DE102020128494A1

DE102020128494A1 - Trägerformkörper zum Ausbringen von Samen und/oder Wirkstoffen sowie Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln

Info

Publication number: DE102020128494A1
Application number: DE102020128494.2A
Authority: DE
Inventors: Holger Lausch; Bernd Gronde; Jörn Dau
Original assignee: Suet Saat und Erntetechnik GmbH; SUET SAAT- und ERNTETECHNIK GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2022-05-05

Abstract

Trägerformkörper 1 zum Ausbringen von Samen 21 und/oder Wirkstoffen 22, welcher Trägerformkörper 1 einen inneren Kern 3 umfassend einen granulierten Wirkstoff 22 und/oder einen Samen 21, eine diesen inneren Kern 3 einschließende Membranhülle 4 und eine wasserlösliche Polymeraußenwand 5, wobei die Membranhülle 4 poröse mineralische Partikel 6 umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Trägerformkörper zum Ausbringen von Samen und/oder Wirkstoffen für ein topisch begrenztes Boden-, Nähr- und Wirkstoffhabitat sowie ein Verfahren zur Herstellung, Hybridisierung und Funktionalisierung von mineralischen Partikeln für fluidische und gasförmige Prozessumgebungen gemäß dem jeweiligen unabhängigen Anspruch.
Die Erfindung liegt im technischen Gebiet, das sich mit der Ausbringung von Samen und/oder Wirkstoffen befasst, wie zum Beispiel in der Landwirtschaft bzw. im Garten- und Landschaftsbau.
Mit dem Auslaufen der Zulassung von insektiziden, herbiziden, viruziden, bakteriziden und fungiziden Pflanzenschutzstoffen in der Landwirtschaft entstehen neue Herausforderungen, da die mikrobielle sowie klimawandelbedingte Gefährdung der Wachstumsbedingungen von Saatgut, Tier- und menschlicher Gesundheit nicht geringer werden wird. Zugleich müssen Ersatzstoffe bzw. -verfahren ohne hohen Energieeinsatz nachhaltig erzeugt, gewonnen, hergestellt und angewandt werden können. Dabei ist der Einsatz bzw. die Entstehung von Mikroplastik durch Einsatz natürlich degradierbarer Stoffe zu vermeiden.
Auch der Klimawandel mit seinen erhöhten Wasserdampfanteilen auch in den nördlichen Breitengrad stellt die Saatgutbehandlung, Aussaattechnologien, Farbbeschichtung und Bodenversiegelungen vor immer größere Herausforderungen, da die bakterielle Belastung mit multiresistenten Erregern sowie die Pilzbelastung mit immer widerstandsfähigeren Sporen zunimmt. Pharmazeutische oder biochemisch toxische Abwehrstrategien stoßen an ihre Grenzen. Auch die den Boden und das Grundwasser belastenden Düngeranwendungen stoßen an ihre Grenzen und gefährden zunehmend die Biodiversität. Antimikrobielle und Dünger-Breitbandtechnologien können zu irreversiblen Natur-, Boden- und Grundwasserschäden führen.
Im Stand der Technik wurden synthetisch hergestellte bakterizide und fungizide Stoffe mit meist breitbandiger Toxizität zum Einsatz gebracht, deren Wirkung lange Zeit hoch effizient und deren Einsatz mit im Rahmen der gesetzlichen Regelungen tolerierbaren Nebenwirkungen verbunden war. Neben den für die Natur, Mensch und Tier zunehmend nicht mehr gesetzlich tolerierten Nebenwirkungen und dem damit verbundenen Auslaufen der Zulassungen, waren auch systemische Nebenwirkungen wie z.B. die Herabsetzung der Keimfähigkeit des antimikrobiell behandelten Saatgutes zu beobachten.
Bezüglich der Düngerproblematik wurden kontaminierende Nebeneffekte durch die direkte Unterfuß-Einbringung von synthetischen und abfallbiologischen Düngemitteln nur bedingt unter Kontrolle gebracht. Damit wurde die Düngemenge pro Anbaufläche auf die Düngung pro Saatreihen reduziert. Eine direkte Düngung pro Samen oder Sämling konnte bisher nur mittels Einzelkornsähtechnik als Unterkornlegung bei höherwertigen Kulturen realisiert werden. Dies trifft auch auf die samenschützende und keimungsunterstützende Pillierung von bspw. Zuckerrübensaatgut zu.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Trägerformkörper zum Ausbringen von Samen und/oder Wirkstoffen bereitzustellen, der die Nachteile im Stand der Technik überwindet und das insbesondere auf das Saatgut räumlich begrenzt wirkt und mit ökonomisch vertretbarem Aufwand herstellbar und ausbringbar ist, um um den Samen herum ein topisch begrenztes Boden-, Nähr- und Wirkstoffhabitat herzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Trägerformkörper zum Ausbringen von Samen und/oder Wirkstoffen sowie Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln für fluidisch bis feuchte Boden- sowie aerosolgeprägte Atmungsumgebungen gemäß dem jeweiligen unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Aspekte bilden den Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Die Erfindung umfasst einen Trägerformkörper zum Ausbringen von Samen und/oder Wirkstoffen. Der Trägerformkörper hat einen inneren Kern bestehend aus einem granulierten Wirkstoff und/oder einem Samen, eine diesen inneren Kern einschließende, permeablen Membranhülle und eine wasserlösliche Polymeraußenwand, wobei die Membranhülle mineralische Partikel umfasst. Besonders bevorzugt sind poröse mineralische Partikel zwischen Membranhüllen integriert. Diese porösen mineralischen Partikel können wiederum als Wirkstoffdepot genutzt werden.
