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Verfahren zur Herstellung eines natürlichen und regenerierbaren Sorptionsmittels aus der Makroalge Vaucheria (Xanthophyceae) sowie ihre Verwendung als Bioindikator - Dokument DE10055565A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10055565A1 29.05.2002
Titel Verfahren zur Herstellung eines natürlichen und regenerierbaren Sorptionsmittels aus der Makroalge Vaucheria (Xanthophyceae) sowie ihre Verwendung als Bioindikator
Anmelder Henschel, Detlev, Dr., 28215 Bremen, DE;
Müller, Michael, Dr., 28215 Bremen, DE
Erfinder Henschel, Detlev, Dr., 28215 Bremen, DE;
Müller, Michael, Dr., 28215 Bremen, DE
Vertreter BOEHMERT & BOEHMERT, 28209 Bremen
DE-Anmeldedatum 09.11.2000
DE-Aktenzeichen 10055565
Offenlegungstag 29.05.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.05.2002
IPC-Hauptklasse B01J 20/30
IPC-Nebenklasse B01J 20/24   B01D 53/02   B01J 20/34   C02F 1/28   G01N 31/22   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines natürlichen, regenerierbaren und wiederverwendbaren Sorptionsmittels aus der Makroalge Vaucheria (Xanthophyceae) sowie ihre Verwendung als Bioindikator. Das erfindungsgemäße Sorptionsmittel kann zur Ad- und Absorption von Stoffen aus Lösungen oder Gasen, beispielsweise zur Reinigung von Schwermetallen und/oder deren Gewinnung, industriell eingesetzt werden können. Außerdem besteht die Möglichkeit, dieses "Sorptionsmittel", in vivo genutzt, gleichzeitig als Bioindikator einzusetzen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines natürlichen, regenerierbaren und wiederverwendbaren Sorptionsmittels aus der Makroalge Vaucheria (Xanthophyceae) sowie ihre Verwendung als Bioindikator. Das erfindungsgemäße Sorptionsmittel kann zur Ad- und Absorption von Stoffen aus Lösungen oder Gasen, beispielsweise zur Reinigung von Schwermetallen und/oder deren Gewinnung industriell eingesetzt werden können. Außerdem besteht die Möglichkeit dieses "Sorptionsmittel", in vivo genutzt, gleichzeitig als Bioindikator einzusetzen.

Die Herstellung von Sorptionsmitteln für Stoffe aus Lösungen oder Gasen kann durch bekannte unterschiedliche Mittel realisiert werden.

So ist es eine bekannte und bewährte Technologie, aus organischer Substanz durch eine gezielte Pyrolyse Kohlenstoffgerüste herzustellen, deren große Oberfläche durch gezielte Aktivierung (z. B. Polarisierung) spezifische Stoffe, wie beispielsweise Schwermetalle adsorbieren kann.

Gute Erfolge können erzielt werden, indem man Phytomassen nach Trocknen pulverisiert und als Sorptionsmittel in Form von Filtern zur Reinigung von Lösungen einsetzt. Bekannt sind ebenfalls anorganisch strukturierte Materialien mit spezifisch großer Oberfläche, die bei entsprechender Polarität die Schwermetalle binden können.

Eine weitere Gruppe der Sorptionssubstanzen sind konstruierte Polymere. In diese Gruppe gehören auch die über Peptidverbindungen strukturierten Proteine. Sie sind in Abhängigkeit von pH-Wert der Lösungen in der Lage, Stoffe aus Lösungen zu binden und wieder freizugeben.

Es ist auch bekannt, Algen und Bakterien (in diesem Fall insbesondere Cyanophyceae [Bazillophyceae][auch einzellige Blaualgen]) zur Reinigung von Lösungen u. a. einzusetzen. Aufgrund ihrer morphologischen Struktur oder isolierter Produkte dieser sind sie in der Lage, Stoffe aktiv und passiv (Absorption/Adsorption) zu speichern. Ein umfangreiches Werk dazu hat Volesky, Bohumil: "Biosorption of Heavy Metals" verfaßt.

