FLUJO DE FLUIDOS

MAESTRA: MARÍA ANTONIA CARVAJAL GARCÍA

TEMA: BIOHIDROMETALURGIA

ALUMNO:JORGE ALFREDO VALENCIA GARCÍA

SEMESTRE: QUINTO GRUPO: D

TERCERA PARCIAL

25/NOVIEMBRE/2010

BIOHIDROMETALURGIA

La hidrometalurgia es el proceso por el cual, el metal es extraído por tratamiento a bajas temperaturas y con algún líquido en que el metal sea soluble. Pero hace unos 60 años se descubrió que este proceso se puede llevar a cabo sólo con la presencia de ciertos microorganismos que habitan dentro del mineral.

La transformación de minerales por acción microbiana es un proceso conocido, especialmente en la industria del hierro, desde 1888. Desde principios de los años 20's se reportó la oxidación de sulfuro de Zn por microorganismos sulfo-oxidantes desconocidos, sugiriendo un método biológico para la utilización económica de sulfuro de Zn de baja ley.

BIOHIDROMETALURGIA: Materia interdisciplinaria que combina la geomicrobiología, la ecología y la biogeoquímica con la hidrometalurgia. Es una técnica novedosa que incluye la biolixiviación y que permite la obtención de compuestos de metales preciosos a partir de minerales o de desechos industriales, a través de su disolución, para su recuperación y purificación.

PROCESOS MICROBIOLÓGICOS EN LA BIOHIDROMETALURGIA Y LA IMPORTANCIA DE LAS BACTERIAS

Hasta ahora los siguientes procesos microbiológicos son de importancia en la biohidrometalurgia.

a) Oxidación de sulfuros, azufre elemental y fierro ferroso.

b) Producción de compuestos orgánicos, peróxidos, etc. por microorganismos organotróficos, los cuales atacan minerales oxidando o reduciendo los elementos con valencia variable.c) Acumulación de elementos químicos o su precipitación por microorganismos y sulfuros.

Rol de la bacteria en la oxidación de Fe2, S

La oxidación de Fe3, S y sulfuros esta mediada básicamente por las bacterias del género Thibacillus, Leptospirillum, Sulfolobus, Sulfobacillus y Acidianus. Especialmente importante para la hidrometalurgia son las bacterias acidofílicas, a bajos valores de pH los metales son solubilizados y pueden eventualmente recuperarse como un producto comercial.

Oxidación de Fe2+, S

Microorganismos de importancia en Biohidrometalurgia: Ferroxidans y otras bacterias. La reacción de oxidación se realiza probablemente de acuerdo al esquema siguiente: Bacteria

4Fe2 + O2 + 4H4 ----------> 4Fe3+ + 2H2O (1)C = -38.0 Kj.mol-1G300

Esta reacción es importante para lixiviación de metales pues permite la acumulación de biomasa bacteriana en minerales y soluciones; obtener una fuerte oxidación de muchos sulfuros y producir un alto potencial redox en el medio.

GéneroThiobacillus

Pequeños bacilos gran negativos. Móviles por medio de un flagelo polar. No forman esporas, estrictamente aerobios (excepto Thiobacillus denitrificans, que es aerobio facultativo).

T. ferrooxidans: es fácilmente aislado de los drenajes de las minas.

Crecen sobre medio líquido con Fe2+ y Sulfuros, como en medio solido de sílica gel o poliacrilamida.

Características de Thiobacillus acidofílicos quimiolitoautotróficos obligados (Anexo)

Características de los Thiobacillus acidofílicos quimiolitoautotróficos facultativos (Anexo)

Características de las especies del género Sulfobacillus (Anexo) Características de las especies del género Leptospirillum ferrooxidans

(Anexo)

Características de los termoacidofílicos que participan en los ciclos del azufre y fierro (Anexo).

Otros heterotróficos contaminantes de T. ferrooxidans Asociación sintrófica de bacterias fierro y azufre oxidantes

Oxidación de los sulfuros .

La bacteria es capaz de oxidar los siguientes sulfuros.- Pirita y Marcasita (FeS2)- Pirrotita (FeS)- Chalcopirita (CuFeS2)- Bornita (Su,FeS4)- Covelita (Cu2S)- Tetrahedrita (Cu8SB2S7)- Enargita (3Cu2,S.AS2S5)- Arsenopirita (FeAsS)- Realgar (AsS)- Orpimenta (As2S3)- Cobaltita (CoAsS)- Petlandita (Fe,Ni)9S8- Violarita (Ni2FeS4)- Bravoita (Ni,Fe)S2- Milerita (NiS)- Polidimita (Ni3S4)- Antimonita (Sb2S3)- Molibdenita (MoS2)- Esfalerita (ZnS)- Marmatita (ZnS)- Galena (PbS)- Geocronita Pb5(Sb,As2)S8,Ga2S3

Mecanismos de oxidación bacterial de Fe2 +, S

La oxidación de Fe2+ y compuestos reducidos de azufre; por la bacteria es en extremo complejo y un proceso de múltiples etapas.

Involucra la adhesión bacteriana a minerales, su destrucción, Fe2+ o iones de otros metales hacia la solubilización de azufre, transporte de S de la célula y su oxidación.Como ha sido demostrado por la oxidación de la pirita, por T. ferrooxidans, el potencial electrodo mineral (EP) es considerablemente bajo mientras que el potencial redox del medio (Eh) es alto, produciendo un medio oxidante.En ausencia de bacterias, mientras EP de la pirita y Eh del medio tienen similares valores, la oxidación no se realiza.

