Metall-Biolaugung (Biomining)

Haldenbiolaugung zur Kupfergewinnung in Chile Quelle: BGR

Beim Biomining werden spezielle Mikroorganismen eingesetzt um aus Erzen Wertmetalle durch Biolaugung zu gewinnen.
Wichtige Laugungsbakterien sind aerobe, azidophile Eisen(II)- und / oder Schwefelverbindungen oxidierende Arten wie beispielsweise Acidithiobacillus ferrooxidans (früher Thiobacillus ferrooxidans). Die Erzminerale der Metalle Kupfer, Nickel, Kobalt, und Zink kommen in der Natur überwiegend als Metallsulfide vor.
Biolaugung ist die biologische Umwandlung einer unlöslichen Metallverbindung in eine wasserlösliche Form. Das Oxidationsmittel Eisen(III) für die Metallsulfide stammt aus der mikrobiellen Eisen(II)oxidation. Bei der Metallsulfid-Oxidation entstehen Schwefelverbindungen und elementarer Schwefel. Diese werden durch die mikrobielle Oxidation zu Schwefelsäure umgesetzt, wodurch das saure Milieu geschaffen wird.

Bei der industriellen Biolaugung (Biomining) werden drei technische Prozesse unterschieden: Haufen- oder Haldenbiolaugung, Tankbiolaugung, in situ oder in place Biolaugung. Heute ist die Gewinnung von Kupfer aus sulfidischen Erzen die wichtigste industrielle Anwendung, wobei ein bedeutender Teil der Weltkupferproduktion bereits aus der Haufen- bzw. Haldenbiolaugung stammt. Außerdem wird Biomining auch zur Gewinnung von Gold, Kobalt, Nickel, Zink und Uran eingesetzt.

Bioreaktor zur Metall-Biolaugung im geomikrobiologischen Labor Quelle: BGR

Durch gezielte Forschung und Weiterentwicklung der Biolaugung könnten Wertstoffe wie wirtschaftskritische Metalle aus Bergbauhalden (mine tailings), komplexen Erzen (BGR-Projekte RoStraMet), nicht-sulfidischen Erzen wie Lateriten und Manganknollen, sowie aus Industrierückständen wie Aschen, Schlämmen, Schlacken und sogar Elektronikschrott gewonnen werden. Hierzu existieren bereits Verfahren im Labormaßstab und weiterführende Arbeiten werden im geomikrobiologischen Labor der BGR durchgeführt, überwiegend im Rahmen von Drittmittelprojekten. Seit 1973 wurden zahlreiche Projekte zur Metall-Biolaugung durchgeführt und die Ergebnisse wurden regelmäßig in anerkannten internationalen Fachzeitschriften publiziert (> 150 Veröffentlichungen).

Laufende Projekte:

• BioProLat - Reduktives Bioprocessing zur Kobalt- und Nickel-Gewinnung aus Lateriten in Brasilien, BMBF, 2021-2024

• Exploring reaction mechanisms of dissimilatory ferric reduction-coupled sulfur oxidation (DIRSO) by acidophilic prokaryotes and its relevance for bioleaching and acid mine drainage formation, DFG, 2019-2022

Abgeschlossene Projekte:

• SEEsand - Gewinnung schwerer Seltenerdelemente (SEE) aus Schwermineralsanden, Teilvorhaben 2: Technologieentwicklung mikrobiologische Gewinnungsprozesse, BMBF, r4, 2016-2019, www.r4-innovation.de/de/seesand.html
• Prozessentwicklung zur Biolaugung von Bergbauhalden (mine tailings) in Chile zur Extraktion von Wertmetallen (Kobalt, Kupfer u.a.), DERA, 2018-2020
  https://www.deutsche-rohstoffagentur.de/DERA/DE/Laufende-Projekte/Rohstoffpotenzialbewertung/Halden%20Chile/lp-halden_node.html
• Prozessentwicklung zur Biolaugung von Platinerzen, DERA, Kooperation mit Universität Kapstadt in Südafrika, BMBF-Projekt BioPGE, 2017-2020
  https://www.internationales-buero.de/de/4848.php
• BioMOre – New Mining Concept for Extracting Metals from Deep Ore Deposits using Biotechnology, EU Horizon 2020, 2015-2018
• Entwicklung bioelektrochemischer Verfahren zur Gewinnung wirtschaftsstrategischer Metalle, BGR-Projekt RoStraMet, 2014-2020
  
