Die Kraft der Mikroben

Cemvita arbeitet an einer Biomining-Zukunft, in der die vorhandenen Prozesse der Natur genutzt werden, um die essentiellen Mineralien und Metalle zu gewinnen, die unser tägliches Leben antreiben. Dieses Bild zeigt den Einsatz von Bioextraktionsmitteln durch Cemvita zur Gewinnung von Metallen durch einen Haufenlaugungsprozess sowie die Zukunft des In-situ-Bergbaus. Beim In-situ-Abbau könnte die Oberfläche ungestört bleiben, während Bioextraktionsmittel in den Untergrund gepumpt werden, um die Zielmetalle unter der Oberfläche auszulaugen.

Das Cemvita-Team beim ersten Cemvita-Tag in Houston im August 2022. In der Mitte hinter dem Rednerpult stehen Cemvita-Mitbegründer und Chief Executive Officer Moji Karimi, Mitbegründer und Chief Science Officer Tara Karimi sowie Mining Biotech-Vizepräsidentin Marny Reakes.

Ein Bioreaktor kultiviert Mikroben im Labor von Cemvita.

Cemvitas Labor in Westminster, Colorado.

In einem Bürogebäude in Westminster, Colorado, nördlich von Denver, arbeitet eine Gruppe von Wissenschaftlern und Ingenieuren mit vielen Milliarden Mitarbeitern – mikroskopisch kleinen Mikroben – daran, Bergbauprozesse zu entwickeln, die umweltfreundlicher und auch kostengünstiger sind.

Viele Fläschchen mit Lösungen in verschiedenen Farben werden ständig von Maschinen geschwenkt, während Menschen daran arbeiten, die Lösungen zu untersuchen, um die richtigen Mikrobengruppen für die Arbeit zu bestimmen, die an den Minenstandorten erledigt werden muss.

Cemvita wurde 2017 in Houston von den Geschwistern Moji Karimi, einem Ingenieur und Energieunternehmer, und Dr. Tara Karimi, einer Wissenschaftlerin und Biotechnologin, gegründet. Tara Karimis Buch „Molecular Mechanisms of Autonomy in Biological Systems“ aus dem Jahr 2018 diskutiert ihre Konzepte von Code, Energie und Masse, den ersten drei Buchstaben von Cemvitas Namen. „Vita“ ist lateinisch und bedeutet „Leben“.

Cemvita konzentriert sich derzeit auf drei Hauptschwerpunkte, bei denen es alle darum geht, biologische Systeme zu nutzen, um uns auf dem Weg zu einer erneuerbaren, sauberen Energiezukunft zu machen.

Ihr Biomining-Geschäftsbereich nutzt Biologie, Chemie und Ingenieurwesen, um Bio-Auslaugungsmittel zu entwickeln, die speziell auf die Extraktion von Zielmetallen aus Erzkörpern und Abfällen zugeschnitten sind.

Der GH2-Teil des Unternehmens nutzt Biotechnologie, um Möglichkeiten zu entwickeln, mikrobielle Lösungen in erschöpfte Öl- und Gaslagerstätten einzubringen, um einen kohlenstoffarmen Wasserstoff zu produzieren, den sie Goldwasserstoff nennen.

Ihr eCO2-Bioproduktionsprozess nutzt Kohlendioxid aus Emissionsquellen und produziert daraus wertvolle Materialien wie Düngemittel, Kunststoffe, Methan und Kraftstoffe. Dieser Prozess könnte auch an Minenstandorten eingesetzt werden, um sie in Richtung CO2-Neutralität oder sogar CO2-Negativ zu bringen und gleichzeitig neue Einnahmequellen zu erschließen.

Die eCO2-Pilotanlage von Cemvita wurde im April 2023 in Houston eröffnet.

Cemvita ist heute ein Unternehmen mit rund 95 Mitarbeitern, davon etwa 25 in Denver. Die Niederlassung in Denver wurde Ende 2021 eröffnet und ein Großteil der Arbeiten zum Bioabbau wird jetzt hier durchgeführt. Beim Besuch der Büros und Labore spürt man die große Begeisterung für die geleistete Spitzenarbeit.

„Es ist ein großartiges Unternehmen und Team, mit dem man zusammenarbeiten kann“, sagte Marny Reakes, Cemvitas Vizepräsident für Bergbau-Biotechnologie. „Ich liebe den Fokus auf Biolösungen für die Energiewende.“

Sie sagte, dass Biobergbau, Goldwasserstoff und eCO2-Bioherstellung „alle drei fantastische Produkte mit wirklich großartigen Aufgaben“ seien.

