Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Bio-Angeln für Seltene Erden: Wie Eiweiß-Bruchstücke Elektronik-Schrott recyceln

15.10.2018

Ohne wichtige Schlüssel-Elemente, wie Kupfer oder die Metalle der Seltenen Erden, funktioniert weder die moderne Elektronik noch fließt elektrischer Strom. Ausgediente Energiesparlampen, Handys, Computer und Schrotte könnten eine wichtige Quelle für diese Rohstoffe sein, allerdings lassen sich die wertvollen Hightech-Metalle von dort nur schwer zurückgewinnen. Es sei denn, man angelt mit kleinen Eiweiß-Bruchstücken danach, die Forscher vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Technischen Universität Bergakademie Freiberg gerade in der Zeitschrift „Research in Microbiology“ vorstellen.

Die defekte Energiesparlampe und das ausgediente Handy wandern heutzutage mehr oder weniger zuverlässig über Sammelbehälter in Großmärkten und andernorts zu den Wertstoffhöfen. Für besonders wertvolle Inhaltsstoffe wie die Seltenen Erden Terbium, Yttrium oder Lanthan, die oft nur in geringen Konzentrationen vorliegen und die fest mit anderen Komponenten verbunden sind, gibt es allerdings häufig noch keine wirtschaftlichen Recyclingtechnologien.


Wie Eiweißbruchstücke Seltene Erden angeln. Um die Peptide gezielt für ein Zielmaterial anzufertigen, setzt die Nachwuchsgruppe BioKollekt am HZDR auf Bakteriophagen (links).

HZDR/Franziska Lederer


Dr. Franziska Lederer leitet seit Anfang Oktober die Nachwuchsgruppe "BioKollekt" am HZDR.

A. Wirsig/HZDR

„Allein 25.000 Tonnen Leuchtpulver der ausgedienten Energiesparlampen dürften daher in der Europäischen Union bis zum Jahr 2020 gesammelt werden“, berichtet die Biologin Dr. Franziska Lederer vom HZDR.

Fein verteilt stecken dort so exotisch klingende Verbindungen wie Yttrium-Oxid, Lanthan-Phosphat, Cer-Magnesium-Aluminium-Oxid und Barium-Magnesium-Aluminium-Oxid, die Spuren von Terbium, Cer, Europium und anderen Seltenen Erden enthalten.

Die Seltenen Erden wiederum, ohne die weder Plasmabildschirme, noch Generatoren von Windkraftanlagen oder Elektromotoren für Autos mit Hybrid-Antrieb funktionieren, wurden in den vergangenen Jahren fast ausschließlich in China gewonnen. Export-Beschränkungen können daher die hiesigen Schlüsseltechnologien massiv in Mitleidenschaft ziehen.

Die Nachwuchsgruppe „BioKollekt“, die Dr. Lederer seit dem 1. Oktober 2018 am Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF) – einem Institut des HZDR – leitet, beschäftigt sich deshalb mit neuartigen Technologien, um Seltene Erden beispielsweise aus dem Leuchtpulver ausgedienter Energiesparlampen zu gewinnen. Mit diesen Methoden können aber auch wichtige Metalle wie Kupfer und Gold aus dem Abraum von Bergwerken gewonnen oder Plastik sortiert und wiederverwendet werden.

Das Vorbild für diese Techniken findet die Biologin bei Viren, die auf Bakterien spezialisiert sind. Die Hülle dieser winzigen „Bakteriophagen“ besteht aus rund 4.000 Proteinen. An diese wurden mit molekularbiologischen Methoden kurze Protein-Bruchstücke geheftet, die acht bis 16 Proteinbausteine lang sind. Von diesen Peptiden gibt es viele unterschiedliche Formen, Franziska Lederer kann daher mit einer Milliarde Bakteriophagen forschen, die jeweils unterschiedliche Peptide besitzen. Eine solche Sammlung nennen Molekularbiologen eine „Bibliothek“.

„Die Peptide können kleine Taschen formen, in die bestimmte Mini-Strukturen passen“, erklärt die Biologin. Dabei kann es sich zum Beispiel um das Seltene-Erd-Element Terbium handeln. Bringt die Forscherin ihre Bakteriophagen-Bibliothek mit einer solchen reinen Terbium-Verbindung zusammen, die an einer festen Oberfläche hängt, bleiben beim Abwaschen die Bakteriophagen hängen, in deren Peptid-Tasche die Terbium-Verbindung recht gut passt.

