DE102008055079A1 - Removing substances e.g. selenium and/or tellurium from liquid/gaseous medium, using microorganisms, comprises culturing and enriching microorganism in medium containing substance and nutrients, and separating microorganism from the medium - Google Patents
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Abstract
Description
Einleitungintroduction
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung eines Stoffs aus einem flüssigen oder gasförmigen Medium mit Hilfe von Mikroorganismen, wobei die Mikroorganismen in dem den Stoff sowie Nährstoffe enthaltenden Medium kultiviert und angereichert werden und nach einer Kultivationsdauer schließlich von dem Medium abgetrennt werden, wobei sie den Stoff in sich enthalten.The The invention relates to a method for removing a substance a liquid or gaseous medium with the help of microorganisms, the microorganisms in which the substance and nutrient-containing medium is cultured and enriched and finally after a period of cultivation separated from the medium, wherein they contain the substance in itself.
Stand der TechnikState of the art
Als ”Bioleaching” ist eine mikrobielle Erzlaugung bekannt, bei der Schwermetalle aus ihren Erzen durch Umwandlung von unlöslichen Erzmineralien zu wasserlöslichen Salzen durch Mikroorganismen gewonnen werden. Es handelt sich somit um ein Teilgebiet der Biohydrometallurgie, d. h. einer Metallgewinnung durch biologisch-nasschemische Prozesse, bei der hauptsächlich Kupfer, Zink, Cobalt, Nickel, Gold und Uran gewonnen werden. Die bedeutsamsten Vertreter laugungsaktiver Mikroorganismen sind Bakterien und Archaeen, die Sulfid und elementaren Schwefel zu Sulfat oxidieren. Nachgewiesen wurde auch die Oxidation von zweiwertigem zu dreiwertigem Eisen. Unter den Bakterien sind es vor allem die sogenannten Schwefelbakterien Acidithiobacillus ferrooxidans und Acidithiobacillus thiooxidans, mit denen sich Sulfid- und Schwefelverbindungen oxidieren lassen. Bei richtiger Betriebsführung zeichnen sich Biolaugungsverfahren durch ihren geringen Energiebedarf und ihre Umweltfreundlichkeit aus, da es zu keinem nennenswerten Schadstoffausstoß kommt.As is "bioleaching" a microbial ore leaching known in which heavy metals from their Ores by conversion of insoluble ore minerals to water-soluble salts are obtained by microorganisms. It is therefore a branch of biohydrometallurgy, d. H. a metal extraction by biological-wet-chemical processes, mainly copper, zinc, cobalt, nickel, gold and uranium are extracted. The most significant representatives more laxative Microorganisms are bacteria and archaea, the sulfide and elemental sulfur oxidize to sulfate. The oxidation of divalent was also proved to trivalent iron. Among the bacteria, it is mainly the so-called Sulfur bacteria Acidithiobacillus ferrooxidans and Acidithiobacillus Thiooxidans, which can be oxidized sulfide and sulfur compounds. With proper operation, bioleaching processes become apparent due to their low energy consumption and their environmental friendliness because there is no significant emission of pollutants.
Aufgabetask
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Entfernung bzw. Anreicherung eines Stoffs mit Hilfe von Mikroorganismen vorzuschlagen, das auch auf Stoffe anwendbar ist, die bislang nicht mit ähnlichen Verfahren entfernt bzw. angereichert wurden.Of the Invention is based on the object, a method for removal or to suggest enrichment of a substance with the help of microorganisms, which is also applicable to substances that have not previously been Procedures were removed or enriched.
Lösungsolution
Ausgehend von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art wird die zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, dass Selenid-Ionen und/oder Selenwasserstoff und/oder Tellurid-Ionen und/oder Tellurwasserstoff mit Hilfe von Sulfid oxidierenden Mikroorganismen angereichert und aus dem Medium entfernt werden.outgoing from a method of the type described above is the basis This object is achieved in that selenide ions and / or Selenium and / or telluride ions and / or tellurium hydrogen Enriched with the help of sulfide oxidizing microorganisms and be removed from the medium.