Für den Fall, dass der innere Kern aus granuliertem Wirkstoff besteht, kann eine zentrifugale kapillare Wirkstoffausgleichsströmung über eine den Wirkstoffkonzentrationsunterschied ausgleichende kapillare Wasserbrücke durch die umgebende Membranhülle entstehen. Für den Fall, dass der innere Kern aus einem Samen besteht, kann Niederschlags- oder Bodenwasser die Polymeraußenwand auflösen und durch entstehende Kapillaren zentripetal in Richtung des inneren Kerns strömen. Um den Keimling herum bildet sich dadurch aber auch ein topisch begrenztes Boden- Nähr- und Wirkstoffhabitat. Da die Bestandteile im Boden als Bodenhilfsstoffe und Bodenaktivatoren von der Pflanze metabolisch verbraucht und/oder über die Humusbildung degradiert werden, sind Auswirkungen in Hinblick auf stoffliche Anreicherungen ausgeschlossen.
Gemäß einem besonders bevorzugten Aspekt sind die mineralischen Partikel aus wiederaufgeschmolzenem Vulkangestein (z. B. Basalt) ist. Das in Steinbrüchen gewonnene, mit technischen Hilfsmitteln gebrochene Vulkangestein wird definiert aufgemahlen und danach wieder definiert aufgeschmolzen. Das definiert wiederaufgeschmolzene Vulkangestein ist auch für sich genommen ein wirksamer alkalisch bis saurer Bodenaktivator und Bodenhilfsstoff, der zudem degradiert in die Humusbildung eingeht.
Vorteilhafterweise hat das Vulkangestein eine Korngröße im Bereich von 5 µm bis 150 µm, insbesondere von 40 µm bis 80 µm, sowie eine offene Porosität im Bereich von bis zu 5% bis 30%, insbesondere von 5% bis 15% mit einem (mittleren) offenen Porendurchmesser im Bereich von 2 µm bis 20 µm, insbesondere 8 bis 12 µm und einer Tiefe im Bereich von 2 µm bis 15 µm, insbesondere von 4 µm bis 7 µm. Mit dieser offenen Porosität werden zugleich auch potentielle Wirkstoffdepots sowie Freisetzungs-/Auswaschungskanäle erzeugt, in denen sich Wirkstoffe halten und bei Freisetzung durch Lösung durch die Membranhülle transportiert werden. Die Wiederaufschmelzungstechnologie erzeugt glatte, oft „verglaste“ Oberflächenbereiche und lässt durch die Erstarrung offene Poren entstehen, deren innere Oberfläche im Gegensatz zur mehr glatten äußeren Partikeloberfläche signifikant rauer und damit adhäsiver ist. Aufgrund der offenen Porosität ist der mineralische Partikel mit einer definierten Menge an einem Wirkstoff beladbar. Der mineralische Partikel ist damit als Wirkstoffträger vorteilhafterweise für eine topische Bodengestaltung einsetzbar.
Gemäß einem besonders bevorzugten Aspekt sind Wirkstoffe an dem mineralischen Partikel wasserlöslich oder mittels Assoziationskolloide angeordnet. Insbesondere bei der permeablen Membran können so mittels sich radial erstreckender Kapillaren die Wirkstoffe vom mineralischen Partikel lösen und entsprechend verteilen.
Gemäß einer vorteilhaften Variante umfasst der granulierte Wirkstoff wachstumsfördernde oder pflanzenstärkende Stoffe, insbesondere einen Harnstoff.
Eine weitere Variante sieht vor, dass der Samen von einer permeablen wasserlöslichen Membranschicht umgeben ausgebildet ist. Gemäß einem Beispiel handelt es sich bei der Membranschicht um ein, nicht als nichtdegradierbares Mikroplastik zu bewertendes, biologisch degradierbares Material, z. B. aus einem Polymer z.B. aber nicht ausschließend aus der Gruppe der Polypeptide, Polyethylenoxide, Poly-N-vinylpyrrolidone, Polyvinylalkohole, Polyacrylamide, Cellulosen oder modifizierten Cellulosen oder Komposite oder Mischungen draus. Bevorzugt ist diese mit Hilfe eines biochemischen, nicht wasserlöslichen, nicht als Mikroplastik zu bewertenden, biologisch degradierbaren Bindemittel (z. B. aber nicht ausschließend aus der Gruppe der Polylactide, Polyhydroxyalkanolate, Polycaprolactame, Polybutylenadipat-terephthalate oder Polybutylensuccinate oder Composite oder Mischungen daraus) fixiert, wobei diese Schicht gleichzeitig die nachfolgenden Schichten der Membranhülle am Samen fixieren kann, wobei der Samen vor mechanischer Beanspruchung geschützt werden kann.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt umfasst die Membranhülle eine erste Membran aus einem biologisch degradierbaren, nicht wasserlöslichen Bindemittel. Die erste Membran umfasst ein nicht synthetisches bzw. biochemisch herstellbares, nicht wasserlösliches, nicht als Mikroplastik zu bewertendes, ebenfalls biologisch degradierbares Bindemittel.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn das Bindemittel aus der Gruppe der Polylactide, Polyhydroxyalkanolate, Polycaprolactame, Polybutylenadipat-terephthalate oder Polybutylensuccinate oder Composite oder Mischungen daraus besteht.
Besonders vorteilhaft ist an (in) der ersten Membran eine Vielzahl von mineralischen Partikeln fixiert.