• Ressourceneffizienz Deutschland-Frankreich: Verbundvorhaben Ecometals - Innovative umweltschonende Prozesse für die Gewinnung strategischer und seltener Metalle aus primären und sekundären Ressourcen, BMBF, 2014-2017
• BGR-Forscher suchen neue Mikroorganismen für den Bio-Bergbau, DFG
• Chemisch - biotechnologische Gewinnung von Wertstoffen aus Braunkohlenkraftwerksasche, BMBF, r3, 2013-2015

• Molecular mechanism of anoxic bioleaching by bacteria for the recovery of nickel and cobalt from Cuban laterites, Grant of Alexander von Humboldt-Foundation to Dr. Jeannette Marrero Coto, 2013-2015

Ausgewählte Veröffentlichungen:

• Hedrich, S., and A. Schippers. 2021. Distribution of acidophilic microorganisms in natural and man-made acidic environments. Curr. Issues Mol. Biol. Vol. 40: 25-48. https://www.caister.com/cimb/abstracts/v40/25.html
• Breuker, A., S. F. Ritter, and A. Schippers. 2020. Biosorption of rare earth elements by different microorganisms in acidic solutions. Metals 10: 954. https://www.mdpi.com/2075-4701/10/7/954
• Hedrich, S., D. Kraemer, M. Junge, H. Marbler, M. Bau, and A. Schippers. 2020. Bioprocessing of oxidized platinum group element (PGE) ores as pre-treatment for efficient chemical extraction of PGE. Hydrometallurgy 196: 105419. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2020.105419
• Marrero, J., O. Coto and A. Schippers. 2020. Metal bioleaching: Fundamentals and geobiotechnical application of aerobic and anaerobic acidophiles. In: Biotechnological Applications of Extremophilic Microorganisms, N. Lee (ed.). De Gruyter, 261-287, ISBN 978-3-11-042773-8. https://www.degruyter.com/document/isbn/9783110424331/html
• Tanne, C., and A. Schippers. 2020. Angewandte Elektrochemie in der Biohydrometallurgie. BioSpektrum 5/20: 553-555. https://www.biospektrum.de/system/files/magazine_article/2020/09/files/79101/79101.pdf
• Zhang, R., S. Hedrich, F. Römer, D. Goldmann, and A. Schippers. 2020. Bioleaching of cobalt from Cu/Co-rich sulfidic mine tailings from the polymetallic Rammelsberg mine, Germany. Hydrometallurgy 197: 105443. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2020.105443
• Schippers, A., C. Tanne, J. Stummeyer and T. Graupner. 2019. Sphalerite bioleaching comparison in shake flasks and percolators. Minerals Engineering 132: 251-257. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0892687518305508
• Tanne, C., and A. Schippers. 2019. Electrochemical applications in metal bioleaching. In: Bioelectrosynthesis, F. Harnisch and D. Holtmann (eds.), Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology 167: 327-359. https://www.springer.com/gp/book/9783030032982
• Tanne, C., A. Schippers. 2019. Electrochemical investigation of chalcopyrite (bio)leaching residues. Hydrometallurgy 187: 8-17. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304386X18308661 https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2019.04.022
• Schippers, A., S. Willscher, F. Glombitza and J. Petersen (eds.). 2018. International Biohydrometallurgy Symposium IBS 2017, Special Issue. Hydrometallurgy https://www.sciencedirect.com/journal/hydrometallurgy/special-issue/10QXFZ91Z4X
• Hedrich, S., C. Joulian, T. Graupner, A. Schippers, A.-G. Guézennec. 2018. Enhanced chalcopyrite dissolution in stirred tank reactors by temperature increase during bioleaching. Hydrometallurgy 179: 125–131. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304386X18301932
• Hedrich, S., R. Kermer, T. Aubel, M. Martin, A. Schippers, D. B. Johnson, E. Janneck. 2018. Implementation of biological and chemical techniques to recover metals from copper-rich leach solutions. Hydrometallurgy 179: 274-281. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2018.06.012
• Zhang, R., S. Hedrich, C. Ostertag-Henning, A. Schippers. 2018. Effect of elevated pressure on ferric iron reduction coupled to sulfur oxidation by biomining microorganisms. Hydrometallurgy 178: 215–223. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2018.05.003
• Hedrich, S., A. Schippers. 2017. Metallgewinnung mittels Geobiotechnologie. Chem. Ing. Tech. 89: 29–39. https://doi.org/10.1002/cite.201600080

• Weitere Veröffentlichungen