Überraschenderweise
hat sich herausgestellt, dass die an sich aus diversen Bioleaching-Verfahren
bekannten Mikroorganismen, d. h. insbesondere Schwefelbakterien
mit oxidativem Schwefelstoffwechsel, nicht nur Sulfid-Ionen sondern
auch Selenid-Ionen und/oder Selenwasserstoff und/oder Tellurid-Ionen
und/oder Tellurwasserstoff oxidieren und intrazellulär
(periplasmatisch) in der Elementarform speichern können.
Mittels so genannter XANES-Spektroskopie konnte nachgewiesen werden, dass
elementares Selen bzw. Tellur in den Schwefelbakterien in elementarer
Form vorhanden sind. Die fraglichen Bakterien führen eine
Art Entgiftungsreaktion durch und entfernen somit die Selenid- bzw.
Tellurid-Ionen aus dem sie umgebenden Medium. Das elementare Selen
bzw. Tellur wird in den Zellen der Bakterien in Kettenform eingelagert.
Nach außen hin wird es von einer Proteinhülle
umgeben und bildet die Form einer Kugel. Bekannt ist zwar (
Selen ist zwar als essentielles Spurenelement Bestandteil der 21. Aminosäure, Selenocystein, sowie in Bakterien Archaea und Eukaryoten enthalten. Selenverbindungen werden daher als Nahrungsergänzung angeboten und zu Futter- und Düngemittelzusätzen verarbeitet. In der Technik wird es in der Glasindustrie, bei der Halbleiterherstellung, als Latexzusatz, bei der Toner- und Pigmentherstellung, als Legierungszusatz und bei sogenannten CIS-Solarzellen verwendet.selenium Although as an essential trace element is part of the 21st amino acid, Selenocysteine, as well as contained in bacteria archaea and eukaryotes. Selenium compounds are therefore offered as a dietary supplement and processed into feed and fertilizer additives. In the art, in the glass industry, in semiconductor manufacturing, as a latex additive, in toner and pigment production, as an alloying additive and used in so-called CIS solar cells.
Auch wenn in manchen Gegenden der Erde Selen-Mangelkrankheiten vorkommen, besteht andererseits sogar der Verdacht, dass bestimmte Karzinome oder Typ 2-Diabetes durch zu hohe Selenaufnahme begünstigt werden. Selen und Selenverbindungen gelten daher als giftig und eine entsprechende Gefahrstoffkennzeichnung ist vorgeschrieben.Also if selenium deficiency diseases occur in some parts of the world, On the other hand, there is even the suspicion that certain carcinomas or type 2 diabetes favored by excessive selenium intake become. Selenium and selenium compounds are therefore considered toxic and A corresponding hazardous substance labeling is required.
Tellur ist ein seltenes chemisches Element, dessen Häufigkeit ungefähr der von Gold entspricht, mit dem es auch verschiedene Verbindungen eingeht. Tellur wird zusammen mit Selen industriell ausschließlich aus Nebenprodukten der großtechnischen elektrolytischen Kupfer- und Nickelherstellung gewonnen. In den anfallenden Anodenschlämmen sind wasserunlösliche Edelmetalltelluride und -selenide enthalten. In der Technik wird es in der Metallindustrie als Legierungszusatz sowie bei der Herstellung von Verbindungshalbleitern verwendet. Im Gegensatz zu Selen gilt Tellur als nicht-essentielles Spurenelement, d. h. eine allein auf Tellur basierende biologische Funktion wird vermutet, konnte jedoch bislang noch nicht nachgewiesen werden. Gleichwohl ist Tellur ein für den menschlichen Organismus giftiges Element und ist daher mit dem entsprechenden Gefahrensymbol zu kennzeichnen.Tellurium is a rare chemical element whose frequency is approximately that of gold, with which it also enters into various compounds. Tellurium, together with selenium, is obtained industrially exclusively from by-products of large-scale electrolytic copper and nickel production. In the resulting anode slurries contain water-insoluble noble metal tellurides and selenides. In the art, it is used in the metal industry as an alloying additive as well as in the preparation of compound semiconductors. In contrast to selenium, tellurium is considered to be a non-essential trace element, ie a tellurium-based biological function is suspected but has not yet been detected. However, tellurium is a poisonous element for the human organism and must therefore be marked with the corresponding hazard symbol.