Biologiczne dodatki paszowe z mikroelementami. Aplikacyjna partia

Zuzanna Witkowska*, Katarzyna Chojnacka, Anna Witek-krowiak, Agnieszka Saeid
Politechnika Wrocławska
Biologiczne dodatki paszowe
z mikroelementami. Aplikacyjna
partia produktu do badań zootechnicznych
Biological feed additives with microelements.
The test production for the assessment
of utilitarian properties in zootechnical studies
Przedstawiono proces wytwarzania biologicznych dodatków mikroelementowych (z Fe(II),
Zn(II), Cu(II) i Cr(III)) w procesie biosorpcji
w reaktorze kolumnowym ze złożem. Biomasę,
będącą nośnikiem mikroelementów, stanowiła
śruta sojowa. Analiza wielopierwiastkowa wykazała wzrost zawartości jonów mikroelementów
w śrucie sojowej. Zawartość Cu(II) wzrosła
ponad 241-krotnie, zawartość Fe(II) 69-krotnie, Zn(II) 261-krotnie, a Cr(III) 1000-krotnie.
Otrzymane suplementy zostały przeznaczone
do badań zootechnicznych na kurach nioskach
w celu oceny właściwości użytkowych nowych
preparatów. Aby pokryć zapotrzebowanie kur
niosek na dany mikroelement należało dodać
do 1 kg paszy 0,530 g preparatu z Cu(II),
2,755 g preparatu z Fe(II), 4,259 g preparatu
z Zn(II) i 0,091 g preparatu z Cr(III).
Cr3+, Cu2+, Fe2+ and Zn2+ ions were adsorbed from their
aq. soln. on soya grind in a column reactor to prep.
microelements-contg. feed supplements for laying hens.
A substantial increase in the content of microelements
was achieved.
Dodatkami paszowymi nazywa się substancje i związki chemiczne
oraz ich mieszaniny poprawiające jakość mieszanek paszowych,
Mgr inż. Zuzanna WITKOWSKA w roku 2009
ukończyła studia na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej. Jest doktorantką w Instytucie Technologii Nieorganicznej i Nawozów
Mineralnych Politechniki Wrocławskiej – Zakład
Chemii dla Rolnictwa. Specjalność – technologia
chemiczna.
* Autor do korespondencji:
Wydział Chemiczny, Politechnika Wrocławska, bud. B-1, pok. 402,
ul. Smoluchowskiego 25, 50-369 Wrocław, tel. (71) 320-28-97, fax: (71)
320-34-69, e-mail: [email protected]
1068
zdrowia zwierząt lub produktów pochodzenia zwierzęcego1). Spośród
nich mikroelementy są składnikami niezbędnymi do prawidłowego
rozwoju i funkcjonowania organizmu2). Każdy z tych pierwiastków
pełni w żywym organizmie kilka różnych funkcji, a poszczególne
mikroelementy mogą wykazywać działanie synergistyczne lub antagonistyczne3). Przyswajalność poszczególnych składników mineralnych może wahać się w bardzo szerokim zakresie. Zdarza się, że
niektóre składniki pasz pochodzenia roślinnego są dla zwierzęcia
całkowicie nieprzyswajalne, np. ze względu na obecność fitynianów4).
Dlatego ważne jest zapewnienie podaży mikroelementów dla zwierząt
hodowlanych w takiej formie, która jest dla organizmu przyswajalna.
Najpowszechniej stosowane są sole nieorganiczne (np. ZnSO4·7H2O
i FeCl2), których przyswajalność jest niska, a toksyczność duża
zarówno dla zwierzęcia, jak i dla środowiska, gdyż nieprzyswojone
jony zostają wydalone, powodując skażenie gleby i wody. Ponadto,
sole nieorganiczne mogą zawierać również zanieczyszczenia (np.
pierwiastki, takie jak kadm lub arsen), które mogą być potencjalnie
toksyczne5). Alternatywą dla soli nieorganicznych są chelaty organiczne, które są znacznie rzadziej stosowane ze względu na wysoką cenę.
Badania potwierdzają dobrą przyswajalność jonów mikroelementów
z chelatów oraz ich nietoksyczność, choć niektóre badania wskazują,
że mogą podrażniać przewód pokarmowy6).
