Fe-Reduzierer - Schwefelreduzierer ... - Ceratechcenter
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1 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Mikrobiologische Aufbereitung von Tonen<br />
„Entwicklung neuer Aufbereitungstechnologien für<br />
tonmineralische Rohstoffe durch gezielte Nutzung<br />
und Steuerung mikrobiologischer Reaktionen“<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)
2 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Mikrobiologische Aufbereitung von Tonen<br />
Übersicht<br />
- Entstehungsgeschichte<br />
- Installation/Förderung<br />
- Konsortium<br />
- Ziele<br />
- Projektstruktur<br />
- Stand des Vorhabens<br />
- Ergebnisse<br />
- Zusammenfassung<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)
Sanierung<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
Schwermetall-Entfernung [%]<br />
Zn Mn Cd Ni Co Cu<br />
3 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Geomikrobiologie<br />
Stoffwechsel mit Geosphäre Metallgewinnung<br />
Sediment<br />
"Schwer-<br />
metalle"<br />
<strong>Fe</strong>in-<br />
Pflanzen-<br />
Klassierung<br />
fraktion<br />
material<br />
Konditionierung<br />
mit Pflanzen<br />
Kompostierung<br />
Grobfraktion<br />
Prozeßwasserbehandlung<br />
Reagenzien<br />
Prozeß-<br />
wasser<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)<br />
Mikrobielle<br />
Laugung<br />
Reagenzien<br />
Revitalisierung<br />
Kalk<br />
Kompost<br />
"Boden"
Nahrungsmittel<br />
4 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Biotechnologie<br />
Umweltschutz<br />
Medizin/Chemie<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)<br />
Landwirtschaft
5 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Geomikrobiologie - Biotechnologie<br />
Keramik<br />
Idee<br />
Interdisziplinäres<br />
know-how<br />
Industrie<br />
Gesamtziele:<br />
� neue und innovative Technologien<br />
� Nutzung mikrobiologischer Prozesse<br />
� nachhaltige, kostengünstige Verfahren<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)<br />
Mineralogie<br />
� Qualitätssteigerung tonmineralischer Produkte
6 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Förderung<br />
"Nachhaltig ist eine Entwicklung dann, wenn sie den<br />
Bedürfnissen der heutigen Generation entspricht, ohne die<br />
Möglichkeiten der zukünftigen Generationen zu gefährden."<br />
Internationale Kommission für Umwelt und Entwicklung, Brundtland-Report, 1987<br />
Verständnis der komplexen Wechselwirkungen:<br />
- Mensch – natürliche Prozesse<br />
- globale Dimensionen von Umwelt und<br />
- zukünftige Entwicklung<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)
Gesellschaft Regionen Wirtschaft Ressourcen System Erde<br />
Gesellschaftliches Handeln: langfristige Stabilität von Natur und Gesellschaft<br />
Räumliche Entwicklung: Lebensqualität: Stabilisierung natürl., soziale, wirtschaftl.<br />
Produktionssysteme: Nachhaltigkeit; Sicherung dt. Wettbewerbsfähigkeit<br />
Natürliche Ressourcen: langfristige Sicherung der Funktion Bewirtschaftung<br />
Auswirkungen auf Erde: Veränderungen und wechselseitige Beeinflussung<br />
7 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)
8 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Wirtschaft<br />
- Bedürfnisfelder und Wertschöpfungsketten<br />
- Klimaschutzstrategien<br />
- Rohstoffnahe Produktionssysteme<br />
- Geschäftsmodelle<br />
- Schlüsselinnovationen<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)
9 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Wirtschaft<br />
- Bedürfnisfelder und Wertschöpfungsketten<br />
- Klimaschutzstrategien<br />
- Rohstoffnahe Produktionssysteme<br />
- Geschäftsmodelle<br />
- Schlüsselinnovationen<br />
Verstärkte Nutzung von Nachhaltigkeitspotenzialen<br />
in der<br />
industriellen Verarbeitung von<br />
Rohstoffen<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)
- Rohstoffverbrauch<br />
10 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Wirtschaft<br />
- Rohstoffnahe Produktionssysteme<br />
- Hoher Energie- und Ressourcenverbrauch<br />
- Bewegung/Verarbeitung großer Stoffmengen<br />
� Zunahme der Wertschöpfung innerhalb der<br />
Produktionskette<br />
� Steuerung der Stoffströmen<br />
„nachhaltiges Wirtschaften“<br />
