Reciclar biológicamente los residuos de alta tecnología

Un innovador proceso biotecnológico extrae el galio de las aguas residuales industriales

18.03.2021 - Alemania

El galio es un metal raro, pero se utiliza mucho en la industria de alta tecnología. Este contraste extremo hace que el reciclaje sea indispensable. Sin embargo, los actuales procesos de reciclaje son costosos y están contaminados químicamente. Por ello, los enfoques biotecnológicos se basan en los péptidos, ya que son capaces de unir partículas metálicas, minerales e iones metálicos de forma respetuosa con el medio ambiente y de diferenciarlos de forma selectiva. Los científicos del Instituto Helmholtz de Freiberg para la Tecnología de los Recursos (HIF) del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf han demostrado ahora que un material basado en péptidos puede utilizarse para la extracción de galio de las aguas residuales de producción de la industria de los semiconductores.

Nuestro mundo de alta tecnología sería impensable sin los metales raros porque se encuentran en muchos dispositivos y sistemas que nos rodean. Muchos de estos metales tienen una menor presencia natural y son difíciles de extraer, lo que también se asocia a unos costes elevados. Por eso el reciclaje desempeña un papel aún más importante. Si se recuperan los metales raros de las aguas residuales industriales, de las escorias o de los dispositivos que ya no se utilizan, se pueden devolver al ciclo de reciclaje. Los investigadores del HIF, dirigidos por la Dra. Katrin Pollmann, han demostrado que la biosorción selectiva, es decir, la capacidad de ciertos microorganismos como bacterias, levaduras, hongos y algas de enriquecerse con metales o iones metálicos, es un proceso adecuado para la recuperación del galio de las aguas residuales industriales.

Encontramos este metal de alta tecnología, por ejemplo, en los diodos emisores de luz y las células solares; sirve de revestimiento para los espejos y se utiliza en medicina para el diagnóstico de tumores. Se utiliza principalmente en la industria de los semiconductores. Junto con el arsénico, se utiliza como arseniuro de galio para la producción de obleas. La mayor parte del galio industrial se pierde durante la producción. Sin embargo, el galio es cada vez más importante para la industria. Una alta tasa de reciclaje de la industria de procesamiento de galio es tanto más importante cuanto que representan una fuente mucho más rica e importante para la producción de galio secundario.

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Bio-reciclaje - alternativa ecológica a los procesos clásicos de separación

Los anteriores procesos de reciclaje para la producción de galio se basan a menudo en procesos químicos de electrólisis. La electrólisis, que consume mucha energía, produce aguas que provocan la dilución de las sustancias valiosas y el aumento de la salinidad de las aguas residuales. La situación es diferente con los llamados biocompuestos, que son reciclables y pueden utilizarse una y otra vez en procesos de separación. Este innovador método de reciclaje incluye procesos que utilizan sistemas biológicos para extraer metales de los minerales o de los materiales de desecho. La liberación de metales puede producirse directamente a través del metabolismo de los microorganismos o indirectamente a través de sus productos metabólicos.

Uno de estos procesos de bio-reciclaje es la biosorción. "La biomasa une ciertos iones u otras moléculas en una solución acuosa o los concentra. La biosorción no depende de la actividad metabólica y no requiere el suministro de nutrientes. Esto permite utilizar la biosorción incluso en entornos altamente tóxicos. La biosorción es, por tanto, una alternativa respetuosa con el medio ambiente para recuperar metales de las aguas residuales industriales, las soluciones de lixiviación o las aguas de las minas", explica Katrin Pollmann, directora del departamento de biotecnología del HIF. El reto, sin embargo, es encontrar las biomoléculas adecuadas.

Péptidos como caña de pescar

Los científicos de Freiberg están trabajando en materiales de biosorción especializados capaces de reconocer específicamente elementos individuales, unirlos de forma selectiva y así eliminarlos de las soluciones. Utilizan péptidos, que son pequeñas proteínas formadas por aminoácidos. "Los péptidos son pequeños y, por tanto, robustos, lo que los hace especialmente adecuados. Hay 20 aminoácidos naturales que tienen diferentes propiedades y pueden unirse en una cadena peptídica de libre combinación. Así se crean biomoléculas capaces de asentarse en cualquier superficie imaginable y de reconocerlas de forma muy específica. Los péptidos adecuados se seleccionan con la ayuda del método Phage Surface Display", describe la Dra. Nora Schönberger, científica del HIF.

Este método se centra en los bacteriófagos, es decir, los virus especializados en infectar bacterias. Los péptidos específicos de los elementos se anclan firmemente en un material portador con determinadas propiedades. Los biocompuestos resultantes "pescan" las sustancias objetivo de una mezcla compleja de materiales gracias a las estructuras únicas de los péptidos. Los péptidos permiten así una recuperación selectiva de los metales.

Enfoque biotecnológico con péptidos de unión al galio

En el marco del proyecto "EcoGaIN", en el que se examinó la extracción de galio de las aguas residuales de producción de la industria de los semiconductores, Schönberger se ha ocupado en detalle de la identificación de péptidos de unión al galio. "Utilizamos la cromatopanificación, una técnica que selecciona los péptidos que se unen a un objetivo específico. Con la ayuda de este proceso de separación, aislamos los péptidos especiales que capturan los iones de galio de las aguas residuales del proceso", explica Schönberger y continúa: "Para los estudios de biosorción, empaqueté un material filtrante a base de péptidos en una columna y construí una especie de filtro de galio por el que podían pasar las aguas residuales. El material es adecuado si retiene el galio en el material filtrante de la forma más eficiente posible, mientras que las otras contaminaciones que contienen las aguas residuales del proceso, sobre todo el arsénico, simplemente fluyen. Posteriormente, el galio unido al material filtrante debe poder separarse de la columna para recuperar el galio".

Uno de los cinco materiales filtrantes de péptidos probados en estos experimentos resultó ser especialmente adecuado para recuperar el galio de forma eficaz. "El uso de sistemas biológicos en la tecnología de recursos complementa el repertorio de procesos metalúrgicos convencionales. Actualmente cubre un nicho metodológico al hacer accesibles metales que no pueden ser explotados de forma eficiente con los enfoques metalúrgicos clásicos", afirma Pollmann. Sin embargo, este método tiene que seguir desarrollándose para su aplicación industrial, ya que la síntesis química de los péptidos para su uso económico en la tecnología de recursos es demasiado cara y aún no es lo suficientemente respetuosa con el medio ambiente. Además, es importante optimizar los péptidos para conseguir una mejor capacidad de unión de los metales y, por tanto, un uso más eficiente.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Publicación original

N. Schönberger, C.Taylor, M. Schrader, B. Drobot, S. Matys, F. Lederer, K. Pollmann; "Gallium-binding peptides as a tool for the sustainable treatment of industrial waste streams"; Journal of Hazardous Materials; 2021

https://www.quimica.es/noticias/1170297/reciclar-biologicamente-los-residuos-de-alta-tecnologia.html