Geobiotechnologie: Innovative Verfahren zur Gewinnung Seltener Erden und anderer Wertmetalle aus hochverdünnten Lösungen durch mikroalgenbasierte Bioadsorption Dr. Anna Maria Becker Prof. Dr. Rainer Buchholz Marcus Heilmann, M. Sc. Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Rainer.buchholz@fau.de Prof. Dr. Thomas Brück Fachgebiet Industrielle Biokatalyse Technische Universität München brueck@tum.de Ressourcenstrategie für Bayern unter besonderer Berücksichtigung von Sekundärrohstoffen (ForCycle) - Augsburg - 03.12.2014 finanziert durch Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz
Zusammenfassung Themenstellung Metalle der Seltenen Erden (bzw. engl. rare earth elements, REE) sind sehr wichtige Rohstoffe der aktuellen Hochtechnologie. Ohne sie sind die Hochleistungsdatenübertragung, die Kommunikation über Smartphones, die Hybridautomobiltechnik und vor allem die alternative Energieversorgung kaum denkbar. Fast alle Strategien zur Modernisierung unserer Technik sind von diesen Rohstoffen abhängig. Dem steht eine Versorgungseinschränkung gegenüber, die sich u. a. auch auf die umwelttechnologische Entwicklung in Bayern auswirken könnte. Zwar sind Seltene Erden nicht wirklich selten, sie sind aber so gleichmäßig in der Lithosphäre verteilt, dass sie nur sehr selten in konzentrierter Form abgebaut werden können. Von den jährlich 130.000 Tonnen global produzierten REE werden 97 % vom Monopollieferanten China bereitgestellt. Es wird befürchtet, dass die Umwelt dabei massiv geschädigt wird. Da die neue Erschließung von Vorkommen extrem kostenintensiv ist, besteht ein hohes Interesse umweltschonende Prozesse zu entwickeln, um geringe REE Konzentrationen aufzukonzentrieren. Mikroalgen sind phototrophe Organismen, die Sonnenlicht als Energiequelle und CO 2 aus Industrieabgasen als Kohlenstoffquelle zum Wachsen nutzen können und oft sehr interessante Inhaltsstoffe besitzen. Deshalb werden sie gerne auf dem Gebiet der weißen Biotechnologie als Bioreaktoren angesehen, mit denen wertvolle Produkte der chemischen und pharmazeutischen Industrie kostengünstig und umweltschonend hergestellt werden können. Letztlich bleibt bei solchen Prozessen dann ein Biomasserest übrig, der meistens zu Dünger oder Energie umgesetzt wird und sich möglicherweise deutlich sinnvoller einsetzen lässt. 27.01.2015 Anna Becker ForCycle 2
Zusammenfassung Ziel des Projektes Unabhängig davon, ob es um Recycling geht oder um die Nutzung von Haldengestein, um Laugen aus dem Bergbau oder aus Deponien - um REE zu gewinnen müssen geringe Konzentrationen hoch angereichert werden. Schon seit mehr als 10 Jahren liegen Ergebnisse vor, die demonstrieren, dass Mikroalgen Schwermetalle binden und in metallischer Form abscheiden können. Über den Mechanismus ist bisher nur wenig bekannt. Bei diesen Adsorptionsvorgängen ist eine gewisse Selektivität bezüglich der Metalle zu beobachten. Ziel des Projekts ist es deshalb, Algenspezies zu identifizieren, die REE-Spezies in hochverdünnten Lösungen binden und anreichern. Dieses biotechnologische Adsorbermaterial lässt sich als erneuerbarer Rohstoff leicht produzieren, ist umweltfreundlich und könnte vor der Adsorption möglicherweise sogar noch wertvolle Produkte liefern. Durch Kartuschen mit dem Bio-Material würden Laugen bzw. wässrige Lösungen mit REE-Metallen geleitet, um die Metallionen binden zu können. Die adsorbierten Metalle können prinzipiell durch Verbrennen der Biomasse isoliert werden, so dass selbst die Energiegewinnung noch berücksichtigt würde. Die so biotechnologisch aufkonzentrierten Metalle bzw. Metallgemische können nachfolgend mit klassischen metallurgischen Methoden aufgereinigt werden. 27.01.2015 Anna Becker ForCycle 3
Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik Gegründet im September 2002 Lehrstuhlinhaber Prof. Dr. Rainer Buchholz Fachgebiete: Zellkulturtechnik und Immobilisierung: Dr.-Ing. Holger Hübner Marine Biotechnologie : Dr.-Ing. Stephanie Stute Mikrobielle Verfahrenstechnik: Dr. Roman Breiter Bioanalytik: Dr. Anna Maria Becker Forschungskoordinator: Dr. Andreas Perlick Lehrstuhlverwaltung: 3 Wissenschaftliche Mitarbeiter: 17 Technische Assistentinnen: 5 Werkstatt: 4 Studenten: 19 Drittmittelprojekte: 12 27.01.2015 Anna Becker ForCycle 4
