Quelle: Newscenter

Seltenerdelemente(REEs) mögenLanthanUndNeodymsind wesentliche Bestandteile moderner Elektronik, von Mobiltelefonen und Solarpaneelen bis hin zu Satelliten und Elektrofahrzeugen. Diese Schwermetalle kommen überall um uns herum vor, wenn auch in winzigen Mengen. Doch die Nachfrage steigt weiter und da sie in so geringen Konzentrationen vorkommen, können herkömmliche Methoden zur Gewinnung REEs ineffizient, umweltschädlich und schädlich für die Gesundheit der Arbeitnehmer sein.

Jetzt entwickeln Forscher der San Diego State University mit der Finanzierung des Environmental Microbes as a BioEngineering Resource (EMBER)-Programms der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) fortschrittliche Extraktionsmethoden mit dem Ziel, die inländische Versorgung mit REEs zu steigern.

„Wir versuchen, ein neues Verfahren zur Wiederherstellung zu entwickeln, das umweltfreundlicher und nachhaltiger ist“, sagte die Biologin und Hauptforscherin Marina Kalyuzhnaya.

Zu diesem Zweck werden die Forscher die natürliche Neigung methanfressender Bakterien nutzen, die unter extremen Bedingungen leben, REEs aus der Umwelt zu fangen.

„Sie benötigen Seltenerdelemente, um eine der wichtigsten enzymatischen Reaktionen in ihren Stoffwechselwegen durchzuführen“, sagte Kalyuzhnaya.

REEs umfassen die vielen Lanthanoidelemente des Periodensystems. In Zusammenarbeit mit der University of California, Berkeley und dem Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) planen die SDSU-Forscher, die biologischen Prozesse zurückzuentwickeln, die es den Bakterien ermöglichen, die Metalle aus der Umwelt zu gewinnen. Das Verständnis dieses Prozesses wird die Entwicklung synthetischer Designerproteine ​​beeinflussen, die sich mit hoher Spezifität an verschiedene Arten von Lanthanoiden binden, so der Biochemiker John Love. Das Team von PNNL wird die genetischen Determinanten der extremophilen und REE-akkumulierenden Bakterien identifizieren und anschließend ihre REE-Aufnahme charakterisieren.

Das Team werde dann die Bakterien so modifizieren, dass sie die metallbindenden Proteine ​​auf der Oberfläche ihrer Zellen produzieren, sagte Love.

REEs sind in Minenrückständen, den Abfallprodukten einiger Metallerze, wie etwa Aluminium, relativ häufig anzutreffen.

„Minenrückstände sind eigentlich Abfall, der noch viele nützliche Materialien enthält“, sagte Kalyuzhnaya.

Um die darin enthaltenen REEs zu reinigen und zu sammeln, werden diese Aufschlämmungen aus Wasser und zerkleinertem Gestein durch einen Biofilter geleitet, der die modifizierten Bakterien enthält, wodurch die Designerproteine ​​auf der Oberfläche der Bakterien selektiv an die REEs binden können. Wie die methanliebenden Bakterien, die ihnen als Vorlage dienten, tolerieren die verbesserten Bakterien extreme pH-Werte, Temperaturen und Salzgehalte, wie sie in den Minenrückständen herrschen.

Die Forscher werden mit einem Industriepartner, dem Palo Alto Research Center (PARC), einem Xerox-Unternehmen, zusammenarbeiten, um ein poröses, sorbierendes Material für den Einsatz im Biofilter bioprinting. Diese Bioprinting-Technologie ist kostengünstig und skalierbar und dürfte bei breiter Anwendung bei der Mineralgewinnung zu erheblichen Einsparungen führen.

Zusätzlich zum Testen und Optimieren des Biofilters muss das Team laut Umweltingenieurin Christy Dykstra auch Methoden zum Sammeln der gereinigten Lanthanide aus dem Biofilter selbst entwickeln. Die Forscher haben sich mit einem Startup-Unternehmen, Phoenix Tailings, zusammengetan, um den Wiederherstellungsprozess zu testen und zu verfeinern.

Da das Ziel darin besteht, ein kommerziell realisierbares, aber umweltfreundliches Verfahren zur Gewinnung REEs zu entwickeln, werden Dykstra und mehrere Projektpartner die Kosten des Systems im Vergleich zu anderen Technologien zur Rückgewinnung von Lanthaniden, aber auch die Auswirkungen auf die Umwelt analysieren.

„Wir gehen davon aus, dass es im Vergleich zu dem, was derzeit genutzt wird, viele Vorteile für die Umwelt und geringere Energiekosten mit sich bringen würde“, sagte Dykstra. „Ein solches System wäre eher ein passives Biofiltrationssystem mit weniger Energieaufwand. Und dann, theoretisch, weniger Einsatz von wirklich umweltschädlichen Lösungsmitteln und dergleichen. Bei vielen aktuellen Prozessen werden wirklich aggressive und nicht umweltfreundliche Lösungsmittel verwendet.“

Dykstra weist außerdem darauf hin, dass mikrobenbasierte Technologien sich selbst erneuern, da sich Bakterien selbst reproduzieren, „während wir, wenn wir eine chemische Methode verwenden würden, ständig immer mehr Chemikalien produzieren müssten.“

„Auch wenn es etwas mehr kostet, aber der Umwelt nicht schadet, wäre das sinnvoll“, sagte Kalyuzhnaya.

Ziel des von der DARPA finanzierten Projekts ist es, innerhalb von vier Jahren einen Proof-of-Concept der biobasierten REE-Rückgewinnungstechnologie zu liefern, was laut Kalyuzhnaya eine strategische Vision und eine interdisziplinäre Perspektive erfordert.

Sie fügte hinzu, dass das Projekt SDSU-Absolventen die Möglichkeit bieten wird, an multidisziplinärer Forschung teilzunehmen und zu sehen, wie Konzepte von einfachen Ideen bis hin zu Pilotdemonstrationen wachsen können.

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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 17. April 2023