DE19603786A1 - Biosorbens für Schwermetalle aus einer Biomasse, dessen Herstellung und Verwendung - Google Patents

Biosorbens für Schwermetalle aus einer Biomasse, dessen Herstellung und Verwendung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Biosorbens bzw. Biosorptionsmittel für Schwermetalle aus einer mikrobiellen Bioabfallmasse, welche aus in­ dustriellen Fermentationsprozessen und biologischen Behandlungsanla­ gen stammt, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie ein Verfahren zur Rückgewinnung von Schwermetallen unter Verwendung dieses Biosor­ bens.
Die Ansammlung von Metallen durch Mikroorganismen ist seit einigen Jahrzehnten bekannt, hat jedoch erst in den jüngsten Jahren größere Auf­ merksamkeit gefunden, im Hinblick auf die potentielle Anwendung beim Umweltschutz oder bei der Rückgewinnung von Edelmetallen oder strate­ gischen Metallen. Der allgemeine Ausdruck "Biosorption" wurde dazu ver­ wendet, die Eigenschaft einer mikrobiellen Biomasse, Ionen von haupt­ sächlich Schwermetallen und Radionukliden zurückzuhalten, zu be­ schreiben. Das gesteigerte Interesse der Sequestration bzw. Maskierung dieser Elemente durch eine nichtlebende mikrobielle Biomasse basiert auf potentiellen technologischen Anwendungen der Biosorption bei der Me­ tallrückgewinnung und industriellen Abwasserbehandlung.
Faserartige Pilze wurden in der Fermentationsindustrie zur Erzeugung zahlreich er Metabolite, wie Enzyme, Geschmacksstoffe oder Antibiotika verwendet. Tausende von Tonnen an restlicher Biomasse, die jedes Jahr produziert werden, enthalten kaum oder schlecht bioabbaubare Biopoly­ mere (beispielsweise Cellulose, Chitin oder Glukane) und ergeben bei der landwirtschaftlichen Anwendung schlechte Düngemittel. Derzeit ist die Verbrennung der hauptsächliche Weg, dieses Nebenprodukt zu zerstören. Andererseits werden im Bergbau, in metallurgischen Industrien oder Gal­ vanisierungsanlagen stark metallbelastete Abwässer erzeugt. Derzeitige Behandlungen zur Reinigung dieser Abwässer sind oftmals weniger gün­ stig als die zur Entsorgung dieser Abwässer erforderlichen Gebühren oder Abgaben. Somit muß mit der fortgeführten Extraktion mineralischer Ressourcen und der Ansammlung schädlichen oder giftigen Abfalls in der Umwelt eine größere Effizienz bei der Entgiftung von Abwässern und der Rückgewinnung von Metallen erzielt werden.
Von einigen Mikroorganismen wie Saccharomyces cerevisiae, Actinomy­ ces levoris, Pseudomonas aeruginosa, Streptomyces viridochromogenes und Rhizopus arrhizus wurde berichtet, daß sie Biosorptionsvermögen für die Ansammlung von Schwermetallionen aufweisen. Nachfolgend sind die in Berichten beschriebenen herkömmlichen Biosorbentien für Schwerme­ talle und Radionuklide genannt.
Gerald Strandberg et al. berichteten, daß sich Uran extrazellulär auf den Oberflächen von Saccharomyces cerevisiae-Zellen ansammelte und daß die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Ansammlung Umgebungspara­ metern, wie pH, Temperatur und der Beeinflussung durch bestimmte Anio­ nen und Kationen unterlag (Applied and Environmental Microbiology, Band 41, 1981, Seiten 237-245).
Mario Tsezos et al. berichteten, daß die Biomasse von Rhizopus arrhizus bei pH 4 die höchste Biosorptions-Aufnahmekapazität für Uran und Thori­ um zeigte (Biotechnology and Bioengineering, Band XXIII, 1981, Seiten 583-604).