Die Fähigkeit der sorptiven Bindung von Stoffen in/an Pflanzen ist größtenteils von der Spezies abhängig. Durch Adaptation der Pflanze/Bakteriums über längere Zeiträume kann dies zudem in weiten Grenzen variieren (Ökotypen). Bekannte Ökotypen gewährleisten, daß bei unterschiedlichen Ökotypen unterschiedliche Präferenzen (standortabhängig) für unterschiedliche Stoffe anzutreffen sind, die verfahrenstechnisch für die zu bearbeiteten Probleme (Sorption bestimmter Stoffe) eingesetzt werden sollten, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Die DE 197 47 518 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines auf der Alge Vaucheria basierenden Sorptionsmittels und dessen Verwendung zur Entfernung von Schwermetallen aus wäßrigen Lösungen.

Nachteilhafterweise muß die Alge aufwendig auf festen Nährsubstraten angezogen werden und anschließend Epiphyten und Bakterien entfernt werden, was die Herstellung des Substrates aufwendig und teuer macht. Weiterhin muß das Algenpulver konditioniert werden.

Die Möglichkeit der Aufbereitung und das Recycling des Sorptionsmittels wird in der DE 197 47 518 A1 weder beschrieben noch nahegelegt. Vielmehr wird lediglich ein "Durchschlagen" des Filtersystems beschrieben.

Auch die mögliche Verwendung der Alge Vaucheria als Bioindikator zum Nachweis von Schwermetallen ist in der DE 197 47 518 A1 nicht erwähnt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein als natürliches, regeneratives, recycelbares Sorptionsmittel auf Basis der Makroalge Vaucheria (Xanthophyceae) für industrielle Bedingungen zur Verfügung zu stellen, daß billig in der Herstellung ist und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsmittels aus der Xanthophyceae Vaucheria zur Ad- und Absorbanz von Stoffen aus Lösungen oder aus Gasen gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Algen direkt aus der Natur erhalten werden und anschließend getrocknet und zerkleinert werden.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen Bioindikator auf Basis der Makroalge Vaucheria (Xanthophyceae) zur Verfügung zu stellen.

Diese weitere Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bioindikators aus der Xanthophyceae Vaucheria gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Algen direkt aus der Natur erhalten werden und anschließend lediglich getrocknet werden.

Bevorzugterweise werden die Algen als Abfallprodukt, z. B. aus der Grabenreinigung oder Gewässerrenaturierung erhalten.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die erfindungsgemäßen Sorptionsmittel zur Ad- und Absorbanz von Stoffen aus Lösungen oder aus Gasen verwendet. Bei den Lösungen kann es sich um zu reinigende Abwässer aus der Industrie oder Haushalten handeln. Als zu reinigende Gase kommen unter anderem industrielle Abgase oder verschmutzte Luft in Frage.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reinigung von Lösungen oder Gasen durch Ad- und Absorbanz von Stoffen kann dadurch gekennzeichnet sein, daß die zu reinigenden Lösungen oder Gase durch ein erfindungsgemäßes Sorptionsmittel geleitet werden, wobei die zu entfernenden Stoffe an das erfindungsgemäße Sorptionsmittel binden.

Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem das Sorptionsmittel in einem Behälter, beispielsweise einer Kartusche gepackt vorliegt.

Besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren bei dem als Stoffe Schwermetalle entfernt oder aber auch gewonnen werden. Diese können Gold, Zink, Blei, Quecksilber, Kupfer, Nickel, Cadmium und Zinn oder Gemische davon, aber auch Silber und/oder Platin sein.