� Integration in Produktionsprozesse<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)
11 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Deutsche Keramikindustrie<br />
Überwiegend KMU<br />
Ausländische Konkurrenz - Kostendruck<br />
� Verlust von Betrieben, Arbeits- und Ausbildungsplätzen<br />
� Erfahrung und Wissen nutzen und ausbauen<br />
� Investition in innovative und nachhaltige Wirtschaftsweise<br />
Förderung von FuE-Maßnahmen<br />
- Vermeidung von Emissionen<br />
- Schonung von Ressourcen<br />
- Verbesserung von Stoffkreisläufen<br />
- Wiedereinsatz von Produktionsrückständen<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)
12 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Konsortium<br />
„Entwicklung neuer Aufbereitungstechnologien für<br />
tonmineralische Rohstoffe durch gezielte Nutzung<br />
und Steuerung mikrobiologischer Reaktionen“<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)
13 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Ziele<br />
1 Verbesserung der Plastizität:<br />
Mauken/Tonalterung - unerforschter Prozess<br />
- schwer kontrollierbar<br />
- beeinflusst Produktion<br />
� Qualitätsverbesserung Endprodukte<br />
- „Bei diesem Vorgang (= Mauken) entsteht im Ton ein Fäulnisprozess, organische Verunreinigungen zersetzen sich...“<br />
- „Mauken = ist das längere Liegenlassen des .... Dadurch werden die Bindekräfte der tonigen Bestandteile aufgeschlossen“<br />
Polysaccharide<br />
Viskosität [mPas]<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
Alginat<br />
� plastische Veränderung toniger Rohstoffe:<br />
- Förderung im Ton vorhandener relevanter Mikroorganismen?<br />
- Produktion/Zugabe von mikrobiellen Stoffwechselprodukten?<br />
10 100 1000<br />
Schergefälle [1/s]<br />
TO-1 (15%) Alg (0,5%) Alg (1%) Alg (1%) oS<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)
14 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Ziele<br />
2 Erhöhung des Weißgrads bei Kolinen:<br />
Eliminierung von färbenden Metallbestandteilen<br />
- Magnetseparation/Bleichprozesse<br />
- Abfallstoffe<br />
- begrenzte Mengen natürlicher, geeigneter Qualitäten<br />
� Sicherung des Bedarfs von Rohstoffen<br />
� Verbesserung des Weißgrads<br />
- mikrobielle Abtrennung/Derivatisierung färbender Eisenspezies?<br />
- Förderung im Rohstoff vorhandener Mikroorganismen?<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)
15 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Arbeitsprogramm<br />
Phase 1: Basisforschung und Optimierung<br />
- Auswahl von Referenzrohstoffe und -produkte<br />
- Adaptation der Arbeitsmethoden an tonige Rohstoffe<br />
- Identifikation geeigneter Mikroorganismen/Stoffwechselprozesse<br />
- mineralogische/keramtechnische Charakterisierung<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)
Phase 2: Implementierung geeigneter Prozesse in Produktion<br />
- Upscaling möglicher biotechnologischer Prozesse<br />
- Auswahl relevanter Bioreaktortechniken<br />
- <strong>Fe</strong>stlegung geeigneter Knotenpunkte in Produktionslinien<br />
- Aufbau Miniplantanlage/Technikumsmaßstab<br />
Oberflächenwasser<br />
Prozeßwasser<br />
Slurrybütten<br />
<strong>Fe</strong>ldspat<br />
Quarzsand<br />
16 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Arbeitsprogramm<br />
Auflösung<br />
Klassierung mit<br />
Hydrozyklonen und<br />
Aufstromklassierern<br />
Grobkaolin K2<br />
Magnetscheidung Bleichung<br />
Roherde/Halde<br />
<strong>Fe</strong>inkaolin K1<br />
Eindickung<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)<br />
Stapelbütten
Mikrobiologie<br />
Nanomineralogie<br />
17 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Arbeitsprogramm<br />
Rohtone; Aufbereitung; mineralog. Untersuchungen<br />
Rheologie/Plastizität; keramtechnische Analysen<br />
Mikrobiologie; Plastizität; Roherden; biochem. Prozesse<br />
Spez. mineralogische Analysen; Bewertungskonzept<br />
Roherden; Eiseneliminierung; Aufbereitung; chem. Analysen<br />
Mikrobiologie; Eiseneliminierung; biochem. Prozesse<br />
Prozessoptimierung; biochem. Prozesse; Upscaling<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)
18 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Stand des Pilotprojektes<br />
Laufzeit: <strong>Fe</strong>bruar 2007; 3-Jahre<br />
Fördervolumen: 940 T€<br />
