IYD12

USO DE LA METODOLOGÍA DE LAS SUPERFICIES DE RESPUESTA PARA
DISEÑAR LOS PARÁMETROS DE LA BIOLIXIVIACIÓN DE COBRE EN UN
CULTIVO CONTINUO MEDIANTE ACIDITHIOBACILLUS FERROOXIDANS
Mario Antonio Makita Aguilar1, Margarita Esperón González2
1
Departamento de Ingeniería Industrial
2
Departamento de Ciencias Básicas
Instituto Tecnológico de Chihuahua II
Avenida de la Industria 11101
Chihuahua, Chihuahua, 31109
[email protected]
[email protected]
Resumen— De manera general, se define a la lixiviación como un proceso mediante
el cual, un compuesto o elemento es extraído a partir de una matriz sólida mediante
un solvente. La biolixiviación cumple con esta definición, la diferencia estriba en que
la disolución se lleva a cabo por la acción que ejercen uno o varios
microorganismos.
La biolixiviación se ha utilizado con fines comerciales, principalmente para el pretratamiento de minerales de sulfuro que contienen una baja ley de metales preciosos
o de alto valor estratégico, tales como el oro, la plata y el uranio
El sistema microbiano predominante en la investigación, el desarrollo de procesos y
la aplicación comercial, han sido los miembros del género Acidithiobacillus, At.
thiooxidans y especialmente At. ferrooxidans. En este trabajo se utilizaron cepas
resistentes al arsénico de Acidithiobacillus ferrooxidans para la biolixiviación de
cobre a partir de minerales de sulfuro refractarios muy complejos de calcopirita.
Se aplicó la Metodología de las Superficies de Respuesta (MSR), para analizar los
datos preliminares, obtenidos de un cultivo semi-continuo, y determinar los niveles
de densidad de la pulpa y velocidad de dilución óptimas para un proceso de
biolixiviación de cobre en cultivo continuo, a partir de un concentrado muy complejo
de calcopirita, obtenido por flotación, y contaminado con arsénico y antimonio.
Los resultados muestran que la disolución de arsénico, antimonio y cobre, se ve
favorecida cuando se utilizan bajas densidades de pulpa, entre 1 y 3% en peso y
velocidades de dilución del orden de 0.1 a 0.2 Días-1.
Palabras clave—Acidithiobacillus ferrooxidans, cobre, biolixiviación, sulfuros
refractarios complejos, MSR.
INTRODUCCIÓN
El término biolixiviación se refiere a la conversión realizada por microorganismos, de
un metal insoluble, usualmente un sulfuro metálico refractario (CuS, NiS, ZnS), en un
compuesto soluble, usualmente un sulfato metálico (CuSO4, NiSO4, ZnSO4). Cuando
esto sucede, el metal es extraído en el agua; a este proceso se le conoce como
biolixiviación. Debido a que este es un proceso oxidativo, también recibe el nombre
de biooxidación [Rawlings, 2002].
El uso de microbios para extraer metales de los minerales es simplemente la
adaptación de un proceso que ocurre naturalmente en minas y en depósitos
minerales de sulfuros, al pre-tratamiento de minerales refractarios para el beneficio
de metales de interés comercial [Colmer y Hinkle, 1947].
1
La biolixiviación se ha venido utilizando con fines comerciales, principalmente para el
pre-tratamiento de minerales de sulfuro que contienen una baja ley de metales
preciosos o metales de alto valor estratégico, tales como el oro, la plata y el uranio
[Lynn, 1997; Shuey, 1998; Loayza et al.,1999; Salameh et al., 1999; Mathur et al.,
2000]. También se utiliza en muchos países, incluyendo a los EU, Rusia, Chile,
Perú, Australia, España, Canadá y México en donde ha probado su eficiencia en la
extracción de cobre [Acevedo, 2002].
Un avance importante en la práctica de la biolixiviación lo constituyó el hecho de
que la Minera Pudahuel en Chile, estableció la primera mina de cobre explotada
únicamente mediante el uso de la biooxidación, por el método de amontonamientos
(heap leaching), de un mineral con un contenido de cobre de 1 a 2% para producir
14000 toneladas de cobre fino por año [Acevedo et al. 1993].
