Metallrecycling aus Industrieabwässern Biologische Angel filtert flüssigen Hightech-Abfall

Autor / Redakteur: Anne-Kristin Jentzsch* / Christian Lüttmann

Abwasser ist mehr als Dreck. In manchen Industrieprozessen steckt es voller wertvoller Rohstoffe, wie Spuren des seltenen Metalls Gallium. Um das zurückzugewinnen, haben Freiberger Forscher nun ein neues biotechnisches Verfahren erprobt – und Metallionen per Peptid-Angel aus dem Abwasser gefiltert.

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Spezielle Peptidverbindungen in Form eines Filters agieren als biologische Angel, um Gallium aus Industrieabwässern herauszulösen.
Spezielle Peptidverbindungen in Form eines Filters agieren als biologische Angel, um Gallium aus Industrieabwässern herauszulösen.
(Bild: HZDR/Sahneweiß)

Dresden – Computerchips, Smartphones und andere technische Geräte stecken voller chemischer Elemente, darunter auch diverse seltene Metalle wie Gallium. Deren Gewinnung ist schwierig und entsprechend teuer, weshalb Recycling eine immer größere Bedeutung gewinnt. Um solche seltenen Metalle aus z.B. Industrieabwässern zurückzugewinnen, könnten Biomoleküle helfen.

Forscher des Helmholtz-Instituts Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF) haben nun untersucht, wie sich bestimmte Peptide eignen, um Metallionen anzureichern. Exemplarisch wurde so ein geeignetes Verfahren für die Rückgewinnung von Gallium aus Industrieabwässern beschrieben.

Gallium in Hightech-Produkten

Gallium findet sich beispielsweise in Leuchtdioden und Solarzellen, es dient als Beschichtung für Spiegel und wird in der Medizin für die Tumordiagnostik verwendet. Hauptsächlich kommt es in der Halbleiterindustrie zum Einsatz. In Verbindung mit Arsen wird es zur Produktion von Wafern verwendet. Der größte Teil des industriell genutzten Galliums geht jedoch während der Herstellung verloren. Umso mehr ist eine hohe Recyclingquote aus der verarbeitenden Industrie wichtig, da sie eine wesentlich reichhaltigere und wichtigere Quelle für die sekundäre Galliumproduktion darstellen.

Bio-Recycling als ökologische Alternative

Bisherige Recyclingverfahren für die Galliumgewinnung basieren oft auf chemischen Elektrolyseverfahren. Diese sind äußerst energieintensiv und führen zu einer Wertstoffverdünnung und Aufsalzung des Abwassers. Anders verhält es sich mit so genannten Biokompositen: Sie sind recycelbar und können immer wieder in Trennprozessen eingesetzt werden.

Zu diesen Bio-Recycling-Verfahren zählt die Biosorption. „Die Biomasse bindet dabei in einer wässrigen Lösung bestimmte Ionen oder andere Moleküle an sich oder konzentriert sie. Biosorption ist nicht von Stoffwechselaktivität abhängig und benötigt keine Nährstoffzufuhr. Das ermöglicht ihre Anwendung auch in hochtoxischen Umgebungen. Die Biosorption ist daher eine umweltfreundliche Alternative zur Rückgewinnung von Metallen aus Industrieabwässern, Laugungslösungen oder Grubenwasser“, erklärt Dr. Katrin Pollmann, Leiterin der biotechnologischen Abteilung am HIF. Die Herausforderung besteht jedoch darin, die geeigneten Biomoleküle zu finden.

Peptide als Angel

Das Team um Pollmann arbeitet an spezialisierten Biosorptionsmaterialien, die in der Lage sind, einzelne Elemente spezifisch zu erkennen, selektiv zu binden und so aus Lösungen zu entfernen. Die Forscher nutzen dafür Peptide als eine Art molekulare Angel. „Peptide sind klein und dadurch robust und eignen sich daher besonders“, sagt HIF-Wissenschaftlerin Dr. Nora Schönberger. Peptide bestehen aus Aminosäuren, von denen es 20 natürlich vorkommende gibt. Durch Kombination dieser einzelnen Bausteine entstehen Peptide mit unterschiedlichsten Eigenschaften. „So entstehen Biomoleküle, die in der Lage sind, sich an jede denkbare Oberfläche zu setzen und diese ganz spezifisch zu erkennen.“

Ausgesucht werden die passenden Peptide mithilfe der Phage-Surface-Display-Methode Hierbei nutzt man Bakteriophagen, also Viren, die darauf spezialisiert sind, Bakterien zu infizieren. Die elementespezifischen Peptide werden fest auf einem Trägermaterial mit bestimmten Eigenschaften verankert. Die daraus entstehenden Biokomposite „angeln“ die Zielstoffe aufgrund der einzigartigen Peptidstrukturen aus einem komplexen Materialgemisch. Peptide ermöglichen somit eine selektive Metallrückgewinnung.

Gallium-Filter im Test

Im Verbundprojekt „EcoGaIN“, bei dem die Gewinnung von Gallium aus Produktionsabwässern der Halbleiterindustrie untersucht wurde, hat sich Schönberger mit der Auswahl der Gallium-bindenden Peptide beschäftigt. „Wir haben Chromatopanning verwendet – eine Technik, die Peptide auswählt, die sich an ein bestimmtes Ziel binden. Mithilfe dieses Trennverfahrens haben wir die speziellen Peptide ermittelt, die die Gallium-Ionen aus dem Prozessabwasser einfangen“, erklärt Schönberger

Mit den ausgewählten Peptiden hat die Forscherin ein Filtermaterial entwickelt und getestet, wie gut es Gallium zurückhält und wie gut andere Bestandteile hindurchgelassen werden. Wichtig ist, dass das zurückgehaltene Gallium anschließend leicht wieder von dem Filtermaterial in der Säule getrennt werden kann.

Eines der fünf getesteten Peptid-Filtermaterialien zeigte sich bei diesen Experimenten als besonders geeignet, um Gallium effizient zurückzugewinnen. „Die Nutzung biologischer Systeme in der Ressourcentechnologie ergänzt das Repertoire der konventionellen metallurgischen Verfahren. Sie füllt derzeit eine methodische Nische, indem sie Metalle zugänglich macht, die mit klassischen metallurgischen Ansätzen nicht effizient ausgeschöpft werden können“, sagt Forschungsleiterin Pollmann. Für die industrielle Anwendung muss diese Methode jedoch noch weiterentwickelt werden, da die chemische Synthese der Peptide für einen wirtschaftlichen Einsatz in der Ressourcentechnologie zu teuer und noch nicht ausreichend umweltfreundlich ist. Weiterhin gilt es, die Peptide so zu optimieren, dass eine bessere Metallbindungskapazität erzielt wird und so ein effizienterer Einsatz möglich ist.

Originalpublikation: N. Schönberger, C.Taylor, M. Schrader, B. Drobot, S. Matys, F. Lederer, K. Pollmann: Gallium-binding peptides as a tool for the sustainable treatment of industrial waste streams, Journal of Hazardous Materials Volume 414, 15 July 2021; DOI: 10.1016/j.jhazmat.2021.125366

* A.K. Jentzsch, Helmholtz-Zentrum Dresden- Rossendorf, 01328 Dresden

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