Der erfindungsgemäße Bioindikator wird bevorzugterweise zum Nachweis von Schwermetallen in Lösungen und/oder in Gasen verwendet.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder zum Nachweis von Schwermetallen in Lösungen oder in Gasen bei dem ein erfindungsgemäßer Bioindikator mit den zu analysierenden Lösungen oder Gasen in Kontakt gebracht wird und anschließend die Verfärbung des Bioindikators bestimmt wird. Mittels dieses Verfahrens können bevorzugt Gold, Zink, Blei, Silber, Platin, Quecksilber, Kupfer, Nickel, Cadmium und Zinn nachgewiesen werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zur Regeneration eines erfindungsgemäßen Sorptionsmittels oder eines Bioindikators gelöst, bei dem das Algenmaterial durch eine Behandlung mit einer wäßrigen Lösung und/oder einem wäßrige Puffer mit einem pH-Wert zwischen 0 und 12 desorbiert wird. Bevorzugt ist, daß durch eine Säurebehandlung desorbiert wird und zur Desorption 0,1 N HCl und/oder eine andere verdünnte Säure verwendet wird.

Weiter bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem das durch die saure Desorption erhaltene Eluat anschließend wiederverwendet wird. Zur Wiederverwendung wird das durch die saure Desorption erhaltene Eluat bevorzugterweise nach einer Elektrolysebehandlung oder einer Photo- oder Solarpyrolysebehandlung wiederverwendet.

Die vorliegende Erfindung schlägt somit ein neues Verfahren zur Herstellung und wiederholte Verwendung eines neuen Sorptionsmittels bestehend aus Zellwandfragmenten der Alge Vaucheria vor, sowie die Möglichkeit der Nutzung dieser Alge als in vivo Bioindikator.

Die Alge Vaucheria wird dabei als "Abfallstoff" aus der Natur erhalten oder aber aus der natürlichen Umgebung entsprechend ihrer Ökologie gewonnen, geerntet und anschließend getrocknet und entsprechend ihrer Verwendung technisch auf entsprechende Fraktionsgröße gebracht, so daß Zellwandfragmente entstehen oder aber die Alge wird in vivo für eine Sorption von Stoffen aus Lösungen benutzt oder aber als Bioindikator verwendet.

Dabei wird die Biomasse der Algen aus der Natur (vorliegend als Abfallprodukt, aus dem natürlichen Biotop) geerntet, optional in Wasser gewaschen, getrocknet (< 450°C) und anschließend zerkleinert.

Die "Kornfraktion" ist abhängig von der Verwendung, genauso wie die gegebenenfalls mögliche zusätzliche Polarisierung der Zellwandmatrixfibrillen, die in diesem Fall bei Vaucheria zu über 90% aus Zellulosefibrillen in übereinanderliegenden Lagen bestehen.

Nach diesen vorbereitenden Maßnahmen kann das Material (weiterhin als "Algenpulver" bezeichnet) unter Verwendung bekannter Kinetik zum Beispiel in handelsübliche Filtersysteme eingesetzt werden. Es konnte überraschenderweise gefunden werden, daß dieses Algenpulver eine höhere Adsorberleistung gegenüber den aufwendig aufbereiteten Algenpulvern des Standes der Technik hat (siehe Fig. 1).

Überraschenderweise konnte weiterhin gefunden werden, daß sich die Alge Vaucheria auch als Bioindikator zum Nachweis von Schwermetallen eignet, wobei die Alge in Abhängigkeit der Umgebungskonzentration durch unterschiedliche Akkumulationsraten (Adsorption) bei Gold eine unterschiedliche Färbung des Habitus aufweist (siehe Fig. 3). Bei anderen Metallen kann die Alge Vaucheria ihre Bioindikatorfunktion aufgrund anderer morphologischer Veränderungen ausüben. Im Falle der Bioindikatorfunktion kann auch unter sterilen Bedingungen unter Laborbedingungen angezogenes Algenmaterial verwendet werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung konnte weiterhin überraschend gefunden werden, daß - nachdem der Sättigungsgrad des Algenpulvers erreicht ist - der in diesem Fall adsorbierte Stoff durch eine einfache saure Lösung "ausgewaschen" werden kann. Danach steht das Algenpulver erneut dem Verfahren zur Verfügung. Das verunreinigte, saure Eluat, beispielsweise mit Gold, Platin, Blei u. a., kann anschließend durch bekannte Verfahren, wie beispielsweise der Elektrolyse in die Bestandteile wie "saure Lösung"/Metall zerlegt werden und somit zu 100% wiederverwendet werden.

