Forschungsprojekt

Elektronenstrahltechnologie im Bioreaktor nutzen

Innerhalb des von der Fraunhofer-Gesellschaft in einem internen Programm geförderten Projektes „BioIntElekt“ (Entwicklung einer innovativen Bioreaktorkleinanlage mit integrierter niederenergetischer Elektronenstrahlquelle als Demonstrator) sollten mithilfe von Bakterien Metalle mobilisiert werden. Am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (Fraunhofer FEP) wurde dazu ein Verfahren zur Steigerung der mikrobiellen Erzlaugung (Biolaugung) entwickelt, und es konnten erste Erfolge erzielt werden. Das Institut stellt das Verfahrensprinzip auf der Achema vor.

Proben mit Elektronenstrahl-behandelten Bakterien zur Kupferlaugung. Bild: Fraunhofer FEP © Bild: Fraunhofer FEP

Derzeit wird die Biolaugung von Kupfer in der Großproduktion meist durch Perkolation in Halden durchgeführt. Das Mineral wird in zwei bis drei Zerkleinerungsstufen auf eine Partikelgröße von etwa 1 cm oder mehr zerkleinert. Verdünnte Schwefelsäure-Lösung wird über Tropfbewässerung oder Berieselung auf das aufgehäufte Material aufgebracht und der Prozess so oft wiederholt, bis die gewünschte Kupferextraktion und -konzentration erreicht ist. Diese Laugungsphase kann mehrere Monate andauern. Mit dem Ziel, die mikrobielle Erzlaugung zu beschleunigen und effektiver zur Wiedergewinnung von Metallen aus Abraumhalden und Abfällen nutzen zu können, hat sich am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik ein interdisziplinäres Konsortium gebildet. Die Erfahrungen der Spezialisten in der Entwicklung von Elektronenstrahlquellen und applikationsspezifischen Anpassungen des Fraunhofer FEP werden hier für biotechnologische Prozesse angewandt.

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Dr. Simone Schopf, Leiterin „Biotechnologische Prozesse“ am Fraunhofer FEP, erklärt dazu: „Wir arbeiten aktuell an einem Labordemonstrator für die direkte Elektronenbehandlung von Flüssigkeiten in einem Bioreaktor. In ersten Versuchen konnten wir parallel dazu an einer bestehenden Elektronenstrahlanlage nachweisen, dass die Interaktion zwischen Elektronen und Bakterien zur Stimulation führen kann. So stimulieren wir in Vorversuchen mit niedrig dosierten Elektronen Bakterien und erreichen so eine um ca. 10 % höhere Ausbeute. Die Technologie soll speziell für den Einsatz im Life-Science-Bereich und der Umwelttechnik entwickelt werden.“

Bisher erfolgt die Behandlung von Flüssigkeiten mit Elektronen nur als ganz dünner Film, um sie mit Elektronenbandstrahlern behandeln zu können. Die Herstellung solcher großen Elektronenbandstrahler ist kein Problem. Die Herausforderungen bestehen in der Miniaturisierung der Elektronenstrahlquelle, dem Design der Schnittstelle zum Bioreaktor. Durch direktes und gezieltes Einbringen der Elektronen in die Flüssigkeit sind die Energieverluste jedoch gering und der Kühleffekt der Flüssigkeit kann vorteilhaft genutzt werden.

Ausblick

Der Forschungsfokus liegt derzeit auf der Biolaugung zur Rohstoffgewinnung oder als Recyclingverfahren. Die Wissenschaftler versprechen sich neben dem Einsatz des Verfahrens zur mikrobiellen Erzlaugung auch Anwendungen bei der Abwasserbehandlung, bei Sterilisationsaufgaben, in der Lebensmittelindustrie und pharmazeutischen Industrie. Interessant könnte das Verfahren zukünftig auch zur biotechnologischen Produktion von Naturstoffen oder auch „grünem“ Wasserstoff sein.

Achema 2022: Halle 6.0, Stand Nr. A52

Quelle: Fraunhofer FEP

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