From biomass to bioeconomy: engineering biocatalytic phosphorus mobilization from plant residues prior to animal feeding
Creators: name: Widderich, Niklas Johannes Heinrich
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2025
Subjects: subject: Phosphorus mobilization | phytate | plant residues | phosphorus reduced animal feed | phosphorus recovery | struvite | Phosphormobilisierung | Phytat | Pflanzenrückstände | phosphorreduziertes Tierfutter | Phosphorrückgewinnung | Struvit
classificationCode: 6
subject: Technology::630: Agriculture and Related Technologies
classificationCode: 6
subject: Technology::660: Chemistry; Chemical Engineering
classificationCode: 6
subject: Technology::628: Sanitary; Municipal::628.5: Environmental Chemistry

description: In this work, the technical applicability of biocatalytic phosphorus (P)-mobilization from plant residues and the subsequent conversion of mobilized P into fertilizer has been investigated. Initially, P organically bound to phytate, is liberated by intrinsic and exogenous phytase enzymes. By conditioning plant residues prior to feeding, the enzymatic P-mobilization aims to generate high value feed material and promote a sustainable P-management. Rye bran, a by-product of the milling industry known for its high phytate content, is used as a model substrate in this research. To monitor and evaluate the P-mobilization rate, an inline process analysis based on Fourier-Transform-Infrared spectroscopy was established. The developed inline analytical approach experienced a root mean squared error of prediction of 81 mgP∙100gbran-1, corresponding to a deviation of about 8% with respect to the total phytate content in rye bran. Using this approach, it is shown that metabolically induced germination activates intrinsic phytate hydrolyzing enzymes. Maximum intrinsic activity was identified at 43 °C, pH 5.3, and a bran to water ratio of 1 to 7 (w/v). Under these conditions, most of the phytate present was degraded within 30 min at a rate of 5565 U∙kgbran-1. For maximum P-mobilization, an exogenously applied phytase blend consisting of rPhyXT52 phytase and the phytase from D. castelli was used. Kinetic studies on the phytase blend demonstrated its suitability for batch operation. The P-mobilization process achieved complete elimination of phytate, resulting in a 90% reduction of the total P-content across different scales up to 400 L reactions. Supportive ultrasound as well as enzymatic treatment of the cellular matrix substantially increased the P-mobilization rate by over 90%. Among the enzyme formulations tested, xylanases showed the most pronounced effect. Struvite precipitation from the process wastewater containing the mobilized P achieved 99% P-recovery with over 90% purity at pH 9, 20 °C, and an equimolar input ratio of constitution ions. The results and observations indicate a very robust process and underline the feasibility and applicability of enzymatic P-mobilization and struvite precipitation for P-recovery on a larger scale. The production of value-added feed material through phytate depletion and utilization of phytate bound P in renewable resources contributes to a more resilient P-bioeconomy.
description: In der vorliegenden Arbeit wurde die technische Umsetzbarkeit der biokatalytischen Phosphor-(P)-Mobilisierung aus pflanzlichen Reststoffen sowie die anschließende Umwandlung des freigesetzten P in Düngemittel umfassend untersucht. Ausgangspunkt ist die enzymatische Freisetzung von organisch an Phytat gebundenem Phosphor durch intrinsische sowie exogen zugeführte Phytasen. Ziel der Vorbehandlung von Pflanzenrückständen mittels enzymatischer P-Mobilisierung ist die Erzeugung hochwertiger Futtermittel sowie die Förderung eines nachhaltigen Phosphormanagements. Als Modellsubstrat diente Roggenkleie, ein Nebenprodukt der Müllereiindustrie mit hohem Phytatgehalt. Zur Echtzeitüberwachung der P-Mobilisierung wurde eine Inline-Prozessanalytik auf Basis der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) entwickelt und validiert. Der ermittelte Root Mean Squared Error of Prediction (RMSEP) lag bei 81 mgP∙100gKleie⁻¹, entsprechend einer Abweichung von ca. 8 % bezogen auf den Gesamtphytatgehalt der eingesetzten Roggenkleie. Die Ergebnisse belegen, dass metabolisch induzierte Keimungsprozesse zur Aktivierung intrinsischer phytathydrolysierender Enzyme führen. Die maximale intrinsische Enzymaktivität wurde bei 43 °C, einem pH-Wert von 5,3 und einem Feststoff-zu-Flüssig-Verhältnis von 1:7 (w/v) festgestellt. Unter diesen Bedingungen erfolgte der nahezu vollständige Phytatabbau innerhalb von 30 Minuten bei einer spezifischen Aktivität von 5565 U∙kgKleie⁻¹. Zur Maximierung der P-Mobilisierung wurde eine exogene Phytaseformulierung, bestehend aus rPhyXT52-Phytase und der Phytase aus D. castelli, eingesetzt. Kinetische Untersuchungen belegten die Eignung dieser Phytasekombination für Batch-Prozesse. Im Rahmen der Prozessentwicklung konnte eine vollständige Phytatdegradation realisiert werden, was einer Reduktion des Gesamtphosphorgehalts um 90 % entsprach — sowohl im Labormaßstab als auch in Reaktoren mit einem Volumen von bis zu 400 Litern. Zusätzliche Prozessintensivierung durch Ultraschallbehandlung sowie enzymatische Aufschlüsselung der Zellmatrix führte zu einer weiteren Steigerung der P-Mobilisierungsrate um über 90 %. Unter den getesteten enzymatischen Zusätzen zeigten insbesondere Xylanasen eine signifikante Effizienzsteigerung. Die Rückgewinnung des mobilisierten Phosphors durch Struvitfällung aus dem Prozessabwasser erzielte eine P-Entfernungseffizienz von 99 % bei einer Produktreinheit von über 90 %, unter optimalen Bedingungen (pH 9, 20 °C, äquimolares Verhältnis der Konstitutionsionen). Die Gesamtbewertung des Verfahrens zeigt eine hohe Robustheit und bestätigt die technische Machbarkeit und Skalierbarkeit der enzymatischen P-Mobilisierung sowie der Struvitfällung zur Phosphorrückgewinnung. Die Herstellung von höherwertigem Futtermaterial durch Phytatabbau und die effiziente Nutzung phytatge¬bundenen Phosphors aus nachwachsenden Rohstoffen tragen wesentlich zur Etablierung einer resilienteren P-Bioökonomie bei.