Akira Nakajima et al. berichteten, daß immobilisierte Streptomyces viri­ dochromogenes in Polyacrylamidgel die günstigsten Merkmale für die Uranrückgewinnung aus Seewasser aufweisen (Eur. J. Applied Microbio­ logy and Biotechnology, Band 16, 1982, Seiten 88-91).
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Biosorbens für Schwermetalle aus einer mikrobiellen Biomasse, welche aus industriellen Fermenta­ tionsprozessen und biologischen Behandlungsanlagen stammt, vorzuse­ hen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Biosorbens zur Verfügung zu stellen.
Diese Ziele werden durch ein Biosorbens gemäß Anspruch 3 sowie ein Ver­ fahren gemäß Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen des An­ meldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Biosorbens enthält Polyaminosaccharidnatrium­ phoshat als Hauptbestandteil und ist aus einer unter Verwendung eines Mikroorganismus der Gattung Aspergillus, Penicillium, Trichoderma oder Mikrokokkus erhaltenen, mikrobiellen Biomasse erhältlich, die aus indu­ striellen Fermentationsverfahren und biologischen Behandlungsanlagen stammt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines solchen Biosor­ bens umfaßt die Schritte (i) Hydrolyse der Biomasse mit einer Phosphor­ säurelösung, (ii) Entfernung lipidlöslicher Materialien mit einem organi­ schen Lösungsmittel, insbesondere Butanol, n-Hexan oder einer Mi­ schung hiervon, (iii) Umsetzung und Alkalisierung des so erhaltenen Rückstands mit einer wäßrigen Natriumhydroxid- oder Natriumbicarbo­ natlösung, (iv) Entfernung löslicher Materialien mit niederen Alkoholen und (v) Filtrieren und Trocknen des verbleibenden Rückstands zur Erzie­ lung des Biosorbens.
Die Erfindung betrifft daher insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Biosorbens für Schwermetalle mit Polyaminosaccharidnatrium­ phosphat als Hauptbestandteil aus einer unter Verwendung eines Mikro­ organismus der Gattung Aspergillus, Penicillium, Trichoderma oder Mi­ krokokkus erhaltenen, mikrobiellen Biomasse, umfassend die Schritte:
  • i) Hydrolyse der Biomasse mit einer 0,5-5,0%-igen Phosphorsäurelö­ sung;
  • ii) Entfernung lipidlöslicher Materialien mittels Butanol oder n-Hexan;
  • iii) Umsetzung und Alkalisierung des in Schritt ii) erhaltenen Rück­ stands mit einer 1-40%-igen Natriumhydroxid- oder Natriumbicar­ bonatlösung;
  • iv) Entfernung löslicher Materialien mit niederen Alkoholen, vorzugs­ weise Methanol, Ethanol, Isopropanol oder einer Mischung hiervon;
    und
  • v) Filtrieren und Trocknen des verbleibenden Rückstands zur Erzie­ lung des Biosorbens.
Die Erfindung betrifft ferner ein durch dieses Verfahren erhältliches Bio­ sorbens für Schwermetalle mit Polyaminosaccharidnatriumphosphat als Hauptbestandteil, welches ein zahlenmittleres Molekulargewicht von 50.000 bis 200.000 aufweist, wobei 1 g des getrockneten Biosorbens 200-400 mg Glukosamin, 60-200 mg Glukose, 70-200 Aminosäuren, 30-50 mg organische Phosphorverbindungen, sowie weitere restliche Verbindungen enthält.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin die Verwendung des erfindungs­ gemäßen Biosorbens zur Rückgewinnung von Schwermetallen aus schwermetallhaltigen Abwässern bzw. Abwasserschlämmen.
Fig. 1 zeigt das IR-Spektrum eines erfindungsgemäßen Biosorbens.
Nachfolgend wird der Mechanismus erläutert, wie Polyaminosaccharidna­ triumphosphat als Biosorbens für Schwermetalle eingesetzt werden kann.