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde nunmehr eine sehr nützliche und effiziente Methode entdeckt, um Belastungen flüssiger oder gasförmiger Medien mit Selenid-Ionen und/oder Selenwasserstoff und/oder Tellurid-Ionen und/oder Tellurwasserstoff mit Hilfe von Schwefelbakterien zu entfernen und auf diese Weise elementares Selen und/oder Tellur zu gewinnen. Falls Belastungen eines Mediums sowohl mit Selen, als auch mit Tellur bestehen, können diese gleichzeitig entfernt und Selen und Tellur in elementarer Form gewonnen werden. Insbesondere kommen Bakterien der Familien Chromaticeae, Beggiatoaceae, Achromaticeae, Sulfolobus, Halorhodospiraceae, Ectothiorhodospiraceae, Chlorobiaceae, Pseudomonaceae, Thiobacillaceae in Frage.With the process of the invention has now been a very useful and efficient method discovered to Loads of liquid or gaseous media with selenide ions and / or selenium and / or telluride ions and / or telluric hydrogen with the help of sulfur bacteria to remove and to gain elemental selenium and / or tellurium in this way. If Strain of a medium with both selenium and tellurium These can be removed at the same time and selenium and tellurium are obtained in elemental form. In particular, come Bacteria of the families Chromaticeae, Beggiatoaceae, Achromaticeae, Sulfolobus, Halorhodospiraceae, Ectothiorhodospiraceae, Chlorobiaceae, Pseudomonaceae, Thiobacillaceae in question.
Des Weiteren wurde herausgefunden, dass die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Mikroorganismen vorzugsweise Stämme aus der Gruppe der phototrophen Schwefelbakterien sein können, insbesondere Allochromatium vinosum, insbesondere Allochromatium vinosum DSMZ 180T, wobei die Kultivierung bei einem pH-Wert zwischen 6 und 8, vorzugsweise ungefähr 7, und bei Abwesenheit von Sauerstoff erfolgt.Furthermore, it has been found that the microorganisms used for carrying out the method according to the invention may preferably be strains from the group of the phototrophic sulfur bacteria, in particular Allochromatium vinosum, in particular Allochromatium vinosum DSMZ 180 T , wherein the cultivation takes place at a pH of between 6 and 8, preferably about 7, and in the absence of oxygen.
Alternativ ist es gleichfalls möglich, als Mikroorganismen Stämme aus der Gruppe der chemotrophen Schwefelbakterien zu verwenden, insbesondere Acidithiobacillus ferrooxidans, insbesondere Ferrobacillus acidithioxidans DSMZ 584/585, wobei die Kultivierung bei einem pH-Wert zwischen 2 und 7 und bei Anwesenheit von Sauerstoff erfolgt.alternative It is also possible, as microorganisms strains to use from the group of chemotrophic sulfur bacteria, in particular Acidithiobacillus ferrooxidans, in particular Ferrobacillus acid dioxide DSMZ 584/585, wherein the cultivation at a pH between 2 and 7 and in the presence of oxygen.
Nach Ablauf der gewählten Kultivationsdauer können die Mikroorganismen auf einfache Weise mittels Zentrifugation aus dem Medium entfernt werden. Danach können sie beispielsweise mittels Ultraschallbehandlung zerstört werden, wodurch Selen- und/oder Tellurkugeln frei werden, die wiederum durch eine Zentrifugationsbehandlung sedimentiert werden, wobei eventuelle Hüllproteine durch eine enzymatische Behandlung entfernt werden können.To Expiration of the selected cultivation period can the microorganisms in a simple manner by centrifugation removed from the medium. After that they can, for example be destroyed by ultrasonic treatment, thereby Selenium and / or Tellurkugeln be free, which in turn by a Centrifugation be sedimented, with any Enveloped proteins removed by enzymatic treatment can be.
