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Dienstag, 09 November 2021 10:59

Bionik: Lernen aus der Natur – auch ohne Biologie-Kenntnisse – Teil 2 – Start-Up für Innovationen in der Oberflächentechnik

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Geschätzte Lesezeit: 9 - 17 Minuten
Abb. 1: Handskizze einer Rostpustel bspw. bei Flugrost auf einer eisenhaltigen Metall-Oberfläche [9] Abb. 1: Handskizze einer Rostpustel bspw. bei Flugrost auf einer eisenhaltigen Metall-Oberfläche [9]

Erstes Fallbeispiel: der bionischen Entwicklung des biologischen Entrosters den Würth im Katalog hat

Um die Fragestellung „Entwicklung eines natürlichen Entrosters“ auf des „Pudels-Kern“ zu bringen, hilft in der molekularen Bionik ein vereinfachtes abstrahierendes Modell, um sich aus der meist komplexen Realität ein Bild zu machen, mit dem man mit Fachleuten darüber diskutieren kann:

Frage 1: Wie sieht eigentlich eine Rostpustel aus?

Da erläutert die Handskizze eines Praktikers, für den Bioniker schnell mal gezeichnet (Abb. 1), wie eine Rostpustel aus ganz diversen mehrwertigen Eisenverbindungen zusammengesetzt ist, vorwiegend aus rot und braun schimmernden dreiwertigen Eisenoxid-Hydroxiden.

Frage 2: Was macht ein handelsüblicher Entroster auf Mineralsäure-Basis mit den Eisenoxid-Hydroxyden?

Das Chemie-Buch gibt Auskunft: HCl z. B. reagiert mit Fe zum FeCl2 und solubilisiert die eisenhaltigen Produkte in die Lösung.

Frage 3: Wo in der Natur spielt ‚dreiwertiges Eisen' eine Rolle?

Eine Antwort weiß eigentlich jedes Kind: im Blut kommt Eisen vor – die roten Blutkörperchen (Hämoglobin) enthalten Eisen, sie transportieren Sauerstoff (und CO2) aus der Lunge z. B. ins Gehirn und zu den Muskeln usw.

Frage 4: Wie wird bspw. beim Menschen ‚Eisen' gespeichert?

Da die Sauerstoff-Versorgung (Atmung) für das Gehirn bspw. für uns Menschen überlebenswichtig ist (rund 40 mL O2 pro Minute), muss es in der Natur doch Speichersysteme für Eisen geben, damit bei Blutverlust schnell Hämoglobin nachgebildet werden kann.

Ein wichtiges Eisenspeicher-Molekül ist Ferritin, es kann mehrere 1.000 Eisenatome in einer Hohlkugel-artigen Struktur speichern [14]).

Frage 5: Wie wird bspw. beim Menschen ‚Eisen' aus dem ‚Eisenspeicher-Molekül' hin zur Leber und zur Milz, den Synthese-Stätten für Hämoglobin, transportiert?

Logischerweise muss es in der Natur Transporter geben, die einerseits Eisen aus dem Speicher holen und dort hinbringen, wo eisenhaltige Proteine zusammengebaut werden, andererseits aber auch aus der Umgebung in den Körper / in die Zellen bringen.

Beim Recherchieren wird man schnell im Grundlagen- Lehrbuch, z.B. im „Schlegel“ [14] fündig, wenn man den Abschnitt „Transport von Eisen“ aufschlägt: dort steht sinngemäß: Siderophore sind natürliche Komplexbildner, von denen über 200 mit Komplexbildungskonstanten zwischen 1023 und 1052 für dreiwertiges Eisen bekannt sind. Siderophore werden von Mikroorganismen und Pflanzen Eisen-frei in die Umgebung quasi als Space-Shuttle ausgeschieden (das heißt: Komplexbildner wird in die Umgebung ausgeschieden, komplexiert vorwiegend das dreiwertige Eisen, wird zurückgeholt und in der Zelle vom Eisen entladen, um erneut in die Umgebung ausgeschieden zu werden)., um Eisen(III)-Ionen zu binden / komplexieren.