Personal: 5 wissensch. Mitarbeiter bzw. Ingenieur/Techniker<br />
Doktorarbeit: - Erstellung eines Rohstoffbewertungssystems für tonmineralogische<br />
Rohstoffe in Hinblick auf mikrobiologische Aufbereitung (FZKa; ab<br />
August 2007)<br />
Diplomarbeiten: - Optimierung der Kultivierung von Azotobacter vinelandii unter besonderer<br />
Berücksichtigung der Bildung extrazellulärer polymerer Substanzen EPS<br />
(UFZ; beendet)<br />
- Optimierung der DNA-Extraktion aus tonigen Rohstoffen für molekularbiologische<br />
Arbeiten (FZKa; aktuell)<br />
- Charakterisierungen der mikrobielle Populationsdynamik und organischchemischen<br />
Veränderungen in Tonen unterschiedlicher Reifegrade<br />
(FZKa; ab Oktober 2007)<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)
19 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Stand des Pilotprojektes<br />
Phase 1: Basisforschung und Optimierung<br />
Referenztone und –erden unterschiedlicher Qualitäten:<br />
2 Tone (Plastizität) 4 Erden (Eiseneliminierung) Rückstellproben<br />
- Adaptation Methodenspektrum<br />
- Charakterisierung spezifischer Mikroorganismen<br />
- mineral. u. keramtechn. Analysen<br />
- Rückstellproben<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)
Mikrobiologie (100 µL/1:1000 Verdünnung)<br />
Molekularbiologie<br />
20 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Ergebnisse<br />
Mikrobiologie in Roherden/Prozessen<br />
log KBE/gTS<br />
log KBE/gTS<br />
1,E+08<br />
1,E+06<br />
1,E+04<br />
1,E+02<br />
1,E+00<br />
1,E+08<br />
1,E+06<br />
1,E+04<br />
1,E+02<br />
1,E+00<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)<br />
Bakterien und Pilze in Rohtonen<br />
Aerobe Anaerobe Pilze<br />
Ton<br />
1<br />
Ton<br />
2<br />
Ton<br />
3<br />
Ton<br />
4<br />
Ton<br />
5<br />
Ton<br />
6<br />
Bakterien und Pilze in Roherden/Prozess<br />
Roherde 1<br />
Roherde 2<br />
Tonlinse<br />
Suspension<br />
Prozess 1<br />
Prozess 2<br />
Ball<br />
Clay
KBE/ g FG<br />
1,E+08<br />
1,E+07<br />
1,E+06<br />
1,E+05<br />
21 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
1,1E+06<br />
KBE - Bakterien Wachstum in 15 Tagen<br />
W1 W2<br />
4,6E+06<br />
Ergebnisse<br />
2,4E+07<br />
7,6E+06<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)<br />
6,2E+07<br />
7,1E+07<br />
t 1h t 30h t 360h<br />
Alter des Schlickers
KBE / g FG<br />
1,E+08<br />
1,E+07<br />
1,E+06<br />
1,E+05<br />
22 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Ergebnisse<br />
Einfluss von Verflüssiger Natriumpyrophosphat (NaPPi)<br />
auf mikrobielles Wachstum [KBE]<br />
t = 1h t = 30h t = 1h t = 30h<br />
1,12E+06<br />
2,40E+07<br />
5,44E+06<br />
8,16E+07<br />
W1: LW W1: NaPPi W2: LW W2: NaPPi<br />
4,64E+06<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)<br />
7,60E+06<br />
6,56E+06<br />
9,04E+07
Tonalterung: Plastizität<br />
Laborversuch: Tage/Wochen/Monate<br />
Referenztone: unterschiedl. Qualitäten<br />
Veränderung:<br />
- Plastizität<br />
- Mikrobiologie (Zellzahlen)<br />
- mikrobiellen Populationen<br />
- Mineralogie<br />
- organische Bestandteile<br />
23 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Planung<br />
Eiseneliminierung: Weißgrad<br />
Laborversuch: Wochen/Monate<br />
Referenzerden: versch. <strong>Fe</strong>-Gehalte<br />
Kultivierung:<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)<br />
- <strong>Fe</strong>-Oxidierer<br />
- <strong>Fe</strong>-<strong>Reduzierer</strong><br />
- <strong>Schwefelreduzierer</strong><br />
- Kultivierungsmethoden<br />
- Eiseneliminierung
24 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Zusammenfassung<br />
Gesamtziel: nachhaltige Prozessierung tonhaltiger Erden<br />
- Verbesserung der Plastizität<br />
- Erhöhung des Weißgrads<br />
Geomikrobiologische Prozesse:<br />
- Nachweis von aktiven Mikroorganismen<br />
- Adaptation der Analysemethoden<br />
- Mikrobiologie vorhanden und potenziell nutzbar<br />
Geeignetes Konsortium: Interdisziplinär, Erfahrung, Wissen<br />
� viel Arbeit! Glückauf!<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)
25 |Peter Krolla-Sidenstein | ITC-WGT | 26.09.2007<br />
Vielen Dank<br />
KIT – die Kooperation von<br />
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH<br />
und Universität Karlsruhe (TH)
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