Falls phototrophe Schwefelbakterien verwendet werden, kann die Bestrahlung eines Reaktors, in dem das zu behandelnde Medium enthalten ist, mit das Wachstum der Mikroorganismen fördernden Licht durchgeführt werden. Auf diese Weise kann unabhängig von den äußeren Umweltbedingungen ein reproduzierbarer und gut steuerbarer Verfahrensablauf erzielt werden. Es kann sinnvoll sein, die künstliche Bestrahlung zu beenden und eventuell vorhandene andere, d. h. insbesondere natürliche (Sonnen-)Strahlung von den Mikroorganismen ab einem gewissen Zeitpunkt des Verfahrensablaufs fernzuhalten. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass die intrazellulär gebildeten Selen- oder Tellurkugeln weiter zu Selenat oder Tellurat oxidiert werden.If phototrophic sulfur bacteria can be used, the irradiation a reactor in which the medium to be treated is contained, carried out with the growth of microorganism-promoting light become. In this way, regardless of the outer Environmental conditions a reproducible and easily controllable procedure be achieved. It may be useful to the artificial irradiation to terminate and any others present, d. H. in particular natural (solar) radiation from the microorganisms at some point in the process keep. In this way it can be prevented that the intracellular formed selenium or tellurium balls to selenate or tellurate be oxidized.
Alternativ hierzu kann jedoch auch die Kultivierung der Mikroorganismen bewusst so lange fortgesetzt werden, bis elementares Selen oder Tellur von der Mikroorganismen zu Selenat bzw. Tellurat oxidiert wird, wozu insbesondere Mikroorganismen der Stämme Acidithiobacillus ferrooxidans verwendet werden.alternative However, this can also be aware of the cultivation of microorganisms continue until elemental selenium or tellurium of the microorganisms is oxidized to selenate or tellurate, including in particular microorganisms of the strains Acidithiobacillus ferrooxidans be used.
Bei Versuchen hat sich herausgestellt, dass die Kultivierung der Mikroorganismen vorzugsweise bei Temperaturen zwischen ungefähr 15°C und 40°C, vorzugsweise zwischen ungefähr 20°C und 35°C, erfolgen sollte, da hier eine besonders große Aktivität zu beobachten ist.at It has been found that the cultivation of microorganisms preferably at temperatures between about 15 ° C and 40 ° C, preferably between about 20 ° C and 35 ° C, should be done, as here is a particularly large Activity is observed.
Aufgrund der Verwendung so genannter Schwefelbakterien ist es möglich, gleichzeitig mit der Entfernung von Selenid-Ionen und/oder Selenwasserstoff und/oder Tellurid-Ionen und/oder Tellurwasserstoff auch Sulfid-Ionen und/oder Schwefelwasserstoff zu entfernen. In den Bakterien wird dann gleichzeitig auch elementarer Schwefel angesammelt.by virtue of the use of so-called sulfur bacteria it is possible simultaneously with the removal of selenide ions and / or hydrogen selenide and / or telluride ions and / or tellurium hydrogen also sulfide ions and / or to remove hydrogen sulphide. In the bacteria will then at the same time also elemental sulfur accumulated.
Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren entweder als kontinuierlicher Fließprozess oder im Batchbetrieb ausgeführt werden. Bei Verwendung von Reinkulturen der genannten Bakterienstämme werden gut reproduzierbare Ergebnisse mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt.in principle the process of the invention can be used either as continuous flow process or in batch mode become. When using pure cultures of the bacterial strains mentioned become well reproducible results with the invention Procedure achieved.
Ausführungsbeispielembodiment
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Aufgabenstellung ist die Entfernung von Selenid- und/oder Tellurid-Ionen und/oder Selen- und/oder Tellurwasserstoff aus einer belasteten wässrigen Lösung, die beispielsweise aus einer industriellen Kläranlage stammt.The inventive method is described below an embodiment explained in more detail. Task is the removal of selenide and / or telluride ions and / or selenium and / or tellurium hydrogen from a polluted aqueous Solution, for example, from an industrial wastewater treatment plant comes.