Es entsteht ein Eisen-Siderophor-Komplex, der in den Organismus über spezifische Rezeptor- und Transportsysteme wieder hinein transportiert wird. Auf diversen Wegen wird das Eisen aus dem Komplex herausgelöst und für die Zelle dann zum verwertbaren Eisen(II)-Ion reduziert, um der Zelle zur Verfügung gestellt zu werden. Eine Komplexbildungskonstante von 1052 sagt nur dem Experten etwas: für den Pragmatiker sei angemerkt, dass dieses Siderophor in der Lage ist, aus Fensterglas Eisen herauszulösen.

Eisen ist ein essentielles Metall für das Zellwachstum, das bei verschiedenen Redox-Prozessen im Stoffwechsel benötigt wird. Enthält eine Lösung kein Eisen, ist darin auch kein mikrobielles Wachstum möglich. Und für das dreiwertige Eisen, wie es in Sauerstoff-versorgten Medien bei neutralem pH-Wert mit einer Löslichkeit von 10-18 LP vorliegt, haben sich evolutiv in aeroben Mikroorganismen Siderophore entwickelt. Ohne die Siderophore würde übrigens keine aerobe biologische Abwasserreinigung funktionieren, es gäbe kein Wachstum der für die Reinigung wichtigen Mikroorganismen (an der Entstehung von Klärschlamm kann man also erkennen, dass die Abwasserreinigungsorganismen über Siderophore verfügen müssen).

Wenn man beim Menschen in Richtung einer Funktionsanalogie „Eisen-Transporter“ fündig geworden ist, kommt automatisch die Medizin ins Spiel:

Frage 6: Gibt es Medizin-Produkte, bei denen Siderophore Verwendung finden?

Wenn Eisen „gebraucht“ wird, wird der Speicher geleert: der Arzt bestimmt den Ferritin-Wert und verschreibt eisenhaltige Präparate oder Nahrungsmittel, die viel Eisen enthalten (Blutwurst, rotes Fleisch, etc.). Akute Eisen-Vergiftungen sind selten, chronische aufgrund meistens eines vererbten Gendefekts werden als Hämochromatose oder -siderose diagnostiziert und mit bspw. einem Siderophorhaltigen Präparat (Desferrioxamin) behandelt, das Professor Hans Zähner an der Universität Tübingen zunächst als Antibiotikum erforscht und fermentiert hatte. Heute wird es vielfach als Suffix vor der Dialyse (Nierenspülung) eingesetzt, um Eisen-Ausfällungen vor der Dialyse-Membran zu verhindern.

Damit war – auch wenn es sehr teuer war – ein Molekül gefunden, mit dem man die Flugrost-Pusteln von den Metalloberflächen biologisch entfernen können sollte.

Frage 7: Können Siderophore kommerziell als Entroster eingesetzt werden?

Abb. 2: Verrostete Schellen (rechts oben) – biologisches Entrostungsbad (darunter) – trocken gefönte Schellen nach 20 Minuten (links oben) – feuerverzinkte Schelle (darunter)Abb. 2: Verrostete Schellen (rechts oben) – biologisches Entrostungsbad (darunter) – trocken gefönte Schellen nach 20 Minuten (links oben) – feuerverzinkte Schelle (darunter)Seit 1992 arbeiteten am Institut für Biologische Verfahrenstechnik der (Fach-)Hochschule Mannheim mehr als zwei Dutzend Biologen, Mineralogen, Biotechnologie-, Chemie- und Verfahrens-Ingenieure an den Grundlagen und deren Umsetzung, angefangen bei der Entrostung von Stahloberflächen (Abb. 2) bis hin zur Entfernung von Anlauffarben an hochlegierten Stählen (Abb. 3). Bei letzteren war die spannende Aufgabe, wie man die Chrom-verarmte Zone biologisch bzw. mit Naturprodukten entfernen kann. Mit einem Gramm Desferrioxamin B, gespendet von Ciba-Geigy, Basel, fing es an (Abb. 2 zeigt Entrostungsuntersuchungen an Schellen, die später feuerverzinkt wurden), mit ein paar Kilogramm Desferrioxamin B, gespendet von Novartis, Basel, konnten dann die systematischen Untersuchungen fortgesetzt und eine Formulierung gefunden werden, die auch Anlauffarben entfernt.

