Lade Inhalt...

Biotechnologische Herstellung eines Reinmetalls aus einem Erz. Ist Gallium als kritischer Rohstoff einzuschätzen?

Seminararbeit 2018 28 Seiten

Biologie - Sonstige Themen

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkurzungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1. Einleitung

2. Gallium als Rohstoff
2.1. Vorkommen
2.2. Gewinnung
2.3. Verwendung
2.4. Biolaugung (Biomining)

3. Material und Methoden
3.1. Mikroorganismen: Acidithiobacillus ferrooxidans
3.2. Kultivierungsbedingungen
3.3. Probenahme
3.4. Verdunnung und Messung mit ICP-MS

4. Ergebnisse und Diskussion
4.1. Auswertung des Laugungsversuches anhand von Diagrammen
4.1.1. pH-Wert
4.1.2. Redoxpotential
4.1.3. Galliumkonzentration
4.2. Ursachen fur die Messwertergebnisse
4.3. Folgerungen/Ausblick

5. Literaturverzeichnis

Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Gallium in reiner Form als Metall

Abbildung 2: Fieberthermometer aus Galistan

Abbildung 3: Bioreaktor zur Metall-Biolaugung im geomikrobiologischen Labor

Abbildung 4: Acidithiobacillus ferrooxidans magnification 30,000 times

Abbildung 5: A: Example of bio-leaching. B: Aerobic and anaerobic pathways to yield energy for the bacterium

Abbildung 6: Zentrifuge

Abbildung 7: Transferpipette fur 100^l

Abbildung 8: Aufbau und Arbeitsmechanismus von ICP-MS

Abbildung 9: Die Rolle von Eisen- und Schwefelverbindungen oxidierender Mikroorganismen bei der oxidativen Laugung von Metallsulfiden. Skizze angelehnt an Schippers & Sand 1999

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabellenverzeichnis

[1] von Metallsulfid oxidierenden, acidophilen Mikroorganismen

a) Phylogenie[2]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

b) Optimum und Wachstumsbereich fur pH und Temperatur

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

c) Physiologische Eigenschaften

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Erklarungen der Abkurzungen: A = Autotroph F = Fakultativ na = Daten nicht verfugbar + = ja

- = nein

1. Einleitung

Biotechnologie hat als interdisziplinares Forschungsgebiet viele Anwendungsgebiete. Dazu zahlen die grune, rote, weiBe, graue, braune und blaue Biotechnologie. In der grunen Biotechnologie befassen sich die Forscher mit Inhalten wie zum Beispiel:

- der Verbesserung von Nutzpflanzen,
- der Gewinnung von pflanzlichen Inhaltsstoffen oder Fasern sowie
- der ErschlieBung von Wirkprinzipien fur andere Anwendungsbereiche.

Ein Teilgebiet der grunen Biotechnologie, welches oben nicht erwahnt wurde, ist die Geobiotechnologie. Die Vorsilbe „Geo“ bezeichnet die Gewinnung sowie die Lagerung von organischen und anorganischen Rohstoffen, darunter auch Metalle. Dabei steuern die Mikroorganismen (meistens Bakterien) einen groBen Teil der naturlichen biogeochemischen Stoffkreislaufe.

Schon seit etwa 10.000 Jahren gewinnen die Menschen Metalle aus Erzmineralien, die uberwiegend in der Natur als Metallsulfide vorkommen. Eine besondere Eigenschaft der Metallsulfide ist, dass sie sowohl unter normalen Umweltbedingungen als auch unter der Verwendung von schwachen Sauren unloslich sind. Die gangige Methode ist, dass man diese sulfidischen Erze (z.B. Kupfer, Nickel, Kobalt) uber Flotationsverfahren[3] zu Konzentraten anreichert, aus denen im nachsten Schritt Rohmetalle erschmolzen werden. Als Alternative wurde ein biotechnologisches Verfahren entwickelt, welches umweltfreundlicher und billiger ist. Das sogenannte Biomining ist eine Extraktion von Metallen mit Hilfe von Mikroorganismen. Dabei weiB man heute, dass Mikroorganismen sowohl bei der Entstehung von Mineralien - speziell auch von metallhaltigen Mineralien - als auch bei deren Auflosung eine wesentliche Rolle spielen.