Die Erfindung soll nachstehend an Beispielen mit Bezug auf die Figuren weiter erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 Ergebnisse einer Versuchsreihe bei der die Schwermetallaufnahme verschiedener nicht-Vaucheria Algenpulver mit dem erfindungsgemäßen Vaucheria-Algenpulver (dunkler Balken);

Fig. 2 Adsorption-/Desorptionversuche der Alge Vaucheria exemplarisch für Blei bei konstanter Durchflußrate;

FlowAas. = 1,302 ml/min = Durchflußrate Adsorption

FlowDes. = 1,492 ml/min = Durchflußrate Desorption

Vtot. = Volumen gesamt, 35 ml Algenpulver, 5,7 g Trockensubstanz

C in g/l = Konzentration g/l;

Fig. 3 Ergebnisse einer Versuchsreihe zur Absorption/Adsorption in vivo 10-13 M bis 0,1 M von Gold (Au[NO2]3). Dargestellt sind die Ergebnisse von 10-6 bis 10-3 M zur Demonstration zur Bioindikatorfunktion der Alge. Deutlich ist die unterschiedliche Habitusfärbung zu erkennen.

Beispiel 1

Etwa 4 g Trockensubstanz eines, als Abfallprodukt aus dem Biotop geernteten und erfindungsgemäß hergestellten Algenpulvers wurde in einer Glaskartusche mit einem Längen/Durchmesserverhältnis 6 : 1 eingesetzt.

Eine Adsorptivlösung von 0,1 M PbNO2 in H2O wurde mittels Mikropumpe (Fußrate ~1,3 ml/min) durch das Algenpulver geführt. Die Bleibestimmung wurde nach DIN in bestimmten Intervallen durchgeführt. In Fig. 2 ist die Bleikonzentration in Abhängigkeit von der Durchflußrate in der Kartusche dargestellt. Danach ist ersichtlich, daß das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Sorptionsmittel (Algenpulver) das mit Bleiionen belastete Wasser vollkommen reinigt. Nach der Aufnahme von 29 mg Blei/g(!) Trockensubstanz Algenpulver ist die Sorptionsfähigkeit der Verfahrens erschöpft, es "schlägt durch" und es muß für den nächsten Einsatz regeneriert werden.

Dies kann dadurch erfolgen, indem mit einer sauren Lösung in umgekehrtem Zyklus (reverse circle) das Blei aus dem Algenpulver "gezogen" wird. Danach ist der Filter (Algenpulver) sofort wieder einsetzbar. Das Eluat kann anschließend durch übliche, bekannte Verfahren (z. B. Elektrolyse) wiederverwendet werden. Dieser Versuch wurde für Gold, Platin, Zink, Blei, Quecksilber, Kupfer, Nickel, Cadmium mit reproduzierbaren Erfolgen durchgeführt (qmax = 10 M in Zellwandfragmenten für einige Metalle).

Beispiel 2

Eine unter sterilen Bedingungen unter Laborbedingungen angezogene Alge Vaucheria wurde in vivo zur Sorption von Gold in unterschiedlichen Konzentrationen in eine Lösung eingesetzt (Fig. 3). Nach einer Inkubationszeit von wenigen Stunden konnte verifiziert werden,

  • 1. daß die Alge in der Lage ist, Gold zum Ausgleich ihres osmotischen Potentials aktiv aufzunehmen, also zu absorbieren;
  • 2. daß die Alge ab einer für sie letalen Dosis dieses (eines) Schwermetalls passiv aufzunehmen, also zu adsorbieren;
  • 3. daß die Alge in Abhängigkeit der Umgebungskonzentration durch unterschiedliche Akkumulationsraten (Adsorption) bei Gold eine unterschiedliche Färbung des Habitus aufweist, somit als Bioindikator verwandt werden kann (Fig. 3).