Frage 8: Können andere Siderophore als in der Medizin verwendet fermentiert werden?

Seit dem Jahr 2000 forschten Dr. Arno Cordes, Geschäftsführer der ASA-Spezialenzyme Wolfenbüttel und seine Mitarbeiter bei dem Thema mit und etablierten ein zum Medizinprodukt alternatives, fermentiertes Siderophor Desferrioxamin E.

Frage 9: Wie macht man ein Produkt daraus?

ASA-Spezialenzyme bietet heute biologische Entroster- Produkte auf Flüssig-Basis für Tauchbad-Anwendungen an, die (noch) bezahlbar sind und liefert an Würth, Künzelsau, eine Paste, die auf rostige Stellen aufgepinselt weird, dort heißt das Produkt schlicht „Rost-Ex-Gel“.

 

Abb. 3: Bleche mit aufgesetzter Schweißnaht biologisch (4/68) bzw. mit ANTOX (4/55) gebeiztAbb. 3: Bleche mit aufgesetzter Schweißnaht biologisch (4/68) bzw. mit ANTOX (4/55) gebeizt

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Die Entrostungsprodukte werden auf den von der Haut her bekannten pH-Wert 5,5 eingestellt, sind biologisch abbaubar (und können in biologischen Abwasseranlagen den Eisenstoffwechsel begünstigen) bzw. sind als Pflanzensubstrat einsetzbar, für Pflanzen, die an Eisenmangelkrankheiten leiden.

Zweites bionisches Fallbeispiel: Eisen-Entfernung aus Spülbädern nach Eisenbeizen ohne Fällung

Der Autor beschäftigt sich eigentlich schon seit den frühen 80er Jahren des letzten Jahrtausends mit der Metallbiologie, ursprünglich ging es um die mikrobiozide Wirkung von Kupfer, Silber und auch anderen Schwermetallen (s. [10]). Eines Tages kam der Werkleiter einer Feuerverzinkerei aus Maintal mit der Frage, ob es biologisch möglich sei, Eisen aus Spülbädern ohne Fällungsmittel soweit zu entfernen, dass die Verschleppung in nachfolgende Prozessschritte gering und deren Standzeiten (insbesondere beim Fluxen) „unendlich, mindestens sehr lange“ wären.

Gemeinsam wurde dazu, wie oben beschrieben, die Aufgabe auf die Kernfrage fokussiert: In welchen Ladungszuständen liegt Eisen im Spülbad vor (insbesondere nach einem Neuansatz des Spülbades)? Danach wurde ein Modell erstellt und abhängig vom pH-Wert beschrieben, wie sich Eisen-Ionen aus abgebeizten Rost-Partikeln ionisch anreichern.