Este modelo ha sido también propuesto para otros minerales. En una mezcla de diferentes sulfuros formando parejas galvánicas la bacteria preferencialmente oxida a aquellos con un bajo EP, por ejemplo: sulfuroánodo.Obviamente, la dirección de oxidación microbiológica de los sulfuros coincide con la oxidación electroquímica. Por lo tanto puede ser considerado como un proceso electroquímico biológicamente intensificado o corrosivo. También un ataque bacteriano al sulfuro aumenta la deformación de la estructura cristalina facilitando el proceso de oxidación y sulfuros.

La biorremediación de suelos contaminados con metales por lixiviación microbiana o biolixiviación es una tecnología relativamente nueva, simple y efectiva, utilizada para la extracción de metales a partir de minerales y/o concentrados que los contienen.

La recuperación a partir de minerales de azufre o de hierro, se basa en la actividad de bacterias quimiolitotróficas que oxidan hierro y azufre, Thiobacillus ferrooxidans, T. thiooxidans y Leptospirillum ferrooxidans, las cuales convierten sulfuros metálicos insolubles a sulfatos solubles y acido sulfúrico. Esta disolución hace que los metales puedan recuperarse fácilmente de ambientes contaminados y suelos superficiales, usando estrategias de remediación de bombeo-tratamiento.

La biolixiviación es un proceso en el cual se emplean microorganismos para disolver los minerales, liberando un metal de valor presente en un mineral o en un concentrado, que con métodos convencionales sería muy difícil de extraer. La biolixiviación es el proceso convencional de lixiviación, catalizado biológicamente pero aplicado a los minerales sulfurados, ante la necesidad de aumentar la cinética de su disolución. De esta manera la biolixiviación es un proceso químico, mediado por el agua y oxígeno atmosférico y un proceso biológico, mediado por microorganismos.

La biolixiviación generalmente se refiere a la tecnología de biominería aplicada a metales base. Los metales base son los metales relativamente fáciles de oxidar o corroer y en el área industrial se refiere a los metales no-ferrosos, que incluye prácticamente a todos los metales a excepción del mismo hierro y su aleación, el acero.

A escala comercial la biolixiviación es aplicada para la recuperación de cobre y uranio por lixiviación y de oro mediante un pretratamiento de minerales refractarios, que recibe el nombre de biooxidación. La tecnología de biolixiviación también ha sido probada en laboratorios para sulfuros de cobalto, galio, molibdeno, níquel, zinc y plomo.

Otra opción para el tratamiento de sitios contaminados y recuperación de metales a partir de minerales que no contienen azufre, es la biolixiviación heterótrofa. En este caso, la extracción de metales se lleva a cabo, principalmente, por hongos en un proceso mediado por la producción de ácidos orgánicos y de compuestos quelantes y acomplejantes excretados al medio, que proveen una fuente de protones y aniones que acomplejan metales.

REACCIONES BIOHIDROMETALÚRGICAS

Las probables reacciones involucradas en la biolixiviación de sulfuros complejos son:

1. Pb - Zn - Cu:

ZnS = Zn2+ + 2e- + S° (Oxidación anódica de la esfalerita)PbS = Pb2+ + 2e- + S° (Oxidación anódica de la galena),(PbSO4 precipita en un medio biolixiviante)CuFeS2 = Cu2+ + Fe2+ + 4e- + S° (Oxidación anódica de la calcopirita)O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O (Reducción catódica del oxígeno en la superficie de los minerales más nobles, tales como pirita y calcopirita)

La oxidación de la esfalerita será una reacción prominentemente anódica, mientras que la reacción anódica de la calcopirita sucede solamente si ésta entra en contacto con la pirita.

2. Cu - Ni - Fe;

FeS = Fe2+ + S° + 2e- (Oxidación anódica de la pirrotita)(FexNi1-x) 9S8 = 9xFe2+ + 9(1-x) Ni2+ + 8S° + 18e-, (Oxidación anódica de la pentladita)

La reacción total generalizada puede expresarse de la siguiente forma:

2MS + O2 + 4H+ = 2M2+ + 2S° + 2H2O

El azufre elemental producto de la oxidación anódica se acumula en la superficie lixiviada y puede actuar como una barrera difusional disminuyendo la velocidad de lixiviación.

CLASIFICACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS UTILIZADOS EN BIOLIXIVIACIÓN

Las bacterias que intervienen en los procesos de lixiviación son generalmente autótrofas, Aeróbicas y quimio sintéticas. Esta última característica, las hace capaces de oxidar minerales para producir el ión férrico y ácido sulfúrico, necesarios para las reacciones de biolixiviación. El ión férrico, es un agente fuertemente oxidante, que permite oxidar los minerales de sulfuro de cobre a sulfato de cobre que es soluble. Debido a esto, también se les llama microorganismos sulfo y ferro-oxidantes.

Su capacidad autótrofa les permite sintetizar sus componentes celulares a partir de compuestos inorgánicos, como la fijación del CO2 de la atmósfera. Se alimentan de los minerales de los que obtienen energía y realizan esta tarea como parte de sus procesos metabólicos. También se caracterizan por ser organismos que viven en condiciones extremas (extremófilos), en este caso, las normales de los minerales: pH ácido y altas concentraciones de metales.