Es wurde davon ausgegangen, daß der Mechanismus der Biosorption bei der Adsorption, beim Ionenaustausch, der Koordination und kovalenten Bindung involviert ist. Als Ergebnis umfangreicher Untersuchungen hat sich gezeigt, daß spezielle Bestandteile in der Zellwand von Mikroorganis­ men bei der Biosorption involviert sind. Weiterhin war bekannt, daß der Chitin- und Glukan-Komplex In einer mikrobiellen Biomasse eine Schlüs­ selrolle bei der Biosorption ausübt. Chitin und Chitosan in Krebs- bzw. Krabbenschalen zeigen jedoch ein geringeres Biosorptionvermögen als das aus einer mikrobiellen Biomasse hergestellte. Weiterhin war bekannt, daß Murein in der Zellwand von Mikroorganismen zur Bildung von Metallio­ nenkomplexen beiträgt. Unter Berücksichtigung sämtlicher Bestandteile der Zellwand in Pilzen und Bakterien sind Polyaminosaccharide die opti­ malen Biosorbentien mit dem besten Biosorptionsvermögen.
Die vorliegende Erfindung umfaßt daher auch ein Verfahren zum leichten bzw. einfachen Extrahieren von Polyaminosaccharidbestandteilen aus ei­ ner mikrobiellen Biomasse. Gemäß der Erfindung wird als Ausgangsmate­ rial eine unter Verwendung von Mikroorganismen der Gattung Aspergil­ lus, Penicillium, Trichoderma oder Mikrokokkus erhaltene, mikrobielle Biomasse aus industriellen Fermentationsverfahren oder biologischen Behandlungsanlagen eingesetzt.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bio­ sorbens wird nachfolgend näher erläutert.
Eine unter Verwendung der Mikroorganismen Aspergillus niger, Penicilli­ um chrysogenum, Trichoderma reesei oder Mikrokokkus luteus erhaltene, mikrobielle Biomasse aus industriellen Fermentationsverfahren oder bio­ logischen Behandlungsanlagen wird in einen Reaktor gegeben. Die Bio­ masse wird dann mit einer wäßrigen 0,5-5,0%-igen Phosphorsäurelösung bei 20-60°C während 2-5 Stunden hydrolysiert. Der nach der Hydrolyse er­ haltene Rückstand wird mit destilliertem Wasser gewaschen und die lösli­ chen Bestandteile werden entfernt. Es wird ein lipidlösliches organisches Lösungsmittel, wie beispielsweise Butanol oder n-Hexan zugesetzt und die lipidlöslichen Materialien werden entfernt. Nach Entfernung des organi­ schen Lösungsmittels wird zur Umsetzung und Alkalisierung des Rück­ standes bei 20-100°C während 1-10 Stunden eine wäßrige 1-40%-ige Na­ triumhydroxid- oder Natriumbicarbonatlösung zugesetzt. Unter den Be­ dingungen eines pH von 9-12 wird dann ein niederer Alkohol, wie etwa Methanol, Ethanol, Isopropanol oder eine Mischung daraus, zugegeben und die in niederem Alkohol löslichen Materialien werden entfernt. Schließlich wird der verbleibende Rückstand filtriert und getrocknet, um das Biosorbens mit Polyaminosaccharidnatriumphosphat als Hauptbe­ standteil zu erhalten.
Der wichtigste Schritt bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Biosor­ bens ist die Umsetzung des Rückstandes mit einer NaOH- oder NaHCO₃- Lösung. Bei diesem Schritt werden die Phosphationen (PO₄3-) von Poly­ aminosaccharid in der mikrobiellen Biomasse in Natriumphosphat umge­ wandelt. Diese umgewandelten Natriumphosphationen tragen zur Bio­ sorption von Schwermetallen in Kombination mit Aminresten im Polymer bei, um Bindungsstellen für Schwermetalle vorzusehen.