Grundlegendes zum Eisen

Eisen ist mit Mangan das häufigste Schwermetall der Erdkruste. Nach Verwitterung eisenhaltiger Primärminerale liegt Eisen nach Freisetzung unter oxidierenden Bedingungen dreiwertig bzw. vierwertig als Oxid, Hydroxid oder Oxidhydrat unterschiedlicher Färbung (gelbbraun, blutrot, orange, rotbraun) vor. Die Verbindungen sind allesamt schlecht wasserlöslich, so dass es erst reduktiver Vorgänge bedarf (chemisch-physikalisch oder biologisch), sie als zweiwertige Verbindungen in eine wasserlösliche Form (Oxide, Hydrogencarbonate, Carbonate) zu überführen. Das Gleichgewicht der Reaktion wird einerseits von der Löslichkeit der Metalloxide (Löslichkeitsprodukt), andererseits vom Redoxpotential bzw. pH-Wert beeinflusst. So liegt die Löslichkeit von Eisenhydroxid Fe(OH)3 z.B. bei 4,8 · 10-5 mg/l. Während bei einem Redoxpotential Eh < 300 mV und einem pH-Wert < 4 für Eisen verstärkt eine chemische Freisetzung und Mobilisierung erfolgt, wird das Metall bei steigendem pH-Wert oxidiert und festgelegt [4]. Eisen tritt in wässriger Lösung unter natürlichen Bedingungen in zwei Oxidationsstufen auf: Als Fe(II) ist es in alkalischer Lösung ein starkes Reduktionsmittel, welches seinerseits zu Fe(III) oxidiert wird. Umgekehrt verhält sich das Fe(III)-Ion unter sauren Bedingungen als Oxidationsmittel. Somit ist Fe(III) unter alkalischen, Fe(II) unter sauren Bedingungen das stabilere Ion [5]. Rost wird oft als hydratisiertes Eisen(III)oxid (FeO(OH) = ½ Fe2O3×H2O) beschrieben. Genauer ist Rost ein Gemisch aus unterschiedlichen Anteilen von Eisen(II)oxid (FeO, Wüstit), Eisen(II/III)oxid (Fe3O4 Magnetit), Eisen(III)oxid (Fe2O3, Hämatit) und Eisen(III)hydroxidoxid (FeO(OH) (nach [1]).

Bionisch geht's weiter …

Dann begann die Suche nach den Analogien bzw. wo die „Natur“ in welcher Weise in Wechselwirkung mit dem für das Wachstum essentiellen Eisen tritt. Von vorneherein war klar, dass Fällungsreaktionen beispielsweise mit mikrobiell produzierter Phosphorsäure nicht in Betracht kommen können. Und klar war auch, dass es sich um Biomasse handeln muss, die man technisch unaufwändig aus dem System wieder entfernen kann. Da die Tscher- nobyl-Reaktor-Katastrophe (26. April 1986) noch relativ frisch zurück lag, nach der wir in Deutschland auch gut zwei Jahre später noch wegen der Uran-Anreicherung keine Waldpilze in deutschen Wäldern aufsammeln und essen sollten, fiel der „Anfangsverdacht“ auf „Pilze“ und zwar sowohl auf Pilzmyzele (meist unterirdische „Fäden“) als auch auf das Plektenchym (sichtbare Fruchtknoten, die man im Lebensmittel-Geschäft kaufen kann).

Grundlegendes zur Biosorption

Natürlich forscht ein Forscher nun nicht gleich los, sondern beschäftigt sich mit den damals (um die Jahrtausendwende) verfügbaren Grundlagen, von denen hier nur ein kurzer Auszug wiedergegeben ist (komplett findet sie sich in [8]). Man muss dabei auch bedenken, dass das Metall „Eisen“ nicht im Fokus der Forschergruppen stand, da zum Beispiel vor allem die Phytoremediation von Uran umweltrelevanter war.

Abb. 4: Pelletbildung bei Aspergillus niger in Schüttelkolben mit Schikanen (die Pellets weisen variierende Durchmesser und eine „stachelige“ Oberflächenstruktur auf; im Schüttler mit 100 rpm, 24 °C) [8]Abb. 4: Pelletbildung bei Aspergillus niger in Schüttelkolben mit Schikanen (die Pellets weisen variierende Durchmesser und eine „stachelige“ Oberflächenstruktur auf; im Schüttler mit 100 rpm, 24 °C) [8]

Die Mechanismen der Aufnahme und Akkumulation von Metallen durch Pilze (und Hefen) und Pflanzen werden als Biosorption (Adsorption plus Chemisorption) bezeichnet. Es gibt neben der Aufnahme von Eisen (und Mangan für die Photosynthese bei Pflanzen), Mechanismen der Einkapselung (bspw. von Quecksilber) bis hin zur Metall- Aufnahme, um Fressfeinde zu vergiften, die sich an der Pflanze laben wollen.