En el caso de México y particularmente en los estados del norte, existen importantes
yacimientos de sulfuros de cobre, plomo y zinc, que se encuentran poco explotados
o sin explotar debido a la gran cantidad de arsenopirita que contienen, cuya
presencia en los concentrados minerales, es motivo de castigo económico, o
definitivamente de rechazo en las plantas metalúrgicas. Un proceso eficiente y
económico de biooxidación que pudiera lixiviar y eliminar el arsénico de dichos
concentrados permitiría la reactivación y el desarrollo de muchos fundos mineros
que tienen este problema. En este trabajo se explora la factibilidad de utilizar el
cultivo continuo para la lixiviación de cobre a partir de concentrados minerales
complejos de calcopirita contaminados con arsenopirita, se utiliza la Metodología de
las superficies de respuesta para determinar las condiciones óptimas de velocidad
de dilución y concentración de la pulpa que maximicen la disolución de cobre a partir
de estos concentrados.
Microorganismos en la Biolixiviación
Los principales microorganismos oxidativos con capacidad para realizar la
biooxidación
tienen
varias
características
fisiológicas
comunes.
Son
quimiolitoautótrofos y son capaces de utilizar el ión ferroso y/o los compuestos
reducidos de azufre inorgánico como donadores de electrones [Rawlings, 2002].
Debido a que un subproducto de la oxidación del azufre durante la biolixiviación es el
ácido sulfúrico, estos organismos son acidófilos que crecen a rangos de pH de 1.5 a
2.0. [Rawlings, 2002].
El sistema microbiano que ha predominado en la investigación, el desarrollo de
procesos y la aplicación comercial han sido los miembros del género
Acidithiobacillus, At. thiooxidans y especialmente At. ferrooxidans.
At. ferrooxidans es una bacteria Gram-negativa, acidófila, mesófila quimioautótrofa.
Las células son cortas en forma de bastones rectos (bacilo) de 1.0 µm de longitud y
0.5 µm de diámetro. Algunas cepas pueden poseer flagelos y/o pili [DiSpirito et al.,
1982]. Fue la primera bacteria descubierta capaz de oxidar a los minerales [Colmer y
Hinkel, 1947].
Biolixiviación de Sulfuros de Cobre
El ión Fe3+ es el responsable de la lixiviación de algunos minerales importantes
desde el punto de vista económico, que contienen sulfuros de cobre. La reacción
propuesta para la lixiviación es la siguiente [Hutchins et al., 1986]:
CuFeS 2 (Calcopirit a) + 2 Fe2 ( SO4 ) 3 → CuSO 4 + 5FeSO4 + 2S 0
2
Minerales Sulfuros Complejos
Un sulfuro complejo es una asociación de galena (PbS), esfalerita (ZnS) y
calcopirita (CuFeS2), diseminada en una matriz pirítica. Además de plomo, zinc y
cobre como metales de valor, estos depósitos minerales pueden contener
cantidades significativas de plata, oro, arsénico, antimonio, bismuto y mercurio. Un
gran número de depósitos económicamente importantes de este tipo de minerales
existen en el mundo [Gómez et al., 1999].
Los minerales complejos a menudo se caracterizan por un particularmente fino
mezclado intersticial de las especies minerales de interés. Debido a estas
características mineralógicas, es necesario moler finamente y concentrar el mineral
antes de disolver los metales de valor.
Cultivo continuo
Un sistema de cultivo continuo consiste en uno o varios fermentadores colocados en
serie que pueden ser frascos agitados o tanques Pachuca, en los cuales se
establece un flujo continuado de mineral y de medio de crecimiento para la bacteria.
Esta técnica tiene la ventaja de que es posible mantener un estado estable en cada
uno de los fermentadores, lo que permite un mayor control de los parámetros de la
biolixiviación.
Existen algunos sistemas experimentales de cultivo continuo reportados en la
literatura, entre ellos podemos citar los estudios realizados por Jones y Kelly [1983];
Karavaiko et al. [1986].
De acuerdo con Aiba et al. [1965] existen claras ventajas del cultivo continuo cuando
se compara con el cultivo por lote. Estas ventajas se deben principalmente a tres
condiciones: (1) En el cultivo continuo se eliminan los tiempos improductivos que son
necesarios para la carga y descarga de un fermentador por lote; (2) La bacteria se
mantiene en el período de crecimiento exponencial, por lo que no requiere del
período de adaptación como sucede en el cultivo por lote; y (3) Las condiciones
estables permiten un mayor control de los parámetros de la fermentación y
disminuyen los riesgos de una modificación del patrón de crecimiento bacteriano
Metodología de las Superficies de Respuesta
La metodología de la superficie de respuesta (RSM por sus siglas en inglés) es una
colección de técnicas estadísticas y matemáticas, útiles para modelar y analizar
problemas en los cuales una respuesta de interés se ve influida por varias variables
de control. El objetivo es optimizar la respuesta de interés [Montgomery, 1984; Box
et al, 1978].