Ziel meiner Seminararbeit ist es, am Beispiel des Galliums darzulegen, wie ein Metall auf biotechnologischem Wege mikrobakteriell gelaugt werden kann und welche Vorteile dies gegenuber Flotationsverfahren hat. Zudem mochte ich noch herausfinden, ob man Gallium als kritischen Rohstoff einschatzen kann.

Ich gehe davon aus, wenn man Gallium als Reinmetall aus Bauxite[4], Zinkblende-Erze[5] oder Germanit[6] gewinnen mochte, dann mussen diese zuerst mikrobakteriell aufgelost werden. Die entstandene Metalllosung fuhrt durch eine Solventextraktion[7] und Elektrolyse[8] zum Gallium.

Um meine oben genannte Hypothese zu uberprufen, konzentrieren sich meine Uberlegungen auf Folgendes:

- Wo und wie kommt Gallium in der Natur vor und wie kann man daraus elementares Gallium gewinnen?
- Welche wirtschaftliche Bedeutung hat Gallium?
- Was zeichnet eine biotechnologische Laugung aus und inwiefern ist es eine sehr gute Methode fur das Metall Gallium?

Fur diese Untersuchungen habe ich Internetrecherchen, die Bucher „Biotechnologie fur Einsteiger“ von Reinhard Renneberg und Viola Berkling und „microbial processing of metal sulfides“ von Edgardo E. Donati und Wolfgang Sand benutzt. Zudem habe ich einen eigenen Laugungsversuch an den Forschungseinrichtungen der Technischen Universitat Bergakademie Freiberg mit Galliumarsenid und dem Bakterienstamm Acidithiobacillus ferrooxidans durchgefuhrt.

2. Gallium als Rohstoff

2.1. Vorkommen

Gallium ist ein seltenes Element. Es ist nur mit einem Gehalt von 19ppm in der Erdkruste vorhanden. AuBerdem kommt es nicht elementar, sondern nur gebunden vor, unter anderem in Aluminium-, Zink- und Germaniumerzen. Aufgrund seiner chemischen Verwandtschaft mit Aluminium ist Gallium vor allem in Aluminiummineralen angereichert. Jedoch sind dabei die Galliumgehalte sehr gering. Selbst das Erz (Bauxit) mit dem hochsten Galliumgehalt enthalt nur 0,008% Gallium. Erschwerend kommt hinzu, dass nur sehr wenige Galliumminerale bekannt sind (zum Beispiel Gallit[9], Sohngeit[10], Tsumgallit[11] ). Die Hauptvorkommen der Galliumreserven liegen in der USA, in Afrika (Namibia), in der Tschechischen Republik sowie in Japan.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Gallium in

2.2. Gewinnung

Gallium fallt als Nebenprodukt bei der Aluminiumherstellung aus Bauxit im Bayer Verfahren ab. AuBerdem kann Gallium auch direkt aus der Abbildung 1: Gallium in Elektrolyse mit Natronlauge gewonnen werden. Zudem besteht die remer Form als MetM Moglichkeit Gallium aus Natronlauge[12] mit Kerosin[13] mit Hilfe von Hydroxychinoline[14] aus Chelatliganden[15] zu extrahieren. Nach der Gewinnung kann man Gallium mit einer Vakuumdestillation[16], der fraktionierten Kristallisation[17] oder dem Zonenschmelzen[18] reinigen. Dies sind Moglichkeiten, die in der Industrie verwendet werden.