Abb. 5: Sorptionsisotherme mit Streptomyces cinnamoneum für Spülbad in einer Feuerverzinkerei im Schüttler (Rührgeschwindigkeit 100 rpm, Temperatur 20 °C; Untersuchungszeit 40 h) [8]Abb. 5: Sorptionsisotherme mit Streptomyces cinnamoneum für Spülbad in einer Feuerverzinkerei im Schüttler (Rührgeschwindigkeit 100 rpm, Temperatur 20 °C; Untersuchungszeit 40 h) [8]

Bei der Biosorption sammeln sich Metalle auf der Zell- oberfläche durch Ausfällung und Bindereaktionen an. Die Sorption von Metallen durch Mikroorganismen- oder Pflanzenzellen ist im Wesentlichen ein passiver Prozess, der keine Stoffwechselenergie erfordert und primär durch physikalisch-chemische Faktoren gesteuert wird. Deshalb tritt er bei lebenden und toten Zellen als auch bei Zelltrümmern auf. Um die Sorption an Zelloberflächen zu erklären, wurde eine Reihe von Prozessen identifiziert, darunter Kationenaustausch, Komplexbildung oder Koordination, Chelatbildung und Mikrofällung.

Abb. 6: Sorptionskinetik von Agaricus bisporus: verwendet wurden unbehandelte Champignonköpfe, die in ihrer Masse 1 g Biotrockenmasse entsprachen [8]Abb. 6: Sorptionskinetik von Agaricus bisporus: verwendet wurden unbehandelte Champignonköpfe, die in ihrer Masse 1 g Biotrockenmasse entsprachen [8]

Die Höhe der Sorptionsfähigkeit von einzelnen Organismenarten beruht auf Unterschieden im Aufbau ihrer Zellwände [11]. Im Falle von Bakterien (Zellwände mit dem Mucopolysaccharid Peptidoglycan als Hauptbestandteil) wirkt die Zellwand gegenüber der Umgebung primär anionisch, was auf Anwesenheit funktionaler Gruppen wie Carboxyl, Hydroxyl, Sulfyl und Phosphyl beruht. Die unterschiedlichen Arten der vorhandenen polaren Gruppen und die Ladungsverteilung innerhalb der Zellwand erklären die Unterschiede in der Metallsorption zwischen den einzelnen Arten und Stämmen. Unter den funktionalen Gruppen in Zellwänden von Algen finden sich Carboxyl-, Amyl-, Hydroxyl-, Phosphyl-, Amid-, Inidazol-, Thio- und Thioethereinheiten. Einige Algengattungen, darunter Chlorella und Ulothrix sollen über beträchtliche Metallabsorptionsfähigkeit verfügen [3].

Abb. 7: Eisenbeladungen von Streptomyces cinnamoneum in Abhängigkeit von pH-Werten des voreingestellten Spülbades [8]Abb. 7: Eisenbeladungen von Streptomyces cinnamoneum in Abhängigkeit von pH-Werten des voreingestellten Spülbades [8]

