Untersuchung zur Erstellung eines gebundenen Partikelmodells für Pelletfutter und dessen Anwendung

Warum der Schutz kleiner Futtermittelpellets wichtig ist

Auf modernen Höfen und in Fischaufzuchten wird Tierfutter häufig in Form kleiner, kompakter Pellets geliefert, die sich leicht transportieren, lagern und verdauen lassen. Wenn diese Pellets jedoch durch Rohre, Förderbänder und Futterautomaten laufen, Risse bekommen und zu Staub zerfallen, entstehen Feinanteile. Zu viele Feinanteile können teure Nährstoffe verschwenden, die Tiergesundheit beeinträchtigen und die Umwelt belasten. Die Studie stellt eine auf den ersten Blick einfache Frage: Wie genau zerbrechen diese Pellets – und können Computermodelle helfen, schonendere Anlagen und widerstandsfähigere Pellets zu entwickeln?

Vom ganzen Pellet zu verborgenen Rissen

Die Forschenden konzentrieren sich auf Ferkelfutterpellets, die typisch für Produkte in der Viehhaltung und Aquakultur sind. Obwohl diese Pellets mit bloßem Auge massiv erscheinen, ist ihre innere Struktur eine gepackte Masse winziger Partikel, die zusammengepresst sind. Wenn Maschinen auf sie drücken oder sie heftig treffen, beginnt der Schaden als mikroskopische Risse und gebrochene Verbindungen zwischen diesen Partikeln – lange bevor das Pellet sichtbar zerfällt. Da dieser Prozess schwer direkt zu beobachten ist, greifen Ingenieure zunehmend auf digitale Werkzeuge zurück, die jedes kleine Körnchen in einem virtuellen Experiment nachverfolgen.

Ein digitales Abbild eines einzelnen Pellets bauen

Um die virtuellen Pellets realistisch zu machen, vermessen die Forscher zunächst echte Pellets im Labor: Größe, Gewicht, Dichte, Feuchte und die Kraft, die nötig ist, sie bei langsamer, einseitiger Kompression zu zerkleinern. Anschließend rekonstruierten sie ein einzelnes Pellet in spezieller Software als Cluster aus Hunderten kleiner Kugeln, die jeweils durch unsichtbare Bindungen an ihren Nachbarn haften. Diese Bindungen stehen für die realen inneren Verbindungen im Material. Durch sorgfältiges Einstellen einiger weniger Schlüsselparameter – wie steif die Bindungen sind und wie viel Kraft sie aushalten, bevor sie brechen – justierten die Forschenden das Computermodell, bis der simulierte Quetschtest die experimentellen Kraft‑Deformationskurven über einen Großteil der Belastung auf etwa zehn Prozent genau nachbildete. Dieser Schritt lieferte ihnen effektiv einen kalibrierten „digitalen Zwilling“ eines Ferkelpellets.

Pellets in ein virtuelles Aufprallprüfgerät schleudern

Mit dem validierten Modellpellet wechselte das Team von langsamer Kompression zu schnellen Aufprallen, um das Verhalten in realen Futteranlagen nachzuahmen. Sie bauten eine Computer-Version eines zentrifugalen Aufprallgeräts, in dem ein rotierender Impeller Pellets gegen einen stationären Ring schleudert. Mit zunehmender Drehzahl steigen Kollisionsgeschwindigkeit und die Energie, die jedem Pellet zugeführt wird. In der Simulation wurden die inneren Bindungen jedes Pellets überwacht: Wenn Bindungen rissen, zerfiel das Pellet in größere Stücke und Feinanteile. Der Anteil der gescheiterten Bindungen lieferte ein mikroskopisches Schadensmaß, während die Forschenden parallel physische Aufpralltests durchführten, um die tatsächlich zerbrochene Masse zu wiegen. Über Drehzahlen von 500 bis 1500 Umdrehungen pro Minute stiegen sowohl der simulierte Anteil gebrochener Bindungen als auch der gemessene Massenverlust kontinuierlich, und sie korrelierten nahezu perfekt.

Wie der Aufprallwinkel das Bruchmuster verändert

Das Team untersuchte anschließend, wie der Winkel, unter dem Pellets auf den Aufprallring treffen, den Schaden beeinflusst. Treffen Pellets frontal auf, erfahren sie vorwiegend stirnseitige Kompression; bei flacheren Winkeln werden sie stärker seitlich gedrückt und neigen zum Drehen. Die Simulationen zeigten, dass der Bruch nicht einfach mit dem Winkel zunimmt oder abnimmt, sondern bei einem mittleren Wert ein Maximum erreicht: bei etwa 75 Grad. Bei diesem Winkel kombiniert die Belastung Kopf‑auf‑Kraft und seitliche Komponenten, sodass das Pellet länger unter Spannung steht und mehr Risse durch sein Inneres getrieben werden. Bei steileren oder flacheren Winkeln wird mehr der Kollisionsenergie entweder elastisch zurückgeworfen oder in Rotation und Gleiten umgewandelt, was zu weniger Fragmentierung führt.

Was das für bessere Futtermittel und schonendere Maschinen bedeutet

Einfach gesagt zeigt die Studie, dass ein gut kalibriertes Computermodell eines einzelnen Pellets zuverlässig vorhersagen kann, wie reale Pellets in Hochgeschwindigkeitsanlagen zerbröseln. Indem es unsichtbare innere Bindungsbrüche mit der sichtbaren Bruchmenge verknüpft, bietet die Arbeit ein praktisches Werkzeug für Futtermittelhersteller und Anlagenbauer. Sie können nun untersuchen, wie Änderungen in Rezeptur, Feuchte oder Maschinenparametern – etwa Impellerdrehzahl und Aufprallwinkel – die Haltbarkeit beeinflussen, ohne jede Variante physisch bauen und testen zu müssen. Solche virtuellen Tests können die Entwicklung robusterer Pellets und schonenderer Fördersysteme leiten, Abfall reduzieren und die Effizienz sowie Nachhaltigkeit der Tierproduktion verbessern.

Zitation: Liu, Z., Kong, X., Wang, W. et al. Research on establishment of bonded particle model for pellet feed and its application. Sci Rep 16, 13224 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43893-y

Schlüsselwörter: Bruch von Pellets, diskrete Elemente Modellierung, zentrifugaler Aufpralltest, körnige Materialien, Tierfuttertechnik