Nowym rozwiązaniem jest produkowanie biologicznych dodatków
paszowych z mikroelementami w procesie biosorpcji, w którym jony
mikroelementów wiązane są do powierzchni komórki biomasy jadalnej
dla zwierząt, np. makroalg7), mikroalg6) lub standardowej mieszanki
paszowej8). Przeprowadzone wcześniej badania zootechniczne na
preparatach biologicznych wskazują, że pierwiastki z tak wytworzonych preparatów charakteryzują się wysoką przyswajalnością
Prof. dr hab. inż. Katarzyna CHOJNACKA w roku
1999 ukończyła studia na Wydziale Chemicznym
Politechniki Wrocławskiej. W 2003 r. uzyskała
stopień doktora nauk technicznych w Instytucie Inżynierii Chemicznej i Urządzeń Cieplnych
Politechniki Wrocławskiej. W 2008 r. uzyskała stopień doktora habilitowanego na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej. Od
2009 r. jest zatrudniona na stanowisku profesora
nadzwyczajnego w Instytucie Technologii Nieorganicznej i Nawozów Mineralnych Politechniki
Wrocławskiej. W 2012 r. uzyskała tytuł profesora
nauk technicznych. Specjalność – technologie
biologiczne.
91/5(2012)
oraz działaniem prozdrowotnym7, 9). Ponadto uzyskane wzbogacone
w mikroelementy produkty spożywcze dla człowieka, np. jaja kur karmionych preparatami biologicznymi, zostały wzbogacone w podawane
pierwiastki, stanowią zatem nową generację żywności – biofortyfikowaną w mikroelementy6, 7, 9).
Biosorpcję można prowadzić w reaktorze mieszalnikowym lub
w złożu w reaktorze kolumnowym7). Literatura podaje zastosowanie
mieszalnika jedynie w skali laboratoryjnej oraz półtechnicznej8),
w skali przemysłowej stosuje się wyłącznie kolumny6). Kolumny do
biosorpcji przemysłowej mogą być wypełnione złożem nieruchomym,
fluidalnym lub pulsacyjnym. Jeśli do biosorpcji wykorzystywane
są mikroorganizmy, mogą być one immobilizowane na nośniku6, 7).
Biomasę regeneruje się do ponownego użycia, usuwając związane
z nią jony metalu, np. za pomocą elektrolizy czy poprzez umieszczenie
biomasy po biosorpcji w roztworze o niskim pH10). Aby zachować
ciągłość procesu, stosuje się układ naprzemiennie pracujących kolumn,
w czasie gdy biosorpcja zachodzi w jednej z nich, w drugiej kolumnie
zachodzi proces desorpcji7). Jeśli jony związanych metali są cenne,
można je następnie odzyskać z roztworu procesowego.
Dotąd biosorpcja znalazła technologiczne zastosowanie jedynie
w procesie oczyszczania wód z jonów metali ciężkich oraz barwników. Wytwarzanie biologicznych dodatków paszowych w procesie
biosorpcji opublikowano pierwszy raz kilka lat temu6–9). Z dostępnych
doniesień literaturowych wynika, że do tej pory nikt inny nie podjął
badań nad wzbogacaniem biomas w procesie biosorpcji celem wytworzenia dodatków paszowych z mikroelementami. We wszystkich
przedstawionych pracach wykorzystano reaktor mieszalnikowy6–9).
W mieszalniku zwykle uzyskuje się duże pojemności biosorpcyjne,
jeśli zastosuje się niskie stężenie biomasy (do 1 g/dm3), jednak w ten
sposób otrzymuje się stosunkowo niewielką ilość produktu (np. przy
użyciu reaktora o pojemności 10 m3 można w jednym cyklu otrzymać
jedynie 10 kg biologicznego dodatku paszowego8)). Stosując kolumnę
ze złożem o całkowitej pojemności zaledwie 1 m3 można by w jednym
cyklu uzyskać 500 kg biologicznego dodatku paszowego na bazie
biomasy o gęstości nasypowej 700 kg/m3, zakładając 70-proc. wypełnienie kolumny.
W pracy zaprezentowano reaktor kolumnowy ze złożem po raz
pierwszy wykorzystany do wytworzenia biologicznych dodatków
paszowych z mikroelementami (Fe(II), Zn(II), Cu(II) i Cr(III)).
Biomasę, będącą nośnikiem mikroelementów, stanowiła śruta sojowa.
Wytworzone preparaty zostały przeznaczone do badań zootechnicznych na kurach nioskach w celu oceny właściwości użytkowych
nowego dodatku paszowego, których wyniki zostaną przedstawione
w kolejnej publikacji.
ności 0,1 dm3. Do procesu użyto wody demineralizowanej, której
pH ustawiono na 5,0 za pomocą 0,1 M NaOH/HCl (POCh, Gliwice)
i kontrolowano pH-metrem Mettler-Toledo (Seven Multi, Szwajcaria)
wyposażonym w elektrodę InLab413 z kompensacją temperatury.
