DE102020115832B3

DE102020115832B3 - Mykotoxin-Adsorber auf Basis von Aktivkohle

Info

Publication number: DE102020115832B3
Application number: DE102020115832.7A
Authority: DE
Inventors: Bernd R. Müller
Original assignee: Adfis Products GmbH
Current assignee: Adfis Products GmbH
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2021-12-16
Anticipated expiration: 2040-06-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Mykotoxin-Adsorber, umfassend eine K2CO3-dotierte Pulveraktivkohle mit spezifischer Porenverteilung und Korngröße, Verwendungen des Mykotoxin-Adsorbers, und Nahrungs- oder Futtermittel, welche den Mykotoxin-Adsorber enthalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Mykotoxin-Adsorber, umfassend eine K₂CO₃-dotierte Pulveraktivkohle mit spezifischer Porenverteilung und Korngröße, Verwendungen des Mykotoxin-Adsorbers, und Nahrungs- oder Futtermittel, welche den Mykotoxin-Adsorber enthalten.
Mykotoxine sind natürliche, sekundäre Stoffwechselprodukte niederer Pilze mit toxischer, zum Teil kanzerogener Wirkung auf Mensch und Tier. Bei ungünstigen Bedingungen entstehen sie in Nahrungs- und Futtermitteln bereits auf dem Feld oder bei Lagerung, Transport und Weiterverarbeitung [1-3].
Wichtige in Lebensmittel vorkommende Mykotoxine sind Aflatoxin B₁ (Afla, C₁₇H₁₂O₆, Molmasse: 312,3 g/mol), Patulin (PAT, C₇H₆O₄, Molmasse: 154,12 g/mol), Ochratoxine A (OTA, C₂₀H₁₈ClNO₆, Molmasse: 403,81 g/mol), Deoxynivalenol (DON), C₁₅H₂₀O₆, Molmasse: 296,3 g/mol), T₂-Toxin (C₂₄H₃₄O₉, Molmasse: 466,52 g/mol), HT2-Toxin (C₂₂H₃₂O₆, Molmasse: 424,48 g/mol), Fumonisin B₁ (FUM, C34H59NO15, Molmasse: 721,83 g/mo) und Zearalenon (ZEA, C₁₈H₂₂O₅, Molmasse: 318,36 g/mol).
Die bedeutendsten Mykotoxine im Getreideanbau sind heute Deoxynivalenol (DON) und Nivalenol (NIV) aus der Gruppe der Typ B Trichothecene, wobei Deoxynivalenol das am häufigsten vorkommende Mykotoxin in Nahrungs- und Futtermitteln ist [3]. Eine Untersuchung an 11022 Getreideproben aus 12 europäischen Ländern zeigt, dass 57 % der Proben Deoxynivalenol (DON) enthielten [4]. Die Trichothecene sind starke Hemmstoffe der Proteinsynthese. Allgemein wirken Trichothecene daher zellschädigend, sind aber nicht erbgutschädigend. Trichothecene sind hauttoxisch und greifen zunächst den Verdauungstrakt an; aber auch das Nervensystem und die Blutbildung werden beeinträchtigt [3]. Außerdem stören sie das Immunsystem und führen dadurch zu erhöhter Anfälligkeit gegenüber Infektionskrankheiten. Beim Menschen sind Erbrechen (speziell bei Deoxynivalenol), Durchfall und Hautreaktionen die häufigsten Beschwerden bei Trichothecenaufnahme durch die Nahrung [1-3].
Die Trichothecene sind zyklische Sesquiterpene mit einem Epoxydring. Aufgrund der sehr unterschiedlichen chemischen Strukturen hat man diese in vier Untergruppen eingeteilt, von denen am häufigsten die Typ A und Typ B Trichothecene vorkommen [3]. Die Typ A Trichothecene sind charakterisiert durch das Fehlen einer Ketogruppe am Kohlenstoffatom 8. Sie umfassen Toxine wie das HT₂-und T₂-Toxin. Zu den Typ B Trichothecenen, die durch eine Ketogruppe am Kohlenstoffatom 8 gekennzeichnet sind, zählen z. B. Deoxynivalenol und Nivalenol sowie deren jeweilige Vorstufen der Biosynthese wie z. B. das 3-Acetyldeoxynivalenol [2,3,17]. 1 zeigt die allgemeine Strukturformel für Trichothecene (Typ A und Typ B) mit den verschiedenen Substituten am Ringsystem.
Aflatoxine werden aufgrund ihrer speziellen chemischen Struktur (Ausbildung eines Chelatkomplexes über die beiden Carbonylgruppen des Aflatoxins mit den Metallionen des Tons) sehr gut an Tonmineralien z. B. an Bentonit adsorbiert [5-9]. Gemäß der Durchführungsverordnung (EU) Nr. 1060/2013 - Funktionsgruppe: Stoffe zur Verringerung der Kontamination von Futtermitteln mit Mykotoxinen: Aflatoxin B₁ - wird für Bentonit (Kennnummer 1m558) eine Bindekapazität (BK) für Aflatoxin B₁ von BK > 90 % bei pH = 5 mit Co = 4 mg/dm³ und %Probe = 0,02 g/ml × 100 angegeben (mit BK = (Co - C)/Co × 100). Die Adsorptionszeit wird in der Verordnung nicht weiter aufgeführt [10]. Tone sind aber nicht in der Lage, Trichothecene ausreichend adsorptiv zu binden [12-14], (vgl. hierzu auch den Kontrollversuch zur Adsorption von Deoxynivalenol (DON) am Ton FIMIX® (BK = 0 %) und am Naturzeolith (Klinoptilolith) mit BK = 0 %; in Tabelle 8).
Eine Ausnahme hierzu wird im Patent EP 1 890 804 B1 [18] beschrieben. Hier wird das Mineral Stevensit zur Mykotoxinadsorption verwendet. Dieses Magnesium-haltige Mineral mit einem Magnesium-Anteil von über 20 Masse-% adsorbiert sowohl das Aflatoxin B₁ mit einer Bindungskapazität von > 90 % bei einer Adsorberkonzentration von %Probe = 0,025 g/ml × 100 (0,25 kg/t) und einer Anfangskonzentration von Co = 2 mg/dm³ (Kontaktzeit: 2 h, Temperatur von 37 °C, pH = 5,5) als auch erstaunlicherweise das T₂-Toxin als nicht-Afla-Toxin mit einer Bindungskapazität von BK = 21 % bei einer Adsorberkonzentration von %Probe = 0,025 g/ml × 100 (0,25 kg/t) und einer Anfangskonzentration von Co = 2 mg/dm³ (Kontaktzeit: 2 h, Temperatur: 37 °C, pH = 3).
In der EP 3 075 260 B1 [32] wird ein Mykotoxin-Adsorber auf Basis von Aluminiumsilikat für Trichothecene beschrieben, das organisch mit einem kationischen Alkylphenolethoxylat-Derivat durch lonenaustauch modifiziert worden ist. Als Aluminiumsilikat werden hier ein Tektosilikat oder ein Phyllosilikat (bzw. Mischungen daraus) verwendet, das mindestens eine Kationen-Austauschkapazität von 20 Milliäquivalenten pro 100 g Material aufweist. Die organische Struktur mit den aromatischen Einheiten und mit dem Sauerstoff als Heteroatom zeigt daher Ähnlichkeit zur Kohlenstoffstruktur von Aktivkohle und würde die Affinität des so modifizierten Materials zu Trichothecenen erklären.
Nach dem Stand der Technik werden zur Entfernung der Trichothecene aus Futtermitteln auch Mikroorganismen der Coriobacteriaceae-Familie eingesetzt, welche die Trichothecene (wie z. B. Deoxynivalenol) in ihren Stoffwechsel einschleusen und damit neutralisieren (Biotransformation) [4,19]. In der Durchführungsverordnung (EU) Nr. 1060/2013 (Funktionsgruppe: Stoffe zur Verringerung der Kontamination von Futtermitteln mit Mykotoxinen: Trichothecene) werden die Mikroorganismen der Coriobacteriaceae-Familie unter der Kennnummer 1m01 aufgeführt [19]. Kommerziell erhältliche Mykotoxinbinder wie z. B. Mycofix® [20] enthalten daher Bentonit (dioktaedrischer Montmorillonit) und Mikroorganismen der Coriobacteriaceae-Familie. In Ref. 12 sind unter anderem in vitro Untersuchungen an diversen kommerziellen Mykotoxinbindern zur Adsorption von DON und NIV durchgeführt worden. Es hat sich dabei herausgestellt, dass Mycofix Plus^® bei einer Adsorberkonzentration von %Probe = 0,10 g/ml × 100 innerhalb von 1 h bei pH = 3 eine Bindungskapazität von nur BK = 9 % für DON und NIV aufweist, wenn eine Mykotoxin-Lösung mit der Konzentration von 2 mg/dm³ verwendet wird. Dies zeigt deutlich, dass Mikroorganismen der Coriobacteriaceae-Familie eine langsame Kinetik der Biotransformation zur Aufnahme von DON und NIV aufweisen.
Aktivkohle besitzt eine sehr große spezifische Oberfläche, an die Moleküle adsorbiert werden können. Die innere Oberfläche der schwammartigen Aktivkohlepartikel liegt über 800 m²/g (in der Regel zwischen 750-1500 m²/g für eine mikroporöse Aktivkohle).
Die Mikroporen und die kleinen Übergangsporen ermöglichen den Eintritt von Molekülen mit Molmassen < 800 Dalton [11]. Aktivkohle ist daher im Allgemeinen in der Lage, Mykotoxine wie Aflatoxin [21], Ochratoxin A [14], Fumonisin B₁ [15] und auch Deoxynivalenol [14] adsorptiv zu binden, wie in vitro Adsorptionsversuche zeigen. Die Adsorptionseigenschaften der Aktivkohle hängen dabei von den physiko-chemischen Eigenschaften der Aktivkohle ab [14,15]. Erste systematische Untersuchungen hierzu sind zur Adsorption von Ochratoxin A [14] und Deoxynivalenol [14] an unterschiedlichen Aktivkohlen durchgeführt worden. Die BET-Oberfläche, die lodzahl und die Methylenblauzahl (MB-Index) werden für die verwendeten Aktivkohlen angegeben, jedoch keine Angaben zur Porenstruktur und zur Korngröße. Die Adsorption von Deoxynivalenol an Aktivkohle (Aktivkohle AF48 in Ref. 14) ist nur dann innerhalb einer Adsorptionszeit von 1 h effektiv (Bindungskapazität BK = 98,93 % bei Co = 4 mg DON/dm³), wenn eine ausreichende Menge an Aktivkohle (%Probe = 0,20 g/ml × 100) verwendet wird. Bei einer Menge von %Probe = 0,04 g/ml × 100) wird nur eine sehr geringe Adsorption beobachtet (in Ref. 14 werden aber hierzu keine weiteren Werte angegeben).
In Ref. 12 sind in vitro Untersuchungen zur Adsorption von Deoxynivalenol (DON) und Nivalenol (NIV) an unterschiedlichen Adsorbentien (z. B. Bentonit, Aktivkohle) bei unterschiedlichen pH-Werten aufgeführt. Die Adsorberkonzentration beträgt hier %Probe = 0,1 g/ml × 100 und die Adsorptionszeit 1 h bei Raumtemperatur. Es werden DON bzw. NIV Konzentrationen von 2 und 10 mg/dm³ verwendet. Die Untersuchungen bestätigen, dass DON und NIV nicht ausreichend an Bentonite adsorbiert werden können (Bindekapazität 2-3 % bei pH = 2 und 3). Aktivkohle hingegen weist bei pH = 7 für DON hier eine Bindekapazität von 84 % auf, wenn eine 2 mg/dm³ DON-Lösung verwendet wird. Die Aktivkohle in Ref. 12 ist aber nicht charakterisiert worden, so dass eine Porenverteilung in der Publikation nicht angegeben wird. Auch die verwendete Aktivkohle in Ref. 13 weist nur dann eine hohe Bindekapazität von BK = 88 ± 7 % nach 1 h Adsorptionszeit auf, wenn eine hohe Adsorberkonzentration von %Probe = 0,25 g/ml × 100 eingesetzt wird (Co = 1 mg/dm³; Temperatur: 37 °C; pH = 2,5).
In der Offenlegungsschrift EP 2 289 617 A1 [22] werden Mischungen aus verschiedenen Adsorbentien (Bentonit etc.) für Mykotoxine beschrieben, die Aktivkohle bis zu einem Gehalt von < 10 Masse-% in der Mischung enthalten. Die in der Offenlegungsschrift aufgeführten Beispiele beschreiben das Adsorptionsvermögen von Aflatoxin B₁, Zearalenon und Ochratoxine; Adsorptionsuntersuchungen an Deoxynivalenol, T₂ oder HT₂ werden jedoch in den Beispielen in der EP 2 289 617 A1 nicht aufgeführt. Die in der Offenlegungsschrift EP 2 289 617 A1 beschriebene Aktivkohle weist im Porenbereich von 0,8-2 nm eine BET-Oberfläche von 750-1200 m²/g auf. Die BJH-Oberfläche von Übergangsporen (Mesoporen) im Porenbereich von 2-50 nm liegt im Bereich von 5-30 m²/g und die spezifische Oberfläche von Makroporen (Poren > 50 nm) liegt im Bereich von 5-80 m²/g.
In vitro Untersuchungen zur Bestimmung der Zellviabilität von IPEC-J2 Zellen in Gegenwart von DON und Aktivkohle sind durchgeführt worden [23]. Bei einer DON-Konzentration von 1,0 mg/dm³ wird die Zellviabilität von 100,0 ± 1,44 % (ohne DON) auf 31,4 ± 0,94 % (mit DON) innerhalb von 48 h deutlich reduziert. In Gegenwart von Aktivkohle (Adsorberkonzentration: 1 mg/ml, entspricht %Probe = 0,10 g/ml × 100) beträgt die Zellviabilität 102,0 ± 3,12 %, d.h. ein Absterben der IPEC-J2 Zellen findet in Gegenwart von Aktivkohle und DON nicht statt. Für die Untersuchungen ist die Aktivkohle NORIT Carbomix® eingesetzt worden. Angaben zur Porenstruktur und Korngröße der verwendeten Aktivkohle werden in Ref. 23 allerdings nicht gemacht.
In vivo Untersuchungen an Ratten zur Untersuchung des Einflusses von Aktivkohle gegen von Deoxynivalenol (DON) verursachte Zyto- und Genotoxizität zeigen deutlich, dass die Zyto- und Genotoxizität durch Verwendung von chemisch aktivierter Aktivkohle (BET-Oberfläche: 873 m²/g) als Zusatzstoff im Futter herabgesetzt, aber hier nicht vollständig reduziert werden kann [16].