Die Versuche 1 und 2 wurde für Gold, Platin, Silber, Zink, Blei, Quecksilber, Kupfer, Nickel, Cadmium und Zinn mit reproduzierbaren Erfolgen durchgeführt (qmax = 10 M in Zellwandfragmenten für einige Metalle [qmax. = Akkumulationsmaximum]).


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsmittels aus der Xanthophyceae Vaucheria zur Ad- und Absorbanz von Stoffen aus Lösungen oder aus Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß die Algen direkt aus der Natur erhalten werden und anschließend getrocknet und zerkleinert werden.
  2. 2. Verfahren zur Herstellung eines Bioindikators aus der Xanthophyceae Vaucheria, dadurch gekennzeichnet, daß die Algen entweder direkt aus der Natur erhalten werden oder Algenmaterial aus einer sterilen Anzucht gewonnen wird und das Material anschließend getrocknet wird.
  3. 3. Verfahren zur Herstellung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Algen als Abfallprodukt, z. B. aus der Grabenreinigung oder Gewässerrenaturierung erhalten werden.
  4. 4. Verwendung des Sorptionsmittels gemäß Anspruch 1 oder 3 zur Ad- und Absorbanz von Stoffen aus Lösungen oder aus Gasen.
  5. 5. Verfahren zur Reinigung von Lösungen oder Gasen durch Ad- und Absorbanz von Stoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die zu reinigenden Lösungen oder Gase durch ein Sorptionsmittel gemäß Anspruch 1 oder 3 geleitet werden.
  6. 6. Verfahren zur Reinigung von Lösungen oder Gasen gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sorptionsmittel in einem Behälter, beispielsweise einer Kartusche gepackt vorliegt.
  7. 7. Verfahren zur Reinigung von Lösungen oder Gasen gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Stoffe beispielsweise Schwermetalle, Herbizide, Pestizide und/oder Radioisotope entfernt werden.
  8. 8. Verfahren zur Reinigung von Lösungen oder Gasen gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Gold, Zink, Blei, Quecksilber, Kupfer, Nickel, Cadmium und/oder Zinn entfernt werden.
  9. 9. Verwendung des Bioindikators gemäß Anspruch 2 oder 3 zum Nachweis von Schwermetallen in Lösungen und/oder in Gasen.
  10. 10. Verfahren zur Bestimmung und/oder zum Nachweis von Schwermetallen in Lösungen oder in Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bioindikator gemäß Anspruch 2 oder 3 mit den Lösungen oder Gasen in Kontakt gebracht wird und anschließend die Verfärbung und/oder eine andere morphologische Veränderung des Bioindikators bestimmt wird.
  11. 11. Verfahren zur Bestimmung und/oder Nachweis von Schwermetallen gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Gold, Zink, Blei, Quecksilber, Kupfer, Nickel, Cadmium und Zinn nachgewiesen werden.
  12. 12. Verfahren zur Regeneration eines Sorptionsmittels oder eines Bioindikators gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Algenmaterial mit einer wäßrigen Lösung oder einem wäßrigen Puffer mit einem pH-Wert zwischen 0 und 12 desorbiert wird.
  13. 13. Verfahren zur Regeneration nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Desorption eine Säurebehandlung, beispielsweise mit 0,1 N HCl und/oder anderen verdünnten Säuren durchgeführt wird.
  14. 14. Verfahren zur Regeneration nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die saure Desorption erhaltene Eluat anschließend wiederverwendet wird.
  15. 15. Verfahren zur Regeneration nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die saure Desorption erhaltene Eluat nach einer Elektrolysebehandlung oder einer Photo- oder Solarpyrolysebehandlung wiederverwendet wird.






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