Microencapsulation of potassium phosphate in chitosan and the effect of spray drying operating variables on the particle size

Keywords: Microencapsulation, Chitosan, Fertilizer, Phosphate, Spray Dryer

Abstract

Abstract. The use of biodegradable polymers to encapsulate fertilizers is one of the main tools that help to prevent them to get carried away by the irrigation water, since phosphate based fertilizers are highly soluble. Indeed, this technology might improve productivity and reduce both costs and environmental pollution. In this work potassium phosphate was encapsulated in chitosan, which is one of the most abundant natural and biodegradable polymers widely applied in agriculture for plant defense and yield increase, applying the encapsulation method of spray drying to provide a high encapsulation efficiency rates. A 2k factorial design was implemented to evaluate the effect of the different operational parameters of the spray dryer on the particle size, measured by scan electronic microscopy, then it was obtained the average particle sizes to be between 1.08 to 2.04 µm. The release of KH2PO4 from chitosan spheres of different sizes was performed in Milli-Q water and was measured using the conductometry technique. The experiments revealed that the parameter with the greatest effect was the feed rate, and that the system with the smallest particle size obtained (1.08 µm) showed a slower release without losing an important amount of encapsulation efficiency.

 

Resumen. La encapsulación de fertilizantes en polímeros biodegradables es una de las principales herramientas empleadas que ayudan a prevenir que estos sean arrastrados por el agua de riego debido a que los fertilizantes base fosfato son extremadamente solubles. Estas partículas podrían mejorar la productividad y al mismo tiempo reducir costos y contaminación ambiental. En este trabajo se encapsuló fosfato de potasio en quitosano, uno de los polímeros naturales bioedegradables más abundantes ampliamente aplicados en agricultura para defensa e incremento de producción, aplicando el método de secado por aspersión para obtener altas eficiencias de encapsulación. Se implementó un diseño 2k para evaluar el efecto de los diferentes parámetros de operación del secador por aspersión sobre el tamaño de partícula, medido mediante microscopía electrónica de barrido, después se obtuvo que el tamaño promedio de partícula se encontró entre 1.08 to 2.04µm. La liberación del KH2PO4 de las esferas de quitosano de diferentes tamaños se realizó en agua Milli-Q y fue medida usando la técnica de conductimetría. Los experimentos revelaron que el parámetro con el mayor efecto fue el flujo de alimentación, y que el sistema con el menor tamaño de partícula obtenido (1.08 µm) mostró una liberación más lenta sin perder una importante cantidad de eficiencia de encapsulación.

 

Author Biographies

José Luis Olivares Romero, Instituto de Ecología A.C.

Investigador Titular

Laboratorio de Química Orgánica

Red de Estudios Moleculares Avanzados 

Felipe Barrera Méndez, Catedrático CONACYT-Instituto de Ecología A.C.

Catedrático CONACYT – Inecol 

Laboratorio de Agronanotecnología y nanotecnología ambiental

Red de Estudios Moleculares Avanzados 

References

Santos, V. B.; Araujo, S. F.; Leite, L. F.; Nunes, L. A.; Melo, J. W.; Geoderma 2012, 170, 227. DOI:10.1016/j.geoderma.2011.11.007

FAO; ifa 2002, 4, 77

Bhardwaj, D.; Ansari, M. W.; Sahoo, R. K.; Tuteja, N.; Microbial Cell Factories 2014, 13, 66. DOI: https://doi.org/10.1186/1475-2859-13-66

Youssef, M. M.; Eissa, M. F.; E3 J Biotechnol. Pharm Res 2014, 5, 1.

Messaa, L. L.; Froesb, J. D.; Souzab, C. F.; Faez R.; Quim. Nova 2016, 10, 1215. DOI: http://dx.doi.org/10.21577/0100-4042.20160133

Joseph, T.; Morrison, M.; A Nanoforum Report 2006.

Lárez, C; UDO Agricola 2008, 8, 22.

Ahmad, N. N. R.; Fernando, W. J. N.; Uzir, M. H.; Biosystems Engineering 2015, 129, 78-86. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2014.09.015

Harris,R.; Paños, I; Acosta, N; Heras, A; Journal Of Controlled Release 2008, 132, e76-e77. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2008.09.069

Lopez-Mora, L. I.; Gutiérrez-Martínez, P.; Bautista-Baños, S.; Jiménez-García, L. F.; & Zavaleta-Mancera, H. A.; Chapingo Serie Horticultura 2013, 3, 315-331. DOI: 10.5154/r.rchsh.2012.07.038

Tokárová, V.; Kašpar, O.; Knejzlík, Z.; Ulbrich, P.; & Štěpánek, F; Powder Technology 2013, 235, 797-805. DOI: 10.1016/j.powtec.2012.12.005

Published
04-22-2019