uso de biorreactores para la lixiviación de un

Jornadas SAM 2000 - IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, Agosto de 2000, 23-30
USO DE BIORREACTORES PARA LA LIXIVIACIÓN DE UN
MINERAL OXIDADO
a
a
b
A. Giaveno , L. Lavalle y E. Donati
a
Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Comahue, Bs As 1400, (8300) Neuquén
Centro de Investigación y Desarrollo de Fermentaciones Industriales.(CINDEFI-CONICET),
47 y 115 (1900) La Plata
b
RESUMEN
Se realizaron dos metodologías de lixiviación ácida sobre un mineral de cobre de baja
ley, con abundancia de especies oxidadas, proveniente del yacimiento Barda González de la
provincia de Neuquén. En la primera se inocularon directamente células de Thiobacillus
thiooxidans en una columna conteniendo el mineral a lixiviar y azufre como fuente de energía
para el microorganismo. En la segunda metodología, se utilizaron biorreactores con células de
Thiobacillus thiooxidans inmovilizadas sobre azufre para generar ácido sulfúrico el cual fue
transferido a otra columna conteniendo el mineral. En la primera metodología se observó un
bajo desarrollo celular y consecuentemente, una baja recuperación de cobre; sin embargo, en
la segunda, y luego de cuatro reemplazos de medio por medio fresco cuando el pH ascendía
demasiado, se alcanzó una recuperación del orden del 60 % de cobre presente en el mineral.
Palabras claves
Biorreactores, Thiobacillus Thiooxidans, Cobre, Mineral Oxidado
INTRODUCCION
Thiobacillus thiooxidans es una bacteria quimiolitotrófica frecuentemente asociada a
minerales sulfurados y que participa directa o indirectamente en los procesos de
solubilización de metales a partir de minerales junto a otros microorganismos [1]. Esta
bacteria es capaz de catalizar la oxidación de compuestos inorgánicos reducidos de azufre
utilizando el oxígeno como último aceptor de electrones. Cuando el azufre elemental es el
sustrato utilizado por este microorganismo [2,3], la ecuación global que interpreta el proceso
que tiene lugar es:
S
+
O2
+ H2 O
→ H2 SO4
(1)
Precisamente, la ecuación anterior indica probablemente la contribución más importante
de esta bacteria a la solubilización de metales especialmente cuando estos se encuentran
asociados a especies oxidadas fácilmente atacables por vía ácida [4,5]. La producción de
ácido sulfúrico puede realizarse en forma continua utilizando biorreactores que contengan
células inmovilizadas directamente sobre el sustrato, es decir, sobre azufre elemental [6,7].
En este trabajo, se estudió la producción de ácido sulfúrico utilizando un biorreactor de
células de Thiobacillus thiooxidans inmovilizadas, y su aplicación a la lixiviación de un
mineral de la provincia de Neuquén cuyo contenido en cobre está mayoritariamente presente
como compuestos oxidados fácilmente solubilizados por soluciones diluidas de ácidos.
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Giaveno, Lavalle y Donati
PARTE EXPERIMENTAL
Cultivo: En los experimentos realizados se ha utilizado una única cepa de Thiobacillus
thiooxidans cuya denominación es DSM 11478, rutinariamente cultivada a 30ºC en medio 9 K
[8] sin hierro denominado 0K con azufre como única fuente de energía.
Biorreactor de azufre: Los biorreactores fueron preparados utilizando columnas
percoladoras de 29 cm de altura y 4 cm de diámetro, conteniendo 300 ml de medio 0K de pH
inicial igual a 5,0 y 100 g de azufre cuyo tamaño de partícula estaba comprendido entre malla
nº10 (2mm) y retenida en malla nº16 (1mm). El cultivo fue inoculado con células de
Thiobacillus thiooxidans en estado exponencial de desarrollo. El medio en las columnas se
recirculó mediante el pasaje de aire a 2,5 VVM.
Cuando el pH del cultivo alcanzó un valor de 1,0 fue reemplazado por medio fresco.
Esta operación fue repetida en función de alcanzar una velocidad constante de producción de
ácido sulfúrico. Durante estas etapas de crecimiento, fueron seguidos pH, concentración de
protones y población bacteriana en suspensión. La morfología de las células fue observada
por microscopía electrónica de barrido con un equipo Philips-SEM 515 sobre muestra bañada
en oro.
Mineral: Las muestras de mineral utilizadas provenían del yacimiento Barda González
de la provincia de Neuquén, Departamento Confluencia, constituido por depósitos de cobre
diseminado emplazados en sedimentitas [9]. El mineral fue caracterizado para determinar la
ley y conocer las especies mineralógicas presentes a fin de diseñar las mejores estrategias de
extracción. El contenido de cobre total se determinó a partir de la disolución total de la
muestra en medio ácido y los análisis de difracción de rayos X se realizaron con equipo
Rigaku DII-Max sobre muestra en polvo entre 5-70º 2 Θ y velocidad 2º/min.
