bron:nieuwscentrum

Zeldzame aardelementen(REE's) zoalslanthaanEnneodymiumzijn essentiële componenten van moderne elektronica, van mobiele telefoons en zonnepanelen tot satellieten en elektrische voertuigen. Deze zware metalen komen overal om ons heen voor, zij het in kleine hoeveelheden. Maar de vraag blijft stijgen en omdat ze in zulke lage concentraties voorkomen, kunnen traditionele methoden voor de winning van REE’s inefficiënt, milieuvervuilend en schadelijk voor de gezondheid van werknemers zijn.

Nu, met financiering van het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Environmental Microbes as a BioEngineering Resource (EMBER) programma, ontwikkelen onderzoekers van de San Diego State University geavanceerde extractiemethoden met als doel het binnenlandse aanbod van REE's te vergroten.

“We proberen een nieuwe procedure voor herstel te ontwikkelen die milieuvriendelijker en duurzamer is”, zegt bioloog en hoofdonderzoeker Marina Kalyuzhnaya.

Om dit te doen, zullen de onderzoekers gebruik maken van de natuurlijke neiging van methaanconsumerende bacteriën die in extreme omstandigheden leven om REE’s uit de omgeving op te vangen.

“Ze hebben zeldzame aardmetalen nodig om een ​​van de belangrijkste enzymatische reacties in hun metabolische routes uit te voeren”, zegt Kalyuzhnaya.

REE's omvatten de vele lanthanide-elementen van het periodiek systeem. In samenwerking met de University of California, Berkeley en Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) zijn de SDSU-onderzoekers van plan om de biologische processen die het mogelijk maken dat de bacteriën de metalen uit de omgeving kunnen oogsten, reverse-engineeren. Het begrijpen van dit proces zal volgens biochemicus John Love de basis vormen voor de creatie van synthetische designereiwitten die zich met hoge specificiteit binden aan verschillende soorten lanthaniden. Het team van PNNL zal de genetische determinanten van de extremofiele en REE-accumulerende bacteriën identificeren en vervolgens hun REE-opname karakteriseren.

Het team zal vervolgens de bacteriën aanpassen om de metaalbindende eiwitten op het oppervlak van hun cellen te produceren, zei Love.

REE's komen relatief veel voor in mijnafval, de afvalproducten van sommige metaalertsen, zoals aluminium.

“Mijnafval is eigenlijk afval dat nog steeds veel nuttige materialen bevat”, zegt Kalyuzhnaya.

Om de REE's binnenin te zuiveren en te verzamelen, zullen deze slurries van water en gebroken gesteente door een biofilter worden geleid dat de gemodificeerde bacteriën bevat, waardoor de designereiwitten op het oppervlak van de bacteriën selectief aan de REE's kunnen binden. Net als de methaanminnende bacteriën die als sjabloon dienden, tolereren de verbeterde bacteriën extreme pH-, temperatuur- en zoutgehalten, omstandigheden die voorkomen in de mijnresiduen.

De onderzoekers zullen samenwerken met een industriële partner, Palo Alto Research Center (PARC), een Xerox-bedrijf, om een ​​poreus, absorberend materiaal te bioprinten voor gebruik in het biofilter. Deze bioprinttechnologie is goedkoop en schaalbaar en zal naar verwachting aanzienlijke besparingen opleveren wanneer deze breed wordt toegepast op de winning van mineralen.

Naast het testen en optimaliseren van het biofilter zal het team ook methoden moeten ontwikkelen om de gezuiverde lanthaniden uit het biofilter zelf te verzamelen, aldus milieuingenieur Christy Dykstra. De onderzoekers werken samen met een startend bedrijf, Phoenix Tailings, om het herstelproces te testen en te verfijnen.

Omdat het doel is om een ​​commercieel levensvatbaar maar milieuvriendelijk proces voor de winning van REE's te ontwikkelen, zullen Dykstra en een aantal projectpartners de kosten van het systeem analyseren in vergelijking met andere technologieën voor het terugwinnen van lanthaniden, maar ook de impact op het milieu.

“We verwachten dat het veel voordelen voor het milieu zou hebben en lagere energiekosten zou opleveren in vergelijking met wat momenteel wordt gebruikt”, aldus Dykstra. “Een systeem als dit zou meer een passief biofiltratiesysteem zijn, met minder energie-input. En dan, in theorie, minder gebruik van echt milieubelastende oplosmiddelen en dat soort dingen. Bij veel huidige processen zullen zeer agressieve en niet-milieuvriendelijke oplosmiddelen worden gebruikt.”

Dykstra merkt ook op dat, aangezien bacteriën zichzelf vermenigvuldigen, op microben gebaseerde technologieën zichzelf vernieuwen, “terwijl als we een chemische methode zouden gebruiken, we voortdurend meer en meer chemicaliën zouden moeten produceren.”

“Zelfs als het iets meer kost, maar het milieu niet schaadt, zou dat logisch zijn”, zei Kalyuzhnaya.

Het doel van het door DARPA gefinancierde project is om binnen vier jaar proof-of-concept te leveren van de bio-aangedreven REE-hersteltechnologie, waarvan Kalyuzhnaya zei dat dit een strategische visie en een interdisciplinaire visie vereist.

Ze voegde eraan toe dat het project SDSU-afgestudeerde studenten de kans zal bieden om deel te nemen aan multidisciplinair onderzoek “en te zien hoe concepten kunnen groeien van alleen maar ideeën tot een pilotdemonstratie.”

---

Posttijd: 17 april 2023