Proces biosorpcji prowadzono w temp. 20°C, kontrolując stężenie
roztworu wychodzącego z kolumny, do wysycenia złoża. Wzbogaconą
biomasę suszono na powietrzu przez 48 h. Roztwór jonów danego
mikroelementu o stężeniu 300 mg/dm3 podawano do kolumny od góry.
Szybkość przepływu wynosiła 1,8 dm3/h i była regulowana zaworem
u dołu kolumny (rys. 1). Do analizy pobrano biomasę niewzbogaconą
oraz po procesie biosorpcji. Pobierano również co 1 h próbki roztworu
opuszczającego kolumnę. Pobrane próbki biomasy uśredniono i zmineralizowano7).
Skład pierwiastkowy pobranych próbek oznaczano za pomocą spektrometru plazmowego ICP-OES (Varian Vista-MPX; Varian, PaloALto,
USA) w Laboratorium Chemicznym Analiz Wielopierwiastkowych
Politechniki Wrocławskiej, akredytowanym przez ILAC-MRA i Polskie
Centrum Akredytacji (PCA) (Nr AB 696)11).
Część doświadczalna
Materiały i aparatura
Śrutę sojową, tradycyjny składnik mieszanek paszowych dla
zwierząt gospodarskich (Vetos, Zębowice k. Jawora) wzbogacono
w jony Cu(II), Zn(II), Fe(II) oraz Cr(III) poprzez biosorpcję, wykorzystując sole nieorganiczne: CuSO4·5H2O, ZnSO4·7H2O, FeCl2·4H2O,
Cr(NO3)3 · 9H2O (POCh, Gliwice). Biosorpcję przeprowadzono w trybie okresowym wykorzystując reaktor kolumnowy ze złożem o pojem-
Dr inż. Agnieszka SAEID w roku 2006 ukończyła
studia na Wydziale Chemicznym Politechniki
Wrocławskiej. Jest asystentem naukowo-dydaktycznym w Instytucie Technologii Nieorganicznej
i Nawozów Mineralnych Politechniki Wrocławskiej – Zakład Chemii dla Rolnictwa. Specjalność
– procesy biotechnologiczne.
91/5(2012)
Rys. 1. Reaktor ze złożem do procesu biosorpcji
Fig. 1. Fixed-bed reactor for biosorption
Dr inż. Anna WITEK-KROWIAK w roku 2002 ukończyła studia na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej, specjalność: procesy biotechnologiczne. W 2006 r. otrzymała stopień doktora
nauk technicznych, specjalność inżynieria chemiczna. Jest adiunktem naukowo-dydaktycznym
w Zakładzie Inżynierii Chemicznej. Specjalność
– inżynieria chemiczna i procesowa.
1069
Omówienie wyników
Stężenie jonów mikroelementów w roztworze opuszczającym
kolumnę wynosiło ok. 100 mg/dm3, niezależnie od rodzaju sorbowanych jonów mikroelementów. Wyniki analizy zmineralizowanych
preparatów oraz niewzbogaconej śruty sojowej zawarte są w tabeli.
Analiza wielopierwiastkowa wykazała znaczny wzrost zawartości
poszczególnych jonów mikroelementów w śrucie sojowej: zawartość
Cu(II) wzrosła z 0,065 mg/g do 15,690 mg/g, Fe(II) z 0,235 mg/g
do 16,337 mg/g, Zn(II) z 0,054 mg/g do 14,088 mg/g, a Cr(III)
z 0,022 mg/g do 20,588 mg/g. Na rys. 2 przedstawiono otrzymane
preparaty biologiczne. W celu pokrycia zapotrzebowania kur niosek
na mikroelementy należało dodać do 1 kg paszy 0,530 g preparatu
z Cu(II), 2,755 g preparatu z Fe(II), 4,259 g preparatu z Zn(II) i 0,091 g
preparatu z Cr(III).
Tabela. Zawartość mikroelementów w suplementach paszowych wytworzonych metodą biosorpcji
Table. Content of microelements in fodder supplements produced by biosorption
Zawartość mikroelementu, mg/g
Mikroelement
Śruta sojowa niewzbogacona
(±SD, N = 3)
Preparat
(±SD, N = 3)
Cu(II)
0,065±0,004
15,690±0,370
Fe(II)
0,235±0,015
16,337±0,228
Zn(II)
0,054±0,005
14,088±0,403
Cr(III)
0,022±0,002
20,588±0,212
Produktywność instalacji była zależna od sorbowanego jonu mikroelementu, gdyż maksymalna pojemność biosorpcyjna biomasy była
różna dla różnych jonów mikroelementów. W kolumnie o pojemności
0,1 dm3 (wsad: śruta sojowa) i natężeniu przepływu roztworu procesowego 1,8 dm3/h, w którym stężenie początkowe jonów danego
mikroelementu wynosiło 300 mg/dm3, w ciągu doby można było
wytworzyć 613 g preparatu mikroelementowego z cynkiem, 551 g
preparatu z miedzią, 529 g preparatu z żelazem oraz 420 g preparatu
z chromem.