„Ich bin Chemieingenieur mit einem MBA und habe die letzten 25 Jahre im Bergbau verbracht“, sagte Reakes. „Der Bergbau und der Mehrwert, den wir für die Welt schaffen, liegt mir sehr am Herzen. Die Welt braucht Metalle für jeden Aspekt unseres Lebens, daran besteht kein Zweifel.“

„Bergbauunternehmen haben im Laufe der Jahre Innovationen hervorgebracht, aber nicht schnell genug, um den Anforderungen der Energiewende gerecht zu werden, und wir brauchen einen großen Wandel.“

Sie sagte, ein Teil der Arbeit, die sie in Cemvitas Labor leisten, sei die Untersuchung von Erzkörpern, damit sie Bio-Auslaugmittel für bestimmte Erze entwickeln könnten.

„Kein Erzkörper gleicht dem anderen, und Erzkörper verändern sich, und die Mineralogie ändert sich, wenn man tiefer in den Boden vordringt oder der Minenplan erweitert wird“, sagte Reakes. „Unsere Aufgabe besteht also darin, das mikrobielle Rezept so anzupassen, dass die Metalle aus dem Gestein in Lösung gelöst werden. Die Lösung kann dann über traditionelle Verfahren verarbeitet werden, etwa durch Lösungsmittelextraktion durch Elektrogewinnung oder im Fall von Lithium durch Direktextraktion oder Kristallisation.“

Sie sagte, man konzentriere sich derzeit auf zwei für die Energiewende entscheidende Metalle – Kupfer und Lithium.

„Wir arbeiten an der Kupfersulfidlaugung und auch an der Gewinnung von Lithium aus Lithiumton in der Region Nevada und Arizona.“

Sie sagte, in Zukunft sollten sie in der Lage sein, diese Prozesse auf andere Metalle auszudehnen.

Laut Reakes werden derzeit etwa 15 % des weltweiten Kupfers biologisch ausgelaugt. Ein großer Teil der Biolaugung findet in Arizona und New Mexico statt. Cemvita geht den nächsten Schritt und arbeitet mit Mikroben zusammen, um wirksamere Bio-Auslaugmittel zu entwickeln.

Da die Kupfergehalte in manchen Fällen zurückgegangen sind, sind die traditionelle Mahlung, Flotation und Verhüttung zu teuer geworden, so dass die Haufenlaugung eine kostengünstigere Lösung für den Kupferabbau darstellt. Bei der Haufenlaugung entfällt der energie- und kohlenstoffintensive Prozess der Zerkleinerung des Erzes in feine Partikel, da das grobe Erz direkt auf die Laugungsplatte gegeben werden kann.

Reakes beschrieb die Mikroben, mit denen sie arbeiten, als „super coole Heldenmikroben“.

Um die Arbeit von Mikroben zu erklären, vergleicht sie sie mit Algen.

„Die meisten Menschen wissen über Algen Bescheid“, sagte Reakes. „Algen beziehen ihre Energie aus Sonnenlicht und Kohlenstoff für ihr Wachstum aus CO2 in der Atmosphäre. Diese Mikroben nutzen auch CO2 in der Atmosphäre, beziehen ihre Energie jedoch nicht aus Sonnenlicht, sondern aus der Oxidation von Eisen und Schwefel in Gesteinen.“ Sie beziehen also tatsächlich Energie aus Gestein oder fressen es, und ein Nebenprodukt davon ist, dass beispielsweise Kupfer oder Zink in Lösung gelangen.

„Es handelt sich also um einen sehr natürlichen Prozess. Das ist etwas, was Mikroben bereits tun, und Bergbauunternehmen haben vor etwa 40 Jahren damit begonnen, daraus Kapital zu schlagen. Was sich seitdem geändert hat, ist, dass es vor etwa 10 Jahren eine riesige Biotech-Revolution gab, die das Gesicht der Pharmaindustrie veränderte.“ , Ernährung und Landwirtschaft. Nur den Bergbau hat es noch nicht erreicht.

„Und das ist es, was wir tun: Wir nutzen die neuesten biotechnologischen Werkzeuge, um die Geschwindigkeit, mit der die Mikroben Mineralien extrahieren, zu verbessern und eine höhere Ausbeute zu erreichen.“

Die Mikroben nehmen auch eine gewisse Kohlenstoffbindung vor, da sie Kohlendioxid verbrauchen, um zu wachsen.

Die Mikroben, die Cemvita mit Lithium verwendet, sind etwas anders. Sie müssen mit einer Abfallkohlenstoffquelle wie etwa Ernteabfällen gefüttert werden.

„Man füttert die Mikroben mit Abfallpflanzen, und dann erzeugen die Mikroben organische Säuren und andere Metaboliten, die dann das Gestein angreifen und kritische Mineralien wie Lithium in die Lösung freisetzen“, sagte Reakes.

Dieser Prozess trägt auch zur CO2-Reduzierung bei, da das Abfallmaterial Kohlendioxid als Rohstoff aus der Luft gebunden hat.