Todas estas características les confieren la clasificación de bacterias y arqueasquimilitoautotróficas ferro-sulfo oxidantes. Uno de sus principales exponentes es la bacteria Acidithiobacillus ferrooxidans, aislada por primera vez desde las aguas de una mina de carbón, cuyo descubrimiento se dio a conocer en 1947.Así fue como se encontró la primera bacteria identificada capaz de lixiviar el cobre.

La Acidithiobacillus ferrooxidans, ha sido la bacteria más estudiada para biolixiviación, sin embargo existen otros microorganismos identificados que solubilizan minerales sulfurados, reconocidos con importancia comercial en operaciones biohidrometalúrgicas como también aquellas que únicamente pueden ser exploradas en pruebas de laboratorio pero que parecen ser prometedoras a futuro.

En los ambientes naturales asociados a la minería, es posible encontrar una variedad de microorganismos como bacterias y arqueas, pero en su mayoría bacterias, cuya población se encuentra fuertemente influenciada por la temperatura a la que están expuestas así como por los nutrientes presentes. La temperatura en los sistemas industriales no supera los 45°C y en esta situación es posible encontrar bacterias de las especies Acidithiobacillus ferroxidans (A.f), Acidithiobacillus thioxidans (A.t) y Leptobacillus ferroxidans (L.f) que son las más prevalentes. Respecto a los nutrientes en un medio con ión ferroso es común encontrar A.f, y en su ausencia predomina la A.t y la L.f. La presencia de determinadas especies de bacterias dependerá del mineral biolixiviado, por lo que las condiciones óptimas de operación podrían no ser exactamente las mismas para todos los recursos mineros, para ello es importante conocer su composición mineralógica

Cada especie de bacteria tiene distintos requerimientos de nutrientes como fuentes energéticas, por lo que una mezcla de bacterias podría resultar más beneficiosa que una especie pura, en la biolixiviación de un mineral. Así por ejemplo los compuestos que no son oxidados por una especie, pueden ser oxidados por la otra, evitando una acumulación que podría resultar tóxica.

¿QUÉ ES LO QUE HACEN?

Estas bacterias oxidan algunas formas reducidas de azufre y hierro contenidos en los minerales, simplemente porque de esa reacción obtienen la energía necesaria para su reproducción y crecimiento. Adicionalmente requieren oxígeno y dióxido de carbono, los que obtienen del aire, y otros nutrientes necesarios para su crecimiento, como pequeñas cantidades de nitrógeno y fósforo.

Para el ambiente, la introducción de una tecnología basada en biolixiviación representa un importante adelanto, ya que produce un impacto ambiental varias veces inferior a la tecnología clásica de Pirometalurgia. En esta última, los sulfuros tratados en fundiciones, producen humos de chimeneas con altos contenidos de SO2 y arsénico. En la disolución de minerales sulfurados participan bacterias que requieren sólo de compuestos inorgánicos muy simples para multiplicarse, los mismos que se encuentran comúnmente en las aguas de los procesos Hidrometalúrgicos. Otra de las características especiales de estas bacterias es su capacidad de crecer en soluciones extremadamente ácidas para el común de los microorganismos (pH entre 1,5 y 3,5).

CARACTERÍSTICAS DE ESTOS MICROORGANISMOS

ADAPTIBILIDADLas bacterias junto con las cianobacterias (algas verde azules) son organismos unicelulares inferiores conocidos como procariontes. Estos organismos no tienen un núcleo verdadero por lo que el DNA se encuentra libre en el interior de la célula. La forma y estructura, aunque relativamente limitadas, esferas (cocos), varillas rectas (bacillos) o varillas curvas (espirales), se ven compensadas por la inmensa diversidad de características metabólicas y por su gran adaptabilidad

Hay especies de bacterias que se desarrollan mejor en determinados intervalos característicos de temperatura. Algunas, las criófilas, en frío (< 20°C); las mesófilas, en caliente (20-40°C); las termófilas moderadas, en un medio más caliente (40-55°C); y algunas, las termófilas extremas, necesitan ambientes muy calientes (> 55°C).

Los microorganismos acidófilos importantes en biolixiviación se clasifican en tres grupos:

TIPO DEMICROORGANISMOS

MESÓFILOS: Género, THIOBACILLUS Y LEPTOSPIRILLIUM.

TERMOFILOS MODERADOS: Género, SULFOBACILLU TERMOFILOS EXTREMOS: Género, SULFOLOBULOS ACIDANUS METALODPAHERA SULFUROCOCCUS.

MESÓFILOS

Thiobacillus ferrooxidans (Tf) es la bacteria más importante utilizada en la extracción de varios metales a partir de sus minerales. Es un bastoncillo Gram negativo de 0.3 a 0.5 micras de diámetro y de 1.0 a 1.7 micras de longitud. Es una bacteria quimiolitoautotrófica, obtiene su energía de las especies reducidas de hierro (Fe 2+ ) y azufre (S 2-) de los minerales y utiliza el bióxido de carbono del aire como única fuente de carbono, oxida prácticamente a todos los sulfuros

minerales conocidos. Crece en un rango de pH de 1.0 a 6.0, siendo el óptimo entre 2.0 y 2.5. Sobrevive en un intervalo de temperatura de 2 a 40°C, siendo el más favorable de 28 a 35°C. Prolifera por fisión binaria en cuestión de horas.

En un sistema en actividad alcanza poblaciones de 10 9 a 10 10 10 células/mL. Thiobacillus thiooxidans (Tt) es una bacteria semejante al Tf, sin embargo no tiene capacidad para oxidar al Fe 2+ . Posee un flagelo polar que le da mayor movilidad respecto al Tf, crece en condiciones óptimas a una temperatura cercana a los 30°C.