Un diseño popular para estimar los coeficientes del modelo de segundo orden lo
constituyen los diseños centrales compuestos que se generan a partir de diseños
factoriales 2k con 2k combinaciones adicionales, llamadas puntos axiales y varias
(n0) réplicas al centro del diseño [Kuehl, 2001].
Una propiedad rotatoria desarrollada para los diseños centrales compuestos
requiere que la varianza de los valores estimados sea constante en los puntos
equidistantes al centro del diseño. El diseño central compuesto se hace rotatorio
estableciendo los valores de los puntos axiales como α = (2n)¼, el valor de α para el
diseño de dos factores es α = (4)¼ = √2 = 1.414.
Los puntos centrales, no solamente proporcionan una estimación del error
experimental, también proporcionan un mecanismo para medir el grado de curvatura
en la región experimental [Kuehl, 2001].
3
OBJETIVO
Determinar la densidad de la pulpa y la velocidad de diluciones óptimas para un
proceso de biolixiviación de cobre, a partir de un concentrado complejo de
calcopirita, contaminado con arsénico y antimonio, en cultivo continuo, analizando
los datos de un cultivo semicontinuo mediante la metodología de las superficies de
respuesta (RSM).
MATERIALES Y MÉTODOS
Mineral
Se utilizó un concentrado de cobre obtenido por flotación, proveniente de la Minera
Humaya localizada en Cosalá, Sinaloa, México. Los análisis químicos se realizaron
mediante espectrometría de absorción atómica (AAS) (GBC Avante), el arsénico se
determinó por AAS utilizando el sistema de generación de hidruros. Las principales
especies minerales presentes en el concentrado fueron determinadas por difracción
de rayos X (XRD) (Siemens D5000). Para el estudio mineragráfico, se prepararon
briquetas de resina de poliéster utilizando 0.2 g de concentrado mineral, la superficie
pulida de las briquetas se examinó a través del microscopio (Olympus AX70) y se
tomaron fotografías de varios sitios. La Figura 1 corresponde a una de estas
fotografías en donde puede verse la gran complejidad del mineral
Figura 1: Fotografía de un sitio de la briqueta. Cp: Calcopirita; T: Tetraedrita; A: Arsenopirita; C:
Cuarzo
El análisis químico realizado a este concentrado mediante espectrometría de
absorción atómica muestra la siguiente composición en porcentajes: Cobre (30.66);
Antimonio (5.55); Arsénico (1.67); Zinc (2.57); Azufre (21.78); Fierro (15.97); Calcio
(2.64); Plata (0.41); Plomo (0.35); y cantidades no significativas de Cadmio,
Bismuto, Potasio, Manganeso, Sodio, Níquel, Bario, Molibdeno y Estaño.
Con respecto a las principales especies minerales encontradas en el concentrado se
pueden mencionar las siguientes: Calcopirita (CuFeS2); Covelita (CuS); Esfalerita
(ZnS); Pirita (FeS2) Tetraedrita mixta Cu12(Sb, As)4S13; Bornita (Cu5FeS4); Galena
(PbS); Arsenopirita (FeAsS) y Aikinita (CuPbBiS3).
Cepa de Acidithiobacillus ferrooxidans
Debido a que en un experimento anterior en el que se evaluaron varias cepas, se
demostró que las cepas recolectadas directamente en las aguas de la mina
presentaron una efectividad menor en la lixiviación de cobre, se utilizó una cepa de
At. ferrooxidans resistente al arsénico denominada T18, la cual se obtuvo a partir de
4
una cepa nativa mediante transferencias seriadas con cantidades incrementales de
arsénico en solución en el medio, durante su crecimiento. La cepa T18 es capaz de
crecer a concentraciones tan altas como 1800 mg/l de arsénico en un medio
sintético [Orrantia et al., 1999]. La cepa se cultivó en una incubadora orbital a 30°C y
175 rpm en un medio estéril denominado 9K (especial para el crecimiento de esta
bacteria) en agua destilada, a un pH 2.0 ajustado con ácido sulfúrico [Silverman y
Lundgren, 1959]. Después de diez días en incubación para generar el crecimiento de
la bacteria, los cultivos se filtraron y el líquido claro se utilizó como inóculo para cada
una de las corridas, en una proporción de 20% en volumen.
Diseño Experimental de Superficie de Respuesta
Para el desarrollo de este experimento se utilizó un diseño central compuesto
rotatorio (α= 1.41421) para dos factores, densidad de la pulpa y velocidad de
dilución, con cinco puntos centrales, para un total de trece corridas experimentales.
