Energieeffizientes lösungsmittelfreies Verfahren zur Herstellung von Aminosäure-Metallchelaten

Herausforderung

Spurenelemente und Spurenelementverbindungen liegen in geringen Mengen in tierischen, menschlichen und pflanzlichen Organismen vor und übernehmen dort lebenswichtige Funktionen. Ein Mangel an Spurenelementen kann verschiedene lebensbeeinflussende Krankheitssymptome bewirken. Deshalb ist es von großem Interesse, die Spurenelemente in bioverfügbarer Form industriell zu produzieren und anwendungsbezogen einzusetzen.

Die Spurenelemente werden häufig in Form von organischen Verbindungen, den sogenannten Chelaten oder Chelatkomplexen, verabreicht. Das in den Chelaten enthaltene Zentralatom ist ein positiv geladenes Ion von Metallen, wie beispielsweise Zink, Kupfer oder Eisen. Für Chelatkomplexe eignen sich als negativ geladene Bindungspartner Anionen organischer Säuren, besonders Aminosäuren und Hydroxycarbonsäuren. Diese Kombinationen aus einem Metallkation und Aminosäureanionen verfügen über positive physiologische Wirkungen, die in Form eines leicht bioverfügbaren Chelatkomplexes genutzt werden.

Die Produktion geeigneter Aminosäure-Metallchelate als organische Spurenelementverbindungen erfolgt bislang nasschemisch unter Verwendung von Wasser als Lösungsmittel oder durch energetisch aufwändige mechanochemische Verfahren. Dabei erfordern die nasschemischen Prozesse eine kostenintensive und energetisch ineffiziente Trocknung des Materials und die Produkte enthalten anorganische Verunreinigungen. Die bisherigen mechanischen Verfahren erfolgen meistens in Kugelmühlen oder Exenterschwingmühlen unter Verwendung von Mahlkörpern und Ausgleichsmassen. Aufgrund der benötigten Bewegung der zusätzlichen Massen im Mahlprozess resultiert ein erhöhter Energieaufwand. Gleichzeitig ergibt sich ein hoher Verschleiß an den Mahlkörpern und den Mühlenbauteilen.

Unsere Lösung

An der TU Clausthal wurde ein Herstellungsverfahren entwickelt, das keinen zusätzlichen Energieeintrag benötigt, eine hohe Ausbeute und Qualität der Aminosäure-Metallchelate gewährleistet sowie Neben- und Zersetzungsprodukte vermeidet.

Die Ausgangsstoffe für das Verfahren sind Metalloxide für die Bereitstellung des Zentralkations und Aminocarbonsäuren und/oder Hydroxycarbonsäuren für die Chelat-Liganden. Für die chemische Reaktion in der ohne Mahlkörper arbeitenden Fließbettgegenstrahlmühle können diese Ausgangsstoffe vorgemischt oder einzeln im festen Aggregatzustand dem Reaktionsprozess zugeführt werden. Der Mahlraum der Mühle ist dabei sowohl Kollisions- als auch Reaktionsraum. In diesem Bereich der Mühle wird nach Zuführung der Ausgangsstoffe durch beschleunigte Gasstrahlen die mechanische Aktivierung mindestens eines Reaktionspartners durch Partikel-Kollisionsvorgänge bewirkt und somit die chemische Festkörperreaktion für die Bildung des Metallchelats ausgelöst.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass ursprünglich zur Feinstmahlung konzipierte Strahlmühlen einen derartigen Energieeintrag in das Mahlgut ermöglichen, dass es bei geeigneter Wahl der Ausgangsstoffe und Betriebsbedingungen zu einer mechanochemischen Reaktion allein durch Kollision des Materials untereinander kommt.

Das neue Reaktionsverfahren erlaubt die Kombination organischer Säuren, vorzugsweise natürlich vorkommenden Aminosäuren wie Glycin, Methionin oder Lysin, mit Oxiden von Spurenelementmetallen, wie beispielsweise Zink oder Kupfer.

Vorteile

• Anwendung kommerziell erhältlicher Fließbettgegenstrahlmühlen
• Energieeffizientes und lösungsmittelfreies Verfahren
• Hohe Produktstabilität des erzeugten Metallkomplexes in Form eines Chelats
• Keine Produktverunreinigungen durch Abrieb von Mahlkörpern
• Kontinuierliche autogene Prozessführung ohne Zuführung zusätzlicher Energie
• Upscaling im Industriemaßstab ist bereits gegeben

Entwicklungsstatus

Das entwickelte und vollständig charakterisierte Herstellungsverfahren ist patentiert und wird bereits erfolgreich für die industrielle Produktion von Zusatzstoffen für die Tier- und Pflanzenernährung angewendet. Für weitere Anwendungsgebiete ist eine Lizenzvergabe des Patentes möglich.

27.09.2023