Leptoespirillium ferrooxidans (Lf) por su forma de espiral es fácilmente diferenciable de Tf y de Tt. Sus células son ligeramente más delgadas, de longitud variable y de mayor movilidad debido a la presencia de un flagelo polar. Su fuente de energía es el Fe 2+ .

TERMÓFILOS EXTREMOS

Sulfolobus acidocaldarius es de forma esférica, oxida al hierro y al azufre, es extremadamente termofílica, su temperatura óptima de crecimiento en medio rico en Fe 2+ es de 70°C y para un medio que contenga azufre es de 65 a 80°C. Sulfolobus brierleyi crece en medios que contengan minerales piritosos y/o Fe 2+ en solución, en presencia de extractos de levadura. La oxidación de minerales es más lenta que en el caso de Sulfolobus A.C.

THIOBACILLUS THIOXIDANS

Esta bacteria es capaz de oxidar el azufre elemental de los minerales sulfurados.

MECANISMOS DE LIXIVIACIÓN

La lixiviación bacteriana se divide en diez partes:a) Lixiviación directa.b) Lixiviación indirecta.c) Lixiviación mixta.d) Lixiviación por contactoe) Mecanismo de ataque indirecto via tiosulfato.f) Mecanismo de ataque indirecto via polisulfuro.g) Lixiviación cooperativa.h) Oxidación del hierro y el azufre.

LIXIVIACIÓN DIRECTA

Las bacterias ferroxidantes también pueden lixiviar sulfuros metálicos directamente sin la participación del sulfato férrico producido biológicamente.

LIXIVIACIÓN INDIRECTA

El sulfato férrico es oxidante muy fuerte capaz de disolver una amplia variedad de minerales sulfurado. La lixiviación con Fe2(SO4)3 recibe el nombre de

lixiviación indirecta por que se realiza en ausencia del oxigeno o de las bacterias y, es responsable de la disolución de varios minerales sulfurados de cobre de importancia económica

MIXTALa combinación de ambos mecanismos, es decir, un ataque directo e indirecto al mineral por uno o varios microorganismos activos.

MECANISMO DE ATAQUE INDIRECTO VÍA TIOSULFATO

El Fe(III) contenido en la capa de EPS ataca de forma indirecta al sulfuro metálico produciendo Fe2+ y S2O3. El tiosulfato reacciona con el Fe(III) formando varios intermediarios hasta llegar al SO4

2-.

MECANISMO DE ATAQUE INDIRECTO VÍA POLISULFURO

Los protones atacan la red cristalina de algunos sulfuros metálicos. El ataque indirecto del H+/Fe3+ al mineral produce Fe2+ y polisulfuro, y finalmente SO4. El papel de las bacterias es el de producir H2SO4 para abastecer de H+ y Fe3+ al medio, para que se lleve a cabo el ataque químico.

OXIDACIÓN DE HIERRO Y AZUFRE

Los iones ferrosos son oxidados en la superficie de la bacteria por la transferencia de su electrón a la terminal citocromooxidasa en la membrana citoplasmática. La oxidación bacteriana del azufre de los minerales sulfurados se realiza a través de la acción de la enzima sulfurooxidasa.

¿COMO ACTÚAN LAS BACTERIAS?

Las bacterias mineras logran hacer solubles los minerales. Los microorganismos realizan esta tarea como parte de sus procesos metabólicos, simplemente alimentándose de los minerales (son quimiolitoautotróficas o quimio autótrofos).

Durante el proceso, las bacterias “comen” electrones, los cuales son extraídos de los minerales. Estos electrones forman una especie de batería dentro de la bacteria, creando una diferencia de potencial que genera energía, al igual que en una pila. Esta energía es almacenada para luego utilizarla en los distintos procesos metabólicos. Además, estos microorganismos necesitan carbono, pero lo obtienen del aire en forma de CO2, no de los hidratos de carbono.

A este tipo de microorganismos se los llama "bacterias oxidantes" porque al obtener los electrones oxidan ciertos minerales. La utilización de bacterias permite explotar recursos minerales que son muy difíciles y costosos de lixiviar químicamente. En cambio estos microorganismos son muy eficientes y económicos ya que crecen naturalmente en estos medios.

La primera bacteria identificada capaz de lixiviar fue Acidithiobacillus ferrooxidans. Fue en 1947 cuando se descubrió que era la responsable del gran deterioro que sufrían los equipos metálicos en las instalaciones de una mina española, debido a su gran capacidad de oxidación de las aguas. Diez años más tarde se encontró la misma bacteria en drenajes ácidos de minas de carbón a cielo abierto.

El nombre de esta bacteria extremófila indica varias cosas: Acidithiobacillus, es acidófilo, porque crece en pH ácido, es thio, porque es capaz de oxidar compuestos de azufre y es un bacillus, porque tiene forma de bastón, y ferrooxidans, porque además puede oxidar el Hierro.

Estas bacterias extremófilas lixivian, es decir, disuelven las rocas o minerales y los solubilizan. Mediante una reacción de oxidación, convierten al Sulfuro de Cobre (CuS) que es sólido en Sulfato de Cobre (CuSO4) soluble en solución acuosa, a partir de la cual se puede recuperar el cobre como metal.

El metal se recupera utilizando electrodos de acero (planchas) sobre los que, por un proceso electroquímico, se deposita el cobre precipitado. Así, se obtienen cátodos de cobre de alta pureza, listos para ser exportados.