Besonders bevorzugt umfasst die Membranhülle eine zweite Membran mit einem biologisch degradierbaren, wasserlöslichen Bindemittel.
Besonders vorteilhaft ist an der zweiten Membran bzw. zwischen den ersten und zweiten Membranen eine Vielzahl von mineralischen Partikeln fixiert.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt umfasst das Bindemittel der zweiten Membran ein Polymer beispielsweise, aber nicht ausschließend aus der Gruppe der Polyethylenoxide, Poly-N-vinylpyrrolidone, Polyvinylalkohole, Polyacrylamide.
Es ist zudem bevorzugt, dass die Membranhülle aus einer Vielzahl an ersten Membranen und zweiten Membranen besteht, die abwechselnd angeordnet sind. Für den Fall, dass die mineralischen Partikel in der ersten Membran einen Wirkstoff umfassen, kann dieser in verschiedenen Schichten in unterschiedlichen Konzentrationen vorhanden sein, um die Freisetzungskinetik zu unterstützen und zu steuern, je nach Grad des Bodenwassers und der Bodenfeuchtigkeit. Prinzipiell kann auch Wasser über poröse Partikel als Bodenhilfsstoffe eingelagert werden. Zusätzliche Partikel können auch natürliche und/oder synthetische Zeolithe sowie nanoporöse Membranen sein.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln für fluidisch bis feuchte Boden- sowie aerosolgeprägte Atmungsumgebungen nicht allein auf landwirtschaftlichen Ausbringungs-, Kultivierungs- und Erntemaschinen zur Verwendung in einem Trägerformkörper wie vorliegend beschrieben.
Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Erzeugen einer Plasmaflamme (S1) mit definierten Schutzgas je Anwendung;
- Einbringen mindestens eines mineralogischen und /oder hartmetallischen Pulvermaterials einer vorbestimmten Partikelgröße in mindestens einem Bereich der Plasmaflamme mit definierten Gas- und Pulverstrom derart, dass das Pulvermaterial aufschmilzt (Bereich zwischen S1 und S2 sowie ggfs. auch zwischen S2 und S3 und weiter); bei hybrider Partikelherstellung müssen bspw. hartmetallische Komponenten aufgrund der höheren Schmelztemperatur räumlich vor bspw. mineralischen Komponenten mit niedrigerer Schmelztemperatur eingebracht werden.
- Führen des aufgeschmolzenen Pulvermaterials durch einen Bereich mit vorbestimmter Luftfeuchtigkeit (S5); Der Bereich S5 kann ebenfalls in Wasserdampf gelöst Salz- und Mineralbestandteile enthalten und dadurch die Partikel beladen.
- Auffangen des aufgeschmolzenen Pulvermaterials nach definierter Erstarrung in einem Wassertank (S6).

Besonders bevorzugt umfasst das Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln im Schritt Einbringen eines mineralogischen Pulvermaterials die Änderung des Abstands zwischen Pulvermaterial und Lichtbogen der Plasmaflamme (bis ein zuverlässiges Aufschmelzen und/oder Aufdampfen erfolgt).
Besonders bevorzugt umfasst das Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln im Schritt Führen des aufgeschmolzenen Pulvermaterials durch einen Bereich mit vorbestimmter Luftfeuchtigkeit das Einstellen der Luftfeuchtigkeit und/oder des Salzgehalts oder bspw. mineralischen Alaungehaltes. Vorteilhafterweise werden dabei die mineralischen Partikel mit Wirkstoffen beladen.
Vorteilhafterweise wird das aufgeschmolzenen Pulvermaterial durch Hybridisierung, über thermisches Beschichten, Aufdampfung, Abscheidung, Gasabscheidung, Sintern und/oder konglomerierende Versinterungen bearbeitet und konfektioniert. Vorteilhafterweise handelt es sich dabei um hart- und buntmetallische Beschichtungen oder Aufdampfungen.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft die Anwendung von mineralischen und/oder hybriden Partikeln mit und/oder ohne Beschichtungen für fluidisch bis feuchte Bodensowie aerosolgeprägte Atmungsumgebungen.
Dabei differiert bevorzugt je nach Pflanzenart. Wachstumscharakteristik in der Keimungs- und Keimlingszeit die Konzentration von mineralischen Partikeln sowie deren Beladung mit zusätzlichen Wirkstoffen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen beschreiben gleiche Merkmale.
Es zeigen:

1 schematische Darstellung eines Trägerformkörpers zum Ausbringen von Wirkstoffen;
2 schematische Darstellung eines mineralischen Partikels mit und ohne Wirkstoffbeschichtung;
3 schematische Darstellung eines Trägerformkörpers zum Ausbringen von Samen;
4 Aufbau zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung von mineralischen Partikeln;
5 schematische Darstellung von Aufschmelzen und Oberflächenverdampfung bis hin zum abrupten Erstarren und Aufreißen der Oberfläche eines mineralischen Partikels; und
6 durch Sintern erzeugte Konglomerate von mineralischen Partikeln.

In 1 ist der erfindungsgemäße Trägerformkörper 1 zum Ausbringen eines Wirkstoffs 22 dargestellt. Bevorzugt ist der granulierte Wirkstoff 22 ein Harnstoff.
Der Trägerformkörper 1 hat einen inneren Kern 3 bestehend aus dem granulierten Wirkstoff 22. Der Kern 3 aus granulierten Wirkstoff 22 wird von einer Membranhülle 4 aus einer Vielzahl von Membranen 41, 42 umschlossen.