Ensayos de biolixiviación: En las experiencias de lixiviación del mineral se ensayaron
dos metodologías diferentes. En la primera se intentó generar el ácido sulfúrico “in situ”
empleando células de T. thiooxidans provenientes de un cultivo en estado exponencial de
desarrollo, directamente inoculadas dentro de una columna de dimensiones similares a la
descripta previamente que contenía 100 g de mineral, 100 g de azufre y 250 ml de medio 0 K
con pH inicial igual a 5. En cambio, en la segunda metodología, el ácido sulfúrico fue
generado en un biorreactor preparado como se ha descripto previamente y posteriormente
enviado a una columna conteniendo 100 g del mineral. En este segundo caso, el ácido fue
reemplazado cada vez que el pH del sistema superaba el valor 3; a este proceso se le
denomina “carga” del biorreactor habiéndose realizado cuatro durante el desarrollo de la
experiencia.
La población bacteriana en suspensión fue determinada por conteo en un microscopio
Bausch y Lomb con dispositivo de contraste de fase utilizando una cámara de recuento de
Petroff-Hausser. La concentración de protones en solución fue medida a través de titulaciones
realizadas con soluciones valoradas de hidróxido de sodio. La concentración de ion cobre en
solución fue determinada por espectrofotometría de absorción atómica.
RESULTADOS
Caracterización del mineral: a partir de los diagramas de difracción de rayos X
presentados en la figura 1, se pudo comprobar que la muestra es una arenisca cuarzofeldespática que presenta al metal de interés con una mineralización de calcosita y
compuestos oxidados como malaquita y azurita. A partir del análisis químico se determinó
que el contenido de cobre total es de 5,2%.
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Jornadas SAM 2000 - IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga
Figura 1: Diagrama de difracción de rayos X de la muestra utilizada.
Cz = cuarzo; C = calcocita; Fd = feldespato; Ma = malaquita.
Generación de ácido sulfúrico En las figuras 2 y 3 se observa la evolución de la
concentración de protones en solución y la productividad de ácido sulfúrico durante las
diferentes etapas de preparación del biorreactor.
Carga I
0,20
Carga II
Carga III
0,15
Carga IV
Carga V
0,10
0,05
0,00
0
100
200
300
Tiempo (horas)
Figura 2: Producción de protones en los primeros cinco pasos de
formación del biorreactor de azufre.
Productividades de Acido
(mMoles/l h)
Conc. de H+ (moles/l)
0,25
2.0
1.6
1.2
0.8
0.4
0.0
1
2
3
4
5
Cargas del biorreactor
Figura 3: Productividad de ácido sulfúrico durante los primeros
cinco pasos de formación del biorreactor de azufre.
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Giaveno, Lavalle y Donati
Evolución del cultivo: el desarrollo del cultivo durante las diferentes cargas del
biorreactor se puede observar en la figura 4, donde está representada la población bacteriana
libre (en suspensión). La morfología característica de la cepa de T. thiooxidans
correspondiente al cultivo líquido, se muestra en las imágenes de microscopía electrónica de
barrido (SEM) de la figura 5.
12.0
10 8 Bacterias/ml
10.0
Carga I
8.0
Carga II
Carga III
6.0
Carga IV
4.0
Carga V
2.0
0.0
0
100
200
300
Tiempo (horas)
Figura 4: Población bacteriana en suspensión durante los primeros cinco
pasos de formación del biorreactor de azufre.
Figura 5: Microscopía electrónica de barrido (SEM) de cepas de T. thiooxidans
creciendo en suspensión en medio de cultivo 0K en un biorreactor con azufre elemental
Ensayos de biolixiviación: La figura 6 muestra la evolución del cobre en solución
durante la lixiviación realizada en forma directa (por inoculación interna de T. thiooxidans).
El pH sufrió un ascenso inicial hasta un valor cercano a 7 y luego mostró un descenso
hasta 4,5 manteniéndose en ese valor hasta el final de la experiencia. No se observó un
crecimiento bacteriano significativo.
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140
8
Cu solubilizado (ppm)
120
100
6
pH
80
60
2+
40
4
20
0
0
2
4
6
8
10
0
4
8
12
16
20
Tiempo (días)
Figura 6: Solubilización de cobre por biolixiviación
en la metodología de inoculación directa
En la siguiente figura se observa la solubilización de cobre en las 4 cargas consecutivas
durante la lixiviación realizada en forma indirecta (utilizando medio proveniente de un
biorreactor de ácido sulfúrico).
