Biomining: Gewinnung und Wiedergewinnung von Metallen mithilfe biologischer Prozesse

Herausforderung: Vollständiges Recycling metallischer Rohstoffe aus Elektroschrott und Abfallströmen

Weltweit fallen jährlich Millionen Tonnen Elektroschrott an. Smartphones, Laptops, Fernseher – alles, was blinkt und piept, landet irgendwann auf dem Müll. Dabei enthalten diese Geräte wertvolle Rohstoffe, die für unsere technologische Zukunft essenziell sind. Doch bisher wird nur ein Bruchteil davon recycelt. Der Rest wird verbrannt oder deponiert – mit teils gravierenden Folgen für Umwelt und Gesundheit. Gleichzeitig steigt die Nachfrage nach seltenen Erden oder Metallen der Palladium-Gruppe, die für die Herstellung von Elektronik, Elektromotoren und Windkraftanlagen unverzichtbar sind. Die Versorgung mit diesen Metallen ist jedoch oft unsicher, da sie nur in wenigen Ländern abgebaut werden und geopolitischen Risiken unterliegen. Nicht zuletzt durch gestörte Lieferketten konnte die Industrie in Europa bereits erfahren, welche Effekte Engpässe von Edelmetallen nach sich ziehen können.

Mikroorganismen und Mikroalgen als »Metalllöser« und »Metallfresser«

Unter dem Begriff Biomining werden Verfahren beschrieben, die auf den Fähigkeiten von Mikroorganismen und Mikroalgen basieren, Metalle durch metabolische Eigenschaften, oftmals oxidative Stoffwechselprozesse, aus festen Materialien zu lösen und gleichzeitig an ihrer Zelloberfläche zu binden oder aufzunehmen. Dieser Forschungsansatz hat das Potenzial, die Möglichkeiten des Metallrecyclings nennenswert auszuweiten, eventuell sogar grundlegend zu verändern, da hierdurch möglicherweise zukünftig keine hochkonzentrierten Säuren mehr für die Laugung eingesetzt werden müssen. Durch die mikrobielle Produktion liegen diese vielmehr nur in geringer Konzentration vor. Gleichzeitig sind biologische Verfahren umwelt- und energieschonender als bisherige chemische Verfahren, da Prozessparameter oft mit wenig Aufwand realisiert werden können. 

Aufgrund der Bandbreite unserer Expertise mit verschiedenen Organismen (Mikroorganismen, Mikroalgen) haben wir bereits verschiedene Ansätze zur Gewinnung bzw. Wiedergewinnung metallischer Rohstoffe aus Abfallströmen, Abraumhalden oder Elektronikschrott untersucht.

Dabei ging es sowohl um die Freisetzung von Metallionen durch biologische Laugung (Bioleaching), als auch um die Rückgewinnung von gelösten Metallen durch biologische Prozesse wie Biosorption (Adsorption an Mikroorganismen oder biologische Materialien), Bioakkumulation (Aufnahme und Speicherung von Metallen in Zellen) oder Biofällung (Ausfällung von Metallen durch die Aktivität von Mikroorganismen).

Beispiel: Gewinnung von seltenen Erden aus Elektronikschrott mit Biomining

Mikroorganismen wie  Pseudomonas aeruginosa oder Chromobakterien wurden auf zerkleinerten Elektronikschrott angesetzt. Sie produzieren dabei Säuren oder andere Stoffe, die Metalle wie Palladium oder Neodym aus dem Material lösen. Dieser Prozess nennt sich Bioleaching. Die gelösten Metalle befinden sich anschließend in einer Flüssigkeit, aus der sie durch Mikroalgen wie Galdieria sp. wieder herausgefiltert werden können. Diese Algen wirken wie biologische Magnete, die die Metallionen an ihre Zelloberfläche binden – ein Vorgang, der als Biosorption bezeichnet wird. Dies haben wir in der Machbarkeitsstudie RüBioM untersucht.

Immobilisierte oder suspendierte Biomasse

Für eine effektive Prozessführung setzen wir immobilisierte oder suspendierte Biomasse ein, beispielsweise in einem Festbettumlaufreaktor. Auf diese Weise können Schwermetalle aus Kühlschmierstoffen abgetrennt werden. Ein Festbettumlaufreaktor kann auch so ausgelegt werden, dass als Trägermaterial Schrott verwendet wird.

Schwerpunkte weiterer Forschungsvorhaben

Die Grundlagen sind gelegt – und die Richtung ist vielversprechend. Um die Biomining-Verfahren so zu gestalten, dass sie auch im industriellen Maßstab funktionieren, müssen sie weiter optimiert, skaliert und wirtschaftlich bewertet werden. Hierbei gilt es auch, die am besten geeigneten Mikroorganismen zu identifizieren,  ihre Kultivierungsbedingungen zu verbessern und gleichzeitig funktionierende Prozesse im kleinen Maßstab für industrielle Anwendungen zu skalieren.

Vorteile von Biomining-Verfahren

Milde Prozessbedingungen: umweltfreundlich und potenziell kostengünstig

Von Vorteil bei allen biologischen Mining-Verfahren ist, dass sie unter milden Bedingungen und bei niedrigen Temperaturen ablaufen. Es müssen keine giftigen Chemikalien zugegeben werden; die eingesetzten Organismen sind vielmehr in der Lage, bestimmte Metalle gezielt zu mobilisieren. Das macht Biomining nicht nur umweltfreundlich, sondern auch selektiv und potenziell kostengünstig.

Rückgewinnung stärkt Resilienz und reduziert Abhängigkeit von Importen

Die gesellschaftliche Relevanz dieser Forschung kann kaum überschätzt werden. In einer Welt, die zunehmend auf digitale Technologien angewiesen ist, steigt der Bedarf an seltenen und wertvollen Metallen stetig. Gleichzeitig wächst das Bewusstsein für Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung. Biomining bietet hier eine Lösung, die beide Aspekte miteinander verbindet. Es ermöglicht die Rückgewinnung kritischer Rohstoffe aus Abfallströmen, reduziert die Abhängigkeit von Importen und schont die Umwelt.

Darüber hinaus eröffnet es neue Perspektiven für die Kreislaufwirtschaft, in der Produkte nicht mehr einfach entsorgt, sondern als Rohstoffquelle betrachtet werden. Gleichzeitig bietet Biomining die Möglichkeit, bestehende Recyclingprozesse zu ergänzen oder zu verbessern, etwa durch die gezielte Rückgewinnung von Metallen, die mit herkömmlichen Verfahren schwer zu extrahieren sind.