Wenn man im Labor Gallium gewinnen mochte, geschieht dies meistens durch eine Elektrolyse einer Losung Galliumhydroxid in Natronlauge an Platin- oder Wolfram-Elektroden.

2.3. Verwendung

Nachdem man nun kleine Mengen an Gallium produziert hat, werden vorrangig verschiedene Galliumverbindungen hergestellt, darunter auch Galliumarsenid, das Bestandteil von Solarzellen und Leuchtdioden ist sowie als Material zur Dotierung von Silicium dient. Galistan wird zum Bau von (Fieber- )Thermometern genutzt. Gallium in flussiger Form nutzt man als Sperrflussigkeit zur Volumenmessung von Gasen und als flussiges Elektrodenmaterial bei der Gewinnung von Reinstmetallen. Des Weiteren setzt man Gallium zur Beschichtung fur Spiegel ein, aufgrund seiner hohen Benetzbarkeit und seiner guten Reflexion. Auch in Schmelzlegierungen, in Warmetauschern von Galistan Kernreaktoren und als Ersatz fur Quecksilber in Lampen findet es Anwendung. Wie auch andere Metalle kann es auch in Legierungen, unter anderem fur magnetische Werkstoffe, Supraleiter[19] und Kernwaffen, verwendet werden. Als letztes kann man noch erwahnen, dass es sich sehr gut als Detektormaterial zum Nachweis solarer Neutrinos[20] eignet. Die wichtigsten galliumhaltigen Zukunftstechnologien mit hohen Wachstumspotenzialen sind weiBe LEDs sowie Hochleistungs- Mikrochips.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Fieberthermometer aus

Man kann schon an den vielen und verschiedenen Verwendungsmoglichkeiten klar erkennen, welche enorme Bedeutung Gallium als Rohstoff zugesprochen wird.

2.4. Biolaugung (Biomining)

„Beim Biomining werden die Erze „gelaugt“. Biolaugung ist die biologische Umwandlung einer unloslichen Metallverbindung in eine wasserlosliche Form. Im Falle der Biolaugung von Metallsulfiden werden diese von aeroben, Saure liebenden Fe(II)- und/oder Schwefelverbindungen oxidierenden Bakterien oder Archaeen zu Metallionen und Sulfat in saurer Losung oxidiert.“[21] Bioleaching umfasst chemische und biologische Reaktionen. Die Metallsulfid-Oxidation selbst ist ein chemischer Prozess in denen Fe(III)-Ionen zu Fe(II)-Ionen reduziert werden und der Schwefelanteil des Metallsulfids zu Sulfat und zu verschiedenen Zwischenschwefelverbindungen oxidiert. „Because of two different groups of metal sulfides exist, two different metal sulfide oxidation mechanisms have been proposed, namely the thiosulfate mechanism (for acid-insoluble metal sulfides, such as pyrite) and the polysulfide mechanism (for acid-soluble metal sulfides, e.g. sphalerite or chalcopyrite, CuFeS2. These mechanisms explain the occurrence of all inorganic sulfur compounds which have been detected in the course of metal sulfide oxidation.“[22]

Um Biomining erfolgreich durchfuhren zu konnen, mussen verschiedene Voraussetzungen erfullt werden. Dabei muss Wasser leicht verfugbar und Wachstumssubstrate mussen in der Losung vorhanden sein, damit die Bakterienkultur eine Lebensgrundlage hat. Des Weiteren mussen die zu laugenden Erze oxidierbare Stoffe enthalten oder dazugegeben werden. Nach einer erfolgreichen Biolaugung entsteht eine Losung, die dann das zu gewinnende Metall enthalt, aber man muss diese noch extrahieren[23] oder fallen[24].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Bioreaktor zur Metall-Biolaugung im geomikrobiologischen Labor

Die Laugungsbakterien, vorrangig die Stamme Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans[25] und Leptospirillum ferrooxidans[26], tragen eine besondere Bedeutung. Sie haben einen oxidativen Stoffwechsel, dies bedeutet, dass sie schwerlosliche Sulfide[27] in wasserlosliche Sulfate[28] umwandeln konnen.

