Recycler biologiquement les déchets de haute technologie

Le gallium est un métal rare, mais il est largement utilisé dans l’industrie de haute technologie. Ce contraste extrême rend le recyclage indispensable. Cependant, les procédés de recyclage actuels sont coûteux et pollués chimiquement. Les approches biotechnologiques reposent donc sur les peptides, car ils sont capables de lier des particules métalliques, des minéraux et des ions métalliques de manière écologique et de les différencier de manière ciblée. Des scientifiques de l’Institut Helmholtz Freiberg pour la technologie des ressources (HIF) au Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ont maintenant montré que le matériau à base de peptide peut être utilisé pour l’extraction du gallium des eaux usées de production causées par l’industrie des semi-conducteurs.

Notre monde de haute technologie serait impensable sans les métaux rares car ils se retrouvent dans de nombreux appareils et systèmes qui nous entourent. Bon nombre de ces métaux ont une occurrence naturelle plus faible et sont difficiles à extraire, ce qui est également associé à des coûts élevés. C’est pourquoi le recyclage joue un rôle encore plus important. En récupérant les métaux rares des eaux usées industrielles, des scories ou des appareils qui ne sont plus utilisés, ils peuvent être renvoyés dans le cycle de recyclage. Les chercheurs du HIF dirigés par le Dr Katrin Pollmann ont démontré que la biosorption sélective, c’est-à-dire la capacité de certains micro-organismes tels que les bactéries, les levures, les champignons et les algues à s’enrichir en métaux ou en ions métalliques, est un procédé approprié pour la récupération du gallium provenant de l’industrie Eaux usées.

On retrouve ce métal de haute technologie, par exemple, dans les diodes électroluminescentes et les cellules solaires; il sert de revêtement pour les miroirs et est utilisé en médecine pour le diagnostic des tumeurs. Il est principalement utilisé dans l’industrie des semi-conducteurs. Associé à l’arsenic, il est utilisé comme arséniure de gallium pour la production de plaquettes. La majeure partie du gallium industriel est perdue pendant la production. Néanmoins, le gallium revêt une importance croissante pour l’industrie. Un taux de recyclage élevé de l’industrie de transformation du gallium est d’autant plus important qu’ils représentent une source beaucoup plus riche et plus importante pour la production secondaire de gallium.

Bio-recyclage – alternative écologique aux procédés de séparation classiques

Les procédés de recyclage antérieurs pour la production de gallium reposent souvent sur des procédés d’électrolyse chimique. L’électrolyse très consommatrice d’énergie produit des eaux, ce qui conduit à la dilution de substances précieuses et à l’augmentation de la salinité des eaux usées. La situation est différente avec les soi-disant biocomposites, ils sont recyclables et peuvent être utilisés encore et encore dans les processus de séparation. Cette méthode de recyclage innovante comprend des procédés qui utilisent des systèmes biologiques pour extraire le métal des minerais ou des déchets. La libération de métaux peut se produire directement par le métabolisme des micro-organismes ou indirectement par leurs produits métaboliques.

L’un de ces processus de bio-recyclage est la biosorption. «La biomasse lie certains ions ou d’autres molécules dans une solution aqueuse ou les concentre. La biosorption ne dépend pas de l’activité métabolique et ne nécessite pas l’apport de nutriments. Cela permet d’utiliser la biosorption même dans des environnements hautement toxiques. La biosorption est donc une alternative écologique à la récupération des métaux des eaux usées industrielles, des solutions de lixiviation ou des eaux minières », explique Katrin Pollmann, responsable du département biotechnologie de HIF. Le défi, cependant, est de trouver les biomolécules appropriées.

Peptides comme canne à pêche

Les scientifiques de Freiberg travaillent sur des matériaux de biosorption spécialisés capables de reconnaître spécifiquement des éléments individuels, de les lier de manière sélective et ainsi de les éliminer des solutions. Ils utilisent des peptides, qui sont de petites protéines composées d’acides aminés. «Les peptides sont petits et donc robustes, ce qui les rend particulièrement adaptés. Il existe 20 acides aminés naturels qui ont des propriétés différentes et peuvent être liés ensemble dans une chaîne peptidique librement combinée. Cela crée des biomolécules capables de s’asseoir sur toutes les surfaces imaginables et de les reconnaître très spécifiquement. Les bons peptides sont sélectionnés à l’aide de la méthode Phage Surface Display », décrit le Dr Nora Schönberger, scientifique de HIF.

Cette méthode se concentre sur les bactériophages, c’est-à-dire les virus spécialisés dans l’infection des bactéries. Les peptides spécifiques aux éléments sont fermement ancrés sur un matériau porteur avec certaines propriétés. Les biocomposites résultants «pêchent» les substances cibles à partir d’un mélange complexe de matériaux en raison des structures peptidiques uniques. Les peptides permettent ainsi une récupération sélective des métaux.

Approche biotechnologique avec des peptides liant le gallium

Dans le cadre du projet « EcoGaIN », dans lequel l’extraction du gallium des eaux usées de production de l’industrie des semi-conducteurs a été examinée, Schönberger a traité en détail l’identification des peptides liant le gallium. «Nous avons utilisé le chromatopanning, une technique qui sélectionne des peptides qui se lient à une cible spécifique. Avec l’aide de ce processus de séparation, nous avons isolé les peptides spéciaux qui capturent les ions gallium des eaux usées du procédé», explique Schönberger et poursuit: «Pour la biosorption études, j’ai emballé un matériau filtrant à base de peptide dans une colonne et construit une sorte de filtre au gallium à travers lequel les eaux usées pourraient passer. Le matériau est bien adapté s’il retient le gallium dans le matériau filtrant aussi efficacement que possible, tandis que les autres contaminations qui sont contenus dans les eaux usées du procédé, surtout l’arsenic, s’écoulent simplement. Par la suite, le gallium lié au matériau filtrant doit pouvoir être séparé de la colonne afin de récupérer le gallium. « 

L’un des cinq matériaux de filtre peptidique testés dans ces expériences s’est avéré être particulièrement approprié pour récupérer efficacement le gallium. «L’utilisation de systèmes biologiques dans la technologie des ressources complète le répertoire des procédés métallurgiques conventionnels. Il remplit actuellement une niche méthodologique en rendant accessibles les métaux qui ne peuvent pas être efficacement exploités avec les approches métallurgiques classiques », déclare Pollmann. Cependant, cette méthode doit être développée davantage pour une application industrielle, car la synthèse chimique des peptides pour une utilisation économique dans la technologie des ressources est trop coûteuse et pas encore suffisamment écologique. En outre, il est important d’optimiser les peptides pour obtenir une meilleure capacité de liaison des métaux et ainsi une utilisation plus efficace est possible.