Die nachstehende Tabelle 1 fasst die in vitro Adsorption von DON an Pulveraktivkohlen und weiteren Adsorbentien im Stand der Technik zusammen. Tabelle 1: Stand der Technik: In vitro Adsorption von Deoxynivalenol (DON) an Pulveraktivkohlen und weiteren Adsorbentien

Probenbezeichnung,	% Probe	Zeit^a	C₀	BK^b
BET-Oberfläche (m²/g)	(g/ml ×	(h)	(µg/	(%)
Versuch (V)	100)		dm³)
Aktivkohle AF37^c, Ref. 14, BET = 403 m²/g
V1 (10 mg Probe in 5 ml)	0,20	1	4000	1,83
				bei 25 °C, pH: nicht angegeben
Aktivkohle AF48^d, Ref. 14, BET= 865 m²/g
V1 (10 mg Probe in 5 ml)	0,20	1	4000	98,93
				bei 25 °C, pH: nicht angegeben
V2 (2 mg Probe in 5 ml)	0,04	1	4000	geringe Adsorption
Aktivkohle, Ref. 12
V1 (1 mg Probe in 1 ml)	0,10	1	2000	84 ± 0 RT, pH = 7
V2 (1 mg Probe in 1 ml)	0,10	1	10000	52 ± 1 2 RT, pH = 7
Aktivkohle, Ref. 13
	0,25	1	1000	88 ± 7 37 °C, pH = 2,5
Mycofix Plus®, Ref. 12
V1 (1 mg Probe in 1 ml)	0,10	1	2000	1 ± 2 RT, pH = 8
V2 (1 mg Probe in 1 ml)	0,10	1	10000	13 ± 1 RT, pH = 8
Bentonit, Ref. 12
V1 (1 mg Probe in 1 ml)	0,10	1	2000	3 ± 2 RT, pH = 8
V2 (1 mg Probe in 1 ml)	0,10	1	10000	13 ± 2 RT, pH = 8

^a Adsorptionszeit; ^b BK: Bindungskapazität, BK(%) = (C₀ - C)/C₀ × 100; C₀ und BK(%): Mittelwert (MW) ± Standardabweichung (SD) aus zwei Messungen, n = 2; ^c Pulveraktivkohle AF37: Korngröße nicht angegeben, lodzahl = 450 mg/g; ^d Pulveraktivkohle AF48: Korngröße nicht angegeben, lodzahl = 966 mg/g; Methylenblauzahl: 239,4 mg/g;

Systematische Untersuchungen zum Einfluss des Porensystems und der Korngröße von Aktivkohlen auf die Adsorption von Mykotoxinen sind bisher nicht durchgeführt worden. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, effektive Aktivkohlen mit optimierter Porenstruktur und Korngröße für die Adsorption von Mykotoxinen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst. Insbesondere werden erfindungsgemäß Mykotoxin-Adsorber, umfassend eine K₂CO₃-dotierte Pulveraktivkohle, entsprechende Mykotoxin-Adsorber zur Verwendung in der Prävention oder Behandlung einer Mykotoxin-Vergiftung in einem Subjekt, Nahrungs- oder Futtermittel, umfassend entsprechende Mykotoxin-Adsorber, die Verwendung entsprechender Mykotoxin-Adsorber in der Behandlung von mit einem oder mehreren Mykotoxinen verunreinigten Nahrungs- oder Futtermitteln, und Verfahren zur Behandlung von mit einem oder mehreren Mykotoxinen verunreinigten Nahrungs- oder Futtermitteln, umfassend das Inkontaktbringen des Nahrungs- oder Futtermittels mit entsprechenden Mykotoxin-Adsorbern, bereitgestellt.
Dementsprechend betrifft ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung einen Mykotoxin-Adsorber, umfassend eine K₂CO₃-dotierte Pulveraktivkohle mit spezifischer Porenverteilung und Korngröße, wie im Anspruch 1 gekennzeichnet.
Der erfindungsgemäße Mykotoxin-Adsorber besteht bevorzugt im Wesentlichen oder vollständig aus der genannten Pulveraktivkohle. In anderen Ausführungsformen umfasst der erfindungsgemäße Mykotoxin-Adsorber neben der genannten Pulveraktivkohle weiter (i) ein oder mehrere Tonminerale, beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Smektit, Bentonit, Montmorillonit, Illit, irregulärem wechselgelagertem Tonmineral aus Montmorillonit-Illit, organisch modifizierten Schichtsilikaten und Mischungen davon, (ii) ein oder mehrere Magnesiumhydrosilikate, beispielsweise Sepiolith, und/oder (iii) Mikroorganismen der Coriobacteriaceae-Familie. In jedem Fall beinhaltet der erfindungsgemäße Mykotoxin-Adsorber die genannte Pulveraktivkohle zu einem Anteil von mindestens 5 Masse-%, bevorzugt mindestens 10 Masse-%.
Die im erfindungsgemäßen Mykotoxin-Adsorber enthaltene K₂CO₃-dotierte Pulveraktivkohle weist ein vorteilhaftes Porensystem und eine vorteilhafte Korngröße auf.
Insbesondere weist die im erfindungsgemäßen Mykotoxin-Adsorber enthaltene K₂CO₃-dotierte Pulveraktivkohle auf:

(i) eine hohe Mikroporosität an kleinen Adsorptionsporen mit einer Porengröße von kleiner als 2,6 nm und einem Porenvolumen von mindestens 0,30 und höchstens 0,65 cm³/g, bevorzugt mindestens 0,35 und höchstens 0,60 cm³/g, und einer spezifischen BET-Oberfläche (Brunauer-Emmet-Teller-Oberfläche) von mindestens 700 und höchstens 1500 m²/g, bevorzugt mindestens 800 und höchsten 1350 m²/g,
(ii) eine hohe Makroporosität an Makroporen mit einer Porengröße von größer als 20 nm und einem Porenvolumen von mindestens 0,35 und höchstens 0,70 cm³/g, bevorzugt mindestens 0,45 und höchstens 0,65 cm³/g und einer spezifischen Oberfläche von mindestens 1,0 und höchstens 2,5 m²/g, bevorzugt mindestens 1,5 und höchstens 2,0 m²/g,
(iii) eine geringe Übergangsporenporosität an Übergangsporen mit einer Porengröße von größer oder gleich 2,6 nm und kleiner oder gleich 20 nm und einem BJH-Porenvolumen (Barrett-Joyner-Halenda-Porenvolumen) von mindestens 0,02 und höchstens 0,10 cm³/g, bevorzugt mindestens 0,03 und höchstens 0,08 cm³/g, und einer BJH-Oberfläche (Barrett-Joyner-Halenda-Oberfläche) von mindestens 20 und höchstens 90 m²/g, bevorzugt mindestens 25 und höchstens 70 m²/g.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die im erfindungsgemäßen Mykotoxin-Adsorber enthaltene K₂CO₃-dotierte Pulveraktivkohle eine sehr geringe Übergangsporenporosität an Übergangsporen mit einer Porengröße von größer oder gleich 5 nm und kleiner oder gleich 20 nm und einem BJH-Porenvolumen von mindestens 0,005 und höchstens 0,08 cm³/g, bevorzugt mindestens 0,01 und höchstens 0,04 cm³/g, und einer BJH-Oberfläche von mindestens 5 und höchstens 25 m²/g, bevorzugt mindestens 7 und höchstens 16 m²/g auf.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Porenvolumen der großen Transportporen mit einer Porengröße von größer als 20 nm bevorzugt um den Faktor 1,05 bis 2,0, mehr bevorzugt um den Faktor 1,1 bis 1,5, größer als das Porenvolumen der kleinen Adsorptionsporen mit einer Porengröße von kleiner als 2,6 nm.
Bezüglich der Makroporen mit einer Porengröße von größer als 20 nm beträgt der durchschnittliche Porendurchmesser vorzugsweise mindestens 1,0 und höchstens 2,0 µm, bevorzugt mindestens 1,1 und höchstens 1,5 µm.
Verfahren für die Bestimmung (i) der Porengröße oder Porengrößenverteilung einer Aktivkohle, (ii) des Porenvolumens, (iii) der BET-Oberfläche, (iv) des durchschnittlichen Porendurchmessers; (v) der spezifischen Oberfläche, (vi) des BJH-Porenvolumens, und (vii) der BJH-Oberfläche, unterliegen keinerlei besonderen Beschränkungen und sind im Stand der Technik bekannt. Weiter sind entsprechende Verfahren nachfolgend beschrieben.
Die jeweilige Porosität für kleine (< 2,6 nm), mittlere (2,6-20 nm) und große Poren (> 20 nm) berechnet sich nach folgenden Gleichungen:

- Porosität P_s (%) für kleine Poren (< 2,6 nm)

P_{s} (%) = v_{s} \times ρ_{R o h} \times 100

_s

_Roh

- Porosität P_m für mittlere Poren (2,6-20 nm):

P_{m} (%) = v_{m} \times ρ_{R o h} \times 100

_m

- Porosität P_L (%) für große Poren (> 20 nm)