Als erstes findet eine abiotische Oxidation statt, wo aus dem Sulfidschwefel ein elementarer Schwefel oder Thiosulfat mit der Hilfe von Eisen(III)-Ionen entsteht. Dadurch liegen die Schwermetall-Ionen, die vorher eine Verbindung mit dem Schwefel eingegangen sind, frei im wassrigen Milieu vor. Hierbei wurden die Eisen(III)-Ionen zu Eisen(II)-Ionen reduziert. Im Folgenden kommen die Bakterien zum Einsatz, die die Eisen(II)-Ionen zu Eisen(III)-Ionen reoxidieren. Dieser Prozess der Eisenoxidation findet unter sauren Bedingungen statt (<pH 4) und als Oxidationsmittel fungiert in der Regel Sauerstoff. Hiermit gewinnen sie auch ihre Energie fur die Bildung von ATP und NADPH. Nebenbei wird der Schwefel oder das Thiosulfat[29] zu Schwefelsaure oxidiert, wodurch die Auflosung der Schwermetalle begunstigt wird. Zum Schluss findet man die Schwermetalle als geloste Ionen in der Losung wieder.

Die Bedeutung des Biominings spiegelt sich in der Industrie und Wirtschaft wieder. Dort konnen groBe Mengen an reinem Metall aus minderwertigen Erzen gewonnen werden. Des Weiteren ist es umweltschonender als andere Verhuttungsmethoden. Bei richtiger Prozessfuhrung entstehen keine Schadstoffe, jedoch bilden sich durch die ganzen Schwefelverbindungen schwefelhaltige Prozesswasser, die abschlieBend noch neutralisiert und von Schwermetallen befreit werden mussen.

„Industriell wird Biomining bislang lediglich in der Aufbereitung sulfidischer Erze und von Uranerz eingesetzt. Es existieren aber bereits biotechnische Laborverfahren zum Aufschluss silikatischer und oxidischer Erze. Der neu entwickelte Ferredox-Prozess ermoglicht wahrscheinlich die Aufbereitung von Lateriten und oxidischen Erzen wie Manganknollen. Dabei wird eine organische Kohlenstoffquelle wie Glycerin oder gunstiger Elementarschwefel oxidiert. Gleichzeitig reduziert Acidithiobacillus ferrooxidans im Mineral gebundenes Fe(III) zu loslichem Fe(II) in saurer Losung. Wahrscheinlich gibt es in der Natur noch weitere, eventuell leistungsfahigere Mikroorganismen, die fur anaerobes Bioleaching einsetzbar sind. Diese wurden bislang nicht gezielt gesucht und in Kultur genommen. Das Anwendungspotential fur anaerobes Bioleaching muss noch erschlossen werden. Inwieweit Biomining eine Perspektive zur Gewinnung seltener Erden und anderer Elektronikmetalle bietet, lässt sich gegenwärtig nicht abschätzen. Es besteht jedoch eine große Chance, dass Biomining als kostengünstiges Aufbereitungsverfahren einsetzbar ist.“[30]

[...]


[1] Sand, Wolfgang/ Donati, R. Edgardo, Microbial Processing of Metal Sulfides, 2007, S.5;6;7

[2] Stammesentwicklung, Stammesgeschichte

[3] physikalisch-chemisches Trennverfahren fur feinkornige Feststoffe aufgrund der unterschiedlichen Oberflachenbenetzbarkeit der Partikel

[4] Aluminiumerz

[5] Sphalerit oder Zinksulfid, Mineralklasse der „Sulfide und Sulfosalze“

[6] Kupfer-Eisen-Germanium-Sulfid, Mineralklasse der „Sulfide und Sulfosalze“

[7] zur vollstandigen oder teilweisen Entfernung ernes gelosten Stoffes aus einem Flussigkeitsgemisch durch den Zusatz eines geeigneten Losungsmittels