Die innerste Membran 41 ist vom Typ einer erste Membran 41, die aus einem synthetischen, biologisch degradierbaren, nicht wasserlöslichen Bindemittel besteht. Das Bindemittel ist bevorzugt aus der Gruppe der Polylactide, Polyhydroxyalkanolate, Polycaprolactame, Polybutylenadipat-terephthalate oder Polybutylensuccinate oder Composite oder Mischungen daraus.
Die erste Membran 41 wird von einer zweiten Membran 42 umgeben, die zweite Membran 42 ist aus eine biologisch degradierbaren, wasserlöslichen Bindemittel. Das Bindemittel ist aus der Gruppe der Polyethylenoxide, Poly-N-vinylpyrrolidone, Polyvinylalkohole, Polyacrylamide oder natürlichen oder modifizierten Cellulosen.
Eine wasserlösliche Polymeraußenwand 5 schließt der Trägerformkörper 1 zur Umgebung ab.
Gemäß diesem Beispiel der Erfindung sind die erste und zweite Membran 41, 42 immer abwechselnd in der Membranhülle 4 einander umschließend angeordnet und es ist eine Vielzahl von mineralischen Partikeln 6 zwischen den Membranschichten angeordnet.
Die Konzentration der mineralischen Partikeln sowie deren Beladung mit zusätzlichen Wirkstoffen kann an die Bedürfnisse adaptiert werden, die die Pflanzenart, die Wachstumscharakteristik in der Keimungs- und Jungpflanzenphase oder sonstige Bedürfnisse der Pflanze erfordern.
Die mineralischen Partikel 6 sind aus aufgemahlenen und/ oder wiederaufgeschmolzenen Vulkangestein. Die mineralische Partikel 6 sind besonders bevorzugt an bzw. in der ersten Membran 41 angeordnet.
Der von innen nach außen gerichtete Pfeil illustriert eine kapillare bzw. den Weg des Wassers durch die permeable Membranen 41, 42 hin zum Wirkstoff 22 im inneren Kern 3.
In 2 ist der mineralische Partikel 6 aus 1 vergrößert mit und ohne Wirkstoffbeschichtung dargestellt.
Dabei hat das poröse Vulkangestein eine Korngröße im Bereich von 5 µm bis 150 µm, insbesondere von 40 µm bis 80 µm, sowie eine offene Porosität im Bereich von 5% bis 30%, insbesondere von 5% bis 15% mit einem Porendurchmesser im Bereich von 2 µm bis 20 µm, insbesondere 8 µm bis 12 µm und einer Tiefe von 2 µm bis 15 µm, insbesondere von 4 µm bis 7 µm.
Im rechten Teil der Abbildung ist der mineralische Partikel 6 mit einer Wirkstoffbeschichtung 7 dargestellt, die an dem (zum Beispielgemäß dem Verfahren aus 4 hergestellten) mineralischen Partikel 6 wasserlöslich angeordnet ist.
In 3 ist der erfindungsgemäße Trägerformkörper 1 zum Ausbringen eines Samens 21 dargestellt.
Im dargestellten Beispiel ist der Samen 21 (unmittelbar) vollständig von einer permeablen wasserlöslichen Membranschicht 211 umgeben.
Der Aufbau des übrigen Trägerformkörpers 1 und insbesondere der Membranhülle 4 kann identisch zum Beispiel in 1 sein.
Der von außen nach innen gerichtete Pfeil illustriert eine kapillare bzw. den Weg des Wassers durch die Membranhülle 4.
Das Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln soll am Aufbau gemäß 4 illustriert werden.
Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln umfasst die Schritte:

- Erzeugen einer Plasmaflamme S1 mit definierten Schutzgas je Anwendung;
- Einbringen mindestens eines mineralogischen und/oder hartmetallischen Pulvermaterials einer vorbestimmten Partikelgröße in mindestens einem Bereich der Plasmaflamme mit definierten Gas- und Pulverstrom derart, dass das jeweilige Pulvermaterial optimal aufschmilzt (Bereich zwischen S1 und S2 sowie ggfs. auch zwischen S2 und S3 und weiter); bei hybrider Partikelherstellung müssen bspw. hartmetallische Komponenten aufgrund der höheren Schmelztemperatur räumlich vor bspw. mineralischen Komponenten mit niedrigerer Schmelztemperatur eingebracht werden
- Führen des aufgeschmolzenen Pulvermaterials durch einen Bereich mit vorbestimmter Luftfeuchtigkeit (S5); Der Bereich S5 kann ebenfalls in Wasserdampf gelöst Salz- und Mineralbestandteile enthalten und dadurch die Partikel beladen.
- Auffangen des aufgeschmolzenen Pulvermaterials nach definierter Erstarrung in einem Wassertank (S6).

Besonders bevorzugt umfasst das Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln im Schritt Einbringen eines mineralogischen Pulvermaterials die Änderung des Abstands zwischen Pulvermaterial und Lichtbogen der Plasmaflamme (bis ein zuverlässiges Aufschmelzen und/oder Aufdampfen erfolgt).
Besonders bevorzugt umfasst das Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln im Schritt Führen des aufgeschmolzenen Pulvermaterials durch einen Bereich mit vorbestimmter Luftfeuchtigkeit das Einstellen der Luftfeuchtigkeit und/oder des Salzgehalts oder bspw. mineralischen Alaungehaltes. Vorteilhafterweise werden dabei die mineralischen Partikel mit Wirkstoffen beladen.