Vermehren bis zur perfekten Passfähigkeit

In einem zweiten Durchgang verschärfen die Forscher dann die Bedingungen, so dass nur noch die Bakteriophagen hängen bleiben, in deren Peptid-Tasche die Terbium-Verbindung sehr gut passt. Jetzt folgt eine Analyse des Abschnitts im Erbgut dieser Bakteriophagen, der die Bauanleitung für das Peptid enthält. Nach dieser Bauanleitung lässt Franziska Lederer dann die passenden Peptide für die Terbium-Verbindung anfertigen.

Diese Peptide werden nun zum Beispiel an Partikel aus einem magnetischen Material geheftet. Mischt man diese Teilchen mit dem Leuchtpulver von Energiesparlampen in einer Brühe, dann heften sie sich dort an die enthaltenen Terbium-Verbindungen. Anschließend fischen die Forscher mit einem Magneten die Partikel samt den Seltenen Erden wieder heraus.

Nach dem Entfernen der Terbium-Verbindungen können die Teilchen mit den Peptiden wieder zum Recyceln eingesetzt werden. „Mit dieser Methode können wir spezifische Peptide für unterschiedliche Seltene Erden, aber auch für wichtige Metalle wie Kupfer, Gold oder verschiedene Platin-Metalle gewinnen und mit ihnen die jeweiligen Substanzen aus sehr verdünnten und komplexen Gemischen extrahieren“, erklärt Franziska Lederer.

Die Erfinder dieser Phagen-Display-Methode wurden vor kurzem mit dem Nobelpreis für Chemie 2018 geehrt; lange vorher hatte die Dresdner Nachwuchsgruppenleiterin die Bakteriophagen-Bibliotheken aus der Gruppe des frisch gebackenen Nobelpreisträgers George Smith an der amerikanischen University of Missouri erhalten. Da andere Wissenschaftler die Phagen-Methode bisher nur für biologische Verfahren wie der Herstellung von Antikörpern verwenden, leisten die HZDR-Forscher beim Recyceln von Metallen echte Pionierarbeit.

Die spezifischen Peptide lassen sich auch an Styropor-Kügelchen anheften. Mit der jeweiligen, gebundenen Substanz schwimmen diese Kügelchen in einem Container an die Oberfläche des Wassers und können einfach abgeschöpft werden. Mit solchen Methoden könnten auch Erze aus den Abraumhalden von Bergwerken gewonnen werden, in denen noch Spuren dieser Erze vorhanden sind.

„Vielleicht können wir auch Peptide isolieren, die spezifisch bestimmte Kunststoffe binden“, überlegt Franziska Lederer. Bisher werden Plastik-Abfälle nämlich häufig verfeuert, weil sie ein Gemisch verschiedener Kunststoffe enthalten.

Die Peptide der HZDR-Gruppe aber könnten diese Abfall-Mischungen in Zukunft vielleicht sortieren und so ein echtes Recycling einleiten. „Unsere Forschung steht noch am Anfang und eine praktische Anwendung wird noch einige Zeit auf sich warten lassen. Unser Ziel ist es, mit unserer innovativen Technologieplattform das Recycling erheblich zu verbessern.“

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Es ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Das HZDR hat fünf Standorte (Dresden, Freiberg, Grenoble, Leipzig, Schenefeld bei Hamburg) und beschäftigt rund 1.200 Mitarbeiter – davon etwa 500 Wissenschaftler inklusive 150 Doktoranden.

