Maßgeschneiderte Enzyme für optimale Tierfuttermischungen

Technische Verfahren verbessern die Produkteigenschaften

In Futtermitteln werden Enzyme benötigt, die optimal wirken, temperaturstabil und lagerfähig sind. Zwei Verfahren eignen sich besonders, um aus empfindlichen flüssigen Enzymlösungen oder -pulvern sichere, leicht zu verarbeitende Granulate und Pellets herzustellen: das Wirbelschicht- und das Strahlschichtverfahren. Der Anlagenbauer Glatt Ingenieurtechnik zählt zu den weltweit führenden Experten auf diesem Gebiet und bietet Futtermittelherstellern Technologie- und Anlagenkompetenz aus einer Hand.

» Autoren: Dr. Michael Jacob, Head of Process Technology Food, Feed & Fine Chemicals, Glatt Ingenieurtechnik GmbH und Claudia Heck,
Catchay Communications, Mannheim

» veröffentlicht im Fachmagazin ‚Feed Magazin/Kraftfutter‘, Ausgabe 09-10/2016, Deutscher Fachverlag GmbH

Enzyme gelten als die Bio-Katalysatoren unter den Futterzusatzstoffen. Sie verhelfen nicht nur zu einer schnelleren Verdauung, sondern sie verbessern auch die Nährstoffaufnahme aus dem Tierfutter. Mehr noch: Erst Enzyme machen den Verdauungsprozess möglich. Nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip reagiert dabei jedes Enzym nur auf einen bestimmten Nährstoff. Und genau wie beim derzeit schlagzeilenträchtigen Partikelfilter gilt auch bei der Nahrungsverwertung: Wo mehr hängen bleibt, wird weniger ausgeschieden – das ist gut für die Tiere und gut für die Umwelt.

Ökonomischer Ressourceneinsatz von Anfang an

Wenn das Ende einer Kette nachhaltig sein soll, fängt man am besten bereits am Anfang damit an – durch Ressourcenschonung. Die beginnt bei der Auswahl der richtigen Enzyme wie beispielsweise Phytase. Das Enzym hilft Schweinen dabei, pflanzlichen Phytin-Phosphor besser zu verwerten. Wird dem Futter Phytase zugesetzt, können im Gegenzug mineralische Phosporzugaben reduziert werden. Bei den Enzymen, die meist aus Bakterien und Pilzen gewonnen werden, sind die Empfindlichkeit gegen Hitze und Feuchtigkeit kritische Punkte, die es in den Griff zu bekommen gilt. Im nächsten Schritt muss deshalb der optimale Herstellungsprozess für die Tierfutterkomponenten gefunden werden.

Von der Flüssigkeit zum fließfähigen Granulat

Zwei Verfahren sind heute gängig, um Inhaltsstoffe wie Enzyme oder auch Vitamine und Probiotika für die Futtermittelproduktion industriell verarbeitbar zu machen: Das Wirbelschichtverfahren und das Strahlschichtverfahren. Mit diesen Technologien können feste und flüssige Inhaltsstoffe sprühgranuliert, sprühagglomeriert, sprühgecoatet oder mikroverkapselt werden.

Um flüssige Enzymlösungen beständiger und leichter dosierbar zu machen, werden sie mittels Sprühgranulation in einer Wirbelschicht in abriebfeste Feststoffpartikel verwandelt. Eine Wirbelschicht entsteht, indem ein leicht erwärmter, filtrierter Luftstrom durch eine Prozesskammer gefördert wird. Dort trifft er auf das Produktbett, das nach einer festgelegten Charakteristik durchwirbelt und somit ständig in Bewegung gehalten wird. Über Düsen, die ober- oder innerhalb des Produktbetts angeordnet sind, werden die feststoffhaltige Enzymlösung sowie bei Bedarf weitere Komponenten eingebracht. Das Lösungsmittel – in der Regel Wasser – verdampft, der verbleibende Feststoff härtet zu einem Granulat mit einer zwiebelartig aufgebauten Schale aus. Die Temperatur liegt dabei so niedrig, dass die Enzymaktivität nicht negativ beeinflusst wird. Die sehr hohe Trocknungsrate gewährleistet auch bei diesen schonenden thermischen Bedingungen einen spezifikationsgerechten niedrigen Feuchtegehalt. Zudem kann der Aktivitätsgrad eingestellt werden, entweder durch Anpassung des Verhältnisses von Enzymen und Additiv oder durch zusätzliche Trägerpulver, die homogen in die Granulatstruktur eingearbeitet werden. Das neue runde, staubfreie und rieselfähige Granulat lässt sich nun nach Wunsch weiterverarbeiten.