Die
zu entfernenden Stoffe sind in der zu behandelnden wässrigen
Lösung in einer Konzentration von 10 g Na2Se
bzw. Na2Te ad 100 ml aqua dest. enthalten.
Die wässrige Lösung wird mit phototrophen Schwefelbakterien
des Stamms Allochromatium vinosum DSMZ 1807 versetzt. Die Bakterien
befinden sich bei vor Zugabe der wässrigen Lösung
in der stationären Phase. Als Nährmedium wird
für ein gutes Bakterienwachstum (photoorganoheterotrophes Wachstum)
RCV-Medium verwendet (
Nach Start der Kultivierung werden auf 11 Bakterienkultur 10 ml Lösung (s. o.) gegeben (entspricht 1 g Selenid bzw. Tellurid). Die Glasreaktoren werden mit Licht von mehreren haushaltsüblichen Glühlampen (jeweils 60 Watt), mit dem für Wolfram-Glühfäden typischen breiten Emissionsspektrum, bestrahlt und mittels eines Rührorgans gerührt, so dass der gesamte Reaktorinhalt zeitweise in der Nähe des Glasmantels zirkuliert.To Start of cultivation on 10 bacterial culture 10 ml solution (see above) (corresponds to 1 g of selenide or telluride). The glass reactors will be with light from several household light bulbs (each 60 watts), with the tungsten filaments typical broad emission spectrum, irradiated and by means of a Stirred stirred, so that the entire reactor contents temporarily circulated near the glass mantle.
Die Temperatur des wässrigen Mediums während der Kultivierungsdauer beträgt ca. 30°C und der pH-Wert ca. 6,8The Temperature of the aqueous medium during the cultivation period is about 30 ° C and the pH is about 6.8
Nach einer Behandlungsdauer von ca. 2 bis 5 h wird die Beleuchtung des Glasreaktors abgeschaltet und der pH auf 8 an gehoben, um eine Weiteroxidation zu Selenat bzw. Tellurat zu verhindern. Mit Hilfe einer Zentrifuge werden die Bakterien aus der wässrigen Lösung abgeschieden. Anschließend werden die Bakterien mit Ultraschall behandelt, so dass ihre Zellmembranen, z. T auch Kugelhüllmembranen, zerstört werden, wodurch elementare Selen- und/oder Tellurkugeln frei werden. Diese werden durch weitere Zentrifugation sedimentiert.To a treatment duration of approx. 2 to 5 h, the lighting of the Shut off the glass reactor and the pH to 8, to a further oxidation to prevent selenate or tellurate. With the help of a centrifuge The bacteria are removed from the aqueous solution deposited. Subsequently, the bacteria are sonicated treated so that their cell membranes, eg. T also ball enveloping membranes, be destroyed, creating elemental selenium and / or tellurium get free. These are sedimented by further centrifugation.
Sofern den Bakterien eine hinreichende Zeit zur Verfügung steht (abhängig auch von Temperatur, Lichtverhältnissen, Nährmedien, etc.), findet eine vollständige Umsetzung sämtlichen Selenids bzw. Tellurids zu elementarem Selen oder Tellur statt. Um eine Vergiftung und ein Absterben der Bakterien zu vermeiden, sollte die Konzentration an Selenid- bzw. Tellurid-Ionen in der zu behandelnden Lösung unter ca. 1 bis 2 g/l betragen.Provided a sufficient amount of time is available to the bacteria (depending on temperature, light conditions, Nutrient media, etc.), finds a complete implementation all selenide or telluride to elemental selenium or tellurium instead. To poison and die off the bacteria The concentration of selenide or telluride ions should be avoided in the solution to be treated below about 1 to 2 g / l.
Neben der vorstehend beschriebenen Anwendung des Verfahrens auf Kläranlagen-Abwasser lässt sich das Verfahren auch bei belasteten Gasgemischen anwenden, wie sie beispielsweise bei der Erdölverarbeitung oder bei der Erdgasgewinnung vorliegen.Next the application of the method described above to wastewater treatment wastewater leaves the method also apply to loaded gas mixtures, such as For example, in oil processing or in the Natural gas production available.
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