Gemeinsame Forschungen der BOKU Tulln und der IMC Fachhochschule Krems zeigen großes Potenzial in der Wertstoffrückgewinnung aus Elektroschrott. Im Labor wurde eine Rückgewinnung von bis zu 85 % der Seltenen Erden erreicht.
Entwicklung des Bioextraktions- und Bioakkumulationsprozesses
Die Zusammenarbeit zwischen der BOKU Tulln und der IMC Fachhochschule Krems ermöglichte die Entwicklung eines umweltfreundlichen und nachhaltigen zweistufigen Prozesses zur Rückgewinnung seltener Erden durch Verbesserung der Bioextraktion und Bioakkumulation. In der Bioakkumulationsstufe wurden Metallrückgewinnungsraten von bis zu 85 % aus Elektroschrott erreicht.
Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Kombination biotechnologischer Verfahren. Die vielversprechenden Grundlagen dieser derzeit in der Entwicklung befindlichen Methoden wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift veröffentlicht Grenzen in der Mikrobiologie.
Kontext und Bedarf
Die in den letzten Jahren stark gestiegene Nachfrage nach elektronischen Geräten, die in einer Vielzahl von Geräten wie Mobiltelefonen, Elektrofahrzeugen und Computern zum Einsatz kommen, hat die Menge an Abfällen, die seltene Erden enthalten, erhöht. Der Großteil dieser Abfälle landet noch immer ungenutzt auf Mülldeponien, obwohl seltene Erden eine wichtige Rohstoffquelle darstellen und von der Europäischen Union als kritische Rohstoffe eingestuft wurden.
Aus diesem Grund wird intensiv nach effizienten Wiederherstellungsmethoden geforscht. Im Vergleich zu anderen Methoden stellen mikrobiologiebasierte Methoden wie Bioextraktion und Bioakkumulation eine vielversprechende „grüne“ technologische Alternative zur Rückgewinnung kritischer Rohstoffe aus Elektroschrott dar. Sie sind kostengünstig, erzeugen keinen gefährlichen oder umweltschädlichen Sekundärmüll und verbrauchen weniger Energie.
Prozessgrundlagen
Die Grundprinzipien der Verfahren basieren auf der Produktion von Säuren durch bestimmte Mikroorganismen, die Metalle wie Eisen, Kupfer oder Aluminium aus Elektroschrott „auslaugen“ können. Diese Metalle stören den Aufnahmeprozess wertvoller Seltener Erden in der anschließenden Bioakkumulation. Beide Methoden werden seit einiger Zeit von den beiden Partnern BOKU Tulln und IMC Fachhochschule Krems erforscht und die Forschungsteams haben sich nun in einer vielversprechenden Zusammenarbeit zusammengeschlossen und ihre Expertise gebündelt.
„Vom Nichts kommt nichts“: Training für Mikroben
Neben den Forschern waren an der aktuellen Studie weitere Schlüsselakteure des Bioextraktionsprozesses beteiligt, die in der gemeinsamen Technologie zusammengefasst sind: Bakterien verschiedener Arten. Zum Beispiel verwendeten sie Acidithiobacillus thiooxidans Und Alicyclobacillus disulfidooxidansdie ursprünglich aus einem sauren (pH 2,6) Bergbausee in der Tschechischen Republik gesammelt und dann im Labor zusammengewachsen wurden.
Diese azidophilen und chemolithotrophen Organismen gedeihen in sauren Umgebungen und gewinnen ihre Energie aus der Oxidation anorganischer Verbindungen. Was die Bioakkumulation betrifft, Escherichia coliAls erfolgreichster Akkumulator seltener Erden erwiesen sich die bekannten Darmbakterien.
Praktische Herausforderungen und innovative Lösungen
Die größte praktische Herausforderung für den Anreicherungsprozess zur Rückgewinnung seltener Erden ist der hohe Gehalt an anderen Metallen, die typischerweise in Elektroschrott vorkommen. Insbesondere Eisen, Kupfer und Aluminium stören den biotechnologischen Prozess. Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forscher eine weitere innovative Möglichkeit: das „Training“ der Mikroben. Mit einem am IST-Klosterneuburg entwickelten Gerät namens Morbidostat gewöhnen sich Organismen nach und nach an höhere Metallkonzentrationen. Der Bioakkumulationsprozess muss jedoch sorgfältig durchgeführt werden, damit Organismen nicht ihre Fähigkeit verlieren, wertvolle Substanzen anzusammeln.
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 klare Vorteile gegenüber chemischen Methoden, da sowohl die Auswaschung als auch die Anreicherung in Bakterienzellen umweltfreundlich und nachhaltig sind und in keiner Phase des Prozesses gefährliche Stoffe oder Schadstoffe entstehen. Es bedarf jedoch weiterer Forschung, um die großen Unterschiede in der Zusammensetzung von Elektroschrott zu überwinden. Auch wenn sich die Konzentration von Störmetallen wie Aluminium, Eisen oder Kupfer ändert, muss die Technologie so funktionieren, dass die Ergebnisse reproduzierbar und zuverlässig sind. Forscher der BOKU und der IMC Krems verfolgen dazu mehrere Strategien. Eine andere Strategie besteht darin, die für die Bioextraktion und Bioakkumulation verantwortlichen Bakterien an hohe Konzentrationen störender Metalle zu gewöhnen. Dies ist mit einem System namens Morbidostat möglich. In diesem System werden Mikroorganismen einer allmählich steigenden Konzentration störender Metalle ausgesetzt und warten dann, bis die Akkulturation erfolgt und die Organismen zu wachsen beginnen.
Komplementäre Systeme und Zukunftsforschung
Neben der Konditionierung von Mikroorganismen werden Systeme getestet, die eine Reduzierung der Konzentration störender Metalle bewirken können. Zu den untersuchten Materialien gehören sogenannte Lignin-Hydrogele, die an der BOKU entwickelt wurden. Die Kombination dieser Strategien zielt darauf ab, die Effizienz und Nachhaltigkeit der innovativen Kombination von Bioextraktion und Bioakkumulation sicherzustellen, um eine neue ökologische Methode zum Recycling seltener Seltenerdelemente zu entwickeln.
Gemeinsame Forschungen der BOKU Tulln und der IMC Fachhochschule Krems haben großes Potenzial bei der Rückgewinnung seltener Erden aus Elektroschrott mithilfe fortschrittlicher biotechnologischer Verfahren aufgezeigt. Mit einer Rückgewinnungsrate von bis zu 85 % und dem Fehlen gefährlicher Abfälle stellt dieser Ansatz eine nachhaltige und wirksame Alternative zu herkömmlichen chemischen Methoden dar.
BMI Krems
Im Herzen des Landes Niederösterreich gelegen, setzt sich die IMC Krems für die Förderung von Internationalisierung, praxisnaher Ausbildung und Innovation ein. Mit mehr als 160 Partneruniversitäten, mehr als 1.000 Partnerunternehmen weltweit und mehr als 3.000 Studierenden aus 90 Ländern an zwei Standorten in Österreich bietet die IMC Krems 27 Voll- und berufsbegleitende Bachelor- und Masterstudiengänge sowie vier Weiterbildungsstudiengänge an Themenbereiche Wirtschaft, Digitalisierung und Ingenieurwesen, Gesundheitswissenschaften und Lebenswissenschaften.
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