Los puntos centrales se fijaron en una velocidad de dilución semi-continua de 0.1
Días-1 y una densidad de la pulpa de 7.5%. Estos valores se establecieron en base a
los resultados de experimentos anteriores con este concentrado [Makita et al, 2004;
Makita et al, 2005; Makita y Esperón, 2011], en los cuales la velocidad de dilución
estimada se calculó en 0.0778 Días-1, con una densidad de la pulpa de 10% en
circunstancias que indican que menores densidades de pulpa inducen una mayor
disolución de arsénico, mientras que una densidad de pulpa mayor (20%) favorece
la disolución de cobre. Las trece corridas experimentales se establecieron como se
muestra en la Tabla 1.
Tabla 1. Diseño central compuesto rotatorio
Corrida
Coordenadas
Tipo de
Punto
Densidad
de Pulpa
Velocidad
Dilución
Volumen
diario de
extracción ml
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
-1, -1
+1, -1
-1, +1
+1, +1
-α, 0
α, 0
0, -α
0, α
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
Factorial
Factorial
Factorial
Factorial
Axial
Axial
Axial
Axial
Central
Central
Central
Central
Central
3.0
12.0
3.0
12.0
1.136
13.864
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
0.05
0.05
0.15
0.15
0.1
0.1
0.02929
0.17071
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
12.5
12.5
37.5
37.5
25.0
25.0
7.5
42.5
25.0
25.0
25.0
25.0
25.0
Condiciones de cultivo y muestreo
La base del líquido de cultivo se preparó con medio 9K [Silverman y Lundgren,
1959], complementado con 200 mg/l de extracto de levadura para propiciar un
crecimiento más rápido
Las trece corridas se llevaron a cabo utilizando matraces Erlenmeyer de 500 ml, a
los cuales se les agregó 250 ml de la mezcla de medio, mineral e inóculo, de
acuerdo con las densidades de pulpa mostradas en la Tabla 1. Los frascos se
5
colocaron en una incubadora con agitación orbital a 30°C y 175 rpm. El pH se ajustó
a 2.0 con ácido sulfúrico al 20%. Después de 10 días de crecimiento inicial para
lograr la estabilidad, las trece corridas se empezaron a muestrear cada 24 horas.
Para realizar el muestreo, los matraces se mantuvieron en agitación y se les extrajo
el volumen correspondiente a cada velocidad de dilución bajo prueba, el cual puede
verse en la columna de la extrema derecha de la Tabla 1. El volumen de mezcla
extraído se compensó con la adición de la misma cantidad de mezcla preparada con
la misma densidad de pulpa, suspendida en medio 9K con extracto de levadura y el
pH se ajustó a 2.0. Los matraces se colocaron nuevamente en la incubadora hasta
el siguiente muestreo. La mezcla de cultivo extraída se dejó sedimentar,
posteriormente se extrajeron 2 ml de líquido claro en donde se determinó la
concentración total de cobre, arsénico y antimonio. El experimento tuvo una duración
de 26 días en total, en los cuales se realizaron 16 muestreos, uno cada día.
Análisis de los datos
Para el análisis de los datos y la obtención de las gráficas correspondientes se utilizó
Microsoft Excel y el paquete de computación Minitab versión 16.1
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Productividad en la biolixiviación de cobre
Se define la productividad en la biolixiviación como los miligramos de un elemento
disueltos por cada kg de concentrado mineral-día. La productividad para el cobre se
utilizó como variable de respuesta para hacer el análisis mediante RSM.
En la Figura 2 se muestra la productividad de cobre en cada una de las trece
corridas experimentales. Las corridas 3 y 8 son las que muestran una mayor
extracción de cobre por kg de concentrado mineral, con una productividad promedio
de aproximadamente 11000 mg/kg. En la Figura 3, se muestran las gráficas de las
superficies de respuesta para la productividad de cobre para los muestreos
realizados en los días 1, 8 y 16 del proceso, así como la superficie de respuesta
para los valores promedio de los 16 muestreos (general).
Productividad de Cobre
30000
Corrida 1
Cobre lixiviado, mg/kg
25000
Corrida 2
20000
Corrida 3
15000
Corrida 4
Corrida 5
10000
Corrida 6
5000
Corrida 7
0
1
2
3
4
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Tiempo de biolixiviación, Días
Corrida 8
Figura 2: Productividad de cobre en las trece corridas experimentales.
