Põlevkivide biotöötlemine BiotaTec OÜ Põlevkivi Kompetentsikeskus, TalTech XI Põlevkivikonverents Muutuste tuules Jõhvis, 13.11.2019.
BiotaTec OÜ Loodud 2007, tegevusala: teadus-ja arendustegevus biotehnoloogias 2010-2016 akrediteeritud metagenoomika katselabor Osanikud: >35% Eesti riik läbi Tera Usaldusühingu; >50% Sirli Sipp Kulli Teostatud riigihankeid >800 000 R&D projekte 6, mahus >900 000 Al 2016 põhirõhk biotöötluse arendusel erinevatele metallitoormetele ja jääkidele. 2
Biotöötlemine biokaevandamine bioleostamine Toorme või jäägi väärindamine kasutades ära kindlate mikroorganismide loomulikku elutegevust. Bioleostamine nt sulfiidsetest mineraalidest mikroobid oksüdeerivad lahustumatud metallisulfiidid veeslahustuvateks metallisulfaatideks. >20%kogumaailmakaevandavastvasest ja >8% kullast mikroorganismide abil. Biokaevandamisel kasutatavad mikroorganism-metall koostoimed Nancharaiah et al, 2016 3
Pikaajaline koosluste kohanemine Arvatakse, et u 2% maailma mikroorganismidest jäävad ellu väljaspool nende looduslikku keskkonda, ehk laboratoorsetes tingimustes. BiotaTec OÜ laboris Tartus meelitatakse erinevaid kooslusi kohanema toormetega nii, et mikroorganismide koostöö ning loomuliku elutegevuse käigus alaneks nt põlevkivis orgaanilise väävli ja metallide sisaldus, või nn vaeste maakide ja jäätmete puhul muutuksid metallid veeslahustuvateks. Kohandamise käigus jälgitaks igapäevaselt koosluste kasvu, määratakse mikroorganismide arvukust ning tehakse korduvaid ümberkülvamisi erinevatel tingimustel. Dapi-Ga värvitud preparaat 4
Tähtsaimadbiotöötluse projektid 2014: Argilliidist biogeense metaani tootmise uuring EASi energiatehnoloogia programm, 160 000 eur 2016: KeMi ja MKMi tellimusel eeluuring argilliidi bioleostamisele (Maapõue Strateegia alusdokument) 2018-20: e-romu biotöötlus (pilootseade Reydesa Recycling, Baskimaa) LIFE+ programm; BiotaTeci töömaht 340 000 eur 2018 19: Põlevkivis väävlisisalduse alandamise võimalused, nn. Tõhus koostöö BiotaTeci töömaht 51 000 eur 2019-20: Kullakaevanduse jääkide väärindamine, Goldenville, Kanada, 1,2 Meur. 5
Uuringute ulatus on lai Block diagram showing the factors affecting reactor bioleaching profitability (Z. Sadowski) 6
Põlevkivide biotöötluse katsed 2010 Konnatahvlist metallide eraldamine ja metaangaasi tootmine 2018 Jordaania põlevkivi metallide eraldamine ja väävli alandamine 2019 Kukersiidi S ja As alandamine; poolkoksi väärindamine 2019/20 Kukersiidi õli S ja As alandamine 2020 Jordaania põlevkivituhast metallide eraldamine 7
Konnatahvli biotöötlus Aastail 2010 2014 arendatud välja Eesti graptoliit-argilliidil mikroorganismide koosluse ARGON5 ehk 5A, mis neutraalse phjuures toodab kivimi orgaanilisest osast metaangaasi ja leostub vesilahusesse metalle. Täiendatava kahe-etapilise protsessi metallide leostumine kuni 96%. Mikroobikooslus deponeeritud CELMS No EEUT ARGCON5 8
Konnatahvli orgaanika väärindamine Meetodi unikaalsus seisneb metallorgaaniliste ühendite laguproduktidekasutamises samaaegselt metaani tootmiseks, st energia genereerimiseks. Fermentatsiooni metaboloiitide (NH 3, H 2 S, atsetaat, H 2 ) kuhjumist välditakse erinevat tüüpi mikroorganismide (atsetogeenide, sulfaadi reduteerijate, metanogeenide) kooskõlastatud toimimisega. Käimasolevates optimeerimise katsetes on metaani saagist suurendatud mineraalaine väärtuseni 1617,9 µmol CH4 / g (36,25 liitrit kg), ehk 6 korda rohkem kui publikatsioonides kajastatud (10 250 µmol CH4 / g mineraali kohta). Pressure increase measurement with OxiTop system (WTW, Germany). 9