Vorteilhafterweise wird das aufgeschmolzenen Pulvermaterial durch Hybridisierung, über thermisches Beschichten, Aufdampfung, Abscheidung, Gasabscheidung, Sintern und/oder konglomerierende Versinterungen bearbeitet und konfektioniert
Das Einbringen kann aus einer horizontalen Richtung (wie dargestellt) oder einer vertikalen Richtung erfolgen. Das mineralogische Pulvermaterial kann auf Vulkangestein basieren. Es können davor bzw. danach je nach abweichenden Schmelz- und Siedepunkt bspw. Hart- und Buntmetalle oder Carbide definiert geschmolzen und aufgedampft werden.
Aufgrund des Aufschmelzens (Oberflächenverdampfung) und des definierten (sehr extremen) Abkühlens und Erstarrens entsteht ein mineralischer Partikel 6 mit der vorteilhaften offenen Porosität.
Im Schritt Einbringen eines mineralogischen Pulvermaterials, kann die Änderung des Abstands zwischen Pulvermaterial und Lichtbogen der Plasmaflamme beinhalten.
Der Schritt des Führens des aufgeschmolzenen Pulvermaterials durch einen Bereich mit vorbestimmter Luftfeuchtigkeit kann das Einstellen der Luftfeuchtigkeit und/oder des Salzgehalts umfassen.
Das Verfahren kann ergänzt werden, indem die mineralischen Partikel 6 zu offenporigen, durchströmbaren Partikelclustern geformt werden. Zum Beispiel kann in einem Schritt das Sintern erfolgen, wobei die Partikel mit und ohne Wirkstoff 22 räumlich aneinander angeordnet werden. Wirkstoffe können nach dem Sintern durch Assoziationskolloide direkt angebunden, im Fall von Hart- bzw. Buntmetallen durch thermisches Spritzen/Plasma aufgedampft oder durch Sintern verbunden werden.
Größere poröse Strukturen können ebenso erzeugt werden, indem die individuellen aufgeschmolzenen mineralischen Partikel 6 auf ein Substrat abgeschieden werden.
Die Basis für den mineralischen Partikel stellt ein mineralogischer Grundstoff dar, der als Vulkangestein auf der Erdoberfläche mit extrem hohen Aufkommen im Tagebau frei verfügbar ist. Im nicht aufgebrochenen Zustand weist er nicht selten keinerlei biologischen Bewuchs an seiner Oberfläche auf. Im aufgebrochenen bzw. degradierenden Zustand dagegen ist Vulkangestein in der Regel sehr wachstumsförderlich. Ursache ist der basische Charakter des Ergussgesteins sowie seine erstarrte glatte äussere Oberfläche. In nicht aufgebrochener oder gemahlener Form weißt der hier erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Basalt eine geringe Rauigkeit auf.
Vulkangesteine sind als extrem mineralstoff- und elementreiche Ergussgesteine in ihrer verwitterten Form im direkten Umfeld aktiver wie auch erloschener Vulkane Landwirtschaft förderliche Wachstumshilfsstoffe seit Jahrtausenden bekannt. Entscheidend und Differenzierungsmerkmal dieser Urgesteine sind das Wechselspiel, die mehrfache Aufeinanderfolge und die jeweiligen Zeitfenster zwischen sowie die Art und Weise der (Wieder-)Aufschmelzung und Erstarrung als Effusiv- oder Extrusivgesteine. Der SiO₂-Gehalt kann dabei oft der Gradmesser sein, ob es sich um ein basisches Gestein wie Basalt oder Gabbro oder um ein saures Gestein wie Granit oder Rhyolith handelt. Die Aufschmelzungs- und Erstarrungsunterschiede können aber z.B. bei SiO₂ärmeren Basalten darüber entscheiden, ob das SiO₂ mehr an der Oberfläche des wiederaufgeschmolzenen Partikels/Korns oder eher unter dieser anzutreffen ist. Die wiederum beeinflusst u.a. die biologische und vor allem die unmittelbare mikrobiologische Wechselwirkung der Partikel-/Kornoberfläche mit der Umwelt im Nahfeld sowie das abiotische oder eher mehr biotische Degradierungsverhalten. So ist der organisch und anorganisch beeinflussbare Kohlensäuregehalt des Bodens ein entscheidender Faktor der Gesteinsverwitterung bzw. mineralischen Degradation.
Basaltpartikel mit relativ höherer Porosität > 5 %, welche durch definierte Gesteinsaufmahlung bzw. thermisches Aufschmelzen und abruptes Wiedererstarren definiert entstehen können, können in fluiden bis feuchten Bodenumgebungen auf natürliche Weise im Boden als relativ dauerhafter Humus zusätzlich CO₂ oder Stickstoff mit der fluiden Gülle binden. In gasförmigen relativ feuchten Atmungs- und Filterumgebungen kann ebenfalls zusätzlich CO₂ gebunden werden. Das im Regen- und oder Oberflächenwasser gebundene CO₂ wird im Basalt als HCO₃ gebunden und sorgt zugleich über den Carbonat-Silikat-Zyklus, bei der natürlichen Degradation für ein topisch begrenztes antimikrobiell wirksames Boden-, Nähr- und Wirkstoffhabitat.
Die Adaption solcher Aufschmelzungs- und Erstarrungsprozesse mit natürlichen Ergussgesteinen kann mit einer wie in 4 schematisch dargestellten thermischen Spritzanlage auf Partikelebene nachgebildet werden. Die erfindungsgemäße Besonderheit besteht darin, mit einer solchen modifizierten Anlage keine Formteile zu beschichten, sondern analog zu metallurgischen Pulvererzeugungsverfahren definierte mineralische Partikel mit definierten Form- und Elementoberflächen sowie signifikant große und als Wirkstoffdepots nutzbare offenen Poren zu erzeugen. Zugleich bieten sich die nichtporösen Oberflächenbereiche für Abscheidungen, Aufdampfungen und konglomerierende Versinterungen an, die nicht nur für fluidische sondern auch für gasförmige, aerosolbehaftete Prozessumgebungen geeignet sind.