Mithilfe von Penicillium chrysogenum haben Volesky et al. [24] bei einem pH-Wert zwischen 4–5 pro g Trockenmasse eine Bleientfernung von 116 mg erreicht. Es wurde folgende „Affinitätsreihe“ für Metalle erstellt: Pb2+ > Cd2+ > Cu2+ > Zn2+. Auch gewöhnliche Backhefe zeigt im pH-Bereich zwischen 4 und 5 nachweislich Metallaufnahmeraten von 0.058 mmol/g für Uran und 0,56 mmol/g für Zink, wobei die Aufnahmen für tote Saccharomyces cerevisiae um etwa 40 % höher lagen. Die Biosorption wird als schneller Prozess beschrieben, in dem bereits nach 15 min 60 % der maximalen Sorptionsrate erreicht wird [23]. Die bindenden „active-sites“ für Zink-Ionen bei der nicht- lebenden Bäckerhefe sind die Phosphoryl- und Carboxylgruppen der Zellwand. Das physikalisch-chemische Phänomen der Biosorption führte er auf Adsorption, Ionenaustausch, Komplexierung und Micropräzipitation zurück, bedingt durch eine Dissoziation der Carboxylatgruppen der Biomasse im pH-Bereich von 4–5, was zu negativ geladenen Oberflächen führt. Es kommt zu elektro- statischen Interaktionen zwischen Zelloberfläche und Kationen, wobei nicht nur die Ladung des Ions, sondern auch sein Ionenradius eine Rolle spielt.

Formulierung eines Anforderungsprofils für die bionische Lösung

Damit die Eisen-Biosorption technisch hinsichtlich Effizienz und Wirtschaftlichkeit mit konventionellen Verfahren konkurrieren kann, sollten folgende Kriterien erfüllt sein:

Abb. 8: Champignons (Agaricus bisporus) in der Glassäule, deutlich ist auf den Oberflächen ein grüner Niederschlag zu erkennen werden [8]Abb. 8: Champignons (Agaricus bisporus) in der Glassäule, deutlich ist auf den Oberflächen ein grüner Niederschlag zu erkennen werden [8]

1. Die Biomasse sollte preiswert zu bekommen sein (am besten kostenlos). Dazu boten sich an:

  • Saccharomyces cerevisiae (Brauhefe aus Brauereien)
  • Penicillium chrysogenum (tot autoklaviert als Abfall aus der Penicillin-Herstellung)
  • Streptomyces-Stämme (tot autoklaviert als Abfall aus Antibiotika-Produktionen).

2. Hohe und schnelle Eisen-Akkumulationsfähigkeit des Biosorbens: Eine Sorptionskapazität von > 150 mg/g Trockenmasse wurde als gut betrachtet (weil dann das Eisen-Biomasse-Agglomerat in der Stahl-Industrie als Reduktionsmittel verwendet und Eisen im Verhüttungsprozess verwertet werden kann.)

3. Die Biosorptionsfähigkeit soll im Idealfall nicht durch andere Badbestandteile beeinflusst werden und sich gegenüber pH-Änderungen relativ stabil verhalten. Dies stellt die höchste Anforderung bei der Entwicklung von Biosorptionssystemen dar.

4. Selektivität: Wenn bei dem Prozess die gezielte Rückgewinnung eines Metalls im Vordergrund steht, sollte der Sorptionsprozess selektiv sein. Bei Aspergillus niger beispielsweise gaben Yakubu, Dudeney [25] Fe3+>Cu2+>Zn2+ an.

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Biologische Kleinarbeit: Screening von verschiedenen Biomassen auf ihre Fähigkeit, Eisen anzulagern

In einem Screening wurden 16 verschiedene Biomassen auf ihre Fähigkeit hin untersucht, Eisen aus Spülbädern zu entfernen. Biomassen, die nicht in ausreichender Menge verfügbar waren, wurden dazu in Oberflächen und/ oder Submersverfahren kultiviert und angereichert; beispielsweise von Aspergillus niger, der 100 Tausende von Tonnen Zitronensäure jährlich produziert.

Die Sorptionsraten von autoklavierter (toter) Biomasse waren bei der Mehrzahl der Versuche deutlich höher als bei lebender Biomasse (siehe oben). Die untersuchten Biomassen zeigten bei pH 4,0 Sorptionsraten zwischen 13 und 157 mg/g BTM (BioTrockenMasse), wobei die autoklavierten und getrockneten Zellen von Streptomyces cinnamoneum mit über 150 mg/g BTM weit über den Beladungen von anderen Zellen gelegen haben. In der Arbeit von Purnik und Puknikar [13] waren für diesen Stamm nur 57,7 mg/g für Blei und 21,3 mg/g für Zink angegeben worden.

