01.07.2020 - 31.03.2024

Bundesland

Hamburg

Schlagwörter

Landnutzung