Die Bereiche S1 bis S4 stellen die Plasmaflamme und die Pulvereinführungsbereiche dar. Die Auswahl der einzubringenden Pulver hängt von der Temperaturverteilung im Plasmastrahl und der Geschwindigkeit des Partikelstroms sowie von der jeweiligen Korngröße ab. Partikel mit einem höheren Schmelzpunkt und oder höheren Korngröße müssen deshalb näher am Lichtbogen, also zwischen S1 und S2 in 4 eingebracht werden. Partikel mit geringerer Schmelztemperatur und oder geringeren Korngröße sollten erst später, also bspw. zwischen S2 und S3 in den Plasmastrahl und Partikelstrom eingebracht werden, um Verdampfungseffekte zu vermeiden.
Während mit dem axialen Abstand zur Plasmadüse und deren Radius die Aufschmelztemperatur logarithmisch abnimmt, so nimmt die Partikelgeschwindigkeit in/nach der Plasmadüse mehr oder weniger linear ab. In der normalen Verwendung der thermischen Plasmaspritzanlage soll der Partikel relativ früh aufgeschmolzen, hoch beschleunigt und letztendlich über seine Verformung beim Aufprall, der Verfestigung durch nachfolgenden Partikelaufpralle und den Abkühlungsprozess verfestigend zur Schichtbildung genutzt werden. Je nach Schmelztemperatur können entsprechend der räumlichen Verteilung der Enthalpietemperatur in der Plasmadüse in unterschiedlichen Zuführungen Aufschmelzmaterialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten eingeführt werden. Je nach Plasmagaszusammensetzung und erreichbarer Lichtbogentemperatur/ Stromstärke/Spannung können im Plasmastrahl unterschiedliche Partikelgeschwindigkeiten erzielt werden.
In Abhängigkeit des Substratwerkstoffes und der Temperatur und Oberflächenrauigkeit des Substrates können somit die Schichteigenschaften in Hinblick auf Haftungsverbund, offene und geschlossene Porosität, kristalline Gitterstruktur, morphologischen Aufbau und diversen mechanischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften eingestellt werden.
Erfindungsgemäß ist dabei die Oberflächenspannung der aufprallenden Partikel von der Substrat- bzw. der schon gebildeten Oberflächentemperatur sowie vom jeweilig erzielten Kontaktwinkel abhängig. Die Partikelteilchenrichtung und der vor dem Aufprall vorherrschende Wärmestrom im Partikel und mit dem Partikelaufschlag in Folge der Verformung und Abkühlung entstehende veränderte Wärmestrom führen zu einer differenzierten Veränderung der Oberflächengeometrie und -spannung sowie inneren Struktur über Einschlüsse, Porenbildungen und mechanische Verklammerungen. Die Partikeltemperatur muss jedoch noch im Rahmen der plastischen Verformbarkeit der Partikel, also relativ nah an der Schmelztemperatur des Partikels liegen.
In der Regel soll bei der Anwendung als Beschichtungsverfahren ein Maximum an kinetischer Energie des beschleunigten und aufgeschmolzenen Partikels letztendlich auf das Substrat und auf die sich verdichtet bildende Schicht übertragen werden, um über den Impulseintrag und Impulsdruck und den Wechsel in ein niedrigeres Energieniveau ein Maximum an Schichtfestigkeit, Verankerung und Haftung zu erzielen.
Der Prozess wird wie folgt abgeändert. Ziel ist jetzt nicht mehr der Aufprall an sich und die Umwandlung der kinetischen Energie in Haftungs-, Verankerungs- und Verdichtungsenergie, sondern die definierte Erstarrung ohne maximale Verformung aber maximaler Partikelspannungsänderung an der Oberfläche und zwischen Oberfläche und Kern..
Dem Abschnitt S4 nach dem Ende der Plasmaflamme an der Grenze zwischen S3 und S4 in 4 folgen definierte S5-Abkühlungs- und letztendlich S6-Erstarrungsbereiche für die herzustellenden Partikel. So wird als in einem Ausführungsbeispiel zwischen S1 und S2 bspw. das Schwermetall Wolfram mit einer Schmelztemperatur von ca. 3400 °C in den Plasmastrahl eingebracht und zwischen S2 und S3 Basalt mit einer Schmelztemperatur von ca. 1200 - 1250 °C. Denkbar ist auch eine Zugabe von Mikrosilberpasten mit einer Schmelztemperatur von ca. 900 - 950 °C. Im Bereich S4 bis S5 können Kaliumaluminiumsulfat Dodecahydrat mit einer Schmelztemperatur von 92 - 95 °C sowie andere Mineralsalze zugegeben werden. Eine jeweils leichte Verschiebung des Zuführungskanals in Richtung der Plasmadüse bzw. des Lichtbogens kann bei der richtigen Korngrößenwahl zu einem partiellen bis vollständigen Verdampfen der Partikel führen. Da die Partikelkörner immer in einem Kornspektrum vorliegen, ist die Pulveraufbereitung von großer Bedeutung. Liefert eine Gesteinsmühle gemahlenes Vulkangestein bspw. mit 100 µm Körnung und mit einem breiten Kornspektrum, so wird diese Partie erst mit einem 60 µm Raster und der Siebdurchgang mit einem 40 µm Raster gesiebt. Der auf dem 40 µm Sieb verbliebene Überlauf hat danach ein Kornspektrum > 40 µm < 60 µm.