Das erfindungsgemäße Biosorbens ist daher ein Polymer mit Aminosac­ charidnatriumphosphat-Einheiten der nachfolgenden Formel, wobei das zahlenmittlere Molekulargewicht des Biosorbens vorzugsweise 50-200.000 beträgt;
Nachfolgend sind analytische Daten des erfindungsgemäßen Biosorbens angegeben.
Fig. 1 zeigt das IR-Spektrum des erfindungsgemäß hergestellten Biosor­ bens. Es werden Absorptionswellenlängen (cm-1) bei 3.000-3.500, 2.300, 1.650, 1.550, 1.470, 1.380, 1.320-1.340, 1.160, 1.050, 900, 780 und 600 beobachtet. Der Gehalt an Polyaminosaccharidnatriumphosphat in dem Biosorbens beträgt 50-80 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Biosorbens­ produkt.
1 g des getrockneten Biosorbens enthält vorzugsweise 200-400 mg Gluko­ samin, 60-200 mg Glukose, 70-200 mg Aminosäuren, 30-50 mg organi­ sche Phosphorverbindungen sowie weitere restliche Verbindungen.
Das gemäß dem obigen Verfahren hergestellte Biosorbens mit Polyamino­ saccharidnatriumphosphat als Hauptbestandteil kann zur Wiedergewin­ nung von Schwermetallen aus Abwasserströmen verwendet werden. Da­ her kann das erfindungsgemaße Biosorbens in Säulen zur Reinigung von Abwasserströmen oder in Reaktoren zur Reinigung von Abwasserströmen eingesetzt werden.
Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
Das Biosorptionsvermögen gegenüber Schwermetallen wurde gemäß fol­ gender Methode gemessen. 200 mg des getrockneten Biosorbens wurden zu 20 ml einer Standard-Metallnitratlösung gegeben, welche 5 mg Metal­ lionen pro 1 ml Wasser enthält. Die Mischung wurde bei Raumtemperatur 1 Stunde gerührt, danach wurde die Lösung filtriert und abgetrennt. Nach 100-facher Verdünnung der filtrierten Lösungen wurde die Metallmenge durch Atomabsorptionsanalyse gemessen.
Beispiel 1 Herstellung eines Biosorbens aus einer unter Verwendung von Aspergillus niger erhaltenen mikrobiellen Biomasse
1 Liter 1%-ige Phosphorsäurelösung wurde zu 200 g einer unter Verwen­ dung von Aspergillus niger ATCC-9642 erhaltenen, gut getrockneten mi­ krobiellen Biomasse gegeben und die Biomasse während 3 Stunden bei Raumtemperatur hydrolysiert. Nach dem Waschen mit destilliertem Was­ ser wurden 500 ml Butanol zu dem Rückstand gegeben. Die lipidlöslichen Materialien wurden entfernt. Nach Entfernung des Butanols wurde eine 10%-ige NaOH-Lösung zugesetzt und bei 50°C während 3-5 Stunden um­ gesetzt. Bei einem pH von 10 bis 12 wurden 600 ml Ethanol zugegeben, um ethanollösliche Materialien zu entfernen. Schließlich wurde der verblei­ bende Rückstand filtriert und bei 100-130°C getrocknet. Das getrocknete Biosorbens wurde dann zermahlen bzw. zerstoßen, um eine Teilchengröße von 0,5-2,0 mm zu erhalten. Tabelle 1 zeigt die analytischen Ergebnisse des Biosorbens. Die Ausbeute betrug 48% und das erhaltene Biosorbens zeigte das folgende Biosorptionsvermögen.
