22.07.2022

Effektive Metallgewinnung mit elektronenstimulierten Mikroorganismen

Anwendung der Elektronenstrahl-Technologie auf biotechnologische Prozesse.

Der sparsame Umgang mit Ressourcen, Recycling und die künftige Erschließung neuer Rohstoff­quellen sowie eine dafür umwelt­schonende und trotzdem bedarfs­orientierte Gewinnung von Metallen sind wichtige Themen, an denen Forscher weltweit arbeiten. Die Gewinnung von Schwer­metallen aus ihren Erzen durch Mikro­organismen nennt man mikro­bielle Erzlaugung oder Biolaugung. Spätestens seit Mitte des 18. Jahrhunderts wird beispiels­weise Kupfer aus der riesigen Lagerstätte am Rio Tinto in Südspanien durch mikro­biologische Prozesse gelaugt. Hier findet dieser Prozess auf natür­lichem Wege und unkontrolliert statt.

Abb.: Proben von mit einem Elek­tro­nen­strahl be­han­delten Bak­te­rien...
Abb.: Proben von mit einem Elek­tro­nen­strahl be­han­delten Bak­te­rien zur Kupfer­lau­gung. (Bild: Fh.-FEP)

Derzeit wird die Biolaugung von Kupfer in der Groß­produktion meist durch Perkolation in Halden durch­geführt. Das Mineral wird in zwei bis drei Zerkleinerungs­stufen auf eine Partikel­größe von etwa einem Zentimeter oder mehr zerkleinert. Verdünnte Schwefelsäure-Lösung wird über Tropf­bewässerung oder Berieselung auf das aufgehäufte Material aufgebracht und der Prozess so oft wiederholt, bis die gewünschte Kupfer­extraktion und -konzentration erreicht ist. Diese Laugungs­phase kann mehrere Monate andauern.

Um die mikrobielle Erzlaugung zu beschleunigen und effektiver zur Wieder­ge­winnung von Metallen aus Abraum­halden und Abfällen zu nutzen, hat sich am Fraunhofer-Institut für organische Elektronik, Elektronen­strahl- und Plasma­technik ein inter­diszi­plinäres Konsortium gebildet, in dem das jahr­zehnte­lang aufgebaute Know-how auf dem Gebiet der Elektronen­strahl­technologie für bio­techno­logische Prozesse angewandt wird.

„Wir arbeiten aktuell an einem Labor­demonstrator für die direkte Elektronen­behandlung von Flüssig­keiten in einem Bioreaktor“, erläutert Simone Schopf vom Fraunhofer-FEP. „In ersten Versuchen konnten wir parallel dazu an einer bestehenden Elektronen­strahl­anlage nachweisen, dass die Interaktion zwischen Elektronen und Bakterien zur Stimulation führen kann. So stimulieren wir in Vorversuchen mit niedrig dosierten Elektronen Bakterien und erreichen so eine um etwa zehn Prozent höhere Ausbeute. Die Technologie soll speziell für den Einsatz im Life-Science-Bereich und der Umwelt­technik entwickelt werden.“

Bisher erfolgt die Behandlung von Flüssig­keiten mit Elektronen nur als sehr dünner Film, um sie mit Elektronen­band­strahlern behandeln zu können. Die Herstellung solcher großen Elektronen­bandstrahler ist kein Problem. Die Heraus­forderungen bestehen in der Miniatu­ri­sierung der Elektronen­strahl­quelle, dem Design der Schnitt­stelle zum Bioreaktor. Durch direktes und gezieltes Einbringen der Elektronen in die Flüssigkeit sind die Energie­verluste jedoch gering und der Kühleffekt der Flüssigkeit kann vorteilhaft genutzt werden.

Im Moment liegt der Forschungs­fokus auf der Biolaugung zur Rohstoff­gewinnung oder als Recycling­verfahren. Die Wissen­schaftler versprechen sich neben dem Einsatz des Verfahrens zur mikro­biellen Erzlaugung auch Anwendungen bei der Abwasser­behandlung, bei Sterili­sations­aufgaben, in der Lebens­mittel­industrie und pharma­zeutischen Industrie. Interessant kann das Verfahren zukünftig auch zur bio­techno­logischen Produktion von Natur­stoffen oder auch „grünem“ Wasserstoff sein.

Fh.-FEP / RK

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