Gemäß dem publizierten Beispiel von Birger Dzur, Diss. „EIN BEITRAG ZUR ANWENDUNG DES INDUKTIV GEKOPPELTEN HOCHFREQUENZ-PLASMAS ZUM AT-MOSPHÄRISCHEN PLASMASPRITZEN OXIDKERAMISCHER WERKSTOFFE.“, TU Ilmenau, 2002, insbesondere S. 6 beziehen sich alle nachfolgend verwendeten Kennwerte eben darauf. Nach der praktischen Erfahrung der Erfinder beim Plasmaspritzen sind diese Abstände jedoch meist geringer. Wird dieses Kornspektrum eines bei 1250 °C schmelzenden Gesteins in den Plasmastrahl in Bereich zwischen 1000 K und 1500 K sowie bspw. bei einem axialen Abstand zur Plasmadüse / Lichtbogen von ca. 90 mm - 95 mm eingeführt, dann ergibt sich folgendes Aufschmelzungs- und Verdampfungsschemata, welches die Partikelgeschwindigkeit ausblendet.
Berücksichtigt man bei dem partiellen Aufschmelzen des Partikels sowie partiellen Verdampfen der Partikeloberfläche die unter Berücksichtigung der durch die Partikelgeschwindigkeits und -ortsveränderung im Plasmastrahl eintretende Abkühlung und Wiedererstarrung, dann ergeben sich erfindungsgemäß die für den Anwendungszweck notwendigen offenporigen und zugleich geglätteten Oberflächenstrukturen.
Das Aufschmelzen und Oberflächenverdampfung bis hin zum abrupten Erstarren und Aufreißen der Partikeloberfläche und Entstehung offener wie geschlossener Porositäten beim Abkühlen von außen nach innen ist schematisch in 5 dargestellt. Es können auch Konglomerate/Hybride durch definiertes Aufschmelzen mit zwei Pulvern hintereinander, wie z.B. erst Wolfram und danach Basalt, erzeugt werden. Für gasförmige/aerosolbehaftete Prozessumgebungen können die Hybride als Schüttungen genutzt und ggfs. auch über Versinterung zu Brackets verarbeitet werden.
Während das partielles Verdampfen an der Partikeloberflächen zu Verglasungen mit sehr geringer Rauigkeit und veränderten SiO₂-Anteil führt, steigen neben der Oberflächenspannung auch die Partikelspannungen im Inneren aufgrund der geringeren Auf- bzw. Durchschmelzung des Partikels. Dieser führt analog zum Prozess der Materialaufschmelzung bei der vulkanischen Gesteinsbildung zur Porenbildung, sowohl in Gestalt von geschlossenen inneren und offenen äußeren Poren. Der Grad der Erstarrung in Gestalt einer gebremsten über einen Bereich S 5 in 4 mit bspw. zunehmender Luftfeuchtigkeit und oder einer abrupteren im Bereich S 6 in 4 beeinflusst entscheidend die Porenbildung sowie die Gestalt der Oberfläche im verglasten Bereichen und offenen Poren. Erstarren die dann ca. 40 µm großen Partikel gleich im Bereich S 6.
Bei einem im Durchmesser ca. 40 - 80 µm großen Partikel entstehen so mehrere offene Poren mit bspw. bis zu 10 µm Durchmesser und 4 bis 7 µm Tiefe. Die Rauigkeit in der offenen Pore ist deutlich höher und damit hydrophober. Über speziell konfektionierte und zusammengelagerte Assoziationskolloide lassen sich diese Poren- und Adhäsionsbereiche als Drug Delivery Depots nutzen, die in einer pillierten oder unpillierten Anordnung erstens wachstumsstimulierende bzw. krankheitssuppressive Wirkstoffe aufnehmen und speichern sowie zweitens bei Einsetzen eines auch partiell umgebenden kapillaren Wasserflusses diese sukzessiv freisetzen können und damit über den Saftfluss in das jeweilige Samenembryo transportiert werden können.
Mit der Wirkstofffreisetzung der damit wieder offenen Porenoberfläche, die relativ tief in den Partikel hinein reichen können, wird auch die bodenchemische Degradation des Partikels als mineralische Bodenaktivator und -hilfsstoff aktiviert und nachfolgend beschleunigt. Gleichzeitig werden die hohen SiO₂-Potentiale des Minerals von bis zu 50 % ionisch (antimikrobiell) wirksam freigesetzt.
Wie oben in 4 gezeigt, können über die nacheinander liegende Injektionpositionen in Bezug auf die Plasmaflamme bspw. ein aufgeschmolzener, oberflächlich verglaster Basaltpartikel (Ø 40 µm) mit einen als Beispiel gewählten, partiell bis vollständig verdampfenden Wolframpartikel (∅5-10 µm) beschichtet werden und oder ggfs. über beschleunigte Erstarrung im Wasserkühlbad offenporig mit zusätzlichen Wirkstoffdepots hergestellt werden. Mehrere solcher hybridisierter Partikel können über ein nachfolgendes Ansintern konglomeriert werden. In den so entstehenden Zwischenräumen sind nach dem Sintern Bodenaktivitoren und Bodenhilfsstoffe sowie Pigmente platzierbar. (Anwendung Gemüseanbau oder Fassaden-/Farbelemente mit Pilzschutz).