P_{L} (%) = v_{L} \times ρ_{R o h} \times 100

_L

Der Begriff „K₂CO₃-dotiert“ wie hierin verwendet bezeichnet die Tatsache, dass der erfindungsgemäßen Aktivkohle während ihrer Herstellung K₂CO₃, wie nachfolgend beschrieben, zugesetzt wird.
Die im erfindungsgemäßen Mykotoxin-Adsorber enthaltene Pulveraktivkohle weist eine durchschnittliche Korngröße von mindestens 7 und höchstens 9 µm, bevorzugt von etwa 8 µm, auf. Verfahren zur Bestimmung der Korngröße und Korngrößenverteilung einer Pulveraktivkohle unterliegen dabei keinerlei besonderen Einschränkungen, und sind im Stand der Technik bekannt und nachfolgend beschrieben. Bevorzugt liegen die Werte der Korngrößenverteilung bei 4 bis 5 µm (D10), 7 bis 8 µm (D50) und 12 bis 13 µm (D90).
Der Anteil an K₂CO₃ in der im erfindungsgemäßen Mykotoxin-Adsorber enthaltenen Pulveraktivkohle liegt bevorzugt bei mindestens 1,5 und höchstens 15 Masse-%, mehr bevorzugt bei mindestens 3 und höchstens 12 Masse-% und besonders bevorzugt bei mindestens 5 und höchsten 10 Masse-%.
Weiter weist die im erfindungsgemäßen Mykotoxin-Adsorber enthaltene Pulveraktivkohle bevorzugt folgende Parameter auf: (i) lodzahl von mindestens 900 und höchstens 1400 mg/g, (ii) eine Methylenblauzahl von mindestens 200 und höchstens 500 mg/g bei einer Adsorptionszeit von 24 h, und (iii) eine Skelettdichte von mindestens 2 und höchstens 2,5 g/cm³ für die Wasserdampf-aktivierte Aktivkohle. Verfahren zur Bestimmung der genannten Parameter unterliegen dabei keinerlei besonderen Einschränkungen, und sind im Stand der Technik bekannt und nachfolgend beschrieben.
Die im erfindungsgemäßen Mykotoxin-Adsorber enthaltene Pulveraktivkohle ist bevorzugt wie in den Beispielen 1 und 2 der vorliegenden Anmeldung beschrieben hergestellt. Insbesondere wird als Rohmaterial bevorzugt Holzkohle, mehr bevorzugt Buchenholzkohle, verwendet. Weiter wird die Pulveraktivkohle bevorzugt aus K₂CO₃dotierter Formaktivkohle hergestellt, welche ein Zucker-haltiges Bindemittel, bevorzugt Dicksaft aus der Zuckerherstellung, enthält. Die genannte Formaktivkohle wird bevorzugt aus einer Masse, umfassend Holzkohlemehl, das Zucker-haltige Bindemittel und eine wässrige K₂CO₃-Lösung, beispielsweise zu einem Anteil von 40 Ma.% (Massen-%), hergestellt. Darüber hinaus können auch weitere Dotierungsstoffe wie Alkali- und Erdalkalimetallsalze, z.B. CaCO₃ oder Mischungen daraus, zusätzlich zu dem Holzkohlepulver zugegeben werden. Dabei muss die vorstehend spezifizierte K₂CO₃ Konzentration in der Aktivkohle auch bei Zugabe weiterer Dotierungsstoffen eingehalten werden.
Der erfindungsgemäße Mykotoxin-Adsorber adsorbiert eine Reihe von Mykotoxinen, ist jedoch auch in der Adsorption von Trichothecenen besonders effektiv. Entsprechend ist das Mykotoxin, das adsorbiert wird, bevorzugt ein Trichothecen. Mehr bevorzugt ist das Mykotoxin ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus den Typ A Trichothecenen HT₂-Toxin und T₂-Toxin, und den Typ B Trichothecenen Nivalenol (NIV), 3-Acetyldeoxynivalenol (3-Ac-DON) und Deoxynivalenol (DON), wobei DON besonders bevorzugt ist.
Im Falle der Adsorption von DON weist die erfindungsgemäß verwendete Pulveraktivkohle eine Bindungskapazität von DON bei 37 °C von mindestens 85%, bevorzugt mindestens 90%, bei einer Adsorberkonzentration von 0,2 mg/ml (%Probe = 0,02 g/ml × 100) und einer Anfangskonzentration von 4 mg/dm³ DON bei einem pH-Wert von 7 auf. Diese Bindungskapazität wird bevorzugt bereits nach einer Adsorptionszeit von 1 h erreicht.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft den erfindungsgemäßen Mykotoxin-Adsorber zur Verwendung in der Prävention oder Behandlung einer Mykotoxin-Vergiftung in einem Subjekt.
In diesem Zusammenhang finden alle relevanten Definitionen und Einschränkungen, die vorstehend für den erfindungsgemäßen Mykotoxin-Adsorber genannt sind, auch auf die vorstehend definierte medizinische Verwendung Anwendung.
Das erfindungsgemäß zu behandelnde Subjekt ist bevorzugt ein Säugetier, mehr bevorzugt ein Nutztier, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Rindern, Schafen, Schweinen, Ziegen, Pferden und Eseln, oder ein Mensch.
Symptome einer Mykotoxin-Vergiftung in einem Subjekt umfassen Störungen des Verdauungstraktes, beispielsweise Erbrechen, Durchfall (Diarrhoe), Reizungen des Verdauungstraktes, Blutungen des Verdauungstraktes und Nekrosen des Verdauungstraktes, eine Schwächung des Immunsystems und damit einhergehende Anfälligkeit für Infektionskrankheiten, Hautreizungen, Störungen des Nervensystems und Störungen der Blutbildung. Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung bevorzugt den erfindungsgemäßen Mykotoxin-Adsorber zur Verwendung in der Prävention oder Behandlung einer der genannten, mit einer Mykotoxin-Vergiftung in Zusammenhang stehenden Störungen oder Erkrankungen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Nahrungs- oder Futtermittel, umfassend den erfindungsgemäßen Mykotoxin-Adsorber.
Auch in diesem Zusammenhang finden alle relevanten Definitionen und Einschränkungen, die vorstehend für den erfindungsgemäßen Mykotoxin-Adsorber genannt sind, auch auf die vorstehend definierten Nahrungs- oder Futtermittel Anwendung.
Entsprechende Nahrungs- oder Futtermittel unterliegen keinerlei besonderen Beschränkungen, solange für das Nahrungs- oder Futtermittel eine Kontamination mit Mykotoxinen möglich ist. Bevorzugt ist das Nahrungs- oder Futtermittel pflanzlichen Ursprungs, beispielsweise Weizen, Gerste, Hafer oder Mais, in denen DON am häufigsten vorkommt.
Das erfindungsgemäße Nahrungs- oder Futtermittel enthält den erfindungsgemäßen Mykotoxin-Adsorber bevorzugt zu einem Anteil von 0,1 bis 1 kg Pulveraktivkohle/m³, bevorzugt 0,2 bis 0,5 kg Pulveraktivkohle/m³.
Weitere Gegenstände der vorliegenden Erfindung betreffen (i) die Verwendung des erfindungsgemäßen Mykotoxin-Adsorbers in der Behandlung von mit einem oder mehreren Mykotoxinen verunreinigten Nahrungs- oder Futtermitteln, und (ii) ein Verfahren zur Behandlung von mit einem oder mehreren Mykotoxinen verunreinigten Nahrungs- oder Futtermitteln, umfassend das Inkontaktbringen des Nahrungs- oder Futtermittels mit einem erfindungsgemäßen Mykotoxin-Adsorber.
In diesem Zusammenhang finden alle relevanten Definitionen und Einschränkungen, die vorstehend für den erfindungsgemäßen Mykotoxin-Adsorber und das erfindungsgemäße Nahrungs- oder Futtermittel genannt sind, auch auf die vorstehend definierten Gegenstände Anwendung.
Weiter unterliegen entsprechende Verfahren zur Behandlung von Nahrungs- oder Futtermitteln mit dem erfindungsgemäßen Mykotoxin-Adsorber keinerlei besonderen Beschränkungen. Diese umfassen im Wesentlichen das Inkontaktbringen des Nahrungs- oder Futtermittels mit dem Mykotoxin-Adsorber.
Die vorliegende Erfindung beschreibt die Herstellung und Charakterisierung einer K₂CO₃-dotierten Pulveraktivkohle mit optimierter Porenstruktur (Adsorptions- und Transportporen) und Korngröße/Korngrößenverteilung zur effektiven in vitro Adsorption von Mykotoxinen wie Deoxynivalenol (DON) aus der flüssigen Phase.
Die erfindungsgemäße K₂CO₃-dotierte Pulveraktivkohle zeichnet sich dadurch aus, dass einerseits die kleinen Adsorptionsporen mit Poren kleiner als 2,6 nm in der Aktivkohle sehr ausgeprägt sind. Das bevorzugte Porenvolumen beträgt daher mindesten 0,35 und höchstens 0,60 cm³/g für diese Poren und die bevorzugte BET-Oberfläche liegt bei 800-1350 m²/g. Anderseits weist diese Kohle auch ein hohes Porenvolumen für Makroporen (Transportporen) auf. Das bevorzugte Porenvolumen für Poren größer als 20 nm beträgt 0,45-0,65 cm³/g, so dass damit die die spezifische Oberfläche der Makroporen sehr klein ist (1,50-2,00 m²/g für Poren > 20 nm). Der bevorzugte durchschnittliche Porendurchmesser für diese Poren beträgt 1,1-1,5 µm.
Hieraus resultiert auch, dass das Verhältnis der dimensionslosen Porosität (Porenvolumen in cm³/g × Rohdichte in g/cm³) von großen Poren (> 20 nm) und kleinen Poren (< 2,6 nm) besonders bevorzugt bei mindestens 1,10 und höchstens 1,35 liegt. Dies bedeutet, dass in der Aktivkohle - unabhängig vom burn-off - in etwa immer die gleichen Porositätsverhältnisse vorliegen. Damit ist ein vorteilhaftes Verhältnis von Transport- und Adsorptionsporen in der Aktivkohle stets gegeben. 3 zeigt die Porositäten in % von den beiden unterschiedlich hoch aktivierten Formaktivkohlen.
Durch die gezielte Einstellung der Korngrößenverteilung mit D10 = 4-5 µm, D50 = 7-8 und D90 = 12-13 µm auf die Makroporenverteilung mit einem durchschnittlichen Porendurchmesser von 1,1-1,5 µm wird erfindungsgemäß eine optimale Adsorptionskinetik für die Adsorption von Mykotoxinen wie Deoxynivalenol (DON) erreicht. Die Bindungskapazität, BK(%) = (Co - C)/Co × 100, von Deoxynivalenol (DON) bei 37 °C an der erfindungsgemäßen Pulveraktivkohle beträgt BK > 90 % bei einer sehr kleinen Adsorberkonzentration von nur %Probe = 0,02 g/ml × 100, wenn eine Anfangskonzentration von Co = 4 mg/dm³ Deoxynivalenol (DON) bei einem pH-Wert von 7 vorgelegt wird. Die Bindungskapazität ist damit mindestens um den Faktor 5 höher im Vergleich zu herkömmlichen Pulveraktivkohlen gemäß dem Stand der Technik.

Die erfindungsgemäße Aktivkohle aus Holzkohle, Dicksaft und K₂CO₃ weist gegenüber aktivierter Holzkohle (ohne Dicksaft und K₂CO₃) folgende weitere vorteilhafte Eigenschaften auf: Durch den beschriebenen Herstellungsprozess der Formaktivkohle wird die Dichte (Rütteldichte, Rohdichte) der erfindungsgemäßen Formaktivkohle im Vergleich zu einem Holzkohleaktivat (aktiviertes Holzkohlegranulat, direkt mit Wasserdampf aktiviert) mit vergleichbarer BET-Oberfläche um etwa die Hälfte reduziert. Dies ist ein deutlicher Vorteil gegenüber der direkt aktivierten Holzkohle (ohne Bindemittel), da beim Einsatz der erfindungsgemäßen Aktivkohle mit kleineren Volumina gearbeitet werden kann. Die Erhöhung der Dichte (Rohdichte, Rütteldichte) wird dadurch erreicht, dass die sehr hohe in der Holzkohle vorhandene Makroporosität durch das Bindemittel (Dicksaft) herabgesetzt wird und die Formaktivkohle daher - im Vergleich zum Holzkohleaktivat - deutlich weniger Makroporen aufweist. Die dann noch vorhandene Makroporosität in der erfindungsgemäßen Aktivkohle ist aber noch ausreichend und auch höher als die durch den Herstellungsprozess zusammen mit dem K₂CO₃ ausgebildete Mikroporosität, so dass ein ausgewogenes Verhältnis von Mikro- und Makroporenporosität für eine sehr gute Adsorptionskinetik z.B. zur Mykotoxinaufnahme erfindungsgemäß gegeben ist. Tabelle 2 zeigt die unterschiedlichen Dichten (Rütteldichte und Rohdichte) von der erfindungsgemäßen Formaktivkohle im Vergleich zur aktivierten Holzkohle und in 2 ist die Porositätsverteilung von der Formaktivkohle und vom Holzkohleaktivat bei vergleichbarer Oberfläche dargestellt. Tabelle 2: Vergleich der Dichten der erfindungsgemäßen Formaktivkohle mit Holzkohleaktivat bei vergleichbarer BET-Oberfläche und lodzahl

	Holzkohleaktivat	Formaktivkohlen
Eigenschaften	GAC(40)^b Korngröße: 3,55-10 mm	EAC(27)^b
lodzahl (mg/g)	1087 ± 7	1012 ± 1
BET-Oberfläche^a (m²/g)	916 ± 2	861 ± 18
Rütteldichte (g/l)	196	453
Rohdichte (g/cm³)	0,3568 ± 0,0017	0,7157 ± 0,0033

^a BET-Oberfläche mit fl. N₂ als Adsorptiv, p/p₀ = 0,05-0,2 mit C < 0; C: BET-Konstante. ^b Die Kennzeichnung der Aktivate erfolgt gemäß der Nomenklatur EAC(burn-Off); EAC: extruded activated carbon; GAC(burn-off); GAC: granular activated carbon

Die erfindungsgemäße Pulveraktivkohle zeichnet sich weiter dadurch aus, dass große Moleküle (Biomoleküle) mit Molmassen im kDa-Bereich (z. B. Verdauungsenzyme) nur sehr wenig adsorbiert werden können, da hierfür nur sehr wenige Übergangsporen (BJH-Oberfläche zwischen 9-15 m²/g im Porenbereich von 5-20 nm) für die Adsorption zur Verfügung stehen.
Die Schwermetall-Konzentrationen sind bei der erfindungsgemäßen Pulveraktivkohle sehr gering und liegen unterhalb der Grenzwerte für Futterkohlen gemäß EBC (2012) ‚European Biochar Certificate - Richtlinien für die nachhaltige Produktion von Pflanzenkohle‘.
Somit stellt die vorliegende Erfindung unter anderem ein Verfahren zur Verbesserung der Verwertbarkeit von Mykotoxin-kontaminierten Nahrungs- bzw. Futtermitteln, insbesondere durch Trichothecene kontaminierte Nahrungs- bzw. Futtermitteln, zur Verfügung.
Die Figuren zeigen:

1: Typ A und Typ B Trichothecene mit Strukturformeln.
2: Porositätsverteilung der Formaktivkohle (EAC) im Vergleich zur aktivierten Holzkohle (GAC). Werte in Klammern: Standardabweichung der jeweiligen Porosität mit n = 2, n: Anzahl der Messungen).
3: Porositätsverteilung der Formaktivkohle EAC(27) und EAC(55) bei unterschiedlichen burn-offs. Werte in Klammern: Standardabweichung der jeweiligen Porosität mit n = 2, n: Anzahl der Messungen).
4: RFA-Elementanalyse (Kalium in Form von K₂CO₃, Calcium in Form von CaO, Silicium in Form von SiO₂) von Formaktivkohle (EAC) in Pulverform (EAC@PAC) in Abhängigkeit des burn-offs. Werte in Klammern: Standardabweichung der jeweiligen Konzentration mit n = 4, n: Anzahl der Messungen). Berechnung der Restkonzentration: Rest (Masse-%) = Gesamtasche (Masse-%) - [c(K₂CO₃) + c(CaO) + c(SiO₂)]. Gesamtasche und Korngrößenverteilung: siehe Tabelle 7.
5: Verteilungskurve der Makroporen aus der Quecksilberporosimetrie von Formaktivkohle (EAC) und die Volumen-bezogene Korngrößenverteilung aus der LASER-Beugungsmethode (Mie-Theorie) der Pulveraktivkohle EAC@PAC aus Formaktivkohle.
6: Methylenblauzahl von zwei unterschiedlich hoch aktivierten Pulveraktivkohlen als Funktion der Adsorptionszeit. Temperatur: 24 ± 1 °C. Werte in Klammern: Standardabweichung der jeweiligen Porosität mit n = 2, n: Anzahl der Messungen.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden, nicht-einschränkenden Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1:
Herstellung und Charakterisierung der Aktivkohle - Herstellung der Formaktivkohlen (EAC)
Grundsätzlich erfolgt die Herstellung der mit K₂CO₃-dotierten Formaktivkohle mit den Verfahrensschritten Mischen, Pressen, Karbonisieren und Aktivieren. Im Folgenden werden die einzelnen Verfahrensschritte sehr detailliert aufgeführt. Die hier angegebenen Parameter für Verfahrensschritte und Analysendaten für Karbonisate und Formaktivkohle sollen im Sinne der Erfindung aber keine einschränkenden Bedingungen beinhalten, sondern es wird hier ein konkretes Bespiel zur Beschreibung einer - gemäß der Erfindung - funktionierenden Pulveraktivkohle aufgeführt.

