Põlevkivide biotöötleminePõlevkivide biotöötleminePõlevkivide biotöötleminePõlevkivide biotöötlemine

XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvis, 13.11.2019.

BiotaTec OÜPõlevkivi Kompetentsikeskus, TalTech

2

BiotaTec OÜBiotaTec OÜBiotaTec OÜBiotaTec OÜ

XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

� 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.

3

Toorme või jäägi väärindamine kasutades ära kindlate mikroorganismide loomulikku elutegevust.

Bioleostamine nt sulfiidsetest mineraalidest –mikroobid oksüdeerivad lahustumatud metallisulfiidid veeslahustuvateksmetallisulfaatideks.

>20% kogu maailma kaevandavast vasest ja >8% kullast mikroorganismide abil.

Biotöötlemine Biotöötlemine Biotöötlemine Biotöötlemine –––– biokaevandamine biokaevandamine biokaevandamine biokaevandamine –––– bioleostamine bioleostamine bioleostamine bioleostamine

XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

Biokaevandamisel kasutatavad mikroorganism-metallkoostoimed Nancharaiah et al, 2016

Pikaajaline koosluste kohaneminePikaajaline koosluste kohaneminePikaajaline koosluste kohaneminePikaajaline koosluste kohanemine

4

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

XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

5

2014: Argilliidist biogeense metaani tootmise uuringEASi 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.

TähtsaimadTähtsaimadTähtsaimadTähtsaimad biotöötluse projektidbiotöötluse projektidbiotöötluse projektidbiotöötluse projektid

XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

Uuringute ulatus on laiUuringute ulatus on laiUuringute ulatus on laiUuringute ulatus on lai

6XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

Block diagram showing the factors affecting reactor bioleaching profitability (Z. Sadowski)

7

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

Põlevkivide biotöötluse katsedPõlevkivide biotöötluse katsedPõlevkivide biotöötluse katsedPõlevkivide biotöötluse katsed

XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

Konnatahvli biotöötlusKonnatahvli biotöötlusKonnatahvli biotöötlusKonnatahvli biotöötlus

8

Aastail 2010 – 2014 arendatud välja Eesti graptoliit-argilliidil mikroorganismide koosluse ARGON5 ehk 5A, mis neutraalse pH juures toodab kivimi orgaanilisest osast metaangaasi ja leostub vesilahusesse metalle.Täiendatava kahe-etapilise protsessi metallide leostumine kuni 96%.

XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

Mikroobikooslus deponeeritud CELMS No EEUT ARGCON5

Konnatahvli orgaanika väärindamineKonnatahvli orgaanika väärindamineKonnatahvli orgaanika väärindamineKonnatahvli orgaanika väärindamine

9XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

Meetodi unikaalsus seisneb metallorgaaniliste ühendite laguproduktide kasutamises samaaegselt metaani tootmiseks, st energia genereerimiseks.

Fermentatsiooni metaboloiitide (NH3, H2S, atsetaat, H2) 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).

Jordaania põlevkivi biotöötlusJordaania põlevkivi biotöötlusJordaania põlevkivi biotöötlusJordaania põlevkivi biotöötlus

10

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.

XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

Al-Sultani,

Qatraneh, Jordaania

Metallide leostumine Jordaania põlevkivistMetallide leostumine Jordaania põlevkivistMetallide leostumine Jordaania põlevkivistMetallide leostumine Jordaania põlevkivist

11

0

5

10

15

20

25

30

35

40

As Cr Mo Ni Sb Se U V

Saag

is, %

AE1108 AE1108 blank

AE1116 AE1116 blank

AE1127 AE1127 blank

Metallide aeroobse bioleostumise pingerida Jordaania põlevkivist:As> Mo> Se> Sb> Mg> V> U> Ni> Cr> Sr> Ca> Zr.

XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

Väävlisisalduse vähendamine Jordaania põlevkivisVäävlisisalduse vähendamine Jordaania põlevkivisVäävlisisalduse vähendamine Jordaania põlevkivisVäävlisisalduse vähendamine Jordaania põlevkivis

12

Samaaegselt metallide leostamisegavähendati adapteerimata aeroobse neutrofiilse kooslusega ka väävlisisaldust, saagisega 17,2-32,1%.

