Advanced

Sulphur-Utilizing Microorganisms in Biotechnological Applications - Rubber Recycling and Vanadium Reduction

Bredberg, Katarina LU (2003)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

I slutet på 1400-talet såg Christoffer Columbus, som förste europé, gummi användas av indianerna i Sydamerika. Han tog med sig materialet hem till Portugal, men kunde säkert inte föreställa sig de stora mängder gummi som några hundra år senare skulle komma att användas världen över. Mer än 17 miljarder kilo gummi produceras varje år. Nästan hälften är naturgummi och kommer fortfarande från samma gummiträd, Hevea brasiliensis, som Columbus såg på sina resor. Resten är syntetiskt gummi som tillverkas av petroleum. Det överlägset största användningsområdet för gummi är däck. Miljontals bildäck, traktordäck, flygplansdäck och cykeldäck, med alla möjliga egenskaper och funktioner tillverkas årligen,... (More)
Popular Abstract in Swedish

I slutet på 1400-talet såg Christoffer Columbus, som förste europé, gummi användas av indianerna i Sydamerika. Han tog med sig materialet hem till Portugal, men kunde säkert inte föreställa sig de stora mängder gummi som några hundra år senare skulle komma att användas världen över. Mer än 17 miljarder kilo gummi produceras varje år. Nästan hälften är naturgummi och kommer fortfarande från samma gummiträd, Hevea brasiliensis, som Columbus såg på sina resor. Resten är syntetiskt gummi som tillverkas av petroleum. Det överlägset största användningsområdet för gummi är däck. Miljontals bildäck, traktordäck, flygplansdäck och cykeldäck, med alla möjliga egenskaper och funktioner tillverkas årligen, och det finns fortfarande inget annat material som kan mäta sig med gummit när det gäller däcktillverkning.



I ett samhälle där vi använder så enorma mängder däck och andra gummiprodukter, måste det finnas effektiva och miljövänliga metoder för att ta hand om och återvinna materialet när däcken är utslitna. Problemet när det gäller gummi är att man inte kan smälta ner och omforma det som man kan göra med till exempel plast, glas och metaller. Det beror på att gummit är vulkaniserat. I vulkaniseringsprocessen blandas gummit med svavel och utsätts för hög temperatur och högt tryck, vilket skapar starka svavelbindningar mellan gummimolekylerna. Det är dessa svavelbindningar som ger gummit dess karakteristiska och användbara egenskaper, samtidigt som de gör gummit omöjligt att smälta ned. Ovulkaniserat gummi är mjukt och klibbigt, något som både indianerna och senare Macintosh – som uppfann regnrocken – hade problem med. Men sedan Goodyear på 1840-talet av misstag upptäckte vulkaniseringsprocessen, har detta problem varit ur världen. Istället uppstod frågan vad vi ska göra med alla gamla utslitna däck.



Idag är det förbjudet att deponera däck på soptippen, istället eldas de upp eller används som fyllmaterial i vägbankar och liknande. En liten del av de gamla däcken mals ner till ett fint pulver som kan blandas in i nya gummiprodukter. Problemet är att pulvret inte binder in ordentligt till det nya gummit runtomkring, viket gör att materialets egenskaper försämras då man blandar i mer än några få procent. Man har provat olika metoder för att ändra ytan på gummikornen och på så sätt få dem att binda in bättre, till exempel med hjälp av värme, kemikalier och mikrovågor, vilket fungerar till viss del men är både dyrt och energikrävande.



För att försöka hitta ett effektivt, billigt och miljövänligt sätt att förändra ytan på gummikornen, har svavelutnyttjande mikroorganismer använts. Dessa organismer, både bakterier och arkéer, använder svavel för att kunna växa. Om de får växa på gummipulver så tar de svavlet från gummit och bryter då svavelbryggorna mellan gummimolekylerna. Ytan på gummikornen blir av-vulkaniserad, och kan därmed binda in bättre till gummit runtomkring när det blandas med nytt gummi. Det har visat sig att denna biotekniska metod ger gummimaterial med höga koncentrationer recirkulerat gummipulver bättre egenskaper än om gummit inte är behandlat.



