Faszination Technik Wie Bakterien Seltene Erden aus Elektronikschrott zurückgewinnen

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie biologische Verfahren Seltene Erden effizient aus Elektronikschrott recyclen.

Im Rahmen eines aktuellen Forschungsprojektes arbeiten Forscher der Boku Tulln und der IMC University of Applied Sciences Krems an einem verbesserten Recyclingverfahren für Seltene Erden: Sie nutzen die Weiterentwicklung von Biolaugung und Bioakkumulation für die Entwicklung eines zweistufigen, umweltfreundlichen und nachhaltigen Verfahrens für die Rückgewinnung der Seltenen Erden aus Elektronikschrott. Im Labor wurden bereits Metallrückgewinnungsraten bis zu 85 Prozent erzielt. Der Schlüssel zum Erfolg liegt den Forschern zufolge in der Kombination der biotechnologischen Verfahren.

Die in den letzten Jahren stark gestiegene Nachfrage nach Elektronik, die in einer Vielzahl von elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen, Elektrofahrzeugen und Computern, Verwendung finden, hat zu einer Zunahme von Abfällen geführt, die Seltene Erden enthalten. Der Großteil landet immer noch ungenutzt auf Deponien, obwohl Seltene Erden eine wichtige Rohstoffquelle sind und von der EU sogar als kritische Rohstoffe klassifiziert wurden. Aus diesem Grund wird intensiv an effizienten Methoden zur Rückgewinnung geforscht.

Grüne Alternative zu chemischen Verfahren

Im Vergleich zu anderen Methoden stellen die auf Mikrobiologie basierenden Methoden Biolaugung und Bioakkumulation eine vielversprechende „grüne“ alternative Technologie zur Rückgewinnung kritischer Rohstoffe aus Elektronikschrott dar. Sie ist kosteneffektiv, erzeugt keine gefährlichen oder umweltschädlichen Folgeabfälle und verbraucht weniger Energie. Die grundlegenden Prinzipien der Methoden beruhen auf der Säureproduktion durch bestimmte Mikroorganismen, die Metalle wie Eisen, Kupfer oder Aluminium aus dem Elektronikschrott „laugen“ können. Diese Metalle stören den Aufnahmeprozess der wertvollen Seltenen Erden in der darauffolgenden Bioakkumulation.

• Für die biologische Laugung werden zum Beispiel Acidithiobacillus thiooxidans und Alicyclobacillus disulfidooxidans verwendet, die ursprünglich aus einem sauren Bergbausee (pH 2,6) in Tschechien stammten und dann im Labor gemischt kultiviert wurden. Diese acidophilen und chemolithotrophen Organismen gedeihen hervorragend in saurer Umgebung und beziehen ihre Energie aus der Oxidation von anorganischen Verbindungen.

• Für die Bioakkumulation konnte sich Escherichia coli, das allseits bekannte Darmbakterium, als erfolgreichster Anreicherer von Seltenen Erden durchsetzen.

Faszination Technik

Wie Molke Elektroschrott Gold entzieht

Mikroben werden trainiert

Die Herausforderung in der Praxis besteht für das Anreicherungsverfahren, mit dem Seltene Erden zurückgewonnen werden können, vor allem im dem hohen Gehalt anderer für Elektroschrott typischer Metalle – speziell Eisen, Kupfer und Aluminium stören den biotechnologischen Prozess. Um dieses Problem zu lösen, trainieren die Forscher die Mikroben: Mit Hilfe eines am IST-Klosterneuburg entwickelten Gerätes namens Morbidostat, werden die Organismen schrittweise an höhere Metallkonzentrationen gewöhnt. Dabei muss aber speziell für die Bioakkumulation behutsam vorgegangen werden, damit die Organismen nicht ihre Fähigkeit zur Anreicherung der Wertstoffe verlieren.

Herausforderung: Prozess trotz Störmetallen beherrschbar machen

Die aktuell angewandten Methoden zur Gewinnung Seltener Erden basieren auf chemischen Verfahren, die mit der Entstehung umweltschädlicher Nebenprodukte und der Generierung neuer Problemstoffe einhergehen. Eine Kombination biotechnologischer Verfahren weist gegenüber chemischen Methoden klare Vorteile auf, da sowohl die Laugung als auch die Akkumulation in den Zellen der Bakterien umweltfreundlich und nachhaltig sind und in keiner Phase des Prozesses gefährliche oder umweltschädliche Stoffe entstehen.

Allerdings sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um die großen Unterschiede in der Zusammensetzung von Elektroschrott zu überwinden. Auch bei einer Veränderung der Konzentration von störenden Metallen muss die Technologie so funktionieren, dass die Ergebnisse reproduzierbar und zuverlässig sind.

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