A partir de una serie de experimentos que se desarrollaron en Sudáfrica se descubrió que si se conservan estas bacterias en agua con un bajo contenido de ácido y azufre a una temperatura de unos 75 grados centígrados, en cuatro días pueden convertir el mineral de cobre en una solución de 30 gramos de cobre puro por cada litro de agua, la cual es luego enviada a una refinería, donde se desarrollan las etapas de extracción y purificación. El cobre es el metal que se recupera en mayor medida por esta metodología. Chile, que comparte la cordillera y sus recursos mineros con nuestro país, es el mayor exportador mundial de cobre y obtiene aproximadamente el 5 % por biolixiviación.

Además de Acidithiobacillus ferrooxidans, existen otras bacterias que solubilizan minerales de sulfatos de elementos de transición (como por ejemplo, cobre). Entre ellas se encuentran Acidithiobacillus thiooxidans, Acidithiobacillus caldos y Leptospirillum ferrooxidans.

El uso de estas especies de bacterias en biominería a nivel industrial, está asociado directamente a su carácter de acidófilos (“afines a los ácidos”) y a los escasos requerimientos de nutrientes e infraestructura necesarios, debido a que no requieren fuentes orgánicas de energía ni mantenimiento de temperaturas elevadas.

Las especies correspondientes al género Acidithiobacillus son capaces de catalizar la oxidación de compuestos reducidos de azufre (como sulfuro, azufre elemental, tionatos, etc.) utilizando oxígeno como aceptor electrónico y generando ácido sulfúrico como producto final, según la siguiente ecuación química:

(1) S + 3/2 O2 + H2O H2SO4

De este modo, estas bacterias pueden ser utilizadas en forma directa, para la recuperación de metales asociados a sulfuros (en la medida que los sulfatos respectivos sean solubles). Así, si M representa a un metal asociado a sulfuros, estos microorganismos catalizan la siguiente reacción:

(2) MS (sólido) + 2 O2 M2+ (ac) + SO4

2- (ac)

Además, Acidithiobacillus ferrooxidans y Leptospirillum ferrooxidans son capaces de catalizar la oxidación de hierro (II) también en condiciones aeróbicas:

(3) 4 Fe2+ + O2 + 4 H+ 4 Fe3+ + 2 H2O

Estas bacterias hierro-oxidantes, pueden contribuir a la disolución de los sulfuros metálicos por vía indirecta, ya que el Fe3+ generado en la reacción anterior, es un agente oxidante que puede atacar químicamente a los sulfuros:

(4) MS (s) + 2 Fe3+ M2+ (ac) + S + 2 Fe2+

Este segundo mecanismo (denominado indirecto) es especialmente interesante dado su carácter cíclico (el Fe2+).

EJEMPLOS DE PROCESOS BIOHIDROMETALÚRGICOS

Compuestos deazufre

Ácido sulfúrico

Metal asociado a sulfuros

Recuperación del metal

Para mejorar la explotación de minerales de plata, se buscan alternativas para el aprovechamiento de los MSRP que por los procesos convencionales de concentración de valores no tienen un mercado atractivo para su comercialización.

La BL es un método en biohidrometalúrgica en el que bacterias quimiolitotróficas, oxidan el azufre de los minerales refractarios, con producción de sulfatos derivados del ácido sulfúrico que se generó por vía bacteriana y que aumenta la solubilidad.

La BL tiene la ventaja de que no es contaminante ya que no genera dióxido de azufre a la atmósfera y el rendimiento en el caso de la extracción de la plata es mayor que por los métodos tradicionales. Además de que se aprovecha principalmente para la recuperación de este metal a partir del MSRP.

La aplicación de la BL consiste en cargar el mineral concentrado piritoso como el MSRP, en un tanque de repulpado, en donde se diluye entre un 20 a 30 % de sólidos, después la pulpa se pasa por bombeo a un tanque de reacción con agitación mecánica y aireación para inocularse con Thiobacillus spp.

Esta bacteria al oxidar el azufre. del mineral genera ácido sulfúrico, el que disminuye drásticamente el pH y con ello el por ciento de los sólidos al 20% ese pH facilita la solubilización del metal unido al mineral. Concluida la BL del mineral, el productose filtra para lavar y se repulpan los sólidos, posteriormente con la cianuración se continúan con el proceso de purificación final del metal por lo métodos conocidos.

Se sabe que esta bacteria quimiolitotrófica interviene indirectamente en la BL de piritas y en la oxidación de ión ferroso a férrico al usar ambas como fuente de energía durante su crecimiento. Un ejemplo de este grupo de microorganismos es el género Thiobacillus que pertenece principalmente al consorcio de bacterias quimiolitotróficas que se pueden encontrar en un ambiente de minas y suelo semejante al género de Leptospirilliumbacteria de reciente descubrimiento y hoy en proceso de explotación a nivel de planta piloto.

La especie de Thiobacillus; más conocida es T. ferrooxidans la cual libera el ión férrico durante la BL lo que genera la condición altamente oxidante para solubilizar la pirita por la elevada acidez, derivada de la actividad bacteriana sobre el azufre del mineral que genera ácido sulfúrico. Por lo anterior, se investiga la fisiología de estas bacterias tolerantes a la acidez extrema así como a concentraciones subletales de plata. Como en el caso de Leptospirillum y Thiobacillus para mantener su capacidad de BL a este pH, lo cual es clave en biohidrometalurgia para la recuperación eficiente de metales preciosos como la plata.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

El uso de estas especies de bacterias a nivel industrial está asociado directamente a su capacidad de crecimiento en medio ácido (carácter acidófilo), a los escasos requerimientos de nutrientes e infraestructura necesarios, debido a que no requieren fuentes orgánicas de energía ni mantenimiento de temperaturas elevadas. Otras ventajas de la tecnología microbiana sobre los métodos convencionales son:

Requiere poca inversión de capital, ya que las bacterias pueden ser aisladas apartir de aguas ácidas de minas.