4
1,0
0,9
2+
3
Carga I
0,7
0,6
Carga III
pH
g Cu /100 g de mineral
0,8
0,5
2
0,4
Carga IV
0,3
1
Carga II
0,2
Cargas
I
II
0
0,1
0
2
4
6
8
0
10
2
4
III I V
6
8
10
Tiempo (días)
Figura 7: Solubilización de cobre por biolixiviación en la metodología de lixiviación indirecta
(cada carga indica el reemplazo de medio por ácido sulfúrico bio-generado)
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Giaveno, Lavalle y Donati
% Cu Acumulado
60
50
40
30
20
10
0
I
II
III
IV
Cargas
Figura 8: Porcentaje de cobre al final de cada etapa de lixiviación indirecta considerando la
cantidad de metal acumulada en la carga previa.
DISCUSION
El conocimiento de la mineralogía de la muestra observada en la figura 1 permitió
inferir la posibilidad de aplicación de técnicas de lixiviación ya que las especies oxidadas y la
calcocita [10] son factibles de ser solubilizadas en medios ácidos diluidos con la consecuente
liberación de cobre a la solución.
La composición química de las muestras fue mayor que los valores medios reportados
para el yacimiento [11] debido a que las características del lugar de muestreo seleccionado y
la molienda realizada contribuyeron al enriquecimiento en cobre de la misma.
En la figura 2 se observa que en el proceso de formación de una biopelícula de células
de T. thiooxidans sobre azufre elemental, la velocidad de producción de protones se
incrementa con cada nuevo paso alcanzándose prácticamente una velocidad constante luego
de la cuarta etapa, que no es incrementada en las posteriores. La velocidad constante se
alcanza probablemente porque:
a) las bacterias crecen sobre el azufre formando una monocapa (esto se ha comprobado
mediante microfotografías electrónicas en biopelículas preparadas en experiencias previas)
que saturan la superficie del sustrato
b) la variación de la concentración de protones en el tiempo responde exclusivamente a la
velocidad de difusión del oxígeno y/o del dióxido de carbono del aire.
La velocidad media de producción de ácido en cada etapa puede ser expresada como la
productividad global tal cual se presenta en la figura 3. El incremento en la productividad
observado entre cada etapa disminuye y tenderá a anularse a medida que la producción de
ácido adquiera una velocidad constante.
El conteo celular al microscopio permite cuantificar solo la población libre en el medio
líquido. Se asume que las bacterias adheridas a la superficie del sólido se encuentran en un
equilibrio de adsorsión/desorsión con las bacterias libres en la suspensión, con lo cual el
número de celulas adheridas por unidad de área superficial del sólido se correlaciona con el
número de células libres por unidad de volumen (isoterma de Langmuir) [2]. La figura 4
muestra la evolución de dichas poblaciones bacterianas. En ella puede observarse que la
cantidad de bacterias liberadas se incrementa en paralelo con la concentración de protones en
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cada etapa. La correlación entre el aumento de la población celular y la concentración de
protones indicaría que probablemente, la superficie del azufre no está totalmente cubierta
antes del quinto paso. Esto es consistente con la productividad de ácido calculada.
En la figura 5 se presentan micrografías de gotas del liquido del biorreactor secadas al
aire en las que se aprecia la morfología característica de las células de T. thiooxidans.
La figura 6 muestra que en la primera experiencia de biolixiviación por metodología
directa la extracción de cobre fue muy pobre (<1%) y acorde con el escaso desarrollo celular y
el comportamiento del pH del medio. Esto podría deberse a que la producción inicial de ácido
por acción bacteriana no compensa el consumo ocasionado por la reacción de las especies
oxidadas; esto provoca un rápido incremento del pH y la consecuente inhibición del
crecimiento de las bacterias. Por ese motivo, se realizó nuevamente la experiencia pero a pH
inicial 3 manteniéndolo constante durante el tiempo suficiente como para permitir el
crecimiento celular. Sin embargo, tampoco hubo desarrollo de biomasa. Pruebas realizadas
con otra especie bacteriana del mismo género, T. ferrooxidans, arrojaron resultados similares
en cuanto a la evolución del pH y a la extracción de cobre aunque el crecimiento bacteriano
fue ligeramente superior. Este incremento en la biomasa podría deberse a la interacción de T.
ferrooxidans con los sulfuros insolubles presentes en baja proporción en el mineral (esta
acción no es posible para T. thiooxidans).