Als Rohstoff wird Holzkohle, bevorzugt aus Buchenholz, eingesetzt, welche bevorzugt nach dem Lambiotte Retortenverfahren hergestellt worden ist. Das Holzkohlegranulat wird in einer Schwingmühle zu Holzkohlepulver (Holzkohlemehl) vermahlen. In Tabelle 3 sind die Eigenschaften der verwendeten Holzkohle aus Buchenholz zur Herstellung der Formaktivkohle aufgeführt, die Tabelle 4 zeigt die Korngrößenverteilung des verwendeten Holzkohlepulvers nach Vermahlung in der Schwingmühle. Als wasserbasiertes Bindemittel wird Dicksaft aus der Zuckerherstellung verwendet. Der Zuckergehalt beträgt 68,52 ± 0,58 Masse-%, der Feststoffgehalt 71,13 ± 1,86 Ma.%. Es werden zunächst Trockenformlinge aus den Ausgangsstoffen Holzkohlestaub und Dicksaft hergestellt. Tabelle 3: Eigenschaften der verwendeten Holzkohle zur Herstellung von Formaktivkohle (EAC)

Eigenschaften	Holzkohlepulver (aus Buchenholz)	Holzkohlegranulat (aus Buchenholz)
Gesamtporosität¹ (%)	-	68,83 ± 0,47
Gesamtporenvolumen² (cm³/q)	-	1,4628 ± 0,0566
Wassergehalt (Ma.%)	4,40	6,23
Flüchtige Bestandteile, wf³ (Ma.%)	13,10	11,84
Asche (wf³), 815 °C (Ma.%)	1,99	2,28
C(fix) (Ma.%)	84,91	85,88
pH (-)	9,0	9,6
Rütteldichte (g/l)	-	260
Korngröße (mm)	vgl. KorngrößenVerteilung (Tabelle 4)	< 10

¹ Gesamtporosität (%) = (1 - Rohdichte/Skelettdichte × 100); ² Gesamtporenvolumen = (1/Rohdichte - 1/Skelettdichte); ³ wf: wasserfrei Tabelle 4: Volumen-bezogene, bimodale Korngrößenverteilung des Holzkohlepulvers aus Buchenholz (Auswertung: Mie-Theorie)

Korngrößenverteilung^a (Mittelwert ± SD, n = 3)	Volumen-bezogene Verteilung 1	Volumen-bezogene Verteilung 2
D10 (µm)	6,36 ± 0,09	33,29 ± 3,74
D50 (µm)	12,29 ± 0,13	72,40 ± 3,57
D90 (µm)	23,71 ± 0,22	157,89 ± 4,71
Durchschnitt (µm)	14,00 ± 0,14	87,10 ± 2,04
Flächenverhältnis (-)	0,771 ± 0,014	0,228 ± 0,015

^a Dispersionsmittel: 20 Vol.% Isopropanol in Wasser, 10 min Ultraschall (40 kHz), komplexer Brechungsindex der Pulveraktivkohle: ň = 1.5 - 0,1 i; i: imaginäre Zahl

Hierzu ist im ersten Schritt das Holzkohlemehl mit dem Katalysator (40 Masse-% wässrige K₂CO₃-Lösung) vermischt und anschließend das Zucker-basierte Bindemittel (Dicksaft) zugeben worden, bis eine pressfähige Masse entsteht. Die Formgebung erfolgt durch Pressen der Mischung durch eine Kollerpresse, vorzugsweise mit einer 2,5 mm Matrix. Die so hergestellten Grünlinge sind zunächst bei Raumtemperatur 2-3 h vorgetrocknet (Feuchte: 14,62 ± 0,27 Masse-%) und anschließend bei 80 °C im Umluft-Trockenschrank über Nacht (12 h) getrocknet worden (Restfeuchte < 2 Ma.%). Tabelle 5 zeigt die Zusammensetzung der Mischung vor dem Pressen. Tabelle 5: Anteile der Komponenten in der Mischung vor dem Pressen

Mischung Mischung

Komponente Anteil (Ma.%)

Holzkohlestaub (wf^a) 60,4

40 Ma.% K₂CO₃-Lösung^b Dicksaft (Zuckergehalt = 68,52 ± 0,58 Ma.%) 6,0 33,6

SUMME 100,0

^a wf: wasserfrei; ^b K₂CO₃: Katalysator für die Wasserdampfaktivierung und Mikroporenausbildung

Die Karbonisierung der Trockenformlinge erfolgt in Rohröfen mit Temperaturregelung bei 500 °C unter Stickstoff (Volumenstrom N₂: 10 l/h, Aufheizrate: 15,8 K/min). Hierzu sind jeweils ca. 230 g Trockenformlinge in ein Quarzrohr (Länge: 600 mm; Durchmesser: 45 mm) gegeben worden. Nach der Karbonisierung werden die Karbonisate über ein 1,0 mm Sieb abgesiebt und auf Porenvolumen, Porosität, C(fix), pH-Wert und weitere Kenngrößen analysiert. Die wesentlichen physikalischen Eigenschaften der hergestellten Karbonisate sind in Tabelle 6 aufgeführt. Tabelle 6: Physikalisch-chemische Eigenschaften der hergestellten Formaktivkohlen (EAC) und Karbonisat als Ausgangssubstanz für die Aktivierung mit Wasserdampf

	Ausgangsmaterial	Formaktivkohlen
Eigenschaften	Karbonisat^f	EAC(27)^g	EAC(55)^g
burn-off (Masse-%)	0	26,95	54,71
Gesamtporosität^a (%)	42,93 ± 0,55	65,38 ± 0,29	73,24 ± 0,25
Gesamtporenvolumen^b (cm³/g)	0,5040 ± 0,0107	0,9135	1,2716
		± 0,0162	± 0,0331
lodzahl (mg/g)	-	1012 ± 1	1283 ± 4
BET-Oberfläche (m²/g)	338,6^c	861 ± 18^d	1292 ± 13^d
BJH-Oberfläche^h (m²/g),	-
Porenbereich: 5-20 nm		7,67 ± 0,57	12,98 ± 0,10
Porenbereich 2,6-20 nm		31,68 ± 1,61	58,02 ± 0.36
Porenvolumen (cm³/g)	-	0,3815	0,5608
Poren < 2,6 nm (cm³/g)		± 0,0072	± 0,0062
Porenvolumen (cm³/g)	-	0,0354	0,0631
Poren 2,6 - 20 nm		± 0,0021	± 0,0005
Porenvolumen (cm³/g)	-	0,4966	0,6476
Poren > 20 nm, AdFiS-Methode		± 0,0175	± 0,0162
Porenvolumen (cm³/g)	-	0,469	0,539
Poren 0,02 µm-10 µm, Hg-Porosimetrie
spez. Oberfläche (m²/g)	-	1,595	1,915
Poren 0,02 µm-10 µm
Flüchtige Bestandteile, wf^e (Masse-%)	13,72 ± 0,39	5,35	5,50
Asche, wf^e, 650 °C (Masse-%)	5,04 ± 0,36	9,27	12,75
C(fix) (Masse-%)	81,24 ± 0,75	85,38	81,75
pH (-)	10,1 ± 0,1	11,6	12,0
Rütteldichte (g/l)	515	453	368
Rohdichte (g/cm³)	0,8503 ± 0,0073	0,7157	0,5760
		± 0,0033	± 0,0024
Skelettdichte (g/cm³)	1,4900 ± 0,0016	2,0672	2,1527
Stoßhärte (Ma.%)	77	± 0,0079 84	± 0,0108 81
Pelletdurchmesser (mm)	2,49 ± 0,03	2,21 ± 0,04	2,09 ± 0,18

^a Gesamtporosität (%) = (1 - Rohdichte/Skelettdichte × 100); ^b Gesamtporenvolumen = (1/Rohdichte - 1/Skelettdichte); ^c BET-Oberfläche, C > 0, mit CO₂ als Adsorptiv, p/p₀ = 0,016-0,03, ^d BET-Oberfläche mit fl. N₂ als Adsorptiv, p/po = 0,05-0,2 mit C < 0; C: BET-Konstante ^e wf: wasserfrei; ^f Ausbeute (Ma.%) = 75,64 ± 0,46 (bezogen auf Karbonisat aus Trockenformlingen), ^g Die Kennzeichnung der Aktivate erfolgt gemäß der Nomenklatur EAC(burn-Off); EAC: extruded activated carbon; ^h BJH-Methode: Methode nach Barrett, Joyner, Halenda

Die Aktivierungen sind in einem Drehrohr aus Quarzglas (Länge: 510 mm, Durchmesser: 158 mm) unter Stickstoff (1 Liter/min) bei 880 °C unter Rotation (3 Umdrehungen/min) bei einem relativen Wasserdampfpartialdruck von 79 % im batch-Verfahren mit unterschiedlichen Aktivierungszeiten (72 und 130 Minuten) durchgeführt worden. Die Wassereindosierung erfolgt mit einer Membranpumpe, die zugeführte Wassermenge (flüssig) beträgt 3 ml/min. Für eine Aktivierung sind immer 300 g Karbonisat (Korngröße > 1.0 mm) eingesetzt worden. Damit wird im Drehrohr ein Füllgrad von ca. 5 Vol.% erreicht. Das Karbonisat ist in das Drehrohr eingefüllt und mit 8 K/min unter Rotation auf die Aktivierungstemperatur aufgeheizt worden. Sofort nach Erreichen der Aktivierungstemperatur wird die Membranpumpe zur Wasserzugabe in das Drehrohr gestartet. Nicht umgesetztes Wasser wird am Ausgang des Drehrohres in mit Wasser gefüllte Waschflaschen aufgefangen. Nach der Aktivierung wird die Probe über Nacht auf Raumtemperatur abgekühlt und die Masse des Aktivats bestimmt.
Die Ausbeute berechnet sich wie folgt: $A u s b e u t e (M a s s e - %) = m_{E} / m_{A} \times 100$

mA:: Masse der Probe (Karbonisat) vor der Aktivierung
mE:: Masse der Probe (Aktivat) nach der Aktivierung

Der burn-off wird aus der Ausbeute wie folgt berechnet: $\begin{array}{l} b u r n - o f f (M a s s e - %) = \\ [100 - A u s b e u t e (M a s s e - %)] - [f l \ddot{u} c h t i g e B e s t a n d t e i l e K a r b o n i s a t (M a . %)] \end{array}$
Die physikalisch-chemischen Eigenschaften (einschließlich der Porenstruktur) der hergestellten Formaktivkohlen sind in Tabelle 6 und die Porositätsverteilung der beiden Formaktivkohlen in 3 mit aufgeführt.
Beispiel 2:
Herstellung und Charakterisierung der Aktivkohle - Herstellung von Pulveraktivkohle aus Formaktivkohle (EAC@PAC)

In einem weiteren Verfahrensschritt sind die beiden hergestellten Formaktivkohlen mit unterschiedlicher BET-Oberfläche mit einer Planetenkugelmühle (ZrO₂-Mahlbecher, 250 ml, mit 15 ZrO₂-Kugeln, Durchmesser: 20 mm) zu feinem Pulver vermahlen worden (Mahldauer: 20 Minuten, Einwaage: ca. 30 g, Drehzahl: 350 min^-1). Die Bestimmung der Korngrößenverteilung des Pulvers ist in einer Isopropanol/Wasser-Mischung (20/80 v/v) mit der LASER-Beugungsmethode bestimmt und nach der Mie-Theorie berechnet worden. Danach beträgt die durchschnittliche Korngröße der beiden Pulveraktivkohlen etwa 8 µm (Tabelle 7). Die weiteren physikalischen und chemischen Eigenschaften der hergestellten Pulveraktivkohlen aus Formaktivkohle sind auch in Tabelle 7 aufgeführt. Durch die Vermahlung der Formaktivkohle werden die BET-Oberfläche und die Porenstruktur im Fehlerbereich der Messungen nicht signifikant verändert (vgl. Tabelle 6 und 7). Die Schwermetalle (As, Pb, Cd, Cr, Cu, Ni, Hg, und Zn) in der Pulveraktivkohle sind mit Hilfe eines Röntgenspektrometers (SPECTRO XEPOS) analysiert und in Tabelle 7 mit aufgeführt worden. Mit steigendem burn-off reichern sich die Schwermetalle in der Regel erwartungsgemäß in der Aktivkohle an. Tabelle 7: Eigenschaften der hergestellten Pulveraktivkohlen aus Formaktivkohle

Probenbezeichnung	EAC(27)@PAC(8)^f	EAC(55)@PAC(8)^f
burn-off (Masse-%)	26,95	54,71
Korngrößenverteilung^a	Volumen-bezogene	Volumen-bezogene
(Mittelwert ± SD, n = 3)	Verteilung	Verteilung
(Laser-Streuung, Mie-Theorie)
D10 (µm)	4,30 ± 0,03	4,48 ± 0,02
D50 (µm)	7,63 ± 0,15	7,66 ± 0,11
D90 (µm)	12,66 ± 0,41	12,41 ± 0,28
Durchschnitt (µm)	8,14 ± 0,20	8,11 ± 0,13
BET-Oberfläche^b (m²/g)	834 ± 2	1287 ± 1
BJH-Oberfläche^c (m²/g),
Porenbereich: 5-20 nm	9,49 ± 0,08	15,27 ± 0,13
Porenbereich 2,6-20 nm	26,87 ± 0,03	65,94 ± 0,03
lodzahl (mg/g)	993 ± 2	1311 ± 5
Methylenblauzahl, nach 24 h (mg/g)	235,0 ± 5,4	400,3 ± 11,9
Skelettdichte (g/cm³)	2,0640 ± 0,0067	2,1715 ± 0,0075
Porenvolumen (cm³/g)	0,3679 ± 0,0009	0,5555 ± 0,0001
Poren < 2,6 nm
Porenvolumen (cm³/g)	0,0401 ± 0,0003	0,0729 ± 0,0003
Poren 2,6 - 20 nm
Flüchtige Bestandteile, wf^d (Ma.%)	5,96	6,24
Asche, wf^d, 650 °C (Ma.%)	9,75	13,36
C(fix) (Ma.%)	84,29	80,40
pH (-)	9,8	11,8
Schwermetalle^e (µg/g), wf^d Mittelwert ± SD, n = 4
Arsen (Grenzwert: 2 µg/g bei 88 % TS)^g	0,15 ± 0,05	0,27 ± 0,10
Blei (Grenzwert: 10 µg/g bei 88 % TS)^g	0,3 ± 0,2	0,3 ± 0,1
Cadmium (Grenzwert: 1 µg/g bei 88 % TS)^g	0,3 ± 0,2	0,3 ± 0,2
Chrom	17,8 ± 1,2	27,2 ± 0,8
Kupfer	7,9 ± 0,2	12,1 ± 0,8
Nickel	9,4 ± 2,1	16,3 ± 1,2
Quecksilber (Grenzwert: 0,1 µg/g bei 88 % TS)^g	< 0,2	< 0,2
Zink	1,3 ± 0,1	3,1 ± 0,1

^a Dispersionsmittel: 20 Vol.% Isopropanol in Wasser, 10 min Ultraschall (40 kHz), komplexer Brechungsindex der Pulveraktivkohle: ň = 1.5 - 0,1 i; i: imaginäre Zahl, ^b BET-Oberfläche mit fl. N₂ als Adsorptiv von p/p₀ = 0,05-0,2 mit C < 0; C: BET-Konstante, BET: Brunauer, Emmett, Teller; ^c BJH-Methode: Methode nach Barrett, Joyner, Halenda; ^d wf: wasserfrei; ^e Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA); ^f Nomenklatur Proben: EAC(burn-off)@PAC(Korngröße): EAC: Formaktivkohle; burn-off in Ma.%, @: Vermahlung zur Pulveraktivkohle, PAC: Pulveraktivkohle, Korngröße: durchschnittlicher Korndurchmesser, ^g nach EBC (2012) ‚European Biochar Certificate - Richtlinien für die nachhaltige Produktion von Pflanzenkohle‘ [31] mit TS: Trockensubstanz