Olika mikroorganismer har testats för gummiavsvavling, bland annat Pyrococcus furiosus (”den rasande eldkulan”), en hypertermofil arké som växer vid 100°C och reducerar svavel till vätesulfid, och två acidofila bakterier, Acidithiobacillus thiooxidans och Acidithiobacillus ferrooxidans (som betyder ungefär svaveloxiderande respektive järnoxiderande ”sursvavelbakterier”) som växer i sura miljöer och oxiderar svavel till svavelsyra. Detta är bara två exempel på svavelutnyttjande mikroorganismer, och det finns massor av andra arter som ännu inte är testade på gummi, eller inte ens upptäckta, och som kanske skulle kunna fungera ännu bättre.



Ett problem med att använda levande organismer för att av-vulkanisera gummi, är att organismerna inte alltid tål tillsatsämnena i gummit. Gummipulvret som används kommer från olika däck och innehåller olika typer av gummi och tillsatser i en okänd blandning. Gummit kan till exempel tvättats med etanol för att få bort de giftiga ämnena, men det är inte är någon bra lösning i längden. Vissa av de ämnen som svavelorganismerna inte tål är aromatiska, det vill säga att de innehåller kemiska ringstrukturer. En speciell sorts svampar som växer på trädstammar har förmågan att bryta ned dessa ringstrukturer. Det visade sig att Acidithiobacillus växte bättre på gummipulver som var behandlat med sådana svampar än på gummi som inte var behandlat, ett tecken på att svamparna kunde ”avgifta” gummit. Den idealiska lösningen på det här problemet, vore förstås om man kunde tillverka bildäck utan de tillsatser som svavelorganismerna inte tål. Svanmärkta bildäck där man har bytt ut de giftiga hög-aromatiska oljorna i däcken mot andra mjukgörare, är ett bra exempel på att detta är möjligt.



De två svaveloxiderande bakterierna som använts för gummiavsvavling, visade sig också kunna reducera vanadin. Vanadin är en metall som hittades för första gången i Taberg i Småland, och fick sitt namn efter den nordiska gudinnan Vanadis för att den hade så vackra färger. Vanadin används i katalysatorer i olika kemiska processer och är både giftigt och dyrt. Därför är det viktigt att återvinna katalysatorerna och försöka använda vanadinet igen. I katalysatorerna används vanadin med oxidationstalet +5. Om man reducerar det till oxidationstal +4 stället blir vanadinet lite mindre giftigt och lite mer lösligt så att man kan laka ur metallen ur katalysatorn. Den reduktionen kan Acidithiobacillus bakterierna göra, och de skulle därför kunna användas i biotekniska processer för vanadinåtervinning. (Less)
Abstract
Biotechnological processes offer environmentally friendly and sometimes cost-effective alternatives to traditional chemical and mechanical methods. It is important to take advantages of the opportunities these processes provide to fulfil the demands and expectations of a future environmentally sustainable society. This work exploits the possibilities of applying biotechnological methods to allow recycling of two different materials of environmental concern: rubber and vanadium.



Worldwide deposition of waste rubber materials, for example vehicle tyres, constitutes environmental threats and a source of unutilized raw material. The problem with rubber recycling resides in the sulphur cross-links created between the rubber... (More)
Biotechnological processes offer environmentally friendly and sometimes cost-effective alternatives to traditional chemical and mechanical methods. It is important to take advantages of the opportunities these processes provide to fulfil the demands and expectations of a future environmentally sustainable society. This work exploits the possibilities of applying biotechnological methods to allow recycling of two different materials of environmental concern: rubber and vanadium.



