Mikrobiologie 11.06.2024, 11:12 Uhr

Recycling Seltener Erden funktioniert mit Bakterien besonders gut

Zwei österreichische Forschungsteams beschäftigen sich mit dem Recycling Seltener Erden. Mit Hilfe von Bakterien erreichten sie im Labor eine Recyclingquote von 85%.

Elektroschrott

In Elektroschrott, insbesondere aber auch in E-Autos oder Windrädern, sind häufig Seltene Erden verborgen. Das Recycling ist dabei eine große Herausforderung.

Foto: PantherMedia / thierrydu47

Eine Forschungskooperation zwischen BOKU Tulln und der IMC University of Applied Sciences Krems nutzt fortschrittliche Techniken der Biolaugung und Bioakkumulation, um ein zweistufiges, umweltfreundliches und nachhaltiges Verfahren zur Rückgewinnung Seltener Erden zu entwickeln. In diesem Prozess spielen Bakterien eine entscheidende Rolle. Im Bioakkumulationsschritt konnten bis zu 85% der Metalle aus Elektronikschrott zurückgewonnen werden. Der Erfolg beruht auf der effektiven Kombination biotechnologischer Verfahren.

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Umweltfreundliche Recyclingmethode gesucht

Die stark gestiegene Nachfrage nach Elektronik in den letzten Jahren, insbesondere in Mobiltelefonen, Elektrofahrzeugen und Computern, hat zu einer Zunahme von Abfällen mit seltenen Erden geführt. Trotz ihres Werts landen die meisten dieser Abfälle ungenutzt auf Deponien. Seltene Erden sind wichtige Rohstoffe und werden von der EU als kritisch eingestuft. Daher intensiviert sich die Forschung an effizienten Methoden zur Rückgewinnung dieser wertvollen Materialien.

Laut einer Pressemitteilung der Leibnitz-Gemeinschaft werden derzeit nur etwa 1% der Seltenen Erden recycelt, da es weltweit keine Strategien oder Programme dafür gibt. Hinzu kommt, dass viele Geräte, die Seltene Erden in relativ hohen Konzentrationen enthalten, noch in Gebrauch sind. Beispiele sind Batterien für Elektroautos oder Magnete in Windkraftanlagen. Irgendwann aber werden diese Geräte das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben. Dann gilt es, vorbereitet zu sein und Lösungen parat zu haben. Eine umweltfreundliche Lösung könnte die Mikrobiologie bieten.

Liste der Seltenen Erden
     
Scandium (Sc) Samarium (Sm) Holmium (Ho)
Lanthan (La) Europium (Eu) Erbium (Er)
Cer (Ce) Ytrium (Y) Thulium (Tm)
Praseodym (Pr) Gadolinium (Gd) Ytterbium (Yb)
Neodym (Nd) Terbium (Tb) Luteium (Lu)
Promethium (Pm) Dysprosium (Dy)

Mikrobiologie als Lösung?

Die mikrobiologischen Verfahren der Biolaugung und Bioakkumulation bieten im Vergleich zu herkömmlichen Methoden eine vielversprechende „grüne“ Alternative zur Rückgewinnung kritischer Rohstoffe aus Elektronikschrott. So das Forschungsteam in einer Pressemitteilung. Diese Techniken seien kostengünstig, erzeugen keine gefährlichen oder umweltschädlichen Abfälle und verbrauchen weniger Energie.

Die Methoden basieren auf der Fähigkeit bestimmter Mikroorganismen, Säuren zu produzieren, die Metalle wie Eisen, Kupfer oder Aluminium aus dem Elektronikschrott herauslösen können. Diese Metalle würden bei der anschließenden Bioakkumulation die Aufnahme der wertvollen Seltenen Erden stören.

Die BOKU Tulln und die IMC Fachhochschule Krems forschen bereits seit einiger Zeit an diesen Verfahren. Durch die Kooperation der beiden Forschungsteams bündeln sie ihre Expertisen und verfolgen gemeinsam das Ziel, diese nachhaltigen Technologien weiterzuentwickeln.

Mikroben im Training: „Von nichts kommt nichts“

Neben den Forscherinnen und Forschern spielten in der aktuellen Studie, die zur gemeinsamen Technologie führte, Bakterien verschiedener Arten eine entscheidende Rolle beim Biolaugungsprozess. Mikroben wie Acidithiobacillus thiooxidans und Alicyclobacillus disulfidooxidans, ursprünglich aus einem sauren Bergbausee in Tschechien (pH 2,6), wurden im Labor kultiviert und gemischt. Diese säureliebenden und chemolithotrophen Organismen gedeihen in saurer Umgebung und gewinnen ihre Energie durch die Oxidation von anorganischen Verbindungen.

Für die Bioakkumulation erwies sich Escherichia coli, das bekannte Darmbakterium, als besonders effektiv. Es konnte sich als erfolgreichster Anreicherer von seltenen Erden durchsetzen.

Herausforderungen in der Praxis

Die Rückgewinnung seltener Erden aus Elektronikschrott stellt vor allem wegen des hohen Gehalts an Metallen wie Eisen, Kupfer und Aluminium eine Herausforderung dar. Diese Metalle stören den biotechnologischen Prozess erheblich. Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher eine innovative Methode entwickelt – das „Training“ der Mikroben.

Mit einem am IST-Klosterneuburg entwickelten Gerät namens Morbidostat gewöhnen sie die Mikroorganismen schrittweise an höhere Metallkonzentrationen. Dabei gehen sie besonders behutsam vor, um sicherzustellen, dass die Mikroben ihre Fähigkeit zur Anreicherung der wertvollen seltenen Erden nicht verlieren.

Biotechnologische Verfahren mit klaren Vorteilen

Aktuelle Methoden zur Gewinnung seltener Erden basieren auf chemischen Verfahren, die oft umweltschädliche Nebenprodukte erzeugen und neue Problemstoffe generieren. Im Gegensatz dazu bieten biotechnologische Verfahren klare Vorteile, davon ist das Forschungsteam komplett überzeugt. Sowohl die Laugung als auch die Akkumulation in Bakterienzellen sind umweltfreundlich und nachhaltig, ohne gefährliche oder umweltschädliche Stoffe zu produzieren.

Trotz dieser Vorteile sind weitere Forschungsarbeiten notwendig. Die großen Unterschiede in der Zusammensetzung von Elektroschrott stellen eine Herausforderung dar. Auch bei Schwankungen der Konzentration störender Metalle wie Aluminium, Eisen oder Kupfer muss die Technologie zuverlässig und reproduzierbar funktionieren.

Mehrere Strategien sollen zum Erfolg führen

Die Forschenden von BOKU und IMC Krems setzen auf mehrere Strategien, um die Rückgewinnung seltener Erden zu optimieren. Eine wichtige Methode besteht darin, Bakterien, die für Biolaugung und Bioakkumulation verantwortlich sind, an hohe Konzentrationen störender Metalle zu gewöhnen. Dies erreichen sie mit einem System namens Morbidostat. Hierbei werden die Mikroorganismen allmählich steigenden Konzentrationen von Störmetallen ausgesetzt, bis sie sich anpassen und weiter wachsen.

Parallel dazu testen die Wissenschaftler Systeme, die die Konzentration der störenden Metalle reduzieren können. Ein vielversprechendes Material sind Ligninhydrogele, die an der BOKU entwickelt wurden. Durch die Kombination dieser Strategien wollen die Forscher die Effizienz und Nachhaltigkeit der Biolaugung und Bioakkumulation verbessern. Ihr Ziel ist es, eine neue, umweltfreundliche Methode für das Recycling seltener Erden zu entwickeln.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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