6
Cobre Día 8
Cobre Día 1
10000
10000
Cu mg/kg
5000
5000
Cu mg/kg
0.17
0
5
Densidad Pulpa
0.07
Vel. Dilución
0.12
0
0.02
10
0.17
0
0.12
0
5
Densidad Pulpa
15
0.07
(a)
Vel. Dilución
0.02
10
15
(b)
Cobre Día 16
Cobre General
10000
10000
5000
Cu mg/kg
Cu mg/kg
0
5000
0.17
0.12
0
5
Densidad Pulpa
0.07
10
(c)
0.02
15
Vel. Dilución
0.17
0.12
0
0
5
Densidad Pulpa
0.07
10
Vel. Dilución
0.02
15
(d)
Figura 3: Superficie de respuesta de la productividad de cobre para: Día 1 (a); Día 8 (b); Día 16 (c); y
Cobre general (d).
Se promediaron los datos de productividad de cobre de las trece corridas
experimentales, durante los 16 días de muestreo, para obtener el comportamiento
general de la superficie de respuesta, para estos datos se obtuvo la maximización de
la respuesta que se muestra en la Figura 7. En este análisis puede verse
nuevamente, que la mayor productividad de cobre (12160 mg/kg) se obtiene con la
combinación de velocidad de dilución máxima (0.1707 Días-1) y la mínima densidad
de pulpa (1.136 g/l) utilizadas en el experimento
Figura 4: Gráfica de la maximización de la productividad del cobre biolixiviado (en azul), los valores
de densidad de la pulpa y velocidad de dilución que maximizan la respuesta se resaltan con rojo.
7
El análisis estadístico y la estimación de los coeficientes del modelo de segundo
orden ajustado para la superficie de respuesta de la disolución de cobre promedio
(general) durante los 16 días de muestreo se muestran a continuación en la Tabla 2.
Se puede ver que todos los términos del modelo resultan significativos. La ecuación
del modelo para la superficie de respuesta es la siguiente:
Productividad Cu = - 3221 + 543*(Densidad) + 125166*(Vel. Dilución) 29*(Densidad)2 – 206778*(Vel. Dilución)2 – 2790 (Densidad)*(Vel. Dilución)
Término
Constante
Densidad
Vel. Dilución
Densidad*Densidad
Vel. Dil*Vel. Dil
Densidad*Vel. Dil
Coeficiente R
2
Coeficiente
-3221
543
125166
-29
-206778
-2790
Error Estándar Coef.
1069.6
156.3
15058.0
8.0
64649.3
947.3
T
-3.012
3.471
8.312
-3.695
-3.198
-2.945
Probabilidad
0.020
0.010
0.000
0.008
0.015
0.022
98.6%
Tabla 2: Análisis estadístico y estimación de los coeficientes del modelo de segundo orden para la
superficie de respuesta general para cobre.
CONCLUSIONES
En este tipo de concentrados minerales, la disolución de cobre se ve favorecida
cuando se utilizan bajas densidades de pulpa, entre 1 y 3% en peso y velocidades
de dilución del orden de 0.1 a 0.2 Días-1. Estas velocidades de dilución siguen
siendo muy bajas a pesar de que la bacteria ha sido resembrada varias veces en
este concentrado y debiera estar mejor adaptada al mismo. Sin embargo, es
conveniente hacer notar que el cálculo de estas velocidades de dilución se ha
realizado en un cultivo semicontinuo, en el que la adición del medio de cultivo se
hizo una vez al día. En este procedimiento, el cultivo se desestabiliza y la
concentración de la bacteria se reduce cada día, con la adición de medio de cultivo
fresco, estas condiciones no representan fielmente la estabilidad que se alcanza en
un cultivo en el que continuamente se está agregando medio de cultivo fresco. Por
lo anterior los valores de densidad de la pulpa y de la velocidad de dilución
calculados en esta etapa solamente constituyen una estimación de los verdaderos
valores que pueden funcionar en un cultivo continuo y deben de tomarse con ciertas
reservas.
La mayor productividad de cobre esperada es de 12160 mg/kg de concentrado
mineral, el cual es un valor bajo comparado con el contenido de cobre en el
concentrado original, tomando en cuenta que se desea utilizar esta tecnología para
solubilizar a este elemento.
La baja concentración del cobre en la solución, indica una fuerte influencia de la
complejidad del medio sobre la lixiviación del mismo. Es necesario continuar con el
estudio del efecto de otros factores que puedan conducir a una biolixiviación más
efectiva del cobre contenido en este tipo de concentrados minerales, para que esta
tecnología pueda considerarse como una buena alternativa para realizar la lixiviación
de este elemento en este tipo de minerales.
8
LITERATURA CITADA
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10