Kaltschmitt, MartinMartinKaltschmitt1153997040000-0002-9106-6499Mayer, NatalieNatalieMayer2024-12-162024-12-162024Technische Universität Hamburg (2024)https://hdl.handle.net/11420/52337Phosphorus (P) is an essential nutrient for all forms of life and is therefore indispensable for agriculture. Fertilizers in particular make up the majority of P use in Germany, accounting for 90% of imported mineral P. However, as the deposits of mineral P are limited and non-renewable, sustainable P management is necessary for long-term availability. Large P losses occur primarily through leaching into surface waters, in wastewater treatment plants, or with slaughterhouse waste. Organic P, which is mainly present as a P reservoir in cereals and legumes, cannot be absorbed as a nutrient by animals and plants due to its binding form. Therefore, most organic P is excreted by the animals and – after deployment of the residues as an organic fertilizer – washed out into surface waters via erosion and groundwater; thus, promoting the risk of eutrophication. The aim of sustainable P management must therefore be to circulate P in the environment in as closed a manner as possible and thus also to utilize organic forms of P efficiently. In this way, on the one hand, agriculture with high land productivity and thus a sufficient food supply can be ensured and, on the other hand, eutrophication as a result of increased P application to the environment can be prevented. The present work shows a potential process with which the P organically bound as phytate in rye bran (as an example of widely used animal feed rich in P) can be made available and utilized efficiently. Within this work, a three-stage process was developed to recover phytate-P from the rye bran in a usable form as mineral phosphate salt, while the remainder of the bran is still available as a feedstuff. The process involves acid extraction of the phytate from the rye bran, subsequent release of the phosphate from the organic bond by means of thermal hydrolysis and finally salt recovery by precipitation as magnesium phosphate. Experimentally, a total yield of phosphate in relation to the P content of the native bran of 93% was achieved in the lab. The product, a precipitate with a P content of approx. 11wt.-%, can be used for technical or agricultural applications. Based on the results in the laboratory, a theoretical process scaling shows that implementation on a larger scale is technically feasible, but that process adaptations are necessary for an economical presentation of the product. The main costs are incurred for the use of chemicals for extraction and precipitation as well as the electricity requirement, resulting in a cost of production of 34.4 € kg-1. This value is relatively robust with respect to deviations within the largest cost positions as well as investment costs, which show uncertainties in the data base. However, some investigated feasible process modifications could have a significant impact on the product manufacturing costs with a reduction of up to 40%. Overall, full utilization of the P from the total quantity of cereal bran used as animal feed in Germany could cover around 9% of mineral P imports in Germany. If the process was extended to all feedstuffs with a yield remaining the same, the entire import volume of mineral P could be compensated for. This means that conditioning feed before it is fed has enormous potential to contribute to a sustainable P management and, thus, not only to the protection of mineral P deposits, but also to the reduction of the eutrophication problem.Phosphor (P) ist ein essentieller Nährstoff für jegliche Art von Leben und daher u. a. für die Landwirtschaft unverzichtbar; deshalb machen vor allem Düngemittel mit 90 % der P-Importmenge Deutschlands den Hauptteil der Nutzung aus. Da die Vorkommen an mineralischem P limitiert und nicht erneuerbar sind, ist für eine langfristige P-Verfügbarkeit ein nachhaltiges Management nötig. Große P-Verluste treten dabei vor allem über die Ausschwemmung in Oberflächengewässer auf. Dies liegt daran, dass organischer P, der beispielsweise in Getreidefuttermitteln vorkommt, nicht als Nährstoff von monogastrischen Nutztieren resorbiert werden kann und daher zum Großteil wieder ausgeschieden wird. Nach einer Ausbringung der Gülle als Wirtschaftsdünger wird dieser organische P in Oberflächengewässer ausgeschwemmt und erhöht dort potentiell das Eutrophierungsrisiko. Ziel eines nachhaltigen P-Management muss es daher sein, P möglichst geschlossen zu zirkulieren und somit auch organisch gebundenen P effizient nutzbar zu machen. So kann eine Landwirtschaft mit hoher Flächenproduktivität und damit eine ausreichende Nahrungsmittelversorgung gesichert und gleichzeitig der Eutrophierung als Folge der vermehrten P-Ausbringung in die Umwelt vorgebeugt werden. Die vorliegende Arbeit zeigt eine Option auf, mit der der in Roggenkleie organisch als Phytat gebundene P verfügbar gemacht und effizient genutzt werden kann. Bei dem dargestellten Lösungsansatz handelt es sich um einen dreistufigen Prozess, mit dem Phytat-P aus der Roggenkleie in nutzbarer Form als mineralisches Phosphat-Salz zurückzugewonnen werden kann, während der verbleibende Rest der Kleie weiterhin als Futtermittel verfügbar bleibt. Dazu erfolgt eine saure Extraktion des Phytats aus der Kleie, anschließend eine Freisetzung des Phosphats aus der Phytat-Bindung mittels einer thermischen Hydrolyse und abschließend eine Fällung als Magnesiumphosphat. Die Gesamtausbeute an nutzbar gemachtem P im Prozess beträgt (im Labor) 93 %. Als Produkt wird ein Präzipitat mit einem P-Gehalt von ca. 11 Gew.-% gewonnen, das für unterschiedliche Anwendungen genutzt werden kann. Aufbauend auf den Laborergebnissen zeigt eine theoretische Prozess-Skalierung, dass eine groß-technische Durchführung möglich wäre. Kosten fallen dafür primär für den Einsatz der Chemikalien zur Extraktion und zur Fällung sowie die benötigte elektrische Energie an; insgesamt ergeben sich daraus Produktgestehungskosten von 34,4 € kg-1. Dieser Wert ist hinsichtlich Abweichungen innerhalb der größten Kostenpositionen sowie der überschlägig abgeschätzten Investitionskosten relativ robust. Für eine wirtschaftliche Umsetzung dieses Prozesses sind diese Produktgestehungskosten jedoch zu hoch, d. h. es sind Prozessanpassungen zur Kostenreduktion nötig. Durch zusätzlich untersuchte Prozessmodifikationen könnten die Produktgestehungskosten um bis zu 40 % reduziert werden. Die vollständige Nutzung des P aus der in Deutschland anfallenden Roggenkleie könnte etwa 9 % der mineralischen P-Importe in Deutschland ersetzen. Bei einer Übertragung des Prozesses mit gleichbleibender Ausbeute auf alle P-reichen Futtermittel könnte die gesamte Importmenge an mineralischem P gedeckt werden. Somit hat eine Konditionierung von Futtermitteln vor der Verfütterung ein großes Potential, zu einem nachhaltigen P-Management und damit nicht nur zum Schutz der mineralischen P-Vorkommen, sondern auch zur Verringerung des Eutrophierungsproblems beizutragen.dehttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/TechnologyTechnology::660: Chemistry; Chemical EngineeringTechnology::660: Chemistry; Chemical Engineering::660.2: Chemical EngineeringDoctoral Thesishttps://doi.org/10.15480/882.1386610.15480/882.13866Liese, AndreasAndreasLieseOther