Seit das Unternehmen vor anderthalb Jahren seine Niederlassung in Denver eröffnete, wurden bei der Biomining-Arbeit von Cemvita große Fortschritte erzielt.

Im Juni 2022 kaufte Cemvita Solfatara Laboratories und seine Einrichtungen in Golden, Colorado, und integriert damit Solfataras Fachwissen im Biobergbau und der extraktiven Verarbeitung mit der Arbeit bei Cemvita.

„Diese Akquisition hat die Fähigkeit von Cemvita zur Skalierung um Jahre wesentlich beschleunigt und bringt uns auf dem Weg zur vollständigen kommerziellen Einführung unseres Biomining-Geschäfts voran“, sagte Charles Nelson, Chief Business Officer von Cemvita.

Im November 2022 gab Cemvita eine Partnerschaft mit Arizona Lithium Limited bekannt, die die Installation einer Produktionsanlage für Bio-Auslaugmittel im Lithium Research Center von AZL in Tempe, Arizona, beinhaltet. In der Anlage wird Cemvita Pilotversuche zur Biolaugung in Tanks und auf Halden zur Lithiumextraktion aus Ton oder Sedimentmaterialien durchführen.

„Wir werden unser Bio-Liviant in ihrer umfassenden Pilotanlage testen, damit wir den Lithium-Ton von der Laugung bis zum endgültigen Lithium-Produkt in Batteriequalität begleiten können“, sagte Reakes. „Das ist also eine spannende Arbeit.“

Viele Lithiumunternehmen in den Vereinigten Staaten arbeiten an der Entwicklung von Verfahren zur Lithiumgewinnung speziell für ihre Standorte. Reakes sagte, Cemvita spreche derzeit mit mehreren Unternehmen über die Lithiumgewinnung.

„Wir wollen unsere Technologie einer Reihe von Unternehmen zugänglich machen“, sagte Reakes.

Mit seinem Wissen über Mikroben bietet das Cemvita-Team auch Bergbauunternehmen biodiagnostische Dienstleistungen an. Wenn ein Bergbauunternehmen Probleme wie Schwefelwasserstoffausstoß oder saure Minenentwässerung hat, kann es sich für eine Analyse an Cemvita wenden.

„Mikroben gibt es überall. Wenn wir uns also die mikrobielle Gemeinschaft in den Abraumhalden, im Abwasser oder in der Haufenlaugung ansehen, können wir Ratschläge geben, wie wir diese Gemeinschaften optimieren können, sodass beispielsweise weniger Emissionen entstehen bessere Genesung“, sagte Reakes.

Weitere Fortschritte im Biomining-Geschäft von Cemvita sind in Sicht.

„Wir haben einige Verträge und einige andere Ankündigungen, die in den nächsten drei bis sechs Monaten veröffentlicht werden und die meiner Meinung nach sehr aufregend sein werden“, sagte Reakes.

Während Cemvita beim Biomining weiterhin Fortschritte macht, erforscht es auch die Möglichkeit, in Richtung In-situ-Mining voranzuschreiten. Beim In-situ-Bergbau pumpen Sie die Lösung nicht durch den Boden, um das Erz herauszuholen, sondern in den Boden, lassen sie durch das Erz filtern und entfernen die Zielmetalle. Anschließend pumpen Sie die Lösung wieder heraus.

„Das ist mein höchstes Ziel“, sagte Reakes. „Ich habe in einigen meiner Vorträge gesagt, dass wir unsere Bio-Auslaugungsmittel jetzt an der Oberfläche mit Haufenlaugungen und Tanks testen, aber mein ultimatives Ziel und ich denke, das Nonplusultra im Bergbau mit geringen Auswirkungen und geringem Fußabdruck besteht darin, hineinzugehen.“ situ."

Ein großer Teil des weltweiten Urans werde vor Ort abgebaut, sagte Reakes, da der Erzvorkommen bei Uran oft sehr begrenzt auf ein Gebiet begrenzt sei. Es gibt auch einige Kupferminen vor Ort. Cemvita erforscht, wie der In-situ-Abbau mit einer größeren Vielfalt an Erzkörpern sicher und effektiv durchgeführt werden kann.

Der In-situ-Bergbau könnte viele Vorteile haben – geringere Kosten, geringe Oberflächenstörungen und geringere Auswirkungen auf die Umwelt. Der In-situ-Bergbauprozess von Cemvita hätte sogar noch geringere Auswirkungen auf die Umwelt als der derzeitige In-situ-Bergbau, da bei dem Prozess Bioextraktionsmittel zum Einsatz kommen würden, anstatt Mineralsäuren unter die Erde zu pumpen.