-Presenta bajos costos en las operaciones biohidrometalúrgicas, en comparación con los procesos convencionales.

-No se emiten gases ni polvo, lo que produce un impacto ambiental varias veces inferior a la tecnología clásica de pirometalurgia, que genera emisiones con altos contenidos de dióxido de azufre (SO2) y arsénico (As), por el tratamiento de sulfuros en fundiciones.

-Permite ahorrar en tecnología de abatimiento, como sistemas o chimeneas de alto costo, al bajar los índices de azufre y arsénico asociados a hornos de fundición.

-Permite el tratamiento de los recursos y reservas crecientes de minerales con baja ley de cobre que no pueden ser económicamente procesados por los métodos tradicionales.

- Se pueden tratar concentrados que contengan altos niveles de metales conefectos negativos para la fundición de cobre como de zinc.

- La acción de las bacterias permite lixiviar los minerales sulfurados a temperatura y presión ambiente en la presencia de oxigeno, obtenido del aire.

- Durante el proceso se genera parte del acido y el calor requeridos en la lixiviación. El acido se genera como producto de las reacciones de oxidación y el calor se libera por la oxidación de la pirita, a veces presente en la matriz de mineral, lo que aumenta cerca de 7°C la temperatura en el medio.

- Los microorganismos crecen y se reproducen sin la necesidad de adicionar una fuente de carbono, pues la obtienen del dióxido de carbono del aire.

Entre las desventajas propias de la tecnología aplicada son los impactos ambientales que esto genera, reflejado en la alta producción de ácido por parte de las bacterias (en particular contaminando fuentes de aguas subterráneas). Este hecho, junto con la búsqueda por hacer más eficientes los procesos de biolixiviación, ha impulsado la búsqueda de soluciones a nivel genético de la bacteria.

- A bajas temperaturas la acción de las bacterias disminuye y con ello la recuperación de cobre. Sería necesario invertir en un sistema que pueda aumentar la temperatura en la matriz de mineral, para garantizar recuperaciones mayores de cobre.

- Los tiempos para una recuperación significativa de cobre, son más largos para metodologías menos controladas, como la biolixiviación en botaderos.

- Es importante controlar variables como la temperatura, aireación, pH, tamaño de partículas, para asegurar las condiciones óptimas de funcionamiento de las bacterias, pero esto resulta difícil en metodologías de mayor envergadura comolos botaderos y las pilas.

PERSPECTIVAS DE LA APLICACIÓN DE LA BIOHIDROMETALURGIA

La Lixiviación Bacteriana, también conocida como Biolixiviación, Biohidro-metalurgia o Biooxidación de Sulfuros, puede ser definida como un proceso natural de disolución que resulta de la acción de un grupo de bacterias principalmente del género Thiobacillus con habilidad de oxidar minerales sulfurados, permitiendo la liberación de los valores metálicos contenidos en ellos. Por mucho tiempo, se pensó que la disolución o lixiviación de metales era un proceso netamente químico, mediado por agua y oxigeno atmosférico. El descubrimiento de bacterias acidófilas ferro y sulfo-oxidantes ha sido primordial en la definición de la lixiviación como un proceso catalizado biológicamente.

En términos más globales, se puede señalar que la biolixiviación es una tecnología que emplea bacterias específicas para lixiviar, o extraer, un metal de valor como uranio, cobre, zinc, níquel y cobalto presente en las menas o en un concentrado mineral. El producto final de la biolixiviación es una solución ácida que contiene el metal valor en su forma soluble. De otro lado, el término biooxidación es un utilizado para describir un proceso que emplea bacterias para degradar un sulfuro, usualmente pirita o arsenopirita, en la que el oro o la plata, o ambos, se encuentran encapsulados.

La tecnología microbiana presenta ventajas sobre los métodos no biológicos, entre los que podemos encontrar:

Requiere poca inversión de capital (las bacterias pueden ser aisladas a partir de aguas ácidas de minas).

Bajos costos de operación necesarios para las operaciones hidrometalúrgicas en comparación con los procesos convencionales.

Relativa ausencia de polución o contaminación ambiental durante el proceso.

El tratamiento del creciente acumulo de minerales de baja ley en las minas los que no pueden ser económicamente procesados por los métodos tradicionales.

ALGUNAS APLICACIONES DE ESTA BIOTECNOLOGÍA

Biooxidación de Sulfuros

Muchos sulfuros metálicos pueden ser atacados por acción bacterial, dando lugar a la producción de los correspondientes sulfatos solubles. Para sulfuros refractarios de oro y metales del grupo del platino, el ataque bacterial resulta siendo un pretratamiento.

Oxidación de la Pirita: La pirita (FeS2) es un sulfuro ampliamente distribuido y se lo puede hallar en asociación con muchos metales como cobre, plomo, zinc, arsénico, plata, oro, entre otros. Su oxidación da lugar a la formación de sulfato férrico y ácido sulfúrico.

Sulfuros de Cobre: La oxidación biológica de sulfuros de cobre ha sido el proceso más estudiado. El cobre se disuelve transformándose en sulfato de cobre (CuSO4). La chalcopirita (CuFeS2) es el sulfuro de cobre más difícil de oxidar. Bajo la influencia de T. ferrooxidans la velocidad de oxidación de este sulfuro ase incrementa hasta en 12 veces más que el proceso netamente químico. Los sulfuros secundarios de cobre -chalcocita (Cu2S), covelita, bornita-, son oxidados más fácilmente bajo el impacto de las bacterias. A nivel industrial, la tecnología ha venido siendo aplicada en pilas (Chile, USA, Perú, etc.). Southern Perú viene aplicando la tecnología para la recuperación de cobre en sus botaderos de sulfuros de baja ley de Toquepala. Más recientemente, Billiton, de Sudáfrica, realiza investigaciones para recuperar el cobre contenido en minerales arsenicales, en un proceso que ha denominado BIOCOP.

Sulfuros de Metales Preciosos: La lixiviación bacteriana se emplea para romper la matriz del sulfuro (principalmente, pirita y/o arsenopirita) en la que se encuentra "atrapada" la partícula aurífera, permitiendo la posterior recuperación de la misma por cianuración convencional. Realmente, el proceso resulta siendo un pretratamiento antes que una disolución directa del metal. Los procesos industriales han tenido enorme aplicación, entre los que destacan: el proceso BIOX, de Gencor, y que tiene plantas como la de Ashanti con capacidad para tratar hasta 1000 tpd de mineral. En el Perú la tecnología es aplicada en el Proyecto Tamboraque de Minera Lizandro Proaño, para recuperar oro contenido en arsenopirita. Mintek, también ha desarrollado el proceso MINBAC, y Bactech de Australia ha desarrollado un proceso que emplea bacterias moderadamente termófilas para el tratamiento de sulfuros preciosos y de metales base que se conoce como el proceso BACTECH. En 1998, Mintek y Bactech se han asociado para comercializar el proceso a nivel mundial. Esta asociación ha dado sus primeros frutos y ya se ha iniciado la construcción de la planta que emplea esta tecnología en Tasmania para tratar el mineral aurífero refractario del proyecto Beaconsfield. Las evaluaciones preliminares han reportado una recuperación de hasta el 98% del oro contenido en el mineral.

PLANTAS DE BIOXIDACIÓN EN OPERACIÓN

Sulfuros de Zinc: La acción bacterial de sulfuros de zinc también ha sido evaluada, y aunque no se conoce de plantas comerciales su aplicación tiene un enorme potencial. La marmatita es el sulfuro de zinc más fácil de oxidar, influenciado enormemente por la presencia de fierro.

Sulfuros de Plomo: La lixiviación bacterial de galenita origina la formación de PbSO4 que es insoluble en medio ácido, característica que puede ser empleada en la separación de algunos valores metálicos acompañantes en una mena de plomo.

Sulfuros de Níquel: El níquel es lixiviado a partir de sulfuros (pentandlita y milerita) y de menas de fierro en presencia de T. ferrooxidans de 2 a 17 veces más rápido que el proceso netamente químico.

Sulfuros de Antimonio: Se conocen de algunos trabajos que reportan la habilidad de T. ferrooxidans de oxidar antimonita (Sb2S3) a pH 1.75 y a 35ºC. También se reporta la capacidad de B. thioparus y T. thiooxidans de oxidar este sulfuro.

Sulfuros de Metales Raros: Los metales raros se presentan en la parte cristalina de muchos sulfuros o silicatos. Para liberarlos es necesario oxidar los sulfuros o destruir la matriz de silicato. La literatura reporta la posibilidad de oxidar, empleando bacterias del grupo de Thiobacillus, de una variedad de estos metales, entre los que podemos encontrar galio y cadmio presente en la esfalerita (el principal transportador de estos elementos); de germanio y cobalto, de renio, selenio y telurio, titanio y uranio, entre otros.

DESULFURIZACIÓN DE CARBÓN

La presencia de azufre en las menas de carbón constituye un contaminante, cuya eliminación se presenta como un problema, sobre todo desde el punto de vista ambiental. La oxidación biológica de la porción piritosa o sulfurada permitirá eliminar el azufre presente. Muchos trabajos de laboratorio han demostrado que un importante porcentaje (generalmente por encima del 90%) del azufre contenido en la pirita puede ser removido del carbón bituminoso, sub-bituminoso y lignito en periodos de una a dos semanas por T. ferrooxidans. También es posible emplear bacterias termófilas del género Sulfolobus en la desulfurización de las menas de carbón.

La remoción del azufre orgánico presente en el carbón por vía microbiana es un área de interés por muchas razones. En algunos casos, la presencia de este tipo de azufre representa un porcentaje considerable del azufre total del carbón. Debido a que la efectiva desulfurización del carbón involucra la remoción del carbón orgánico como del inorgánico, los procesos microbianos que operan en condiciones cercanas a las ambientales, presentan innumerables ventajas sobre los métodos químicos y físicos convencionales.

 

BIORRECUPERACIÓN DE METALES

Una tarea importante de la hidrometalurgia es la recuperación de los metales presentes en las soluciones, así como el tratamiento de las aguas residuales de las diferentes industrias, en cumplimiento de las rigurosas normas ambientales. Existen muchos microorganismos con capacidad para adsorber o precipitar metales. Algunas de las formas como los microbios recuperan los metales se detallan a continuación:

Precipitación: La precipitación de metales bajo la forma de sulfuros involucra el empleo de bacterias sulfato reductoras para producir H2S, que tiene la capacidad de precipitar prácticamente la totalidad del metal contenido en una solución. Debemos hacer notar que el proceso se realiza en ausencia de oxigeno (anaerobiosis) en contraposición a la biooxidación de sulfuros que requiere de oxigeno (proceso aeróbico).

Biosorción: Las investigaciones sobre las biosorción de metales a partir de soluciones señalan que la habilidad de los microorganismos permitiría recuperar hasta el 100% de plomo, mercurio, zinc, cobre, níquel cobalto, etc., a partir de soluciones diluidas. El empleo de hongos hace posible recuperar entre 96% a 98% de oro y plata. También se ha demostrado que cepas de Thiobacillus son capaces de acumular plata, lo que permitiría recuperar este metal a partir de aguas residuales de la industria fotográfica. La biosorción de metales conduce a la acumulación de estos en la biomasa. El mecanismo involucra a la pared celular. En los hongos, la adsorción de metales se encuentra localizada en las moléculas de chitina y chitosan. De otro lado, el cobre puede ser recuperado a partir de óxidos, por hongos, que producen ácidos orgánicos que forman complejos con el cobre.

Reducción: La reducción microbial de metales implica una disminución en la valencia del metal. En algunos casos, la reducción es parcial (el metal reducido aún exhibe una carga neta), mientras que en otros el ion metálico es reducido a su estado libre o metálico.

PERSPECTIVAS A FUTURO

Son numerosas las posibilidades que se presentan para la aplicación de los procesos biohidrometalúrgicos en el beneficio de los minerales, algunos de los cuales reseñaremos brevemente.

Los microorganismos pueden ser utilizados como agentes floculantes o como colectores en los procesos de flotación de minerales. La capacidad de muchos microorganismos de poder adherirse a superficies sólidas gracias a la interacción existente entre la carga de la pared celular y las condiciones hidrofobicas, modificando la superficie del mineral permitiendo su flotación y floculación (empleado en la separación de las fases sólida y líquida de una pulpa). Por ejemplo, se ha reporta que una bacteria hidrofobica es un excelente floculante para un número de sistemas minerales. Los minerales que han

podido se floculados con esta organismo incluye a la hematita, ciertos lodos de fosfatos, floculación selectiva de carbón en menas piritosas, entre otras. Igualmente, este microorganismo es buen colector de hematita, y puede ser empleado en reemplazo del colector químico.

Otra área de enorme interés es el empleo de microorganismos heterótrofos, generalmente parte de la flora acompañante de Thiobacillus, como herramienta para la lixiviación de sistemas no sulfurados. Tal es el caso del empleo de un esquema de lixiviación bacterial heterotrófico para menas lateriticas de baja ley y que permitiría incrementar enormemente las reservas economicamente explotables de niquel. También el empleo de heterotrofos en la lixiviación de menas de manganeso, plata y fosfato podría incrementar el número de reservas para estos commodities importantes. Su empleo radica en la enorme ventaja que significa su rápida velocidad de crecimiento, en comparación con los autótrofos.

La biodegradación de compuestos tóxicos orgánicos representa otro rubro importante de aplicación de los procesos biológicos. Debemos recordar que una amplia variedad de sustancias, tóxicas y no tóxicas, pueden ser descargadas al medio ambiente como consecuencia de las operaciones mineras. Muchos de estos compuestos son productos químicos complejos empleados en flotación y en procesos hidrometalurgicos. Otros incluyen a productos derivados del petróleo empleados de manera diversa en las operaciones mineras. Se reporta la capacidad de especies de Klebsiella y Pseudomonas en la degradación de reactivos de flotación.

Asimismo, se reconoce la habilidad de ciertos microorganismos o de sus enzimas de degradar, bajo ciertas condiciones, cianuro empleado en la recuperación de oro y plata. Ejemplo a nivel industrial de esta aplicación, lo representa la planta de Homestake, en Estados Unidos, que viene funcionando desde 1984, y emplea una cepa nativa de Pseudomonas. En el Perú, se han realizado numerosas investigaciones al respecto por J. Guerrero (1992), J. Hurtado en la Universidad Cayetano Heredia y por investigadores del Centro de Investigaciones Metalúrgicas de la Universidad Nacional de Trujillo.

También es de potencial importancia el empleo de ciertas especies vegetales en la prospección geológica de yacimientos minerales como en la limpieza y recuperación de suelos contaminados con iones metálicos pesados. Aunque el empleo de plantas u organismos completos escapa a la definición de biotecnología, el uso de estas permitirá centrar su aplicación en áreas donde se tiene depósitos de relaves antiguos o en zonas urbanas caracterizadas por su alto grado de contaminación.

BIBLIOGRAFÍAhttp://www.sappiens.com/castellano/articulos.nsf/Riesgos_Laborales/Lixiviaci%C3%B3n_bacteriana_o_biolixiviaci%C3%B3n/A56B8F6C2A13435B41256B45004CD4F9!opendocument

http://www.euv.cl/archivos_pdf/libros_nuevos/fundamentos_biomineras.pdf

http://www.revistaciencias.com/publicaciones/EpZZpVullFjLXLPctM.php

http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:IVgwhJJlQJgJ:www.mobot.org/jwcross/phytoremediation/Biotecnologia.htm+reacciones+bio-hidrometal%C3%BArgicas&cd=1&hl=es&ct=clnk&gl=mx