Die Bestimmung der Komponenten K₂CO₃, CaO und SiO₂ in der Pulveraktivkohle werden mittels energiedispersivem RFA-Spektrometer ermittelt. In 4 ist die Konzentration der drei Komponenten (SiO₂, CaO, K₂CO₃) in der Pulveraktivkohle als Funktion des burn-offs dargestellt. Der Restanteil berechnet sich aus der Differenz des gesamten Ascheanteils minus der Summe der drei Komponenten (SiO₂, CaO, K₂CO₃). Mit zunehmendem burn-off nimmt erwartungsgemäß der Anteil der anorganischen Komponenten in der Aktivkohle zu.
Die K₂CO₃-Dotierung in der Ausgangsmischung (Tabelle 5) wird experimentell anhand der hohen und vom burn-off abhängigen K₂CO₃-Konzentration in der Pulveraktivkohle erwartungsgemäß nachgewiesen. In der erfindungsgemäßen Pulveraktivkohle ist die K₂CO₃-Konzentration von allen anorganischen Bestandteilen am höchsten und zeichnet daher die erfindungsgemäße Pulveraktivkohle aus. Das K₂CO₃ fungiert als selektiver Katalysator für die Wasserdampfaktivierung zur bevorzugten Ausbildung von kleinen Poren (< 2,6 nm) während der Wasserdampfaktivierung.
Die Korngrößenverteilung der beiden Pulveraktivkohlen EAC(27)@PAC(8) und der EAC(55)@PAC(8) ist erfindungsgemäß durch gezielte Vermahlung eingestellt und der Makroporenverteilung der Formaktivkohle EAC(27) und EAC(55) vor der Vermahlung angepasst worden. 5 zeigt die Korngrößenverteilung der Pulveraktivkohle EAC(27)@PAC(8) und EAC(55)@PAC(8) nach der Vermahlung und die Makroporenverteilung der Formaktivkohle EAC(27) und EAC(55) vor der Vermahlung. Es ist zu deutlich erkennen, dass durch die Vermahlung der Formaktivkohle die Makroporen praktisch nicht zerstört werden; die Verteilungskurve der Korngröße im Bereich der kleinen Aktivkohleteilchen überlappt nur sehr wenig mit der Verteilungskurve der Makroporen im Bereich der größeren Makroporen. Damit wird erfindungsgemäß eine sehr gute Kinetik zum Transport von Molekülen aus der flüssigen Phase über die Transportporen zu den Adsorptionsporen erreicht.
Die folgende Gleichung beschreibt hierzu grundsätzlich den physikalischen Zusammenhang zwischen der Beladung q_t/q_e und der Zeit t bei gegebenem Teilchenradius R_T und scheinbarem Diffusionskoeffizienten D_a [28,29], der auch von der Makroporosität der Aktivkohle abhängt [29]: $\frac{q (t)}{q (e)} = 1 - \frac{6}{π^{2}} \sum_{n = 1}^{\propto} \frac{1}{n^{2}} exp (- n^{2} π^{2} \frac{D_{a}}{R_{T}^{2}} t)$
wobei qt die Beladung zum Zeitpunkt t ist und q_e die Gleichgewichtsbeladung darstellt. Grundsätzlich sind eine kleine Korngröße und eine hohe Makroporosität für eine gute Kinetik vorteilhaft. In der erfindungsgemäßen Pulveraktivkohle ist hierfür ein sehr vorteilhaftes System mit den optimierten physikalischen Größen Teilchengröße und Makroporosität bereitgestellt und in 5 aufgeführt worden.
Des Weiteren enthalten die Pulveraktivkohlen für die Adsorption von DON ein ausreichend hohes Porenvolumen an kleinen Poren (Porengröße < 2,6 nm), so dass hier - neben der Korngröße - auch ein vorteilhaftes Porensystem, bestehend aus kleinen Poren (< 2,6 nm) und Transportporen (Poren > 20 nm), vorliegt. Die kleinen Poren werden dabei durch den Dotierungsstoff K₂CO₃ während der Wasserdampfaktivierung katalytisch bevorzugt gebildet. Die Makroporen werden gezielt durch den Kohlenstoffträger Holzkohle und das Bindemittel Dicksaft bereits vor der Wasserdampfaktivierung im Karbonisat bereitgestellt und durch die Wasserdampfaktivierung wird das schon vorhandene Porenvolumen weiter vergrößert.
Als Kenngröße für die vorhandenen kleinen Poren wird die BET-Oberfläche verwendet, die vorzugsweise im Bereich von 800-1350 m²/g liegt. Die Makroporen mit einem Porenvolumen von > 0,45 cm³/g weisen eine spezifische Oberfläche von 1,6-1,9 m²/g auf (vgl. Tabelle 6). Damit ist die Oberfläche der Makroporen bei der erfindungsgemäßen Aktivkohle deutlich kleiner als die in der Offenlegungsschrift EP 2 289 617 A1 beschriebene Aktivkohle, die im Bereich von 5-80 m²/g für Poren > 50 nm liegt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Pulveraktivkohle liegt darin, dass diese im Porenbereich von 5-20 nm eine sehr kleine BJH-Oberfläche von nur 9,5-15 m²/g aufweist (vgl. Tabelle 7). Es ist daher davon auszugehen, dass Biomoleküle mit Molmassen im kDa-Bereich und damit auch die Verdauungsenzyme aufgrund der kleinen BJH-Oberfläche nur wenig adsorbiert werden können [27]. Der Zusammenhang zwischen Molekulargewicht M und Moleküldurchmesser D_M von Biomolekülen ist unter der Annahme einer kugelförmigen Molekülgestalt gemäß der Gleichung D_M = 0,132 × M^1/3 berechnet worden (mit D_M in nm und M in Dalton) [26]. Danach beträgt der Moleküldurchmesser z. B. vom Verdauungsenzym Amylase (Molekulargewicht: 62 kDa) D_M = 5,2 nm. Somit stellt die vorliegende Erfindung eine Aktivkohle zur Verfügung, die aufgrund der hohen Mikroporosität bevorzugt Moleküle mit kleinem Molekulargewicht (< 800 Da [11]) adsorbiert, Biomoleküle mit einem Molekulargewicht im kDa-Bereich können dagegen nur sehr wenig adsorbiert werden. Dies stellt einen Vorteil für Adsorbentien dar, die im Futtermittelbereich eingesetzt werden sollen, weil die wertvollen Verdauungsenzyme im Verdauungstrakt der Tiere nicht signifikant adsorbiert werden können.
Die erfindungsgemäßen Pulveraktivkohlen weisen vorteilhaft kleine Konzentrationen an Schwermetallen auf. Diese liegen weit unterhalb der Grenzwerte für Futterkohlen gemäß EBC (2012) ‚European Biochar Certificate - Richtlinien für die nachhaltige Produktion von Pflanzenkohle‘ [31], vgl. Tabelle 7 mit den dort auch aufgeführten Schwermetallen und Grenzwerten.
Beispiel 3:
Adsorption von Deoxvnivalenol (DON) an Pulveraktivkohlen
Die erfindungsgemäßen Pulveraktivkohlen weisen hervorragende Adsorptionseigenschaften für Trichothecene aus der flüssigen Phase auf und übertreffen damit deutlich die im Stand der Technik beschriebenen Pulveraktivkohlen. Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist es, eine Pulveraktivkohle bereitzustellen, die für die Adsorption von Deoxynivalenol aus der flüssigen Phase bei einer Konzentration von Co = 4 mg/dm³ in der vorgelegten Lösung und bei einer Adsorberkonzentration von %Probe = 0,02 g/ml × 100 eine Bindekapazität BK von > 90 ± 5 % schon nach einer Adsorptionszeit von 1 h aufweist. Eine solch hohe Bindungskapazität wird gemäß der Verordnung bisher nur für die Adsorption von Aflatoxin B₁ an Bentoniten angegeben, die aber Deoxynivalenol nicht oder nicht ausreichend adsorbieren können, wie das Beispiel 3 in der nachfolgenden Tabelle 8 deutlich zeigt. Eine Adsorptionszeit wird in der Verordnung aber nicht angegeben. Entsprechende effektive Adsorbentien zur Adsorption von Deoxynivalenol sind - nach dem Stand der Technik - nicht bekannt und werden daher mit der vorliegenden Erfindung offenbart. Dies wird exemplarisch für die Adsorption von Deoxynivalenol anhand der nachfolgenden Beispiele experimentell nachgewiesen. Die Bindekapazität wird gemäß der Verordnung wie folgt definiert $BK (%) = (C_{0} - C_{t}) / C_{0} \times 100$
mit

Co:: Anfangskonzentration in mg/dm³,
C:: Konzentration in der Lösung nach der Adsorption zum Zeitpunkt t in mg/dm³ (t: Adsorptionszeit).

Adsorption von DON an der Pulveraktivkohle EAC(27)@PAC(8)
Die Pulveraktivkohle EAC(27)@PAC(8) weist bei pH = 7 innerhalb einer Stunde Adsorptionszeit bei einer Anfangskonzentration von Co = 4 mg/dm³ eine sehr hohe Bindungskapazität von BK = 88,5 ± 1,8 % bei einer sehr kleinen Adsorberkonzentration von % Probe = 0,02 g/ml × 100 auf (vgl. Tabelle 8). Die BET-Oberfläche der EAC(27)@PAC(8) beträgt 834 ± 2 m²/g, die lodzahl 993 ± 2 mg/g und die Methylenblauzahl 235,0 ± 5,4 mg/g nach 24 h Adsorptionszeit. Die Aktivkohle AF48 in Ref. 14 weist zwar nahezu die gleiche BET-Oberfläche (865 m²/g), lodzahl (966 mg/g) und Methylenblauzahl (239,4 mg/g) wie die erfindungsgemäße Pulveraktivkohle EAC(27)@PAC(8) auf, das Adsorptionsverhalten hinsichtlich DON ist aber bei der AF48 in Ref. 14 deutlich schlechter im Vergleich zur erfindungsgemäßen Pulveraktivkohle. Es ist daher davon auszugehen, dass die Pulveraktivkohle AF48 in Ref. 14 zwar ein ausreichendes Porenvolumen für kleine Poren ausweist (ausreichende BET-Oberfläche und lodzahl), aber kein ausreichendes Porenvolumen für Transportporen und auch keine optimale Korngröße vorliegt. Adsorptionsversuche mit DON mit längeren Adsorptionszeiten sind mit der AF48 nicht durchgeführt worden, so dass keine weiteren Daten zur Adsorptionskinetik vorliegen. Eine sehr hohe Bindungskapazität von 98,93 % für DON wird bei dieser Kohle (Aktivkohle AF48) aber nur erreicht, wenn eine deutlich höhere Adsorberkonzentration (die 10-fache Konzentration) von %Probe = 0,20 g/ml x 100 eingesetzt wird. In der Referenz 14 wird darauf hingewiesen, dass bei Verwendung einer kleineren Adsorberkonzentration (%Probe = 0,04 g/ml) × 100 nur eine sehr geringe Adsorption beobachtet wird. Dieses Beispiel zeigt deutlich den Vorteil der erfindungsgemäßen Pulveraktivkohle aufgrund der schon beschriebenen optimalen Porenstruktur und Korngröße.
Nach einer Adsorptionszeit von 6 h wird unter sonst gleichen Bedingungen eine Bindekapazität von BK = 92,4 ± 1,0 % erreicht, d.h. im Fehlerbereich der Messungen wird durch die längere Adsorptionszeit die Bindekapazität praktisch nicht erhöht. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die erfindungsgemäße Pulveraktivkohle sehr gute adsorptive und kinetische Eigenschaften aufweist. Das vorhandene Porensystem mit Adsorptions- und Transportporen sowie die eingestellte Korngrößenverteilung kommen hier erfindungsgemäß zum Tragen.
Weitere ergänzende Versuche zur Adsorption von DON an der Pulveraktivkohle EAC(27)@PAC(8) sind in der nachstehenden Tabelle 8 aufgeführt.
Adsorption von DON an der Pulveraktivkohle EAC(55)@PAC(8)
Im diesem Beispiel wird eine Pulveraktivkohle mit der Bezeichnung EAC(55)@PAC(8) beschrieben, die deutlich länger mit Wasserdampf aktiviert worden ist (burn-off = 54,71 Ma.%) als die Pulveraktivkohle EAC(27)@PAC(8) (burn-off = 26,95 Ma.%), die im vorhergehenden Beispiel aufgeführt ist. Die Porosität für kleine Poren und Makroporen ist daher entsprechend höher ausgebildet. Die BET-Oberfläche ist mit BET = 1287 ± 1 m²/g sehr hoch (vgl. Tabelle 7) und die spezifische Oberfläche der Makroporen ist mit 1,915 m²/g relativ niedrig (vgl. Tabelle 6). Erstaunlicherweise ist die Bindungskapazität für DON praktisch nicht vom Aktivierungsgrad (burn-off) der Aktivkohle abhängig (vgl. die beiden unterschiedlich hoch aktivierten Pulveraktivkohlen in Tabelle 8).
Nach einer Adsorptionszeit von 1 h Stunde beträgt die Bindekapazität BK = 95,4 ± 0,1 % und nach 6 h beträgt diese BK = 92,4 ± 1,0 %. Dies bedeutet, dass eine Bindekapazität von > 90 % schon nach einer Adsorptionszeit von 1 h erreicht wird.
Weitere ergänzende Versuche zur Adsorption von DON an der Pulveraktivkohle EAC(55)@PAC(8) sind in der Tabelle 8 zusätzlich aufgeführt.
Zur weiteren Charakterisierung der erfindungsgemäßen Pulveraktivkohlen ist die Methylenblauzahl (MB-Zahl) als Funktion der Adsorptionszeit genauer untersucht worden. Die Molmasse von Methylenblau beträgt 319,85 g/mol und ist daher mit der Molmasse von DON (M = 296,3 g/mol) vergleichbar. Die Molekülgröße von Methylenblau beträgt 1,6 × 0,7 nm [24] und wird danach von Poren mit einem Porendurchmesser von < 2,6 nm (kleine Poren) aufgenommen. Im Gegensatz zu den Adsorptionsversuchen mit DON, wird bei den MB-Adsorptionsversuchen eine wesentlich höhere MB-Anfangskonzentration von Co = 800 ± 10 mg/dm³ verwendet. Bei der niedrig aktivierten Pulveraktivkohle mit der Bezeichnung EAC(27)@PAC(8) wird nach einer Adsorptionszeit von einer Stunde eine MB-Zahl von 160,2 ± 0,1 mg/g gemessen und nach 6 h beträgt diese dann 206,8 ± 5,6 mg/g. Nach 24 h wird dann der Wert von 235,0 ± 5,4 mg/g erreicht, der auch für die Aktivkohle AF48 in Ref. 14 angegeben wird (239,4 mg/g). In Ref. 14 sind aber keine weiteren Angaben zur verwendeten MB-Konzentration und der Adsorptionszeit zu finden.
Die höher aktivierte Pulveraktivkohle EAC(55)@PAC(8) weist grundsätzlich höhere MB-Zahlen als die EAC(27)@PAC(8) auf. Nach 1 h Adsorption beträgt diese dann 298,1 ± 5,0 mg/g, nach 6 h wird eine MB-Zahl 351,9 ± 9,8 mg/g gemessen und nach 24 h beträgt diese 400,3 ± 11,9 mg/g und steigt mit noch längere Adsorptionszeit weiter an. Eine Gleichgewichtsbeladung ist selbst nach 14 Tagen Adsorptionszeit für beide Pulveraktivkohlen nicht erreicht worden (MB-Zahl = 275,8 ± 2,3 mg/g für EAC(27)@PAC(8) und MB-Zahl = 506,3 ± 10,3 mg/g für EAC(55)@PAC(8) mit t = 14 Tagen). Dies ist ein sehr überraschendes Ergebnis und weist auf sehr kleine Mikroporen in der K₂CO₃-dotierten Pulveraktivkohle hin. Somit bleibt die Kohle sehr lange adsorptiv aktiv. 6 zeigt die MB-Zahl für beide Pulveraktivkohlen als Funktion der Adsorptionszeit in logarithmischer Zeitauftragung.
Adsorption von DON auf Ton und Klinoptilolith