In der Strahlschicht zu neuen Eigenschaften

Für Proteine, Hefen oder Mikroorganismen oder auch die erwähnten Enzyme – also besonders feine, sehr temperatursensitive, verweilzeitempfindliche oder klebrige Stoffe – bietet sich zudem das Strahlschichtverfahren an. Auch in der Strahlschicht werden die Partikel per Luftstrom in Bewegung gehalten. Allerdings sind die Strömungsmechanik und die Prozessdynamik anders als bei der klassischen Wirbelschicht, wodurch kleinere und rundere Partikel entstehen. In der Strahlschicht strömt die Prozessluft durch im Boden liegende Spaltöffnungen ein. Eine spezielle Anströmgeometrie bündelt sie zentral zu einem Luftstrahl. Die umgebende Prozesskammer wird nach oben hin größer. Weil die Partikel durch das patentierte Strömungsprinzip kontrolliert und gleichförmig zirkulieren, sind in kürzerer Zeit höhere Wärme- und Stoffübertragungsraten möglich. Im Vergleich zur Wirbelschicht heißt das: Das Strahlschichtprinzip, angewandt in der von Glatt entwickelten Anlagenbaureihe ProCell, gewährleistet eine homogene Temperaturverteilung bei gleichzeitig niedrigerer Verweilzeit des Produktes im Prozessraum.

Mancher wertvolle Futterzusatzstoff riecht oder schmeckt derart unangenehm, dass er die Tiere vom Fressen abhalten würde. Um diese unerwünschten Noten zu maskieren, können pulverige Substanzen mit einem Schutzfilm überzogen und flüssige Aktivstoffe in eine homogene Hülle eingekapselt werden. Beim Film- oder Hot-Melt-Coating wird dabei eine Lösung, Suspension oder eine Schmelze verwendet. Sie legt sich in besonders feinen Tröpfchen auf die zuvor sprühgranulierten oder verkapselten Enzyme und trocknet zu einem gleichmäßigen Schutzfilm. Durch ein nachgelagertes Sprühcoating können Inhaltsstoffe mit neuen und zusätzlichen Eigenschaften ausgestattet werden, etwa indem Vitamine oder wichtige Mineralien auf die Oberfläche der Enzympartikel aufgezogen werden. Auch Eigenschaften wie Freisetzung – zum Beispiel nach pH-Wert – oder Hygroskopizität lassen sich dabei konkret definieren. Weitere Vorteile zeigen sich in einer höheren Lagerstabilität und dem Schutz vor Sauerstoff, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen.

Vom Pulver zum Pellet

Trockenfutter-Pellets sind in der Tierernährung seit langem die komfortabelste Futterlösung. Bevor die wertvollen Aktivstoffe aber den bei der Pelletierung einwirkenden Kräften ausgesetzt werden können, müssen sie vorbehandelt werden. Liegen die Enzyme in Pulverform vor, können sie zusammen mit einem Bindemittel sprühagglomeriert werden. Ziel ist dabei, ein zu feines, staubendes Ausgangsmaterial in Form und Partikelgröße zu verändern, indem die Oberflächenbeschaffenheit neu definiert wird. Beim Einsatz von Enzymen ist die Staubvermeidung eine wichtige Arbeitsschutzmaßnahme, um einerseits die Gesundheit von Mensch und Tier zu schonen und andererseits die Explosionsgefahr zu reduzieren. Indem filigrane Pulverpartikel zu gröberen und größeren Komponenten umgebaut werden, wird auch ein anderes Problem gelöst: das typische Entmischungsverhalten feiner Partikel. Sprühagglomerierte Compounds entmischen sich nicht, sondern sind sicher in der Handhabung, leicht dosierbar und mit besserer Schüttdichte reproduzierbar und störungsfrei abfüllbar.

Beim Sprühagglomerieren wird das Pulver mit einer Flüssigkeit besprüht. Die Sprühflüssigkeit kann aus der erwähnten Enzymlösung bestehen, aber auch aus Wasser oder einem geeigneten Bindemittel. Nach der Benetzung mit der Sprühflüssigkeit verkleben die feinen Partikel miteinander zu einem Agglomerat, dessen Struktur unter dem Mikroskop beerenartig aussieht. Auch hier sorgen das Wirbelschicht- und das Strahlschichtverfahren dafür, dass die sich bewegenden Partikel gleichmäßig miteinander in Kontakt kommen. Um die Enzympartikel auf die nachfolgende Extrusion (Pelletierung) vorzubereiten, müssen sie gegen die Wärme und Feuchtigkeit, die bei der parallelen Sterilisation eingesetzt wird, gewappnet werden. Deshalb empfiehlt es sich auch für die Agglomerate, einen Coatingprozess zwischenzuschalten. Anschließend durchlaufen die in einer schützenden Hülle eingeschlossenen Aktivstoffe den Pelletiervorgang. Dabei wird das Granulat unter hohem Druck durch eine formgebende Auslassöffnung gepresst. Danach können die länglichen Pellets bei Bedarf in einem Rondierer zu Kugeln verrundet werden, um sich noch einfacher mit anderen Futterzutaten durchmischen zu lassen.