Fachgebiet Industrielle Biokatalyse Gegründet im Februar 2011 Lehrstuhlinhaber Prof. Dr. Thomas Brück Forschungsgebiete: Umwandlung von Biomasse in Plattform- und Spezialchemikalien Isolation, Charakterisierung und prozessnahe Optimierung von Enzymen synthetische Biologie z.b. maßgeschneiderter Ganzzellkatalysatoren Nutzung und Optimierung phototropher, aquatischer Organismen für industrielle Prozesse Projektmanager: Dr. Daniel Garbe, Dr. Farah Qoura, Dr. Norbert Mehlmer Lehrstuhlverwaltung: 1 Wissenschaftliche Mitarbeiter:25 Technische Assistentinnen: 4 Studenten: 12 Drittmittelprojekte: 8 27.01.2015 Anna Becker ForCycle 5
Einleitung Metalle der Seltenen Erden (REE) Seltene Erden engl. rare earth elements (REE) = Lanthanoide + Sc + Y REE sind nicht wirklich selten, nur sehr gleichmäßig verteilt Sehr ähnliche Eigenschaften treten meist zusammen auf und sind schwierig zu trennen Merck KGaA, Darmstadt Schwere Seltene Erden (HREE): Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu Leichte Seltene Erden (LRRE): Sc, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu Die glorreichen 17 Kommen sowohl als Metalle als auch Metalloxide vor wertvolle-erde.de 27.01.2015 Anna Becker ForCycle 6
Einleitung Warum Seltene Erden? Humphries M. Rare earth elements: The global supply chain, Congressional Research Service, June 8 (2012) Verwendung: Elektronikindustrie, Telekommunikation, Automobilindustrie, Umwelttechnik, Permanentmagnete, Polituren, UV-Sperrgläser, Leuchtmittel, Plasmabildschirme, Laser, Kontrastmittel NMR, Glasfaserkabel, Auto-Hybridmotoren, Katalysatoren, Batterien/Akkus, usw. sueddeutsche.de msr.uni-bremen.de mobilegeeks.de rareearth-permanent-magnet.com letzterstand.de 27.01.2015 Anna Becker ForCycle 7
Einleitung Vorkommen und Produktion Ressourcen und Reserven: Abbau (in Tonnen/Jahr): Preisentwicklung (US-$/kg) : Infografik: Harald Blanck; Stern Quellen: Lynas Corporation, BGR, stern-recherche Abbau (in Prozent): 27.01.2015 Anna Becker ForCycle 8
Einleitung Mikroalgen Derzeit 40.000 bis 60.000 Arten von Mikroalgen beschrieben Algen = Phototrophe Spezies [a] CO 2 + [b] Nährstoffe (N, P, K) + Licht [c] O 2 + Biomasse Etwa 3 bis 10 µm groß Verglichen mit Landpflanzen haben Mikroalgen eine 5-10 mal höhere Produktivität Am häufigsten kultiviert: Spirulina 3.000 t Chlorella 2.000 t Dunaliella 1.200 t Nostoc 600 t Trockengewicht pro Jahr Multitalente Quelle von vielen interessanten Stoffen algenbioreaktor.de vitagreen.de michaelssuperfoods.blogspot.com Spirulina Chlorella Dunaliella Nostoc marilyncheung.blogspot.com harmonicarts.ca harmonicarts.ca algalweb.net 27.01.2015 Anna Becker ForCycle 9
Ziel Ziele des Projekts Entwicklung neuer Mikroalgen-basierter Verfahren zur ökonomischen und ökologischen Gewinnung Seltener Erden und anderer Wertmetallen Quellen: Brunnen zur Grundwasserabsenkung und Trockenlegung von Minen Wikipedia Wikipedia Sickerwässer aus Abraumhalden und Prozesswässer Referat für Gesundheit und Umwelt der Stadt München Prozesswässer der Nutzung hydrothermaler Geothermie REE 27.01.2015 Anna Becker ForCycle 10
P,0otenzial Recycling - Potenzial Nasschemische Behandlung von Elektronikschrott zur Gewinnung Seltener Erden Umweltschonende Verbesserung der Versorgung mit Seltenen Erden Nutzung von Restbiomasse aus biotechnologischen Produktionsprozessen mit Mikroalgen Effiziente Verwertung der Biomasse durch Kraft-Wärme-gekoppeltes Verbrennungsverfahren Spiegel Spiegel 27.01.2015 Anna Becker ForCycle 11
Grundlagen Algen als Sorbent Mikroalgen sind befähigt zur Sorption von Metallen Sorption von REE durch Makroalgen Wilke, A., Dissertation (2001) Berlin Absorption and Adsorption of Heavy Metals by Microalgae Drora Kaplan: bashanfoundation.org/drora/droraabsorption.pdf Vijayaraghavan K., Sathishkumar M., Balasubramanian Interaction of rare earth elements with brown marine alga in multi-component solutions. Desalination 256, (2011), 54-59 27.01.2015 Anna Becker ForCycle 12
Vorgehen Arbeitsprogramm Molekulare Mechanismen der REE- Anreicherung Proteomik IBK IBK, BVT In-vivo Screening IBK IBK Etablierung des Screening Assays IBK, BVT Modelproben Algen- Screening auf Anreicherung der REE IBK, BVT Einfache Lösungen Adsorptionsisothermen Wachstumsoptimierung Algen- Stammsammlungen Algen- Selektion IBK, BVT Prototyp des Festbettreaktors IBK, BVT 27.01.2015 Anna Becker ForCycle 13 BVT BVT
Kooperationen Kooperationen G.E.O.S. Ingenieurgesellschaft mbh, Berlin Ines Schuldt SEC Schön Energie Consulting, München Albert U. Schön optional: Wissenschaftlich-analytisches Zentrum Biomedpreparat GmbH, Republik Kasachstan Seltene Erden sind das Öl der Zukunft finanziert durch Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz 27.01.2015 Anna Becker ForCycle 14