Die Untersuchungen zur Adsorption von DON auf Ton (FIMIX) und Klinoptilolith zeigen deutlich, dass selbst mit einer hohen Adsorberkonzentration von %Probe = 0,30 g/ml x 100 und bei einer Anfangskonzentration von Co = 5 mg/dm³ kein DON auf diesen Materialien adsorbiert wird (BK = 0 %). Die Literaturangaben zur geringen Adsorption von DON auf Ton sind somit eindeutig bestätigt worden. Die Daten (BET-Oberfläche und Korngröße) sind in Tabelle 8 mitaufgeführt. Tabelle 8: In vitro Adsorption von Deoxynivalenol (DON) an den erfindungsgemäßen Pulveraktivkohlen aus Formaktivkohlen mit Ton und Naturzeolith als Vergleich bei pH = 7 und T = 37 °C

Probenbezeichnung,	% Probe	Zeit^a	Co	BK^b
BET-Oberfläche (m²/g)	(g/ml × 100)	(h)	(µg/dm³)	(%)
Versuch (V)
EAC(27)@PAC(8)
BET = 834 ± 2 m²/g
V1 (2 mg Probe in 10 ml)	0,02	1	4181 ± 115	88,5 ± 1,8
V2 (2 mg Probe in 10 ml)	0,02	6	4181 ± 115	90,2 ± 1,4
V3 (2 mg Probe in 10 ml)	0,02	6	4977 ± 275	85,6 ± 7,2
V4 (2 mg Probe in 10 ml)	0,02	6	10823 ± 805	71,6 ± 5,7
V5 (30 mg Probe in 10 ml)	0,30	6	5217 ± 534	100,0
EAC(55)@PAC(8)
BET = 1287 ± 1 m²/g
V1 (2 mg Probe in 10 ml)	0,02	1	4181 ± 115	95,4 ± 0,1
V2 (2 mg Probe in 10 ml)	0,02	6	3940 ± 81	92,4 ± 1,0
V3 (2 mg Probe in 10 ml)	0,02	6	9771 ± 272	63,5 ± 2,4
V4 (10 mg Probe in 10 ml)	0,10	1	5084 ± 293	99,9 ± 0,12
V5 (10 mg Probe in 10 ml)	0,10	6	5084 ± 293	100,0
V3 (30 mg Probe in 10 ml)	0,30	6	5060 ± 275	100,0
FIMIX®^c BET = 65,1 ± 0,3 m²/g
V1 (30 mg Probe in 10 ml)	0,30	6	5152 ± 236	0,0
Naturzeolith^d BET = 28,2 ± 0,1 m²/g
V1 (30 mg Probe in 10 ml)	0,30	6	5152 ± 236	0,0

^a Adsorptionszeit; ^b BK: Bindungskapazität, BK(%) = (C₀ - C)/C₀ × 100; C₀ und BK(%): Mittelwert ± Standardabweichung aus zwei Messungen, n = 2; ^c Ton (FIMIX®) von FIM Biotech GmbH, Berlin: durchschnittliche Korngröße: 6,97 ± 0,16 µm; D10 = 3,58 ± 0,06 µm, D50 = 6,62 ± 0,14 µm, D90 = 10,86 ± 0,30 µ (Mittelwert ± Standardabweichung aus vier Messungen, n = 4), ^d Klinoptilolith von GeoFert Germany GmbH, Teterow, durchschnittliche Korngröße: 31,56 ± 1,80 µm, D10 = 9,48 ± 0,09 µm, D50 = 22,49 ± 0,26 µm, D90 = 63,22 ± 4,22 µm. (Mittelwert ± Standardabweichung aus sechs Messungen, n = 6)

Material und Methoden:
In vitro Versuche zur Adsorption von Deoxynivalenol an Pulveraktivkohle
Eine entsprechende Menge an Pulveraktivkohle (2 mg oder 10 mg) ist in ein 15 ml Adsorptionsgefäß eingewogen worden. Anschließend sind 10 ml DON-Lösung bei gegebener Konzentration (4 mg/dm³, 5 mg/dm³ oder 10 mg/dm³), die mit Pufferlösung (0,1 M Citrat-Puffer, pH = 7) angereichert ist, hinzugefügt worden. Die Suspension ist 1 h oder 6 h bei einer Temperatur von 37 °C unter Rühren inkubiert worden. Anschließend ist die Suspension zentrifugiert und der Überstand auf DON analysiert worden. Für die Adsorptionsversuche mit Ton (FIMIX®) und Klinoptilolith sind jeweils 30 mg in 10 ml DON-Lösung (mit Citrat-Puffer, pH = 7) eingesetzt worden.
Die Bindekapazität wird wie folgt berechnet: $BK (%) = (C_{0} - C_{t}) / C_{0} \times 100$
mit

C0:: Anfangskonzentration in mg/dm³,
Ct:: Konzentration in der Lösung nach der Adsorption zum Zeitpunkt t (t: Adsorptionszeit).

Es sind immer Negativkontrollversuche (keine DON-Vorgabe/ohne Probe und keine DON-Vorgabe/mit Probe) durchgeführt worden. Die gemessene DON-Konzentration beträgt dann immer < 0,1 µg/dm³. Die DON-Positivkontrollversuche (mit DON-Vorgabe/ohne Probe) sind in Tabelle 8 zusammen mit den DON-Adsorptionsversuchen aufgeführt worden. Für die Analyse von DON ist das automatisierte Spektrometer FP470 (kinetische Fluoreszenz Polarisationsmethode) mit Temperaturkontrolle, Magnetrührer und aokinmycontrol-DON-Kit von der Firma Aokin AG, Berlin, verwendet worden (Anregungswellenlänge: λ = 470 nm, Detektionswellenlänge: λ = 520 nm). Der aokinmycontrol-DON-Kit enthält einen monoklonalen DON Antikörper (A-DON) und ein Konjugat (F-DON) bei dem DON an Fluorescein durch eine kovalente Bindung verbunden ist. Hierbei wird die Probe nach Zugabe von Fluorophoren und Antikörper mit polarisiertem Licht bestrahlt (Anregungspolarimeter) und die Fluoreszenz nach dem Emissionspolarimeter detektiert.
Bestimmung des Porenvolumens, der Porenverteilung und der BET-Oberfläche Bestimmung der BET-Oberfläche mit flüssigem Stickstoff als Adsorptiv (DIN ISO 9277)
Die BET-Oberfläche und die Porenverteilung sind mit einem automatisierten Porenanalysator (Gemini VII, Surface Area and Porosity Analyzer, Micromeritics) bei 77 K (flüssiger Stickstoff) bestimmt worden. Hierzu werden 0,4-0,5 g Probe unter Stickstoff 1 h bei 300 °C ausgeheizt und danach innerhalb von 10 Minuten auf Raumtemperatur abgekühlt. In das Probengefäß mit der Probe wird zusätzlich ein „Filler Rod“ aus Glas eingesetzt und anschließend in den Probenhalter des Gerätes montiert.
Die BET-Oberfläche (BET: Brunauer-Emmet-Teller) von Aktivkohle wird im Partialdruckbereich von p/po = 0,05 bis 0,2 unter Verwendung von acht Messpunkten mit Hilfe der BET-Gleichung in der linearen Form ausgewertet. Der Naturzeolith (Klinoptilolith) und der Ton werden im Partialdruckbereich von p/po = 0,05 bis 0,3 vermessen (8 Messpunkte).
Bestimmung des Porenvolumens und der Porenverteilung von Übergangsporen (DIN 66134)
Die Übergangsporen im Porenbereich von 2,6 bis 20 nm und von 5 bis 20 nm sind unter Anwendung der BJH-Methode im Adsorptionsast der Stickstoff-Isothermen ermittelt worden. Hierzu sind folgende Annahmen (Modell) für die Berechnung zugrunde gelegt worden: Die zylindrischen Poren sind einseitig offen und die Gleichung für die Schichtdicke t ist gegeben durch t = 2.98 + 6.45 (p/po) + 0.88 (p/p₀)² (carbon black). Es werden die Datenpunkte zwischen p/po = 0,2 bis 0,9 in 0,1 Abständen aufgenommen und die adsorbierte Menge an Stickstoff bei dem jeweiligen relativen Druck p/po unter Gleichgewichtsbedingungen ermittelt. Der BJH-Algorithmus ist in der Software des Gemini VII implementiert und es wird im Algorithmus die modifizierte Kelvingleichung für Stickstoff bei 77 K mit der Schichtdicke t für die Auswertung verwendet. $d_{p} (p / p_{0}) = 2 \frac{0.953}{ln (p / p_{0})} + 2 t (p / p_{0})$
Die Software berechnet mit den eingestellten Parametern gemäß dem BJH-Verfahren das Porenvolumen in cm³/g und die BJH-Oberfläche in m²/g und ermittelt damit die Porenverteilung der Übergangsporen im Porenbereich von 2,6 bis 20 nm.
Des Weiteren wird das gesamte Porenvolumen V(p/po = 0,90) der Probe bei einem relativen Partialdruck von p/po = 0,90 ermittelt. Das Porenvolumen V(d_p < 2,6 nm) in cm³/g von Poren kleiner als 2,6 nm wird wie folgt berechnet: $v (d_{p} < 2,6 nm) = v (p / p_{0} = 0,90) - v (2,6 nm < d_{p} < 20 nm)$
Das Makroporenvolumen für Poren > 20 nm wird durch Kombination und Auswertung von drei Messmethoden bestimmt: $v (Poren > 20 nm) = [1 / ρ_{Roh} - [1 / ρ_{Skelett} + v (p / p_{0} = 0,9)]]$
mit

ρRoh: Rohdichte (envelope density) von Aktivkohle
ρSkelett: Skelettdichte (Reindichte) von Aktivkohle