Von der Handvoll zum Produktionsmaßstab

Bevor ein Enzymprodukt sicher und ökonomisch im großtechnischen Maßstab hergestellt werden kann, muss der geeignete Herstellungsprozess gefunden und erprobt werden. Die zuvor beschriebenen Verfahren lassen sich im Weimarer Technologiezentrum von Glatt Ingenieurtechnik im Labormaßstab, also in kleinsten Mengen von bereits wenigen Gramm, entwickeln und austesten. Tierfutterhersteller können hier die flexibelste Laborwirbelschichtanlage (ProCell Labsystem), die aktuell auf dem Markt erhältlich ist, nutzen oder für Versuche auf eigenem Terrain mieten oder kaufen. Sie bietet sämtliche verfahrenstechnischen Optionen und kann sowohl den chargenweisen als auch den kontinuierlichen Produktionsprozess darstellen. Die Produktproben aus der Laboranlage werden anschließend im Glatt-eigenen Analytiklabor untersucht und bewertet.

Ist die passende Rezeptur gefunden und optimiert, erfolgt das Scale-up: Was im Kleinen funktioniert, muss für einen wirtschaftlichen und nachhaltigen Produktionsmaßstab umgerechnet und abgestimmt werden. Dies geschieht im nächsten Schritt über Pilotanlagen, die technische Konfigurationen industrienah abbilden können und die Einstellung der Prozessparameter ermöglichen. Die dabei anfallenden Produktmuster – üblicherweise zwischen 50 und 200 Kilogramm, je nach Betriebsart – können beispielsweise für Anwendungstests, Marketingprojekte und kleine Markttests genutzt werden.

Lohnfertigung oder Eigenproduktion

Von den Unternehmenszielen und Möglichkeiten des Tierfutteranbieters hängt es nun ab, ob er das marktreife Produkt in Lohnfertigung am Technologiezentrum in Weimar produzieren lässt oder ob er es selbst – womöglich mit einer Erweiterung seiner eigenen Produktionskapazitäten – herstellen wird. Trifft letzteres zu, muss nicht etwa ein weiterer Planungspartner ins Boot geholt werden: Glatt Ingenieurtechnik ist als Hersteller technologischer Anlagen weltweit gefragt und verfügt über umfassendes Know-how und Erfahrung in der Planung und Realisierung von Produktionsstätten.

Die schlüsselfertige Produktion

Der Begriff „schlüsselfertig“ hat sich für bezugsfertige Gebäude eingebürgert, die als Wohn- oder Arbeitsort bezogen und sofort vollumfänglich genutzt werden können. Das Prinzip gilt auch für schlüsselfertige Produktionsstätten inklusive Fabrikgebäude und Betriebsgelände, die von Glatt Ingenieurtechnik – passend zum technologischen Prozess – geplant, entwickelt und gebaut werden.

Ob Glatt hierbei als Generalunternehmen oder Projektpartner beauftragt wird, ob Glatt-Anlagen oder Fremdanlagen zum Einsatz kommen, ob es sich tatsächlich um ein Turnkey-Projekt, einen Umbau oder eine Modernisierung handelt – selbst, ob es um sich Tiernahrung oder einen ganz anderen Industriebereich dreht – spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Wichtig ist, dass die Thüringer Engineering-Spezialisten sowohl die Technologiekompetenz wie auch die Anlagenexpertise mitbringen und wissen, wie man an jedem Ort der Erde mit den unterschiedlichsten Bedingungen eine funktionierende Produktion plant und hochzieht. Dabei hilft, dass die Tochterfirma des Wirbelschicht-Pioniers Glatt aus dem baden-württembergischen Binzen Teil einer leistungsstarken Unternehmensgruppe und darüber hinaus in ein Forschungsnetzwerk von Hochschulen und wissenschaftlichen Instituten eingebunden ist. So fließen Innovationen nicht nur direkt in den Anlagenbau ein, sondern stehen den Märkten und Marktteilnehmern auch frühzeitig zur Verfügung.

Vorteile von Granulaten und Pellets im Tierfutter

  • Kompakte, runde, homogene Struktur
  • Schutz empfindlicher Inhaltsstoffe
  • Dichte Oberfläche, abriebfest
  • Gezielte Freisetzung (z.B. pH-Wert, Temperatur)
  • Staubfrei, deshalb sicher in der Anwendung
  • Rieselfähig, also optimal dosierbar
  • Variabel in Partikelgröße und -verteilung
  • Lagerstabil und länger haltbar