[8] Prozess, bei dem ein elektrischer Strom eine Redoxreaktion erzwingt

[9] kristallisiert im tetragonalen Kristallsystem mit der chemischen Zusammensetzung CuGaS2

[10] kristallisiert im orthorhombischen Kristallsystem mit der chemischen Zusammensetzung Ga(OH)3 und ist damit chemisch gesehen Galliumhydroxid

[11] kristallisiert im kubischem Kristallsystem mit der chemischen Zusammensetzung GaO(OH) und ist damit chemisch gesehen ein Gallium-Oxid-Hydroxid

[12] Natriumhydroxid (NaOH)

[13] Kraftstoff fur die Gasturbinentriebwerke von Dusen- und Turbopropflugzeugen sowie Hubschraubern

[14] heterocyclische organische Verbindung, die sich vom Chinolin ableitet und zu den Phenolen zahlt

[15] Verbindung, bei denen ein mehrzahniger Ligand (=besitzt mehr als ein freies Elektronenpaar) mindestens zwei Koordinationsstellen (Bindungsstellen) des Zentralatoms einnimmt

[16] Destination unter erniedrigtem Druck

[17] Minerale wie Olivin und Pyroxen sinken fruher als andere im Magma nach unten ab und bleiben erhalten. Durch die Kristallisation dieser Minerale verandert sich die Zusammensetzung des ubriggebliebenen flussigen Restmagmas

[18] Verfahren zur Herstellung von hochreinen einkristallinen Werkstoffen

[19] Materialien, deren elektrischer Widerstand beim Unterschreiten der sogenannten Sprungtemperatur (abrupt) auf null fallt

[20] elektrisch neutrale Elementarteilchen mit sehr geringer Masse

[21] http://www.google.de/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjj4cyR9MrX AhVO2qQKHYioC2AQFggnMAA&url=http%3A%2F%2Fdechema.de%2FGeobiotechnologie-p- 20055375%2F_%2FStatuspapier%2520Geobiotechnologie.pdf&usg=AOvVaw2gtP321eluuiHmEqJEyFL6, 19.11.2017, S.5

[22] Sand, Wolfgang/ Donati, R. Edgardo, Microbial Processing of Metal Sulfides, 2007,S.3

[23] Trennverfahren bei dem mit Hilfe eines Extraktionsmittels eine oder mehrere Komponenten aus einem Stoffgemisch ausgelost wird

[24] Ausscheiden eines gelosten Stoffes aus einer Losung

[25] oxidiert reduzierte Schwefelverbindungen zu schwefliger Saure und Schwefelsaure

[26] primaren Eisenoxidationsmittel in industriellen kontinuierlichen Biooxidationstanks

[27] Salze beziehungsweise Alkyl- oder Arylderivate des Schwefelwasserstoffs

[28] Salze oder Ester der Schwefelsaure

[29] Derivate der im freien Zustand unbestandigen Thioschwefelsaure (H2 S2 03)

[30] https://www.google.de/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiS0MXIvLf YAhUDzKQKHZShC6AQFgguMAE&url=https%3A%2F%2Fdechema.de%2Fdechema_media%2FPP_Geobiotechnol ogie_einzel-p-4334-view_image-1-called_by-dechema-original_site-dechema_eV-original_page- 124930.pdf&usg=AOvVaw3hc9r3iX3aUz3r89RJChDd, 27.12.2017, S.9

Details

Seiten
28
Jahr
2018
ISBN (eBook)
9783668719552
ISBN (Buch)
9783668719569
Dateigröße
786 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v427318
Note
1,0
Schlagworte
biotechnologische herstellung reinmetalls gallium rohstoff

Autor

Teilen

Zurück

Titel: Biotechnologische Herstellung eines Reinmetalls aus einem Erz. Ist Gallium als kritischer Rohstoff einzuschätzen?