Abb. 9: Erfolg des Verfahrens: Werden ein beizsaures Eisenspülbad (ganz links) und Abfallbiomasse aus Fermentationen in Kontakt gebracht (2. von links), kann aufgrund von Biosorption ein Eisenschlamm (2. von rechts) und eine leicht-saure bis neutrale, eisenfreie Lösung erzeugt werden [8]Abb. 9: Erfolg des Verfahrens: Werden ein beizsaures Eisenspülbad (ganz links) und Abfallbiomasse aus Fermentationen in Kontakt gebracht (2. von links), kann aufgrund von Biosorption ein Eisenschlamm (2. von rechts) und eine leicht-saure bis neutrale, eisenfreie Lösung erzeugt werden [8]

Die Biosorptionsergebnisse von handelsüblichem Champignon (Agaricus bisporus) zeigten im Schüttelkolben 50 mg/g bzw. 80 mg/g BTM im Säulenversuch.

In einem Modellversuch wurde gezeigt, dass eine 100%ige Reinigung des Spülbads von Eisen mit einer Vorverdünnung 1:20 mit Streptomyces cinnamoneum möglich ist. Das Produkt war eine klare Flüssigkeit mit einem Zink- gehalt von nur 0,2 g/l, in der kein Eisen mehr nachweisbar war.

Nun wurden die Untersuchungen unter realen Bedingungen in einer Feuerverzinkerei in Neunkirchen weitergeführt. Dabei wurde die Anlage unter Extrembedingungen (pH unter 0, Eisengehalt 55 g/l, Temperaturen nur knapp über dem Gefrierpunkt) getestet. Zusätzlich wurde das Verfahren mit einem Zinkgehalt von 54 g/l konfrontiert. Es stellte sich heraus, dass im Dauerbetrieb mit einem Abfall-Mycel aus der Penicillin-Produktion mittlere Beladungen sowohl von Eisen als auch für Zink von jeweils 130 mg/g BTM (also insgesamt 260 mg Metall pro g BTM) erreichbar sind.

Wie die Ergebnisse zeigten, ist eine Reinigung von metallbehafteten Spülen der metallverarbeitenden Industrie durch Biosorption an der Zelloberfläche von Mikroorganismen praktisch möglich. Es wurden geeignete Biomassen gefunden, die sich durch sehr hohe Eisenbindungsfähigkeit auszeichnen.

5 Bionik machen

Vor allem junge Menschen sollten sich nach dem Studium, insbesondere wenn sie bisher so gar nichts von Bionik in ihrem Hochschul-Studium mitbekommen haben, für bionische Herangehensweisen interessieren.

Der Autor hatte zum Ende seines Studiums an der Technischen Hochschule Karlsruhe, heute KIT-Süd, kapiert, dass seine (Bau-Ingenieur-Kommilitonen) nichts am „Hut“ mit Biologie hatten und seine Biologinnen-Kommilitonen nichts mit Technik, weshalb er diese Nische ziemlich erfolgreich besetzen konnte.

Jungen Menschen ist auch noch heute angeraten, auf die Bionik zu setzen und einen Aspekt für ihre persönliche berufliche Zukunft darin zu sehen, dass sie ihren Unternehmen neue Wege aufzeigen können, nachhaltige Produkte und Verfahren aus der Natur heraus inspiriert zu entwickeln.