Jordaania põlevkivi biotöötlus 2017-2018 teostati esmased bioleostamise katsed APCO Jordaania põlevkiviga. Eesmärgiks koguda infot võimaluste kohta alandada püriitse väävli ning metallide sisaldust aeroobsetel tingimustel. Adapteerimata kooslustega esimeste katseseeriate tulemused kanti ette Jordaanias põlevkivi konverentsil, käimas suhtlus Jordaania Energiaministeeriumi ja ülikooli esindajatega. Al-Sultani, Qatraneh, Jordaania 10
Metallide leostumine Jordaania põlevkivist Saagis, % 40 35 30 25 20 15 10 5 AE1108 AE1116 AE1127 AE1108 blank AE1116 blank AE1127 blank 0 As Cr Mo Ni Sb Se U V Metallide aeroobse bioleostumise pingerida Jordaania põlevkivist: As> Mo> Se> Sb> Mg> V> U> Ni> Cr> Sr> Ca> Zr. 11
Väävlisisalduse vähendamine Jordaania põlevkivis S üld massi% 100 80 60 40 20 0-20 Samaaegselt metallide leostamisega vähendati adapteerimata aeroobse neutrofiilse kooslusega ka väävlisisaldust, saagisega 17,2-32,1%. -40 AE1108 AE1108 blank 12
Kukersiidi biotöötlus Hüpotees: biotöötlusegaon võimalik alandada kukersiidi orgaanilise väävli ja arseeni sisaldust. Eelkatsetes 2017.a BiotaTeci väljatöötatud mikroobikooslusega vähenes üldväävli sisaldus Eesti põlevkivis 32%ja metallide sisaldus -As 27-39%, Mo <19%, V <5%. Väävli vorme toona ei määratud. Kooslus hävines 2018. Koosluse uuesti arendamise, adapteerimise ja katsetingimuste optimeerimisega on võimalik väävli-ja metallide sisaldust veelgi alandada, sest bioleostamise tavapärane efektiivsus on 85-96%. 13
Metallide leostumine Eesti põlevkivist 40 35 30 Põlevkivi loomuliku kooslusega leostus 39% As. Saagis, % 25 20 15 10 5 0 Ni Rb V Sr As Elemendid PK 1A-8, põlevkivi+inokulum 98+M9 PK 1B-8, põlevkivi+ M9 PK 1C-8, kuumtöödeldud põlevkivi+m9 PK 2A-8, põlevkivi+inokulum 98+ R2A PK 2B-8, põlevkivi+r2a PK 2C-8, kuumtöödeldud põlevkivi+r2a 14
Väävlisisaldusevähendamine vähendamine kukersiidis 120 100 S total w/w % 80 60 40 20 0-20 Sama adapteerimata aeroobne metalle leostav neutrofiilne mikroobikooslus vähendas 2017.a üldväävli sisaldust saagisega 23-32%. -40 PK 1A - põlevkivi + M9 + inokulum 99 PK 1B - põlevkivi + M9 PK 1C - ster põlevkivi + M9 PK 2A - põlevkivi + R2A + inokulum 99 PK 2B - põlevkivi + R2A PK 2C - ster põlevkivi + R2A 15
Tõhusa projekti katsed PÕLEVKIVIGA erinevatel toitelahustel erineva tükisuurusega erinevate kooslustega aeroobselt mahtudes 0,5-1 L ja valitud tingimustel 20L POOLKOKSIGA erinevatel toitelahustel erinevate kooslustega anaeroobselt ja aeroobselt mahtudes 0,5-1 L Süsteem 20 liitriste katsete jaoks Süsteem 0,5-1 liitriste katsete jaoks 16
Parimad tulemused erinevate kooslustega aeroobsetel tingimustel kukersiidiga Katsed 157, 157B, 157C erinevad kooslused, 157D põlevkivi loomulik kooslus. Töö käigus uuriti ka proovidest tahke materjali eraldamise (filtreerimise ja tsentrifuugimise) mõju väävlivormide eraldamisele. Liselle Luks, Hans Priks, Anne Menert, Olga Pihl, Hella RIisalu Töötlemata põlevkivi sisaldab 1,51 % väävlit ja katses 157C 1,28 %. Väävli sisaldus on vähenenud töödeldud põlevkivis ca 15%. Samas katses töötlemata põlevkivi sisaldab 0,52 % orgaanilist väävlit ja töödeldud põlevkivi 0,23 %. Orgaanilise väävli sisaldus on vähenenud ca 55%. 17