Beispiel 2 Herstellung eines Biosorbens aus einer unter Verwendung von Penicillium Chrysogenum erhaltenen mikrobiellen Biomasse
800 ml 1,5%-ige Phosphorsäurelösung wurden zu 200 g einer nassen, un­ ter Verwendung von Penicillium chrysogenum ATCC-10003 erhaltenen mikrobiellen Biomasse gegeben und die Biomasse während 2 Stunden bei Raumtemperatur hydrolysiert. Nach dem Waschen mit destilliertem Was­ ser wurde der Rückstand mit 600 ml Hexan versetzt. Die lipidlöslichen Ma­ terialien wurden entfernt. Nach Entfernung des Hexans wurde eine 20%­ ige NaHCO₃-Lösung zugesetzt und bei 90°C während 2 Stunden umge­ setzt. Bei einem pH von 10-12 wurden 500 ml Ethanol zugegeben, um etha­ nollösliche Materialien zu entfernen. Schließlich wurde der verbleibende Rückstand filtriert und bei 100-130°C getrocknet. Das getrocknete Bio­ sorbens wurde dann zerstoßen bzw. zermahlen, um eine Teilchengröße von 0,5-2,0 mm zu erhalten. Tabelle 1 zeigt die analytischen Daten des Bi­ osorbens. Die Ausbeute betrug 40% und das erhaltene Biosorbens zeigte das folgende Biosorptionsvermögen.
Beispiel 3 Herstellung eines Biosorbens aus einer unter Verwendung von Trichoderma reesei erhaltenen mikrobiellen Biomasse
500 ml 1,5%-ige Phosphorsäurelösung wurden zu 100 g einer nassen un­ ter Verwendung von Trichoderma reesei ATCC-26921 erhaltenen, mikro­ biellen Biomasse gegeben und die Biomasse während 3 Stunden bei Raum­ temperatur hydrolysiert. Nach dem Waschen mit destilliertem Wasser wurde der Rückstand mit 300 ml Butanol versetzt. Die lipidlöslichen Mate­ rialien wurden entfernt. Nach Entfernung des Butanols wurde 10%-ige NaOH-Lösung zugesetzt und bei 100°C während 1 Stunde umgesetzt. Bei einem pH von 10-12 wurden 300 ml Ethanol zugegeben, um ethanollösli­ che Materialien zu entfernen. Schließlich wurde der verbleibende Rück­ stand filtriert und bei 100-130°C getrocknet. Das getrocknete Biosorbens wurde dann zerstoßen bzw. zermahlen, um eine Teilchengröße von 0,5-2,0 mm zu erhalten. Tabelle 1 zeigt die analytischen Daten des Biosorbens. Die Ausbeute betrug 38% und das erhaltene Biosorbens zeigte das folgende Biosorptionsvermögen.
Beispiel 4 Herstellung eines Biosorbens aus einer unter Verwendung von Mikrokokkus luteus erhaltenen mikrobiellen Biomasse
800 ml 2,0%-ige Orthophosphorsäurelösung wurden zu 200 g einer gut ge­ trockneten, unter Verwendung von Mikrokokkus luteus ATCC-4698 erhal­ tenen mikrobiellen Biomasse gegeben und die Biomasse während 3 Stun­ den bei Raumtemperatur hydrolysiert. Nach dem Waschen mit destillier­ tem Wasser wurde der Rückstand mit 500 ml Butanol versetzt. Die lipid­ löslichen Materialien wurden entfernt. Nach Entfernung von Butanol wur­ de eine 10%-ige NaOH-Lösung zugesetzt und bei 40°C während 3-5 Stun­ den umgesetzt. Bei einem pH von 10-12 wurden 400 ml Methanol zugege­ ben, um methanollösliche Materialien zu entfernen. Schließlich wurde der verbleibende Rückstand filtriert und bei 100-130°C getrocknet. Das ge­ trocknete Biosorbens wurde dann zerstoßen bzw. zermahlen, um eine Teil­ chengröße von 0,5-2,0 mm zu erhalten. Tabelle 1 zeigt die analytischen Daten des Biosorbens. Die Ausbeute betrug 45% und das erhaltene Bio­ sorbens zeigte das folgende Biosorptionsvermögen.