Para explicar los resultados observados en la experiencia en la cual se inoculó con
células de T. thiooxidans deben considerarse al menos dos posibilidades (aun no resueltas):
a) una gran adherencia bacteriana sobre el mineral que disminuye el número de células
realmente en contacto con el azufre. El contacto entre células y azufre es esencial para la
oxidación de ese sustrato.
b) la liberación por acción ácida de alguna especie minoritaria presente en el mineral y de
acción tóxica sobre las bacterias siendo ésta la causa más probable.
En la metodología de lixiviación indirecta, realizada transfiriendo sucesivamente medio
generado en un biorreactor con células de T. thiooxidans inmovilizadas al mineral, se observa
una disolución muy superior a la alcanzada en la metodología con inoculación directa (ver
figura 7). En la misma figura se observa que el pH crece más lentamente en la última carga lo
que puede interpretarse como una disminución significativa de las especies que pueden ser
extraídas directamente por acción ácida. No obstante, la creciente extracción de cobre
acumulada en las diferentes etapas (figura 8) indicaría que sería posible aún obtener una
mayor recuperación en etapas posteriores, la cual estaría limitada por la solubilidad de las
especies de cobre a pH cercano a 1. El porcentaje de cobre recuperado al final del ensayo es
aproximadamente el 60 % del contenido originalmente en el mineral.
CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos en el presente trabajo muestran la posibilidad de generar en
forma continua ácido sulfúrico, utilizando células de T. thiooxidans inmovilizadas sobre
azufre y la factibilidad de utilizar este ácido para lixiviar minerales que contengan especies
fácilmente atacables por lixiviación ácida. También demuestra que la metodología de
biorreactores supera a la metodología de inoculación “in situ”, especialmente cuando se trata
de minerales que al solubilizarse elevan demasiado su pH o liberan especies tóxicas que
inhiben el crecimiento bacteriano.
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Giaveno, Lavalle y Donati
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a la Universidad Nacional del Comahue por el soporte económico, a la
Dra. Gisela Pettinari (CIMAR-UNC) por los ensayos de difracción de rayos X, al Lic. Jorge
Venaruzzo y al Geol. Francisco Caro (Asentamiento Universitario Zapala-UNC) por la
consecución de las muestras de mineral y al Lic. Carlos Cotaro (Centro Atómico Bariloche)
por las microscopías electrónicas de barrido.
REFERENCIAS
1. D.E. Rawlings. Biomining: Theory, Microbes and Industrial Processes, Springer-Verlag,
Berlín, 1997.
2. R. Gourdon, N. Funtowicz. Kinetic model of elemental sulfur oxidation by Thiobacillus
thiooxidans in batch slurry reactors, Bioproc. Eng., 18, 241-249, 1998.
3. Y. Konishi, S. Asai, N. Yoshida. Growth kinetics of Thiobacillus thiooxidans on the
surface of elemental sulfur. Appl. Env. Microbiol., 61, 3617-3622, 1995.
4. T.M. Bhatti, A. Vuorinen, M.K. Lehtinen, O. Tuovinen. Acid dissolution of uranophane
and carnotite, J. Env. Sc. Health, A32, 1827-1835, 1997.
5. E. Donati, L. Lavalle, V. de la Fuente, P. Chiacchiarini, A. Giaveno, P. Tedesco. Leaching
of a copper ore by microbiological production of acid and oxidant media. Proceedings of
the International Biohytdrometallurgical Symposium, Universidad de Chile, Santiago,
Chile, Vol.1, 293-300, 1995.
6. A. Pich Otero, G. Curutchet, E. Donati, P. Tedesco. Thiobacillus thiooxidans action on
sulphur in presence of a surfactant agent and its application in the indirect dissolution of
phosphorus, Proc. Biochem., 30, 747-750, 1995.
7. N. Wakao, K. Endo, K. Mino, Y. Sakurai, H. Shiota. Immobilization of Thiobacillus
ferrooxidans using various polymers as matrix, J. Gen. Microbiol. 40, 349-358, 1994.
8. M.P. Silverman, D.G. Lundgren. Studies on the chemoautotrophic iron bacterium
Ferrobacillus ferrooxidans. I. An improved medium and a harvesting procedure for
securing high cell yields, J. Bacteriol., 77, 642-647, 1959.
9. VII Congreso Geológico Argentino, Relatorio "Geología y Recursos Naturales del
Neuquén”, 1978.
10. A. Schippers and W. Sand. Bacterial leaching of metal sulfides procees by two indirect
mechanisms via thiosulfate or via polysulfides and sulfur. Applies ans environmental
Microbiology, 65, 319-321, jun. 1999.
11. J Danieli y A. Giusiano En Geología y Recursos Minerales del Departamento
Confluencia. Boletín nº1. Dirección provincial de Minería, Provincia del Neuquén, 1992.
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