-40

-20

0

20

40

60

80

100

AE1108 AE1108 blank

S ü

ld m

assi

%

XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

Kukersiidi biotöötlusKukersiidi biotöötlusKukersiidi biotöötlusKukersiidi biotöötlus

13

Hüpotees: biotöötlusega on 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

14

Metallide leostumine Eesti põlevkivistMetallide leostumine Eesti põlevkivistMetallide leostumine Eesti põlevkivistMetallide leostumine Eesti põlevkivist

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Ni Rb V Sr As

Sa

ag

is, %

ElemendidPK 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

Põlevkivi

loomuliku

kooslusega leostus

39% As.

XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

15XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

VäävlisisalduseVäävlisisalduseVäävlisisalduseVäävlisisalduse vähendamine kukersiidisvähendamine kukersiidisvähendamine kukersiidisvähendamine kukersiidis

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

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

S to

talw

/w % Sama adapteerimata aeroobne

metalle leostav neutrofiilnemikroobikooslus vähendas 2017.a üldväävli sisaldust saagisega 23-32%.

Tõhusa projekti katsedTõhusa projekti katsedTõhusa projekti katsedTõhusa projekti katsed

16

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

XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

Parimad tulemused erinevate kooslustega aeroobsetel Parimad tulemused erinevate kooslustega aeroobsetel Parimad tulemused erinevate kooslustega aeroobsetel Parimad tulemused erinevate kooslustega aeroobsetel tingimustel kukersiidigatingimustel kukersiidigatingimustel kukersiidigatingimustel kukersiidiga

17XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

Katsed 157, 157B, 157C – erinevad kooslused, 157D – põlevkivi loomulik kooslus.

Töö käigus uuriti ka proovidest tahke materjali eraldamise (filtreerimise ja tsentrifuugimise) mõju väävlivormide eraldamisele.

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%.

Liselle Luks, Hans Priks, Anne Menert, Olga Pihl, Hella RIisalu

Mõju õlile?Mõju õlile?Mõju õlile?Mõju õlile?

18

Alandatud väävlisisaldusega põlevkivi 20L reaktori katsest

Fisher Assay ja saadud õli kvaliteedi määramise katsed Põlevkivi Kompetentsikeskuses

XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

EdasiseksEdasiseksEdasiseksEdasiseks

19

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?

XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

LaienemisvajadusLaienemisvajadusLaienemisvajadusLaienemisvajadus

20XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

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

21XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

SUUR AITÄHSUUR AITÄHSUUR AITÄHSUUR AITÄHAnne Menert Prof. Maia KivisaarHella Riisalu, Olga PihlHans Priks, Liselle LuksProf. Enno ReinsaluValter PetersellOmar AlayedHardi AosaarPeep SiitamTiit MaidreProf. Ain HeinaruProf. Anto Raukas Prof. Mihkel VeidermaEllo Maremäe Rein Palvadre

Hella RiisaluKaja OrupõldInna Kamenev

Sven Kamenev

Päärn PaisteAnastasios KladisProf. Alvar SoesooProf. Patrick D’HuguesProf Barrie JohnsonJuha KaijaStephane BourgProf. Vahur Oja Prof. Kalle KirsimäeProf. Erik PuuraPeter Sorjonen-WardProf. Jaak TruuAndo LeppimanJaanus SahkTravis TaylorKalju Vanatalu,

ja paljud teised

BiotaTec OÜBiotaTec OÜBiotaTec OÜBiotaTec OÜ

Sirli Sipp KulliSirli Sipp KulliSirli Sipp KulliSirli Sipp Kullisirlisirlisirlisirli(at)biotatec.com(at)biotatec.com(at)biotatec.com(at)biotatec.comwww.biotatec.comwww.biotatec.comwww.biotatec.comwww.biotatec.com

22XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

LISADLISADLISADLISAD

23XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

24

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 biotöötlustnii, et tehnoloogia keskkonnamõjud oleks minimaalsed ning talutavad, samas tootmine kasumlik.

XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.

25

Talvivaara Talvivaara Talvivaara Talvivaara –––– TerrafameTerrafameTerrafameTerrafame

Bio-heap and pregnant leach solution (PLS)

ponds in Terrafame, Finland, Tanaka 2017P. Saari; M. Riekkola-Vanhanent; J. S. Afr. Inst. Min. Metall. vol.112

n.12 Johannesburg Jan. 2012

XI Põlevkivikonverents „Muutuste tuules“ Jõhvi, 13.11.2019.