Tabelle 1
Analytische Daten der Biosorbentien
Beispiel 5 Biosorption gegenüber Schwermetallen aus Abwasser­ schlamm
Unter Verwendung des in Beispiel 1 hergestellten Biosorbens wurden Schwermetalle aus einem Abwasserschlammstrom rückgewonnen. Die Menge der Biosorbenszugabe zu dem Abwasserschlammstrom betrug 1%, bezogen auf das Gewicht des Schlamms. Tabelle 2 zeigt die Menge der Schwermetalle vor und nach der Behandlung mit Biosorbens.
Beispiel 6 Biosorption gegenüber Schwermetallen aus Abwasser­ schlamm
Unter Verwendung des in Beispiel 2 hergestellten Biosorbens wurden Schwermetalle aus einem Abwasserschlammstrom rückgewonnen. Die Menge der Biosorbenszugabe zu dem Abwasserschlammstrom betrug 1%, bezogen auf das Gewicht des Schlamms. Tabelle 2 zeigt die Menge der Schwermetalle vor und nach der Behandlung mit Biosorbens.
Beispiel 7 Biosorption gegenüber Schwermetallen aus Abwasser­ schlamm
Unter Verwendung des in Beispiel 3 hergestellten Biosorbens wurden Schwermetalle aus einem Abwasserschlammstrom rückgewonnen. Die Menge der Biosorbenszugabe zu dem-Abwasserschlammstrom betrug 1%, bezogen auf das Gewicht des Schlamms. Tabelle 2 zeigt die Menge der Schwermetalle vor und nach der Behandlung mit Biosorbens.
Tabelle 2
Menge an Schwermetallionen vor und nach der Behandlung mit Biosorbens

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines Biosorbens für Schwermetalle mit Polyaminosaccharidnatriumphosphat als Hauptbestandteil aus einer un­ ter Verwendung eines Mikroorganismus der Gattung Aspergillus, Penicil­ lium, Trichoderma oder Mikrokokkus erhaltenen, mikrobiellen Biomasse, umfassend die Schritte:
  • i) Hydrolyse der Biomasse mit einer 0,5-5,0%-igen Phosphorsäurelö­ sung;
  • ii) Entfernung lipidlöslicher Materialien mittels Butanol oder n-Hexan;
  • iii) Umsetzung und Alkalisierung des in Schritt ii) erhaltenen Rück­ stands mit einer 1-40%-igen Natriumhydroxid- oder Natriumbicar­ bonatlösung;
  • iv) Entfernung löslicher Materialien mit niederen Alkoholen, vorzugs­ weise Methanol, Ethanol, Isopropanol oder einer Mischung hiervon;
    und
  • v) Filtrieren und Trocknen des verbleibenden Rückstands zur Erzie­ lung des Biosorbens.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Biomasse unter Verwendung der Mikroorganismen Aspergillus niger, Penicillium chrysogenum, Tri­ choderma reesei oder Mikrokokkus luteus erhalten worden ist.
3. Biosorbens für Schwermetalle mit Polyaminosaccharidnatrium­ phosphat als Hauptbestandteil, erhältlich durch ein Verfahren nach An­ spruch 1, welches ein zahlenmittleres Molekulargewicht von 50.000 bis 200.000 aufweist, wobei 1 g getrocknetes Biosorbens 200-400 mg Gluko­ samin, 60-200 mg Glukose, 70-200 mg Aminosäuren, 30-50 mg organi­ sche Phosphorverbindungen sowie weitere restliche Verbindungen ent­ hält.
4. Biosorbens nach Anspruch 3, wobei das IR-Spektrum des Biosorbens Absorptionswellenlängen (cm-1) bei 3.000-3.500, 2.300, 1.650, 1.550, 1.470, 1.380, 1.320-1.340, 1.160, 1.050, 900, 780 und 600 zeigt.
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