Eine Forschungskooperation zwischen der BOKU Tulln und der IMC Fachhochschule Krems entwickelt durch die Weiterentwicklung der Biolaugung und Bioakkumulation ein zweistufiges, umweltfreundliches und nachhaltiges Verfahren zur Rückgewinnung von Seltenen Erden (Seltene Erden).
Im Bioakkumulationsschritt konnten Metallrückgewinnungsraten von bis zu 85% aus Elektroschrott erreicht werden. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Kombination biotechnologischer Prozesse. Die vielversprechenden Grundlagen für diese derzeit in Entwicklung befindlichen Methoden wurden kürzlich in Grenzen der Mikrobiologie.
Der in den letzten Jahren stark gestiegene Bedarf an Elektronik, die in einer Vielzahl elektronischer Geräte wie Mobiltelefonen, Elektrofahrzeugen und Computern verwendet wird, hat zu einer Zunahme von Abfällen geführt, die Seltene Erden enthalten. Der Großteil dieser Abfälle landet noch immer ungenutzt auf Mülldeponien, obwohl Seltene Erden eine wichtige Rohstoffquelle darstellen und von der EU sogar als kritische Rohstoffe eingestuft wurden.
Aus diesem Grund wird intensiv an effizienten Rückgewinnungsmethoden geforscht. Im Vergleich zu anderen Methoden stellen die mikrobiologisch basierten Methoden der Biolaugung und Bioakkumulation eine vielversprechende grüne Alternativtechnologie zur Rückgewinnung kritischer Rohstoffe aus Elektroschrott dar. Sie ist kostengünstig, erzeugt keinen gefährlichen oder umweltschädlichen Sekundärmüll und verbraucht weniger Energie.
Die Grundprinzipien der Verfahren basieren auf der Produktion von Säuren durch bestimmte Mikroorganismen, die aus dem Elektroschrott bestimmte Metalle wie Eisen, Kupfer oder Aluminium herauslösen können. Diese Metalle stören den Aufnahmeprozess der wertvollen Seltenen Erden in der anschließenden Bioakkumulation. Beide Methoden werden von den beiden Partnern BOKU Tulln und IMC Fachhochschule Krems bereits seit längerem erforscht, nun haben sich die Forschungsteams in einer vielversprechenden Kooperation zusammengeschlossen und ihre Expertise gebündelt.
„Von nichts kommt nichts“: Training für Mikroben
Neben den Forschern waren an der aktuellen Studie eine Reihe weiterer wichtiger Akteure des Biolaugungsprozesses beteiligt, der in der gemeinsamen Technologie zusammengefasst ist: Bakterien verschiedener Arten. So wurden im Biolaugungsprozess beispielsweise Acidithiobacillus thiooxidans und Alicyclobacillus disulfidooxidans verwendet, die ursprünglich aus einem sauren Bergbausee (pH 2,6) in der Tschechischen Republik gesammelt und dann gemeinsam im Labor gezüchtet wurden. Diese acidophilen und chemolithotrophen Organismen gedeihen in sauren Umgebungen und beziehen ihre Energie aus der Oxidation anorganischer Verbindungen.
In Bezug auf die Bioakkumulation erwies sich das bekannte Darmbakterium Escherichia coli als der erfolgreichste Akkumulator Seltener Erden.
Die größte praktische Herausforderung für den Anreicherungsprozess zur Rückgewinnung Seltener Erden ist der hohe Gehalt anderer Metalle, die typischerweise im Elektroschrott vorkommen. Insbesondere Eisen, Kupfer und Aluminium stören den biotechnologischen Prozess. Um dieses Problem zu überwinden, haben sich die Forscher eine weitere innovative Möglichkeit ausgedacht: das „Training“ der Mikroben. Mit einem am IST-Klosterneuburg entwickelten Gerät namens Morbidostat werden die Organismen schrittweise an höhere Metallkonzentrationen gewöhnt. Der Bioakkumulationsprozess muss jedoch sorgfältig durchgeführt werden, damit die Organismen ihre Fähigkeit zur Anreicherung der wertvollen Substanzen nicht verlieren.
Effizienz in Etappen
Die derzeit eingesetzten Methoden zur Gewinnung Seltener Erden basieren auf chemischen Prozessen, die mit der Bildung umweltschädlicher Nebenprodukte und der Entstehung neuer Problemstoffe verbunden sind. Eine Kombination biotechnologischer Methoden hat gegenüber chemischen Verfahren klare Vorteile, da sowohl die Auslaugung als auch die Anreicherung in den Zellen der Bakterien umweltfreundlich und nachhaltig sind und in keinem Prozessschritt gefährliche oder umweltschädliche Stoffe entstehen.
Um die große Streuung in der Zusammensetzung des Elektroschrotts zu bewältigen, bedarf es allerdings noch weiterer Forschung. Denn auch wenn die Konzentration störender Metalle wie Aluminium, Eisen oder Kupfer verändert wird, muss die Technik so funktionieren, dass die Ergebnisse reproduzierbar und verlässlich sind.
Um dies zu erreichen, verfolgen die ForscherInnen an BOKU und IMC Krems mehrere Strategien. Eine weitere Strategie besteht darin, die für Biolaugung und Bioakkumulation verantwortlichen Bakterien an hohe Konzentrationen störender Metalle zu gewöhnen. Dies wird durch den Einsatz eines Systems namens Morbidostat ermöglicht. In diesem System werden die Mikroorganismen einer schrittweise steigenden Konzentration störender Metalle ausgesetzt. Dann warten die ForscherInnen, bis die Akkulturation erfolgt und die Organismen weiter zu wachsen beginnen.
Neben der Konditionierung der Mikroorganismen werden auch Systeme getestet, die eine Konzentrationsreduzierung störender Metalle bewirken können. Zu den untersuchten Materialien zählen unter anderem die an der BOKU entwickelten sogenannten Ligninhydrogele. Die Kombination dieser Strategien soll die Effizienz und Nachhaltigkeit der innovativen Kombination von Biolaugung und Bioakkumulation sicherstellen, um eine neue, umweltfreundliche Methode zum Recycling der knappen Seltenen Erden zu entwickeln.
Zur Verfügung gestellt von IMC Fachhochschule Krems