Neues Forschungszentrum will Hightech-Metalle durch Bakterien-Bergbau gewinnen
Nicht-nachwachsende Rohstoffe wie Metalle werden durch das globale Wachstum der Bevölkerung und Wirtschaft zunehmend benötigt. Indium und Germanium gelten als strategische Rohstoffe, auf deren Import die Weltwirtschaft und die Länder, die High-Tech-Produkte wie Flachbildschirme, Leuchtdioden und Glasfaserkabel produzieren, besonders angewiesen sind. Mit finanzieller Unterstützung der privaten Dr.-Erich-Krüger-Stiftung wird in Freiberg das zweite Krüger-Forschungskolleg, das „Biohydrometallurgische Zentrum für strategische Elemente“ (BHMZ), eröffnet. Dieses Promotionskolleg will alternative Wege der Gewinnung von Metallen aus armen Erzen, Halden und Recyclingmaterial erforschen. Ziel der Wissenschaftler der TU Bergakademie Freiberg ist es dabei, nicht nur die Abhängigkeit Deutschlands vom Import der wichtigen Metalle zu verringern, sondern auch einen sanften Bergbau zu etablieren.
Vor 150 Jahren fanden Wissenschaftler der TU Bergakademie Freiberg bei der spektralanalytischen Untersuchung des Minerals Sphalerit (s. Bild) das Element Indium. Nun wollen Forscher der Ressourcenuniversität dieses Hightech-Metall mit Hilfe von Mikroorganismen umweltschonend gewinnen und aufbereiten.
Jörg Wittig
In dem Graduiertenkolleg „Krüger Research School“ entwickeln 13 Professoren aus vier Fakultäten der TU Bergakademie Freiberg entlang der gesamten Wertschöpfungskette – von der Lagerstättenkunde und dem Bergbau, über Mineralogie, Mikrobiologie und Chemie bis zur Verfahrenstechnik und Metallurgie – biohydrometallurgische Verfahren für die Gewinnung von Indium und Germanium. „Ziel des biohydrometallurgischen Prozesses ist es, diese beiden Metalle aus ihren Erzen mittels biotechnologischer Verfahren zu gewinnen“, so Prof. Helmut Mischo, der als Professur für Rohstoffabbau und Spezialverfahren unter Tage in diesem deutschlandweit einmaligen interdisziplinären Team mitarbeitet. „Die beiden Elemente kommen in der Natur in Form sehr schlecht löslicher Metallsulfide vor. Ihr geringer Gehalt in den Erzen führt dazu, dass klassische Aufbereitungstechniken der Hydro- und Pyrometallurgie, beispielsweise Flotation und Verhüttung, häufig unwirtschaftlich sind. Eine Alternative dazu ist die Extraktion der Metalle durch Mikroorganismen.“ Dabei werden die Erze mittels Mikroorganismen gelaugt, sodass eine biologische Umwandlung des unlöslichen Metallsulfids in eine wasserlösliche Form stattfindet.
„Eine Herausforderung des biohydrometallurgischen Prozesses bei den Metallen Indium und Germanium liegt darin, Mikroorganismen zu finden, die selektiv diese seltenen Metalle im Laugungsprozess bevorzugen“, erläutert Prof. Martin Bertau, Direktor des Instituts für Technische Chemie der Ressourcenuniversität. So wäre es denkbar, diese hochwertigen Laugungskomponenten zu Beginn zu extrahieren und die Reste, wie beispielsweise das wertvolle Zinkerz, klassisch zu verhütten. Eine andere, zentrale Herausforderung liegt in der Auftrennung der polymetallischen Laugungsgemische mit hoher Trennschärfe. „Mit dieser einzigartigen Kombination von Biologie und Chemie in Form der Biohydrometallurgie können wir das bestehende Repertoire der Pyrometallurgie also wirkungsvoll ergänzen.“ Biolaugung ist ein zunehmend angewandtes biotechnologisches Verfahren zur Aufbereitung von Erzen. Es wird bereits bei der Produktion von Kupfer angewandt. Auf diese Weise werden heutzutage bereits 10 bis 15 Prozent des Kupfers weltweit gewonnen.
Zudem erlaubt Biolaugung prinzipiell einen „in situ-Prozess“, also eine Laugung direkt am Ort des Abbaus im Bergwerk selbst. „Um die Verfahrensschritte effizienter zu gestalten wird untersucht, ob ein hochkonzentrierter Einsatz der Mikroorganismen unter Tage möglich ist“, so Prof. Mischo. „Im Vergleich zu konventionellen Prozessen ließen sich mit der Gewinnung und Aufbereitung der Erze direkt in der Lagerstätte die notwendigen Rohstoffe mit einem hohen Wirkungsgrad und besserer Energieeffizienz gewinnen.“ Das auch als „Bioleaching“ bezeichnete Verfahren ist ein wichtiger Schritt hin zu einem sanften Bergbau, der weniger Ressourcen beansprucht und auch die Umwelt schont.
Der Aufbau einer biohydrometallurgischen Prozesskette soll im Rahmen des Krüger-Kollegs zunächst am Beispiel der Elemente Indium und Germanium erfolgen. Beide Metalle werden von der EU als kritische Rohstoffe für die europäischen Volkswirtschaften mit einer der höchsten Nachfragesteigerungen bis ins Jahr 2030 angesehen, beide Metalle sind bereits in den letzten Jahren deutlich teurer geworden. Sowohl Indium als auch Germanium wurden von Wissenschaftlern der TU Bergakademie Freiberg im 19. Jahrhundert entdeckt und kommen in unmittelbarer Umgebung von Freiberg in Lagerstätten des Erzgebirges vor. Die Forschung in diesem Bereich bietet die Chance, durch das Gewinnen von Indium und Germanium aus heimischen Lagerstätten und Recyclingmaterial die Importabhängigkeit bei diesen Metallen zu verringern. Die Biohydrometallurgie könnte ein Schlüssel auf dem Weg dahin sein. Daher etabliert die TU Bergakademie Freiberg zusammen mit der Dr.-Erich-Krüger-Stiftung, die hierfür sechs Millionen Euro zur Verfügung stellt, ein entsprechendes Forschungsprojekt mit dem BHMZ.
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