Diese in 6 dargestellten über Sintern erzeugten Konglomerate von Partikel mit oder ohne zusätzliche Wirkstoffbeschichtungen bzw. -depots können auch als Filter ausgestaltet werden. Diese sind auch als so gestaltet angeordnet in der Lage, topisch kapillarische und oder größere Wasserflüsse antimikrobielle zu reinigen, da insbesondere Pilze den Wasserflussauf dem Weg zum Samenembryo benötigen.

Claims

Trägerformkörper (1) zum Ausbringen von Samen (21) und/oder Wirkstoffen (22), welcher Trägerformkörper (1) einen inneren Kern (3) umfassend einen granulierten Wirkstoff (22) und/oder einen Samen (21), eine diesen inneren Kern (3) einschließende Membranhülle (4) und eine wasserlösliche Polymeraußenwand (5), wobei die Membranhülle (4) poröse mineralische Partikel (6) umfasst.
Trägerformkörper (1) nach Anspruch 1, wobei die mineralische Partikel (6) aus Vulkangestein sind.
Trägerformkörper (1) nach Anspruch 2, wobei das Vulkangestein eine Korngröße im Bereich von 5 µm bis 150 µm, insbesondere von 40 µm bis 80 µm, sowie eine offene Porosität im Bereich von 5% bis 30%, insbesondere von 5% bis 15% mit einem Porendurchmesser im Bereich von 2 µm bis 20 µm, insbesondere 8 µm bis 12 µm und einer Tiefe von 2 µm bis 15 µm, insbesondere von 4 µm bis 7 µm hat.
Trägerformkörper (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Wirkstoffbeschichtung (7) an dem mineralischen Partikel (6) wasserlöslich oder mittels Assoziationskolloide angeordnet ist.
Trägerformkörper (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der granulierte Wirkstoff (22) wachstumsfördernde oder pflanzenstärkende Stoffe, insbesondere Harnstoff, umfasst.
Trägerformkörper (1) nach Anspruch 1, wobei der Samen (21) zumindest abschnittsweise von einer permeablen wasserlöslichen Membranschicht (211) umgeben ausgebildet ist.
Trägerformkörper (1) nach Anspruch 1, wobei die Membranhülle (4) eine erste Membran (41) aus einem synthetischen, biologisch degradierbaren, nicht wasserlöslichen Bindemittel umfasst.
Trägerformkörper (1) nach Anspruch 7, wobei das Bindemittel aus der Gruppe der Polylactide, Polyhydroxyalkanolate, Polycaprolactame, Polybutylenadipat-terephthalate oder Polybutylensuccinate oder Composite oder Mischungen daraus ist.
Trägerformkörper (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei mineralische Partikel (6) an der ersten Membran (41) angeordnet sind.
Trägerformkörper (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Membranhülle (4) eine zweite Membran (42) aus eine biologisch degradierbaren, wasserlöslichen Bindemittel umfasst.
Trägerformkörper (1) nach Anspruch 10, wobei das Bindemittel ein Polymer aus der Gruppe der Polyethylenoxide, Poly-N-vinylpyrrolidone, Polyvinylalkohole, Polyacrylamide oder natürlichen oder modifizierten Cellulosen umfasst.
Trägerformkörper (1) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die erste und zweite Membran (41, 42) immer abwechselnd in der Membranhülle (4) einander umschließend angeordnet sind.
Trägerformkörper (1) nach Anspruch 12, wobei eine Vielzahl von mineralischen Partikeln (6) jeweils zwischen den ersten und zweiten Membranen (41, 42) angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln für fluidisch bis feuchte Bodensowie aerosolgeprägte Atmungsumgebungen umfassend die Schritte: - Erzeugen einer Plasmaflamme (S1) mit definierten Schutzgas je Anwendung; - Einbringen mindestens eines mineralogischen und/oder hartmetallischen Pulvermaterials einer vorbestimmten Partikelgröße in die Plasmaflamme derart, dass das Pulvermaterial aufschmilzt (S2); - Führen des aufgeschmolzenen Pulvermaterials durch einen Bereich mit vorbestimmter Luftfeuchtigkeit (S5); - Auffangen des aufgeschmolzenen Pulvermaterials in einem Wassertank (S6).
Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln (6) nach Anspruch 14, wobei der Schritt Einbringen einer mineralogischen Pulvermaterials, die Änderung des Abstands zwischen Pulvermaterial und Lichtbogen der Plasmaflamme umfasst.
Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln (6) nach Anspruch 15, wobei der Schritt Führen des aufgeschmolzenen Pulvermaterials (6) durch einen Bereich mit vorbestimmter Luftfeuchtigkeit das Einstellen der Luftfeuchtigkeit und/oder des Salzgehalts umfasst.
Verfahren zur Herstellung von mineralischen Partikeln (6) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das aufgeschmolzenen Pulvermaterial durch Hybridisierung, über thermisches Beschichten, Aufdampfung, Abscheidung, Gasabscheidung, Sintern und/oder konglomerierende Versinterungen bearbeitet und konfektioniert wird.
Anwendung von mineralischen und/oder hybriden Partikeln mit und/oder ohne Beschichtungen für fluidisch bis feuchte Boden- sowie aerosolgeprägte Atmungsumgebungen.
Anwendung nach Anspruch 18, wobei je nach Pflanzenart. Wachstumscharakteristik in der Keimungs- und Keimlingszeit die Konzentration von mineralischen Partikeln sowie deren Beladung mit zusätzlichen Wirkstoffen differiert.
Anwendung nach Anspruch 18, im Boden als relativ dauerhafter Humus und/oder zur Bindung von CO₂ oder Stickstoff, insbesondere aus fluider Gülle.