Podsumowanie
Wytworzono biologiczne dodatki paszowe z mikroelementami
(z jonami Cu(II), Fe(II), Zn(II) oraz Cr(III)) w procesie biosorpcji w reaktorze kolumnowym ze złożem. Nośnikiem biologicznym
mikroelementów była śruta sojowa. Zawartość Cu(II) wzrosła 241
razy, zawartość Fe(II) 69 razy, zawartość Zn(II) 261 razy, a zawartość Cr(III) 1000 razy. Uzyskane wyniki w stanowią podstawę dla
projektu instalacji w skali półtechnicznej. Przy zastosowaniu kolumn
o pojemności 200 dm3 i przepływie roztworu procesowego 2,7 m3/h,
w którym stężenie jonów danego mikroelementu wynosi 300 mg/dm3,
produktywność instalacji powinna wynosić: 920 kg/dobę dla preparatu
z Zn(II), 827 kg/dobę dla preparatu z Cu(II), 794 kg/dobę dla preparatu
z Fe(II) oraz 630 kg/dobę dla preparatu z Cr(III).
Otrzymane dodatki paszowe zostaną wykorzystane w planowanych
badaniach zootechnicznych na kurach nioskach. Badania mają na celu
ocenę przyswajalności mikroelementów z wytworzonych preparatów.
Praca została sfinansowana z projektu Narodowego Centrum Badań
i Rozwoju nr NR05-0014-10/2010 pt. „Technologia wprowadzania
mikroelementów do nawozów i dodatków paszowych z wykorzystaniem
procesu biosorpcji”.
Praca współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego, projekt „Przedsiębiorczy
Doktorant”.
Otrzymano: 13-03-2012
LITERATURA
a)
b)
c)
d)
Rys. 2. Dodatki paszowe z mikroelementami wytworzone metodą biosorpcji z: a) Cu(II), b) Zn(II), c) Fe(II), d) Cr(III)
Fig. 2. Feed additives with microelements produced by biosorption process
with: a) Cu(II), b) Zn(II), c) Fe(II), d) Cr(III)
1070
1. Praca zbiorowa, Żywienie zwierząt i paszoznawstwo, (red. D. Jamroz,
W. Podkówki i J. Chachułowa), t. 3, PWN, Warszawa 2004 r.
2. Praca zbiorowa, Żywienie trzody chlewnej, (red. B. Grudniewska),
Wydawnictwo Art, Akademia Rolniczo-Techniczna, Olsztyn 1998 r.
3. Praca zbiorowa, Składniki mineralne w żywieniu ludzi i zwierząt, (red.
Mariola Friedrich), Akademia Rolnicza w Szczecinie, Szczecin 2002 r.
4. Praca zbiorowa, Normy żywienia drobiu. Zalecenia żywieniowe i wartość
pokarmowa pasz, (red. S. Smulikowska i A. Rutkowski), Instytut Fizjologii
i Żywienia Zwierząt PAN, 2005 r.
5. Obwieszczenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi z dn. 7 stycznia 2004 r.,
M.P. 2004, nr 9, poz. 132.
6. A. Zielińska, Opracowanie metody produkcji mineralnych dodatków
paszowych nowej generacji na bazie makroalg, Praca doktorska, Instytut
Technologii Nieorganicznej i Nawozów Mineralnych, Politechnika
Wrocławska 2010 r.
7. I. Michalak, Nowa generacja biologicznych dodatków paszowych
z mikroelementami na bazie alg, Praca doktorska, Instytut Technologii
Nieorganicznej i Nawozów Mineralnych, Politechnika Wrocławska 2009 r.
8. Z. Witkowska, K. Chojnacka, A. Zielińska, M. Zdunek, Przem. Chem.
2011, 90, 1070.
9. I. Michalak, K. Chojnacka, Z. Dobrzański, H. Górecki, A. Zielińska,
M. Korczyński, S. Opaliński, Anim. Physiol. Anim. Nutr. 2011, 95, 374.
10.K. Chojnacka, Environ. Int. 2010, 36, 299.
11.I. Michalak, K. Chojnacka, Przem. Chem. 2009, 88, 512.
91/5(2012)