Wie Bakterien die Ausbeute von Metallen im Bergbau steigern
Mithilfe von Bakterien die Ausbeute von Metallen aus Lagerstätten zu steigern, daran arbeitet ein Forschungsteam am Fraunhofer FEP in Dresden. Es hat dafür ein neues Verfahren entwickelt, bei dem es auch Elektronenstrahlen einsetzt.
Foto: Fraunhofer FEP
Von Bettina Reckter
Um bestimmte Metalle aus Erzen zu gewinnen, setzt man zum Teil auch Biolaugung ein, bei der Mikroorganismen helfen, Mineralien aus dem Gestein zu lösen. Die Ausbeute lässt sich dabei mit speziellen Verfahren, die auf Elektronenstrahltechnologie basieren, sogar noch steigern. Dazu forscht die Fraunhofer-Gesellschaft im Projekt „BioIntElekt“ (Entwicklung einer innovativen Bioreaktorkleinanlage mit integrierter niederenergetischer Elektronenstrahlquelle als Demonstrator).
Erste Erfolge konnte nun ein neues Verfahren verbuchen, das am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP entwickelt wurde. Die Forschenden stellen es auch auf der Fachmesse Achema 2022 vor, die vom 22. bis 26. August 2022 in Frankfurt/Main stattfindet.
Metallgewinnung durch Bakterien im Bergbau läuft auch auf natürlichem Wege ab
Ressourcenschonung und Recycling genügen nicht, um den Bedarf weltweit an Rohstoffen zu decken. Auch die Erzlaugung oder Biolaugung trägt ihren Teil dazu bei, dass mehr Schwermetalle aus ihren Erzen gewonnen werden können – mithilfe von Mikroorganismen. Bereits seit Mitte des 18. Jahrhunderts sind Verfahren bekannt, bei denen Kupfer etwa aus der riesigen Lagerstätte am Rio Tinto in Südspanien durch mikrobiologische Prozesse gelaugt werden. Hier allerdings läuft der Prozess auf natürlichem Wege und unkontrolliert ab.
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In der Großproduktion findet Biolaugung von Kupfer meist durch sogenannte Perkolation in Halden statt. Dabei durchfließt eine Flüssigkeit wie Wasser ein festes Substrat und löst oder fällt Mineralien aus. Zuvor wird das Material auf eine Partikelgröße von etwa 1 cm zerkleinert. Per Tropfbewässerung oder Berieselung wird verdünnte Schwefelsäurelösung zugeführt – und zwar so oft, bis die gewünschte Kupferextraktion und -konzentration erreicht ist. Dieser Prozess dauert zuweilen mehrere Monate.
Steigerung der Ausbeute bei Metallen um 10 % möglich
Um die Erzlaugung aus Abraumhalden und Abfällen mithilfe von Kleinstlebewesen zu beschleunigen und effektiver zu gestalten, wurde am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP ein interdisziplinäres Konsortium gebildet.
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„Wir arbeiten aktuell an einem Labordemonstrator für die direkte Elektronenbehandlung von Flüssigkeiten in einem Bioreaktor“, sagt Simone Schopf, Leiterin „Biotechnologische Prozesse“ am 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 ca. 10 % höhere Ausbeute. Die Technologie soll speziell für den Einsatz im Life-Science-Bereich und der Umwelttechnik entwickelt werden.“
Miniaturisierung des Elektronenbandstrahlers ist eine Herausforderung
Doch ein Problem bisher war, die eingesetzten Elektronenbandstrahler so zu miniaturisieren, dass sie geeignet sind für die Schnittstelle zum mit den Mikroorganismen besiedelten Bioreaktor. Wenn es gelingt, die Elektronen direkt und gezielt in die Flüssigkeit einzubringen, würden dadurch die Energieverluste reduziert und Kühleffekte der Flüssigkeit genutzt werden können. „Das Fraunhofer FEP schließt nun eine technologische Lücke bei der Elektronenbehandlung von Flüssigkeiten: mit einer kostengünstigen, miniaturisierten Elektronenstrahlquelle (Niederenergie-Elektronenstrahler), die in einen gerührten Bioreaktor integriert ist, in dem sich entsprechende Mikroorganismen befinden“, sagt FEP-Mitarbeiter Michiel Top.
Der Fokus des Fraunhofer-Teams liegt derzeit auf der Biolaugung zur Rohstoffgewinnung oder als Recyclingverfahren. Das Verfahren eignet sich aber auch zur Abwasserbehandlung, für Sterilisationsaufgaben sowie für Einsätze in der Lebensmittelindustrie und pharmazeutischen Industrie – und auch zur biotechnologischen Produktion von Naturstoffen oder von „grünem“ Wasserstoff.