„Was wir tun wollen, ist ein viel umweltfreundlicherer Prozess, indem wir Mikroben vor Ort einsetzen, um genau die Metallionen freizusetzen, die Sie benötigen, in Lösung zu bringen und sie zurückzugewinnen“, sagte Reakes. „Anstatt also riesige Tagebaue oder Untertagebergwerke und große Rückstandsdämme zu errichten, lasst uns einfach das Metall fördern, das wir brauchen, und den Rest des Bodens intakt lassen.“

„Wir haben große Ziele“, sagte Renee Hodges, Umweltwissenschaftlerin und Biomining-Geschäftsentwicklungsmanagerin von Cemvita. „Aber wir können dorthin gelangen.“

Wie die Cocktails verschiedener Arten von Mikroben, die alle zusammenarbeiten, um die besten Ergebnisse zu erzielen, bringen die Mitarbeiter des Cemvita-Teams ein breites Spektrum an Wissen und Fähigkeiten mit, um gemeinsam daran zu arbeiten, das Unternehmen seinen ehrgeizigen Zielen näher zu bringen.

„Ich denke, die Vielfalt unseres Wissenschaftsteams hier ist ziemlich bemerkenswert“, sagte Hodges. „Wir haben Geomikrobiologen, Chemiker, Verfahrenstechniker, Genomiker, Mikrobiologen, Meeresbiologen, und ich habe nur die Hälfte der Fähigkeiten angesprochen. Und sie sind alle auf ihrem jeweiligen Gebiet sehr gut ausgebildet.“

„Wir haben Leute aus Industrie und Wissenschaft und aus einem breiten Spektrum von Disziplinen“, sagte Reakes, „und an dieser Schnittstelle zwischen Technik und Wissenschaft kommen diese großen bahnbrechenden Entdeckungen, wie man die Auswirkungen des Bergbaus verringern kann.“

Bei einem Besuch im Labor sprach Dr. Jaymee Fayhl-Buska, eine Geomikrobiologin mit einem Doktortitel in Geologie, über einige der Vorteile der Verwendung ihrer mikrobiellen Cocktails, die eine Vielzahl von Mikroben enthalten. Viele Minen, die Biomining-Methoden einsetzen, arbeiten mit weniger robusten und vielfältigen mikrobiellen Gemeinschaften, und das kann bei sich ändernden Bedingungen zu Problemen führen.

„Wenn etwas passiert, wenn Sie zu viel organischen Kohlenstoff in Ihrer Kupferhaufenlaugung bekommen, dann haben Sie Pech, weil viele der traditionell verwendeten Mikroben organische Kohlenstoffmoleküle nicht vertragen“, sagte Fayhle-Buska. „Aber eine meiner Mikroben liebt organische Kohlenstoffe wirklich, also können sie diese abbauen, und dann können die übrigen Mikroben viel besser arbeiten.“

„Das macht wirklich viel Spaß“, sagte Fayhle-Buska. „Es ist ein großartiges Berufsfeld.“

Die Mikroben, mit denen das Cemvita-Team arbeitet, sind sehr kleine Organismen – einige der Lösungen bei Cemvita enthalten etwa drei Milliarden oder mehr Mikroben pro Unze. Die Wissenschaftler bei Cemvita führen DNA- und RNA-Sequenzierungen durch, um die Mikroben zu identifizieren, mit denen sie arbeiten, und um mehr über die mikrobiellen Gemeinschaften in den verschiedenen Arten von Proben zu erfahren, die sie von Minenstandorten erhalten.

Dr. Heather Callahan, Leiterin der Genomik bei Cemvita, ist darauf spezialisiert, herauszufinden, wie DNA und RNA aus wirklich schwierigen Proben extrahiert werden können. Nachdem sie fast ein Jahr lang an Möglichkeiten gearbeitet hatte, mikrobielle RNA aus Gesteinen zu extrahieren, gelang ihr kürzlich ein Durchbruch.

„Der Witz ist, dass ich versuche, RNA aus einem Stein zu pressen, und das stimmt“, sagte Callahan.

Wenn andere Wissenschaftler versuchen, in Gestein eingebettete RNA zu untersuchen, kultivieren sie sie normalerweise, was die Vorgänge in der mikrobiellen Gemeinschaft verändern kann.

„Ich kenne niemanden, der RNA direkt aus Bergbaugestein extrahiert“, sagte Callahan.

Wie Fayhl-Buska sagte Callahan, dass die Arbeit, die sie bei Cemvita verrichtet, Spaß macht.

„Es ist eine Herausforderung“, sagte Callahan. „Aber ich mag eine gute Herausforderung. Dadurch bleiben die Dinge interessant.“

„Ich denke, das ist das Einzige, was wir tun, nämlich Dinge herauszufordern“, sagte Hodges. „Nichts ist einfach. Und das ist das Schwierige an dem, was wir tun, aber es kann auch zu wirklich erstaunlichen Ergebnissen führen, weil wir wirklich in neue Bereiche und neue Horizonte blicken. Es wird großartig.“

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