Worldwide deposition of waste rubber materials, for example vehicle tyres, constitutes environmental threats and a source of unutilized raw material. The problem with rubber recycling resides in the sulphur cross-links created between the rubber polymers during vulcanization. These cross-links give the material its excellent and characteristic properties, but also make it impossible to melt and reshape, as one can do with, for example, glass and plastics. In this work, the sulphur-oxidizing bacteria Acidithiobacillus and the sulphur-reducing archaeon Pyrococcus furiosus have been used to break the sulphur cross-links in vulcanized rubber materials, which improved the physical properties of the recycled rubber. The effect of different grinding methods on the biotechnological treatment and the mechanical properties, the toxicity of rubber additives to the desulphurizing microorganisms and the possibilities of biotechnological detoxification of rubber with fungi have also been investigated.



Vanadium and its compounds are used in several important industrial processes. It is also present in heavy oil and is hence accumulated in the waste resulting from heavy oil combustion. Vanadium-containing waste materials are traditionally deposited in landfills or recovered by leaching with acids. This work has shown that Acidithiobacillus are capable of biological reduction of vanadium, which reduces the toxicity of the metal and increases its solubility, thereby enhancing the possibility of biotechnological recovery from industrial waste. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Professor Enfors, Sven-Olof, Department of Biotechnology, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Pyrococcus furiosus, Acidithiobacillus, microbial vanadium reduction, microbial detoxification, rubber recycling, devulcanization, Biotechnological desulphurization, waste rubber materials, Biotechnology, Bioteknik
pages
132 pages
publisher
Katarina Bredberg, Department of Biotechnology, Lund University
defense location
Lecture hall A, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Lund Institute of Technology
defense date
2003-05-28 10:30
external identifiers
  • Other:ISRN: LUTKDH/TKBT--03/1067--SE
ISBN
91-89627-14-8
language
English
LU publication?
yes
id
6a3b017b-c5e4-40e9-8517-4e0dc40e1d9a (old id 465822)
date added to LUP
2007-10-13 15:26:30
date last changed
2016-09-19 08:45:13
@misc{6a3b017b-c5e4-40e9-8517-4e0dc40e1d9a,
  abstract     = {Biotechnological processes offer environmentally friendly and sometimes cost-effective alternatives to traditional chemical and mechanical methods. It is important to take advantages of the opportunities these processes provide to fulfil the demands and expectations of a future environmentally sustainable society. This work exploits the possibilities of applying biotechnological methods to allow recycling of two different materials of environmental concern: rubber and vanadium.<br/><br>
<br/><br>
Worldwide deposition of waste rubber materials, for example vehicle tyres, constitutes environmental threats and a source of unutilized raw material. The problem with rubber recycling resides in the sulphur cross-links created between the rubber polymers during vulcanization. These cross-links give the material its excellent and characteristic properties, but also make it impossible to melt and reshape, as one can do with, for example, glass and plastics. In this work, the sulphur-oxidizing bacteria Acidithiobacillus and the sulphur-reducing archaeon Pyrococcus furiosus have been used to break the sulphur cross-links in vulcanized rubber materials, which improved the physical properties of the recycled rubber. The effect of different grinding methods on the biotechnological treatment and the mechanical properties, the toxicity of rubber additives to the desulphurizing microorganisms and the possibilities of biotechnological detoxification of rubber with fungi have also been investigated.<br/><br>
<br/><br>
Vanadium and its compounds are used in several important industrial processes. It is also present in heavy oil and is hence accumulated in the waste resulting from heavy oil combustion. Vanadium-containing waste materials are traditionally deposited in landfills or recovered by leaching with acids. This work has shown that Acidithiobacillus are capable of biological reduction of vanadium, which reduces the toxicity of the metal and increases its solubility, thereby enhancing the possibility of biotechnological recovery from industrial waste.},
  author       = {Bredberg, Katarina},
  isbn         = {91-89627-14-8},
  keyword      = {Pyrococcus furiosus,Acidithiobacillus,microbial vanadium reduction,microbial detoxification,rubber recycling,devulcanization,Biotechnological desulphurization,waste rubber materials,Biotechnology,Bioteknik},
  language     = {eng},
  pages        = {132},
  publisher    = {ARRAY(0x8321d38)},
  title        = {Sulphur-Utilizing Microorganisms in Biotechnological Applications - Rubber Recycling and Vanadium Reduction},
  year         = {2003},
}