Recuperación de valores
metálicos por vía
biohidrometalurgica*
Indice
1.
Introducción
2. Aspectos
microbiologicos
3. Aspectos Experimentales
4.
Conclusiones
5. Referencias
Los microorganismos suelen tener un rol predominante en la
solubilización, transporte y
deposición de metales y
minerales en
el medio
ambiente(1), lo que hace que los valores
metálicos puedan ser extraídos vía la
Lixiviación Microbial (6), proceso que se
ha dado en llamar LIXIVIACION BACTERIANA.
La LIXIVIACION BACTERIANA puede ser definida como un proceso
natural que resulta de la acción de un grupo de
bacterias
(principalmente Thiobacillus ferrooxidans ) quienes oxidan
minerales
sulfurados para liberar los metales valiosos
presentes (2). Dentro de los minerales que pueden ser tratados por
lixiviación bacteriana tenemos: chalcopirita, pirita,
covelita, sulfuros de Zn, Pb, etc.
Por mucho tiempo se
creyó que la disolución o lixiviación de
metales a partir de minerales era un proceso netamente
químico mediado por agua y
oxigeno
atmosférico. El descubrimiento de bacterias
acidófilas ferrooxidantes, fue primordial en la
definición de la lixiviación de metales como un
proceso catalizado biológicamente(1). La tecnología microbiana
presenta ventajas sobre los métodos no
biológicos(3,5), 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 cuales no pueden ser económicamente procesados
por los métodos
convencionales.
Microorganismo Involucrado:
Los microorganismos que son responsables de la disolución
de los metales a partir de minerales principalmente son
organismos quimiosintéticos y autotróficos
pertenecientes al género
Thiobacillus (6). De las especies de Thiobacillus que se conocen
el que más atención ha recibido es T.
ferrooxidans.
A comienzos de los años 50, dos investigadores, Colmer y
Hinkle, demostraron que el ácido y el fierro contenido en
el drenaje de una minas de carbón era el resultado de la
acción bacterial sobre los sulfuros de fierro en las vetas
de carbón. Ellos llamaron a esta bacteria Thiobacillus
ferrooxidans.
T. ferrooxidans (4) presenta forma bacilar, algunas cepas
tienen flagelos, es quimioautotrófico, capaz de oxidar
compuestos inórganicos como iones ferroso (Fe(II)) y
azufre, los cuales le sirven como fuente primaria de
energía. El carbono
necesario para su arquitectura
celular lo obtiene por fijación de CO2,
empleando un mecánismo semejante al utilizado por las
plantas
verdes(Ciclo de Calvin-Benson). Es aerobio (requiere de
O2 como aceptor final de electrones),
acidófilo(se desarrolla a valores de
pH entre 1.5 y
3.0), y requiere de temperaturas que oscilan entre
25ºC-35ºC . Esta bacteria es considerada como el mayor
contribuyente en la producción de aguas ácidas que
drenan de depósitos de metales sulfurados, gracias a la
capacidad que tienen de oxidar minerales de disulfuro de fierro,
generando soluciones
ácidas de sulfato férrico.
Fisiología de la Lixiviación(1,4)
El sistema de
oxidación de fierro (II) en T. ferrooxidans está
relacionado con la membrana celular. La enzima ferrooxidante
clave parece ser la citocromo c-Fe+2 oxidoreductasa;
en el proceso también intervienen la coenzima Q y el
citocromo a , quienes realizan el transporte de
electrones. Existe una proteína de cobre,que
serviría como el aceptor inicial de electrones de la
oxidación de Fe(II): Rusticianina, la que es facilmente
reducida por Fe(II). Se ha sugerido que en la siguiente
reducción la rusticianina reduce un citocromo c, el que a
su vez reduce otro citocromo y este a su vez a la citocromo
oxidasa.
El mecanismo de la oxidación de azufre requiere de
sulfito (SO3-2)como molécula
intermediaria. La energía producida de la oxidación
de sulfito a sulfato involucra a las enzimas sulfito
oxidasa, ADP sulfurilasa, APS reductasa, y adenilato
quinasa.
Mecanismos de Lixiviación
Los principales mecanismos involucrados en el proceso de
lixiviación bacteriana son: directa e indirecta.
a.-Lixiviación Indirecta :
Dos reacciones importantes mediadas por T. ferrooxidans son:
Pirita FeS2 + 3.5 O2 + H2O
Ô
FeSO4 + H2SO4
…………… 1
2 FeSO4 + 0.5 O2 +
H2SO4 Ô
Fe2(SO4)3 + H2O
…………… 2
El sulfato férrico es un oxidante fuerte capaz de disolver
una amplia variedad de minerales sulfurados. La
lixiviación con Fe2(SO4)3
recibe el nombre de lixiviación indirecta porque se
realiza en ausencia de oxígeno
o de bacterias y, es responsable de la disolución o
lixiviación de varios minerales sulfurados de cobre de
importancia económica:
Chalcopirita CuFeS2+ 2
Fe2(SO4)3 Ô CuSO4 +
5 FeSO4 + 2 Sº ……… 3
Chalcocita Cu2S + 2
Fe2(SO4)3 Ô 2 CuSO4
+ 4 FeSO4 + 2 Sº ……. 4
El mecanismo de lixiviación indirecta depende de
la regeneración biológica del sulfato
férrico (reacción 2). El azufre (Sº) generado
en las reacciones 3 y 4 puede ser convertido en
H2SO4 por T. ferrooxidans
según:
2 Sº + 3 O2 + 2 H2O Ô 2
H2SO4 …………….. 5
Este ácido sulfúrico, así generado, mantiene
el pH del
sistema a
niveles favorables para el desarrollo de
la bacteria.
b.- Lixiviación Directa:
Las bacterias ferrooxidantes también pueden lixiviar
sulfúros metálicos directamente sin la
participación del sulfato férrico producido
biológicamente. El proceso se describe en la siguiente
reacción :
MS + 2 O2 Ô MSO4 ……………… 6
donde M representa un metal bivalente.
bacteria
Pirita 2 FeS2 + H2O + 7.5
O2 Ô
Fe2(SO4)3 +
H2SO4 …… 7
bacteria
Chalcopirita 2 CuFeS2 + 8.5 O2 +
H2SO4 Ô 2CuSO4 +
Fe2(SO4)3+ H2O
..8
Debido a que el fierro siempre está presente en
ambientes de lixiviación natural, probablemente, tanto la
lixiviación indirecta como la directa ocurren
simultáneamente.
Un tercer mecanismo es la denominada CONVERSION GALVANICA, que se
origina por el contacto físico entre dos fases de sulfuros
disimilares inmersos en un electrólito creando una celda
galvánica. La contribución de la conversión
galvánica a la lixiviación es
desconocida.
Desarrollo Bacteriano
El efecto de ciertos factores ambientales sobre el desarrollo y
crecimiento de las bacterias, juega un rol importante dentro del
proceso de lixiviación bacteriana, es por ello de mucha
importancia el control de estos
factores. Entre ellos tenemos:
- pH: En general los T. ferrooxidans, desarrollan bien
en medios
ácidos,
siendo incapaces de desarrollar sobre Fe(II) a un pH mayor de
3.0. Normalmente los valores
sobre el que los tiobacilos se desarrollan se ubican dentro del
rango de 1.5 a 2.5. - Nutrientes: Como todos los seres vivientes, T.
ferrooxidans requiere de fuentes
nutricionales para su óptimo desarrollo, entre las que
tenemos fuente de N2 (amonio), de fosfato, de S,
iones metálicos(como Mg+), etc. El magnesio
es necesario para la fijación de CO2 y el
fósforo es requerido para el metabolismo
energético. Los medios de
cultivo empleados presentan estos requerimientos, siendo los
más importantes el 9K y el TK. - Oxígeno: La disponibilidad de oxígeno es un factor que controla la
extracción de metales por bacterias. No se conoce otro
oxidante que pueda ser utilizado por los microorganismos en
ambientes de lixiviación. - Luz: La luz visible y
la no filtrada tienen un efecto inhibitorio sobre algunas
especies de Thiobacillus, pero el fierro férrico ofrece
alguna protección a los rayos visibles.
Temperatura: El rango sobre el cual desarrrollan se
encuentra entre 25ºC y 35ºC.
La muestra, fue
mineral sulfurado de las minas de Cobriza, trabajada a malla 100%
menos 400. Se le corrió pruebas de
consumo de
ácido previo a la lixiviación bacterial. La
composición química del mineral
fue (%):
S | Cu | Fe | As | FeO | Insol. |
17.3 | 5.0 | 33.4 | 1.0 | 19.8 | 24.1 |
El estudio mineralógico reportó la
presencia de ganga (45.99%), chalcopirita (30.49%), pirita
(12.88%), pirrotita (4.21%), arsenopirita (0.797%),
etc.
Las bacterias fueron aisladas de agua de mina
de Cobriza (nivel 10), y adaptadas a medio cultivo
líquido(9K+Fe(II)) previo a su adaptación y trabajo
con el mineral propiamente dicho. El aislamiento de T.
ferrooxidans comprende los siguientes pasos:
- Filtrado del agua de mina, utilizando papel
Whatman Nº42; este líquido filtrado debe contener
bacterias. - Nuevamente se filtra la solución
conteniendo bacterias, empleando filtros de
membrana(Sartorius-Membrane Filter) en las cuales deben quedar
retenidas las bacterias. - Se lava el filtro de membrana con agua
ácida (pH 2.0), con un volumen
aproximado de 5ml. Este concentrado, homogenizado es recogido y
guardado en un tubo de 13 x 100 mm y mantenido como
cepario.
Para la adaptación de las bacterias a medio
líquido se emplea el medio 9K de Silverman y Lundgren,
cuya composición es ( g/l ): 3.0
(NH4)2SO4; 0.1 KCl; 0.5
KH2PO4; 0.5
MgSO4.7H2O; 0.144
Ca(NO3)2 y 44.2
FeSO4.7H2O. El cultivo se realiza en
frascos Erlenmeyer, en agitación constante (shaker,
150-180 rpm) a 35ºC y en oscuridad.
Se hace desarrollar hasta que alcance el 70% de
oxidación de Fe(II) a Fe(III) -titulación con
KMnO4 -, y luego se procede a transferir cierto
volumen de
cultivo a otro erlenmeyer conteniendo medio fresco. Esta
operación se realiza por 2 ó 3 veces. El comportamiento
se observa en la fig. 2. Como se puede observar, durante el
cultivo inicial se alcanza el 75% de oxidación en 65
horas; mientras que en las restantes transferencias, el tiempo se acorta
debido a que las bacterias están mejor adaptadas y en su
estado
óptimo de desarrollo (72% en 50 horas, para la 1ª
transferencia, y 78% en 42 horas para la 2ª transferencia).
La prueba en blanco no tiene mayor progreso, lo que indica que la
oxidación se debe a la acción
bacterial.
Lixiviación Bacteriana del Mineral
El mineral molido a malla -400 fue sometido a lixiviación
ácida para determinar el consumo de
ácido del material, lográndose determinar un
consumo de 245.2 k H+ por tonelada.
Las pruebas de
lixiviación bacteriana fueron corridas para 20% de
sólidos, empleando para tal efecto 30 gr de mineral y 120
ml de solución lixiviante, según se detalla a
continuación:
Mineral (malla -400) 30.0 gr
9K sin Fe (II) 101.0 ml
H2SO4 conc. 4.0 ml
Inóculo bacterial 15.0 ml
Transcurrido 01 día de iniciada la prueba
se procedió a inocular los frascos con inóculo
bacterial. Durante la prueba se evidenció un aumento en el
consumo de ácido, llegándose a valores promedio de
340 k H+/ton. Este ácido consumido se puede deber a la
chalcopirita, según se deduce de, la reacción 8;
pero más probablemente el alto consumo es originado por la
pirrotita presente, ya que para su oxidación requiere de
ácido:
Pirrotita 2 FeS + 4.5 O2 +
H2SO4 Ô
Fe2(SO4)3 + H2O
…….. 9
Se realizaron determinaciones de las concentraciones de
Cu+2 y Fet empleando un
espectrofotómetro de absorción atómica
Perkin-Elmer, los valopres de pH se controlaron en un
potenciómetro Cole Palmer, tratando de mantener el pH
entre 1.8 y 2.0. Ante alguna variación se reajustó
añadiendo H2SO4 ó NaOH
según sea el caso. Para los análisis de Cu y Fe, se tomó 1 ml de
muestra,
restituyendo este volumen con 9K sin Fe+2. Las
perdidas de peso debido a la evaporación se compensaron
con agua destilada.
Resultados
Los resultados obtenidos durante la prueba se
presentan en la Tabla I. Estos datos se basan en
el análisis químico de laas soluciones
impregnadas. A fin de visualizar estos resultados, se grafican en
las figuras 3 y 4, los perfiles de extracción de Cu y Fe
durante el cultivo inicial y la primera transferencia,
respectivamente.
Se puede evidenciar de los resultados que el cobre es
extraído hasta el 57% en 17 días en un cultivo
inicial mientras que en la primera transferencia se alcanza el
100% en 13 días. La diferencia en los tiempos empleados
fue explicado líneas arriba.
Las extracciones de Fe también muestran un incremento en
un menor tiempo durante la primera transferencia,
notándose que debe transcurrir más tiempo para
alcanzar la extracción máxima.
Una de las desventajas presentes durante esta prueba en
particular, es el alto consumo de ácido
registrado.
Se demuestra en la prueba que el mineral puede ser
tratado biológicamente, lográndose extracciones
considerables.
Las bacterias pueden ser aisladas fácilmente a partir de
aguas de mina y adaptadas en el laboratorio a
condiciones de trabajo ideales, lográndose notar que su
manejo es sencillo si se consideran los parámetros
necesarios para su desarrollo.
El alto consumo de ácido es un factor que puede ser
limitante para el normal funcionamiento del proceso. Hay que
hacer notar que durante la adaptación de las bacterias a
medio líquido se evidenció su condición de
ser consumidoras de ácido.
De todo esto podemos decir que T. ferrooxidans es capaz de
remover los valores metálicos presentes en determinado
mineral, en este caso la extracción de Cu, por
oxidación del Fe presente en la calcopirita
(CuFeS2).
La lixiviación bacteriana es un campo que cuenta con gran
futuro dentro de la metalurgia
extractiva, pues es una tecnología
económicamente barata en comparación con otras
técnicas convencionales
(2).
(1) Hutchins,S.R.; Davidson,M.S.; Brierley,J.A.;
Brierley,C.L.,1986."Microorganisms in the reclamation of metals
". Ann. Rev. Microbiol. 40:311-336.
(2) Gilbert, S.R.; Pounds, C.O.; Ice,R.R. ,1988."Comparative
economics of bacterial oxidation and roasting as a pretreatment
for gold recovery from an auriferous pyrite concentrate". CIM
Bulletin 81 (910) 89-94.
(3) Hurtado, J.,1984."Aislamiento, purificación y
presencia de plásmidos en cepas nativas de Thiobacillus
ferrooxidans". Tesis de
Magister U.P.C.H., Lima, Perú.
(4) Olson, G.J.; Kelly, R.M. ,1986."Microbiological metal
transformations: Biotechnological applications and potential".
Biotechnol. Progress. 2(1): 1-15.
(5) Bauer, J.L. ,1986. "Lixiviación Bacteriana: Introducción a la parte
microbiológica de la Biohidrometalurgia con sp. de
Thiobacillus". Revista de la
ANBIOP, 3(2): 53-60.
(6) Roy Chaudhury, G.; Das, R.P.,1987, "Bacterial Leaching –
complex sulfides of copper, lead and zinc ". Int. J. Min.
Process. 21:57-64.
(7) Van Aswegen, P.C.; Haines, A.K.,1988."Bacteria enhance gold
recovery". Int. Mining. May 1988, pp. 19-23.
(8) Guerrero, J.J. , 1988. " Informe de
Prácticas Pre-Profesionales".
Resumen
En tiempos actuales, dentro de la metalurgia
extractiva se da especial interés en
el uso de nuevas
tecnologías para la recuperación de los valores
presentes en los minerales o concentrados, los que
difícilmente pueden ser extraídos por
tecnologías convencionales. Una de estas nuevas
tecnologías es la Lixiviacion Bacteriana.
En el presente trabajo se dan a conocer los aspectos
teóricos de la lixiviación bacteriana,
haciéndose notar la importancia del mecanismo involucrado
en la biooxidación de Fe(II) hacia Fe(III). También
se mencionan aspectos experimentales como la metodología seguida en los procesos
biohidrometalúrgicos. Para tal efecto, se presentan los
resultados de pruebas realizadas en el laboratorio,
con los cuales podemos graficar mejor el interés
que tiene el empleo de
sistemas
biológicos en la recuperación de valores
metálicos.
Autor:
José J. Guerrero Rojas, Biol.
Asesoria en Biotecnología Minera y Ambiental
Minera
Administrador
BioMining (www.groups.msn.com/BioMining)
CENTROMIN PERU S.A.
Presentado en el Segundo Seminario
Regional de Ingeniería Metalúrgica, Facultad de
Ingeniería Metalúrgica,
Universidad
Nacional del Centro del Perú, Huancayo, Noviembre de
1990.