Das Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF) hat das Ziel, innovative Technologien für die Wirtschaft zu entwickeln, um mineralische und metallhaltige Rohstoffe effizienter bereitzustellen und zu nutzen sowie umweltfreundlich zu recyceln. Es wurde 2011 gegründet, gehört zum Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und kooperiert eng mit der TU Bergakademie Freiberg.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Franziska Lederer
Leiterin Nachwuchsgruppe „BioKollekt“ | Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie des HZDR
Tel. +49 351 260 - 2427 | E-Mail: f.lederer @hzdr.de

Originalpublikation:

Robert Braun, Stefanie Bachmann, Nora Schönberger, Sabine Matys, Franziska Lederer, Katrin Pollmann: „Peptides as biosorbents – Promising tools for resource recovery“, Research in Microbiology (Juni 2018), DOI: 10.1016/j.resmic.2018.06.001

Weitere Informationen:

https://www.hzdr.de/presse/phagen

Dr. Christine Bohnet | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Insekten teilen den gleichen Signalweg zur dreidimensionalen Entwicklung ihres Körpers
18.10.2019 | Universität zu Köln

nachricht Das Rezept für eine Fruchtfliege
18.10.2019 | Max-Planck-Institut für Biochemie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination

Silberameisen gelten als schnellste Ameisen der Welt - obwohl ihre Beine verhältnismäßig kurz sind. Daher haben Forschende der Universität Ulm den besonderen Laufstil dieses "Wüstenflitzers" auf einer Ameisen-Rennstrecke ergründet. Veröffentlicht wurde diese Entdeckung jüngst im „Journal of Experimental Biology“.

Sie geht auf Nahrungssuche, wenn andere Siesta halten: Die saharische Silberameise macht vor allem in der Mittagshitze der Sahara und in den Wüsten der...

Im Focus: Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

Auf der K 2019, der Weltleitmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie vom 16.-23. Oktober in Düsseldorf, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR das breite Anwendungsspektrum des von ihm entwickelten Millimeterwellen-Scanners SAMMI® im Kunststoffbereich. Im Rahmen des Messeauftritts führen die Wissenschaftler die vielseitigen Möglichkeiten der Millimeterwellentechnologie zur kontaktlosen, zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoffprodukten vor.

Millimeterwellen sind in der Lage, nicht leitende, sogenannte dielektrische Materialien zu durchdringen. Damit eigen sie sich in besonderem Maße zum Einsatz in...

Im Focus: Solving the mystery of quantum light in thin layers

A very special kind of light is emitted by tungsten diselenide layers. The reason for this has been unclear. Now an explanation has been found at TU Wien (Vienna)

It is an exotic phenomenon that nobody was able to explain for years: when energy is supplied to a thin layer of the material tungsten diselenide, it begins to...

Im Focus: Rätsel gelöst: Das Quantenleuchten dünner Schichten

Eine ganz spezielle Art von Licht wird von Wolfram-Diselenid-Schichten ausgesandt. Warum das so ist, war bisher unklar. An der TU Wien wurde nun eine Erklärung gefunden.

Es ist ein merkwürdiges Phänomen, das jahrelang niemand erklären konnte: Wenn man einer dünnen Schicht des Materials Wolfram-Diselenid Energie zuführt, dann...

Im Focus: Wie sich Reibung bei topologischen Isolatoren kontrollieren lässt

Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien, die elektrischen Strom an der Oberfläche leiten, sich im Innern aber wie Isolatoren verhalten. Wie sie auf Reibung reagieren, haben Physiker der Universität Basel und der Technischen Universität Istanbul nun erstmals untersucht. Ihr Experiment zeigt, dass die durch Reibung erzeugt Wärme deutlich geringer ausfällt als in herkömmlichen Materialien. Dafür verantwortlich ist ein neuartiger Quantenmechanismus, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Nature Materials».

Dank ihren einzigartigen elektrischen Eigenschaften versprechen topologische Isolatoren zahlreiche Neuerungen in der Elektronik- und Computerindustrie, aber...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

VR-/AR-Technologien aus der Nische holen

18.10.2019 | Veranstaltungen

Ein Marktplatz zur digitalen Transformation

18.10.2019 | Veranstaltungen

Wenn der Mensch auf Künstliche Intelligenz trifft

17.10.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Insekten teilen den gleichen Signalweg zur dreidimensionalen Entwicklung ihres Körpers

18.10.2019 | Biowissenschaften Chemie

Volle Wertschöpfungskette in der Mikrosystemtechnik – vom Chip bis zum Prototyp

18.10.2019 | Physik Astronomie

Innovative Datenanalyse von Fraunhofer Austria

18.10.2019 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics