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Recuperación de valores metálicos por vía biohidrometalurgica




Enviado por elucas42



    Recuperación de valores
    metálicos por vía
    biohidrometalurgica*

    Indice
    1.
    Introducción

    2. Aspectos
    microbiologicos

    3. Aspectos Experimentales

    4.
    Conclusiones

    5. Referencias

    1.
    Introducción

    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:

    1. Requiere poca inversión de capital(las
      bacterias pueden ser aisladas a partir de aguas ácidas
      de minas).
    2. Bajos costos de
      operación necesarios para las operaciones
      hidrometalúrgicas en comparación con los procesos
      convencionales.
    3. Relativa ausencia de polución o contaminación ambiental durante el
      proceso.
    4. El tratamiento del creciente acumulo de minerales de baja
      ley en las
      minas los cuales no pueden ser económicamente procesados
      por los métodos
      convencionales.

    2. Aspectos
    microbiologicos

    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.

    3. Aspectos
    Experimentales

    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.

    4.
    Conclusiones

    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).

    5.
    Referencias

    (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.

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