Mõju õlile? Alandatud väävlisisaldusega põlevkivi 20L reaktori katsest Fisher Assayja saadud õli kvaliteedi määramise katsed Põlevkivi Kompetentsikeskuses 18
Edasiseks Biotöötluse mõju põlevkiviõlile otse katsed põlevkivilt eraldatud efektiivseima kooslusega. Et optimeerida kooslusi ning protsessi edasi: Alandatud väävli ja arseeniga põlevkiviõli mõju eelrafineerimise protsessile? Kui suured biotöötluse op. kulud on kasumlikud, seda eelrafineerimise tehase planeerimise valguses? 19
Laienemisvajadus Koostöös Kanada ettevõttega Green Resolution uue katselabori loomine Kogemustega julge lisapersonal erinevatel aladelt (mikrobioloogia, keemia, inseneeria, geoloogia, jne) Suuremad ruumid suuremamahuliste katsetuste jaoks, sh hoiustamistuum Vajadustele vastav masinapark 20
SUUR AITÄH Anne Menert Prof. Maia Kivisaar Hella Riisalu, Olga Pihl Hans Priks, Liselle Luks Prof. Enno Reinsalu Valter Petersell Omar Alayed Hardi Aosaar Peep Siitam Tiit Maidre Prof. Ain Heinaru Prof. Anto Raukas Prof. Mihkel Veiderma Ello Maremäe Rein Palvadre Hella Riisalu Kaja Orupõld Inna Kamenev Sven Kamenev Päärn Paiste Anastasios Kladis Prof. Alvar Soesoo Prof. Patrick D Hugues Prof Barrie Johnson Juha Kaija Stephane Bourg Prof. Vahur Oja Prof. Kalle Kirsimäe Prof. Erik Puura Peter Sorjonen-Ward Prof. Jaak Truu Ando Leppiman Jaanus Sahk Travis Taylor Kalju Vanatalu, ja paljud teised 21
BiotaTec OÜ Sirli Sipp Kulli sirli(at)biotatec.com www.biotatec.com 22
LISAD 23
Terrafame hea õppetund 2004. aastal loodud Talvivaara nikli, tsingi, koobalti ja vase bioleostamise tehase käivitusperioodil tehti inimlikult kiirustades skaleerimisel olulisi vigu, seda usutavasti soodsate kasvavate metallihindade ja - nõudluse tõttu turul. Antud eksimused tõid kaasa keskkonnareostuse, samas ei seadnud need aga kordagi kahtluse alla tehnoloogia olemust ja töökindlust. Bioleostamise tehnoloogia kasumlikkust ning tehase võimekust kinnitab ka peale keskkonnareostuse likvideerimist ja ettevõtte saneerimist teostatud uute investeeringute maht uute omanike poolt - 2015. aastal Soome riigi poolt 209 miljonit eurot, ning lisaks 2017. aastal hiiglasliku 98 miljardise aastakäibega kontserni Trafigura Plc, Sampo panga ja Galena Asset Managementi poolt 250 miljonit eurot. 2018. aastaks oli uue nimega Terrafame jooksvas kasumis, 2019. aasta kolme kvartali käive oli maht oli 243 miljonit eurot, kasum 3 miljonit eurot. Ettevõtte kodulehel toodud andmete põhjal makstakse aastas Soome riigi eelarvesse makse u 140 miljoni euro ulatuses. Alustatud on akumetallide tehase ehitust. Terrafame on korraga nii heaks hoiatuseks kui ka eeskujuks - kuidas rakendada suuremahulist biotöötlust nii, et tehnoloogia keskkonnamõjud oleks minimaalsed ning talutavad, samas tootmine kasumlik. 24
Talvivaara Terrafame Bio-heap and pregnant leach solution (PLS) ponds in Terrafame, Finland, Tanaka 2017 P. Saari; M. Riekkola-Vanhanent;J. S. Afr. Inst. Min. Metall. vol.112 n.12 Johannesburg Jan. 2012 25