Bestimmung der Rohdichte (envelope density) von Aktivkohle (AdFiS Testmethode TM 05)
Für die Bestimmung der Rohdichte wird das Geopyc1360 von der Firma Micromeritics verwendet. Die Methode basiert auf einer Verdrängungstechnik, indem ein quasi-Fluid-Medium mit der Bezeichnung DryFlo® mit der Probe (Aktivkohle) unter Vibration und Rotation bei vorgegebenem Druck mit einem Stempel in einer zylindrischen Messzelle verdichtet wird.
Hierbei werden zunächst ca. 15 ml DryFlo^® in die zylindrische Messzelle (innerer Durchmesser: 25,4 mm) eingefüllt und ein Stempel in die Zelle eingeführt. Die Zelle mit dem Stempel wird in das Geopyc montiert (verschraubt) und die Messung gestartet. Hierbei verdichtet der Stempel das DryFlo^® unter Vibration und Rotation bei einem Auflagedruck von 50 N. Das Volumen des verdichteten DryFlo^® wird gemessen. Anschließend wird das DryFlo^® aus der Messzelle quantitativ entnommen und mit der gewogenen (Einwaage ca. 2 g auf 0,1 mg genau) und gesiebten Probe (über ein 1,0 mm Sieb) vermischt und die Mischung in die Zelle eingefüllt. Der schon beschriebene Verdichtungsprozess mit dem Stempel in der Zelle wird erneut durchgeführt und das Volumen der Probe mit dem DryFlo® ermittelt. Die Differenz der ermittelten Volumina [V(DryFlo^®+Probe) - V(DryFlo^®] ergibt das Volumen der Probe. Aus der vorher ermittelten Masse und dem gemessenen Probenvolumen wird die Rohdichte der Probe berechnet. Es werden insgesamt sieben Messungen hintereinander vom GeoPyc automatisch durchgeführt und der Mittelwert daraus gebildet. Die Messung an einer Probe wird dreimal wiederholt. Aus diesen drei Werten (drei mittlere Dichten) wird ein Mittelwert gebildet und die Standardabweichung berechnet.
Bestimmung der Skelettdichte (Reindichte) von Aktivkohle und verkohlten Kohlenstoffträgern (DIN 51 913)
Die Skelettdichte von Aktivkohle, Holzkohle oder Karbonisat wird mit Hilfe eines Helium-Gaspyknometers (Accupyc II 1340, Micromeritics) bei 303 K gemessen. Die trockene und gewogene Probe (auf 0,1 mg genau) wird in ein 10 cm³ Probengefäß (Micromeritics) eingefüllt, dieses mit einer porösen Fritte verschlossen und in das AccuPyc eingesetzt. Am Thermostat wird eine Temperatur von 30 °C eingestellt und die Probe mit 100 Helium-Spülungen vorkonditioniert. Für die Messung wird die gesamte Messzelle bis zu einem Fülldruck von 19,5 psi (150 kPa) mit Helium gefüllt. Anschließend wird das Helium in eine Expansionszelle entspannt. Der Fülldruck P₁ und der Druck nach der Expansion P₂ werden jeweils im Gleichgewichtszustand (Ausgleichsdruckänderung: 0,0050 psi/min bzw. 0,034 kPa/min) registriert und vom Gerät automatisch erfasst. Es werden 20 Messungen an einer Probe von dem Gerät hintereinander aufgenommen und daraus der Mittelwert gebildet. Die Bestimmung der Skelettdichte von einer Probe wird zweimal mit unterschiedlichen Einwaagen durchgeführt und der Mittelwert aus diesen beiden Werten gebildet. Die Skelettdichte der Probe wird in g cm^-3 auf 0,0001 g cm^-3 mit Fehlerangabe (Mittelwert aus zwei Messungen mit Standardabweichung) genau angegeben.
Gesamtporosität und Gesamtporenvolumen
Die Gesamtporosität P und das gesamte Porenvolumen v(gesamt) werden aus der experimentell ermittelten Skelettdichte ρ_Skelett und Rohdichte ρ_Roh (envelope density) gemäß der beiden Gleichungen berechnet: $P (%) = (1 - ρ_{Roh} / ρ_{Skelett}) \times 100$
$v (gesamt) = (1 / ρ_{Roh} - 1 / ρ_{Skelett})$
BET-Oberfläche mit CO₂ als Adsorptiv
Die spezifische Oberfläche (CO₂-BET) vom Karbonisat (Vorprodukt der Formaktivkohle) ist mit CO₂ als Adsorptiv (5 Messpunkte im Partialdruckbereich von p/po = 0,016-0,03) bei einer Temperatur von 273 K durchgeführt worden. Die Probe (Masse: 0,23 g) ist 5 Stunden bei 300 °C unter Vakuum vorbereitet und auf dem Gerät Quantachrome NOVA4200e (3P Instruments) vermessen worden.
Bei der BET-Analyse mit flüssigem Stickstoff (N₂, fl.) bei 77 K tritt bei Karbonisaten eine kinetische Hemmung bei der Adsorption auf, so dass keine Gleichgewichtseinstellung bei der Aufnahme der Isotherme erreicht wird. Deshalb wird zur Oberflächenbestimmung CO₂ als Adsorptiv eingesetzt.
Bestimmung der Makroporenverteilung mittels Quecksilberporosimetrie (ISO 15901-1)
Für die Porenanalyse und insbesondere für die Ermittlung der Makroporenverteilung ist ein Quecksilberporosimeter (QUANTACHROME POREMASTER 60GT, 3P Instruments) verwendet worden. Die Grundlage der Methode ist die sogenannte Washburn-Gleichung, welche für eine nichtbenetzende Flüssigkeit (Quecksilber) die Abhängigkeit des zu füllenden (Intrusion) oder zu entleerenden (Extrusion) Porendurchmessers vom aufgewendeten Druck darstellt. Für die Auswertung ist ein Quecksilber-Kontaktwinkel zu Kohlenstoff von 160° verwendet worden. Das Füllen der Messzellen vor der eigentlichen Messung ist in waagerechter Position vorgenommen worden. Damit wird ein statischer Druck des schweren Quecksilbers (Dichte ca. 13,5 g/cm³) auf die Probe verhindert und damit auch das Füllen großer Poren vor der eigentlichen Messung. Es sind ausschließlich Formaktivkohlen mit einem Durchmesser von ca. 2 mm für die Untersuchungen verwendet worden. Dies hat den Vorteil, dass hier das Füllen des Zwischenkornvolumens in der Aktivkohleschüttung mit Quecksilber nicht in Konkurrenz zum Füllen der großen Makroporen mit Quecksilber steht. Die Auswertung wird damit erheblich vereinfacht. Für eine Messung sind etwa 0,5-0,6 g getrocknete Formaktivkohle verwendet worden. Die Auswertung der Makroporen erfolgt im Bereich der Porendurchmesser von 10 µm-0,02 µm. Hierfür wird ein Druck von 26,3 psi bis 13064 psi benötigt. Das kumulative Porenvolumen, die spezifische Oberfläche und der durchschnittliche Porendurchmesser werden mit Hilfe der Software des Gerätes ermittelt und als Report dokumentiert.
Bestimmung der lodadsorption (CEFIC 3.6)
Die Bestimmung der lodzahl ist ein einfacher und schneller Test, der einen Hinweis auf die innere Oberfläche einer Aktivkohle gibt. Nach dieser Methode versteht man unter der lodzahl einer Aktivkohle die lodmenge in mg, die 1 g dieser Kohle in gepulvertem Zustand aus 100 ml einer 0,1 N lodlösung (0,05 M) unter gegebenen Bedingungen bis zum Erreichen einer Restnormalität (Endkonzentration) von 0,02 N im „Filtrat“ zu adsorbieren vermag.
Hierzu werden 0,7 bis 2 g getrocknete und pulverisierte Aktivkohle (< 100 µm) in einen 250 ml Erlenmeyerkolben mit Schliff eingewogen, mit 10 ml 5%ige Salzsäure versetzt und bis zur Benetzung geschwenkt. Anschließend wird die Suspension für 30 Sekunden auf einer Heizplatte zum Kochen gebracht. Kolben mit Inhalt werden anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt, 100 ml 0,05 M lodlösung zugegeben und 30 Sekunden lang intensiv geschüttelt. Unmittelbar danach wird über einen Faltenfilter abfiltriert. Vom Filtrat werden 50 ml entnommen und mit 0,1 N Natriumthiosulfatlösung titriert, bis die gelbe Farbe nahezu verschwunden ist. Danach wird 1 ml Stärkelösung zugegeben und die Titration fortgesetzt bis die blaue Farbe vollständig entfärbt ist. Das Volumen der verbrauchten Natriumthiosulfatlösung wird für die Berechnung der lodzahl notiert.
Methylenblauzahl (Methylenblauindex)
Der Methylenblauwert gibt einen Hinweis auf die Adsorptionskapazität einer Aktivkohle für Moleküle, die eine ähnliche Größe wie Methylenblau besitzen. Die Molmasse von Methylenblau beträgt M = 319,85 g/mol und liegt damit im Bereich der Molmasse von Deoxynivalenol (M = 296,3 g/mol).
Für die Methylenblaubestimmung werden genau 100,0 ± 0,5 mg trockene Pulveraktivkohle in einen 250 ml Erlenmeyerkolben mit Schliff eingewogen und mit 100 ml einer 800 ± 10 mg/dm³ wässrigen Methylenblau-Lösung versetzt. Der Kolben wird mit einem Schliffstopfen verschlossen und die Suspension bei Raumtemperatur 24 h in einem Laborschüttler mit horizontaler Schüttelbewegung gesetzt. Nach 24 h wird aus dem Kolben mit einer Mikropipette 125 µl Probenvolumen entnommen und in einen 25 ml-Maßkolben gegeben. Die Maßkolben wird mit einer 0,25 Vol.% Essigsäure bis zur Marke aufgefüllt. Die Extinktion der blauen Färbung der Lösung wird mit Hilfe eines UV-VIS-Spektrometers in einer 1 cm Küvette bei einer Wellenlänge von λ = 664 nm vermessen und die MB-Konzentration in der Lösung nach 24 h Adsorptionszeit mit Hilfe des Lambert-Beer'schen Gesetzes berechnet. Die MB-Zahl wird dann wie folgt berechnet: $MB - Zahl = (C_{0} - C) V_{L} / m$

Co:: MB-Anfangskonzentration (Co = 800 ± 10 mg/dm³),
C:: MB Konzentration nach 24 h Adsorptionszeit,
VL:: Volumen der Lösung, V_L = 0,1 dm³,
m:: Masse Aktivkohlepulver, m = 0,100 g.

Mit dieser Methode können auch weitere zeitabgängige MB-Zahlen ermittelt werden, indem kleine Probenvolumina (125 µl) nach verschiedenen Zeiten aus dem Kolben entnommen und wie oben beschrieben weiterverarbeitet werden.
RFA-Analyse
Für die Elementanalyse ist ein energiedispersives RFA-Spektrometer (SEPCTRO XEPOS C mit Heliumspülung) für die simultane Bestimmung der Dotierungsstoffe im Prozentbereich und der Schwermetalle im µg/g-Bereich verwendet worden. Das Gerät SPECTRO XEPOS C ist mit einer Luft-gekühlten 50 W-Endfenster Röntgenröhre ausgestattet, deren Anode aus einer Binärlegierung aus Palladium und Kobalt besteht. Zwei verschiedene Anregungsmodi finden in dem Gerät Anwendung, ein Direktanregungssystem mit optimierter Filterausstattung sowie eine Polarisierung mittels HAPG (Highly Annealed Pyrolitic Graphite). Zur Erfassung der Röntgenfluoreszenzstrahlung wird ein Silizium Drift Detektor (SDD) eingesetzt.
Die Formaktivkohle (Menge: ca. 30 g) ist mit einer Planetenkugelmühle mit ZrO₂-Mahlbecher (Volumen: 250 ml, mit 15 ZrO₂-Kugeln, Durchmesser: 20 mm) innerhalb von 20 Minuten zu Pulveraktivkohle vermahlen worden. Das getrocknete, pulverförmige Material wird in Kunststoff-Küvetten mit 32 mm Außendurchmesser gegeben, wobei eine Füllhöhe von etwa 10 mm eingestellt wird. Die Masse der Pulveraktivkohle beträgt dann 1,1 bis 1,5 g. Die analytische Seite der Küvette wurde mit einer 4 µm dünnen Polypropylen-Folie verschlossen. Die Küvetten mit den Proben werden in den Probenhalter des RFA-Spektrometers gesetzt und die Messung zur Aufnahme der Röntgenspektren gestartet.
Die Berechnung der Analysenergebnisse basiert auf einem Fundamentalparametermodell für Proben auf Kohlenstoffbasis. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Elemente als Oxid gebunden vorliegen und die Differenz zu 100 % reiner Kohlenstoff ist. Die Kalibrierung des Gerätes ist mit drei dotierten Pulveraktivkohlen durchgeführt worden, die die Stoffe K₂CO₃, CaO, SiO₂ in definierten, unterschiedlichen Mengen enthalten.
Korngrößenbestimmung von Pulveraktivkohle
Die Korngrößenverteilung der Pulveraktivkohle ist mit einem Partikelanalysator (Scattering Particle Size Distribution Analyzer, LA-350, Horiba, Japan) durchgeführt worden (Messbereich: 0,1-1000 µm, Wellenlänge des verwendeten LASERS: λ = 650 nm). Die Bestimmung der Korngrößenverteilung des Aktivkohlepulvers ist in einer Isopropanol/Wasser-Mischung (20/80 v/v) durchgeführt und nach der Mie-Theorie Volumen-bezogen ausgewertet worden (komplexer Brechungsindex der Pulveraktivkohle: ň = 1.5 - 0,1 i; i: imaginäre Zahl). Die Suspension ist zunächst 10 Minuten in der Isopropanol/Wasser-Mischung suspendiert und dann anschließend 10 Minuten mit Ultraschall (40 kHz) behandelt worden. Erst nach der Ultraschallbehandlung ist die Messung gestartet worden.
Bestimmung des Wassergehaltes - Hydroskopische Feuchtigkeit (DIN 51 718)
Der Wassergehalt ist die Feuchtigkeit, die beim Trocknen einer Probe bei 106 °C und Atmosphärendruck entweicht. Diese wird bestimmt, indem eine gemahlene Probe (Menge: 6 bis 7 g) im Trockenschrank bei 106 °C bis zur Gewichtskonstanz im Wägegläschen getrocknet wird. Die Höhe der Probeschicht im Gläschen darf 2,5 cm nicht überschreiten. Ein zweistündiges Trocknen genügt in der Regel. Nach Temperaturausgleich im Exsikkator wird die so getrocknete Probe auf 0,1 mg genau zurückgewogen. Der Wassergehalt wird in Masse-% angegeben.
Bestimmung des Aschegehaltes von Aktivkohle (DIN 51 719 bei 650 °C /815 °C)
Asche wird hier der bei einer Temperatur von 650 °C (für Aktivkohle) bzw. 815 °C (für Holzkohle oder Karbonisat) erhaltene Verbrennungsrückstand genannt. Der Aschegehalt gibt Aufschluss über den Gehalt an nicht brennbaren Bestandteilen (anorganische Bestandteile) in der Aktivkohle. Etwa 1 g der pulverisierten, wasserfreien Probe (< 500 µm) wird in eine ausgeglühte Veraschungsschale auf 0,1 mg genau eingewogen. Die Probe wird in den Muffeloffen gestellt, innerhalb von 2 h auf die Veraschungstemperatur erhitzt und anschließend 2 h bei der Veraschungstemperatur gehalten. Nach der Veraschung wird die Probe in den Exsikkator gestellt, auf Raumtemperatur abgekühlt und die Probe zurückgewogen. Das Gewicht des Rückstandes bezogen auf das Gewicht der wasserfreien Probe ist der Aschegehalt im wasserfreien Zustand. Der Aschegehalt wird in Masse-% angegeben.
Bestimmung der „Flüchtigen Bestandteile“ (DIN 51 720)
Flüchtige Bestandteile sind die Zersetzungsprodukte einer Substanz die entweichen, wenn die feste Substanz unter festgelegten Bedingungen unter Luftabschluss auf eine Temperatur von 900 °C erhitzt wird. Hierbei wird etwa 1 g der gemahlenen (< 500 µm), wasserfreien Probe unter Luftabschluss im Tiegel 7 Minuten (± 5 s) lang bei 900 ± 5 °C verkokt und anschließend aus dem Ofen genommen. Nach Temperaturausgleich im Exsikkator auf Raumtemperatur wird die Probe auf 0,1 mg genau zurückgewogen. Der Tiegelkoks ist hierbei der verbleibende Rückstand. Aus dem Masseverlust der Probe wird der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen berechnet und in Masse-% angegeben.
Berechnung des fixen Kohlenstoffgehaltes C(fix)
Der fixe Kohlenstoffgehalt einer wasserfreien Probe wird aus dem Aschegehalt A und den „Flüchtigen Bestandteilen“ wie folgt berechnet: $C (fix) = 100 - (F - A)$
Bestimmung des pH-Wertes (CEFIC 3.6)
Aktivkohle enthält anorganische Bestandteile (Asche) und chemisch aktive Oberflächengruppen, die den pH-Wert von Flüssigkeiten bei Kontakt mit der Aktivkohle verändern können. Gemäß der Vorschrift werden 4 g pulverisierte Aktivkohle in ein 250 ml Becherglas gegeben, mit 100 ml deionisiertes, CO₂-freies (ausgekochtes) Wasser versetzt und 5 Minuten lang auf der Heizplatte gekocht. Die überstehende Flüssigkeit wird dekantiert bevor diese unter 60 °C abgekühlt ist. Der dekantierte Anteil wird auf Raumtemperatur abgekühlt und der pH-Wert mit einer pH-Elektrode auf eine Dezimalstelle genau gemessen.
Bestimmung der Stoßhärte (AdFiS TM 02)
Die Stoßhärte ist ein Maß für die mechanische Belastbarkeit einer Formaktivkohle bzw. einer Formkohle. Sie gibt Auskunft über die Härte einer Probe. Bei der Stoßhärte werden durch Fallenlassen eines Gewichtes mit definierter Masse (m = 328,4, Stoßfläche: 5,31 cm²) und aus gegebener Fallhöhe (h = 415 mm) mechanische Kräfte auf die Kohleschüttung (Innendurchmesser: 26,5 cm) und damit auf die einzelnen Formlinge übertragen und somit das Korn teilweise gebrochen. Es wird jeweils nach zwei Stoßvorgängen der Feinanteil durch Absieben über ein 0,5 mm Sieb entfernt. Das Grobgut wird anschließend wieder in die Stoßapparatur gefüllt und erneut zweimal gestoßen. Nach insgesamt 10 Stoßvorgängen (5 × 2) wird der verbleibende Rückstand (d > 0,5 mm) gravimetrisch ermittelt und auf die Ausgangsmenge der Probe (ohne Stoßbeanspruchung) bezogen und in Masse-% angegeben.
Bestimmung der Schüttdichte (AdFiS TM 04) und Rütteldichte (DIN ISO 787, Teil 11)
Die Schüttdichte gibt die Dichte einer unter definierten Schüttbedingungen hergestellten Schüttung an. Hierzu wird eine getrocknete Probe innerhalb von 60 bis 75 s durch einen Pulvertrichter (Durchmesser des Auslaufes 2,65 mm) möglichst gleichmäßig in den Messzylinder (V = 250 ml) gegeben, bis unter diesen Schüttbedingungen eine Füllung von 200 ml erreicht wird. Anschließend wird das Gewicht der Aktivkohle auf 0,1 g genau ermittelt. Die Schüttdichte wird in g l^-1 angegeben.
Die unter definierten Bedingungen hergestellte Kohleschüttung wird anschließend unter definierten Rüttelbedingungen (1250 Hübe, Fallhöhe 3,0 mm) mit Hilfe eines Stampfvolumeters im 250 ml Messzylinder verdichtet (gestampft). Dieser Versuch wird solange wiederholt, bis der Volumenunterschied nach zwei aufeinander folgenden Versuchen mit jeweils 1250 Stampfungen kleiner als 2 ml ist. Die Rütteldichte wird in g l^-1 angegeben.
Verwendete Analysengeräte
Gemini VII, Surface Area and Porosity Analyzer, Micromeritics, AccuPyc II 1340, Gas (Helium) Pycnometer, Micromeritics, Geopyc 1360, Envelope and T.A.P. Density Analyzer, Micromeritics, Laser Scattering Particle Size Distribution Analyzer, LA-350 Horiba (Retsch), SPECTRO XEPOS C, energiedispersives Polarisationsröntgenfluoereszenzspektrometer mit Heliumspülung, SPECTRO Analytical Instruments, Planetenkugelmühle, PM 100, Retsch.
Universal-Rohrofen RT 50-250/11 mit Controller B 410, Nabertherm, Xerion Rotationsreaktor 2159/2011 mit Reaktionsrohr aus Quarzglas, XERION ADVANCED HEATING Ofentechnik GmbH, Freiberg, Stampfvolumeter, J. Engelsmann.
Literaturliste:

[1] Mykotoxine (Teil 1): C. Weiß; Ernährungs Umschau 6 (2010) 316-324.
[2] Mykotoxine (Teil 2): C. Weiß; Ernährungs Umschau 7 (2010) 374-382.
[3] https://www.lgl.bayern.de/lebensmittel/chemie/schimmelpilzgifte/index.htm, abgerufen am 27.12.2019.
[4] Untersuchungen über die detoxifizierende Wirkung der Futtermittelzusätze Biomin®BBSH 797 und Mycofix Plus® 3.E in Bezug auf DON im Ferkelaufzuchtfutter: B. Plank, M. Schuh, E.M. Binder; Vet. Med. Austria 96 (2009) 55-71.
[5] Adsorption of aflatoxin B1 on natural clays in aqueous solutions: S. Aisawa, N. Takahashi, S. Kikuchi, H. Hirahara, E. Narita; Clay Sci. 22 (2018) 53-59.
[6] Understanding the sorption mechanisms of aflatoxin B₁ to kaolinite, illite, and smectite clays via a comparative computational study: F. Kang, Y. Ge, X. Hu, C. Goikavi, M. G. Waigi, Y. Gao, W. Ling; J. Hazard Mater. 320 (2016) 80-87.
[7] Computational evaluation of bonding between aflatoxin B1 and smectite: Y. Deng, M. Szczerba; Appl. Clay Sci. 54 (2011) 26-33.
[8] Bonding mechanisms between aflatoxin B1 and smectite: Y. Deng, A.L.B. Velázquez, F. Billes, J.B. Dixon; Appl. Clay Sci. 50 (2010) 92-98.
[9] Investigation of various adsorbents for their ability to bind aflatoxin B₁: E. Vekiru, S. Fruhauf, M. Sahin, F. Ottner, G. Schatzmayr, R. Krska; Mycotoxin Res. 23 (2007) 27-33.
[10] Durchführungsverordnung (EU) Nr. 1060/2013 der Kommission vom 29. Oktober 2013 zur Zulassung von Bentonit als Zusatzstoff in Futtermitteln für alle Tierarten, Funktionsgruppe: Stoffe zur Verringerung der Kontamination von Futtermitteln mit Mykotoxinen: Aflatoxin B1, Kennnummer des Zusatzstoffes: 1m558.
[11] Aktivkohle - Sofortmaßnahme bei oralen Vergiftungen: K.-G. Eckert, P. Eyer, T. Zilker; Deutsches Ärzteblatt 96 (1999) A2826-2833.
[12] Evaluation of the intestinal absorption of deoxynivalenol and nivalenol by an in vitro gastrointestinal model, and the binding efficacy of activated carbon and other adsorbent materials: G. Avantaggiato, R. Havenaar, A. Visconti; Food Chem. Toxicol. 42 (2004) 817-824.
[13] In vitro assessment of adsorbents aiming to prevent deoxynivalenol and zearalenone mycotoxicoses: M. Sabater-Vilar, H. Malekinejad, M.H.J. Selman, M.A.M. van der Doelen, J. Fink-Gremmels; Mycopathologia 163 (2007) 81-90.
[14] Activated carbons: In vitro affinity for ochratoxin A and deoxynivalenol and relation of adsorption ability to physicochemical parameters: F. Galvano, A. Pietri, T. Bertuzzi, A. Piva, L. Chies, M. Galvano; J. Food Prot. 61 (1998) 469-475.
[15] Activated carbons: In vitro affinity for fumonisin B₁ and relation of adsorption ability to physicochemical parameters: F. Galvano, A. Pietri, T. Bertuzzi, M. Bognanno, L. Chies, A. de Angelis, M. Galvano; J. Food Prot. 60 (1997) 985-991.
[16] Effectiveness of activated carbon and Egyptian montmorillonite in the protection against deoxynivalenol-induced cytotoxicity and genotoxicity in rats: M.A. Abdel-Wahhab, A.A. El-Kady, A.M. Hassan, O.M.A. El-Moneim, S.H. Abdel-Aziem; Food Chem. Toxicol. 83 (2015) 174-182.
[17] Trichothecenes in cereral grains: N.A. Foroud, F. Eudes; Int. J. Mol. Sci. 10 (2009) 147-173.
[18] EP 1 890 804 B1 : Verwendung von Stevensit zur Mykotoxinadsorption: U. Sohling, A. Haimerl.
[19] Durchführungsverordnung (EU) Nr. 1016/2013 der Kommission vom 23. Oktober 2013 zur Zulassung einer Zubereitung aus einem Mikroorganismus-Stamm DSM 11798 der Coriobacteriaceae-Familie als Zusatzstoff in Futtermitteln für Schweine, Funktionsgruppe: Stoffe zur Verringerung der Kontamination von Futtermitteln mit Mykotoxinen: Deoxynivalenol (DON), Kennnummer des Zusatzstoffes: 1m01.
[20] https://www2.biomin.net/de/produkte/mycofix/, abgerufen am 27.12.2019.
[21] Evaluation of mycotoxin sequestering agents for aflatoxin and deoxynivalenol: an in vitro approach: C. Kong, S. Y. Shin, B.G. Kim; SpringerPlus 3:346 (2014) 1-4. http://www.springerplus.com/content/3/1/346.
[22] EP 2 289 617 A1 : Toxin adsorbent: F. Tiefenbach-Ast, U. Sohling, A. Haimerl, E. Thomassiny Villaurrutia, J.A. Ortiz Niembro.
[23] An in vitro model using the IPEC-J2 cell line for efficacy and drug interaction testing of mycotoxin detoxifying agents: M. Devreese, F. Pasmans, P. De Backer, S. Croubels; Toxicol. Vitro 27 (2013) 157-163.
[24] Cationic methylene blue incorporated into zeolite mordenite-Na: a single crystalX-ray study: P. Simoncic, T. Armbruster; Microp. Mesop. Mat. 81 (2005) 87-95.
[25] Thionine in the Cage of Zeolite L: G. Calzaferri, N. Gfeller; J. Phys. Chem. 96 (1992) 3428-3435.
[26] Size and shape of protein molecules at the nanometer level determined by sedimentation, gel filtration, and electron microscopy: H.P. Erickson; Biol. Proced. Online 11 (2009) 32-51. https://doi.org/10.1007/s12575-009-9008-x
[27] Entwicklung von oral einnehmbaren Toxinadsorbern zur Detoxifikation bei bakteriellen Darmerkrankungen (AdsorbTox): A. Breitrück, B.R. Müller; Abstractbook: Vernetzungstreffen zur nationalen Wirkstoffinitiative, 8. Oktober 2019, Berlin,. https://www.gesundheitsforschung-bmbf.de/de/nationalewirkstoffinitiative-8702.php
[28] Sorption properties of Mo(CO)6 on thin Y-zeolite layers: B.R. Müller, G. Calzaferri; Microp. Mesop. Mat. 21 (1998) 59-66.
[29] Adsorption Analysis: Equilibrium and Kinetics: D.D. Do, Imperial College Press, page 523.
[31] EBC (2012) ‚European Biochar Certificate - Richtlinien für die nachhaltige Produktion von Pflanzenkohle‘, European Biochar Foundation (EBC), Arbaz, Switzerland G vom 01.09.2019. http://www.european-biochar.org/en/download. Version 8.3
[32] EP 3 075 260 B1 : Mycotoxin adsorbent and the use thereof in balanced food for animals: L. Arellano, J. Armando, R. M. Del Sobral, M. Ängel, G. Rosas, I. Verónica, F. Huesca, J. Antonio.

Claims

Mykotoxin-Adsorber, umfassend eine K₂CO₃-dotierte Pulveraktivkohle, wobei die Pulveraktivkohle (i) eine hohe Mikroporosität an kleinen Adsorptionsporen mit einer Porengröße von kleiner als 2,6 nm und einem Porenvolumen von mindestens 0,30 und höchstens 0,65 cm³/g, und einer spezifischen BET-Oberfläche (Brunauer-Emmet-Teller-Oberfläche) von mindestens 700 und höchstens 1500 m²/g, (ii) eine hohe Makroporosität an Makroporen mit einer Porengröße von größer als 20 nm und einem Porenvolumen von mindestens 0,35 und höchstens 0,70 cm³/g und einer spezifischen Oberfläche von mindestens 1,0 und höchstens 2,5 m²/g, (iii) eine geringe Übergangsporenporosität an Übergangsporen mit einer Porengröße von größer oder gleich 2,6 nm und kleiner oder gleich 20 nm und einem BJH-Porenvolumen (Barrett-Joyner-Halenda-Porenvolumen) von mindestens 0,02 und höchstens 0,10 cm³/g, und einer BJH-Oberfläche (Barrett-Joyner-Halenda-Oberfläche) von mindestens 20 und höchstens 90 m²/g, aufweist, und wobei die Pulveraktivkohle durch eine durchschnittliche Korngröße von mindestens 7 und höchstens 9 µm gekennzeichnet ist.
Mykotoxin-Adsorber nach Anspruch 1, wobei die Pulveraktivkohle eine Übergangsporenporosität an Übergangsporen mit einer Porengröße von größer oder gleich 5 nm und kleiner oder gleich 20 nm und einem BJH-Porenvolumen von mindestens 0,005 und höchstens 0,08 cm³/g, und einer BJH-Oberfläche von mindestens 5 und höchstens 25 m²/g aufweist.
Mykotoxin-Adsorber nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Porenvolumen der großen Transportporen mit einer Porengröße von größer als 20 nm um den Faktor 1,05 bis 2,0 größer als das Porenvolumen der kleinen Adsorptionsporen mit einer Porengröße von kleiner als 2,6 nm ist.
Mykotoxin-Adsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Pulveraktivkohle K₂CO₃ zu einem Anteil von mindestens 1,5 und höchsten 15 Masse-% enthält.
Mykotoxin-Adsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Pulveraktivkohle aus Holzkohle, bevorzugt aus Buchenholzkohle, hergestellt ist.
Mykotoxin-Adsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Pulveraktivkohle aus Formaktivkohle, welche ein Zucker-haltiges Bindemittel enthält, hergestellt ist.
Mykotoxin-Adsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Pulveraktivkohle aus Formaktivkohle hergestellt ist, wobei die Formaktivkohle aus einer Masse, umfassend Holzkohlemehl, das Zucker-haltige Bindemittel und eine wässrige K₂CO₃-Lösung, hergestellt ist.
Mykotoxin-Adsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Mykotoxin ein Trichothecen, bevorzugt Deoxynivalenol (DON), ist.
Mykotoxin-Adsorber nach Anspruch 8, wobei die Pulveraktivkohle eine Bindungskapazität von DON bei 37 °C von mindestens 85% bei einer Adsorberkonzentration von 0,2 mg/ml und einer Anfangskonzentration von 4 mg/dm³ DON bei einem pH-Wert von 7 aufweist.
Mykotoxin-Adsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Verwendung in der Prävention oder Behandlung einer Mykotoxin-Vergiftung in einem Subjekt.
Nahrungs- oder Futtermittel, umfassend den Mykotoxin-Adsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Verwendung des Mykotoxin-Adsorbers nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in der Behandlung von mit einem oder mehreren Mykotoxinen verunreinigten Nahrungs- oder Futtermitteln.
Verfahren zur Behandlung von mit einem oder mehreren Mykotoxinen verunreinigten Nahrungs- oder Futtermitteln, umfassend das Inkontaktbringen des Nahrungs- oder Futtermittels mit einem Mykotoxin-Adsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 9.