Literatur

[1] Christen, H.R.: Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie, Verlag Sauerländer, Aarau, Diesterweg, Salle, Frankfurt am Main, 1973
[2] Gorb, S.N.; Voigt, D.: Funktionale biologische Oberflächen als Vorbilder für die Technik, Performance Doppelausgabe, 2009, 68–77
[3] Hardmann, D.J.: Pollution: Ecology and Biotreatment, Longman Group UK Limited, 1993
[4] Hollemann, A.F.; Wieberg, E.: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 56. Auflage, Walter de Gryter & Co, Berlin, 1960
[5] Kolditz, L. [Hrsg.]: Anorganikum, 13. neu bearbeitete Auflage, Johann Ambrosius Barth, Leipzig, Berlin, Heidelberg, 1993
[6] Kunz, P.M.: 4. Bionik-Kongress Baden-Württemberg – aus der Natur lernen, John Deere Forum, Mannheim, 2019
[7] Kunz, P.M.; Sommer, I: Bionische Entwicklungen in der Oberflächentechnik, Jahrbuch Oberflächentechnik Band 70, Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau, 2014
[8] Kunz, P.M.; Monzel, M.: Biosorptive Entfernung von Eisenverbindungen aus Spülbädern der Metallindustrie, Projekt-Abschlussbericht Innovatives Projekt des Landes Baden-Württemberg, Hochschule Mannheim, 2002
[9] Kunz, P.M.: Umwelt-Bio-Verfahrenstechnik, Vieweg Verlag, Wiesbaden, 1992
[10] Kunz, P.M.; Frietsch, G.: Mikrobizide Stoffe in biologischen Kläranlagen – Immissionen und Prozessstabilität, Springer Verlag, Berlin, 1986
[11] McEldowney, S.: Microbial biosorption of radionuclides in liquid effluent treatment, Appl. Biochem. Biotechnol.; 26, 1990, 159–180
[12] Nachtigall, W.; Wisser, A.: Bionik in Beispielen: 250 illustrierte Ansätze, Springer Spektrum Verlag, 2013
[13] Puranik, P.R.; Paknikar, K.M.: Biosorption of lead and zinc from solutions using Streptoverticillium cinnamoneum waste biomass, Journal of Biotechnology 55, 1997, 113–124
[14] Schlegel, H.G.: Allgemeine Mikrobiologie, Thieme Verlag, 1985
[15] VDI 2221: Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, Mai 1993
[16] VDI 2221 Blatt 1: Entwicklung technischer Produkte und Systeme – Modell der Produktentwicklung, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, März 2018
[17] VDI 2221 Blatt 2: Entwicklung technischer Produkte und Systeme – Gestaltung individueller Produktentwicklungsprozesse, Entwurf, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, März 2018
[18] VDI Statusreport: Life Sciences – Trends und Perspektiven, [1] VDI Statusreport Verein Deutscher Ingenieure, Oktober 2018
[19] VDI 6220: Bionik – Konzeption und Strategie, Abgrenzung zwischen bionischen und konventionellen Verfahren/Produkten, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, Dezember 2012, 2013
[20] VDI 6220 Blatt 1: Bionik – Grundlagen, Konzeption und Strategie, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, Gründruck 2019
[21] VDI 6221: Bionik – Bionische Oberflächen, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, September 2013
[22] VDI 6223: Bionik – Bionische Materialien, Strukturen und Bauteile, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, Juni 2013
[23] Volesky, B.; May Phillips H.A.: Biosorption of heavy metals by Saccharomyces cerevisiae, J. Appl. Microbiol Biotechnol. 42, 5, 1995, 797–806
[24] Volesky, B.; Niu, H.; Xu, X.S.; Wang, J.H.: Removal of lead from aqueous solutions by Penicillium biomass, Biotechnol. Bioeng. 42, 1993, 785–787
[25] Yakubu, N.A.; Dudeney, A.W.L.: Immobilization of Ions by Biosorption, Hydrometallurgy, 1986
[26] Zhao, H.; Sun, Q.; Deng, X.; Cui, J.: Earthworm-Inspired Rough Polymer Coatigs with Self-Replenishing Lubrication for Adaptive Friction-Reduction and Antifouling Surfaces, Advanced Materials 30, 29, 2018, 1802141
[27] http://www.biokon.de/bionik/was-ist-bionik/

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 10
  • Jahr: 2021
  • Autoren: Peter M. Kunz Bio-Logik-Control, Mannheim

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