Lixiviación bacteriana y extracción de minerales sulfurados

INTRODUCCION
A LA LIXIVIACIION
BACTERIANA
ENZO BARRERA LUNA
TECNICO EN
METALURGIA
EXTRACTIVA
ORIGENES DE LA
BIOLIXIVIACION
Un hito en la historia cuprífera se comenzó a gestar en 1947, con el
descubrimiento de un microorganismo presente en las aguas de drenaje
de una mina de carbón española donde se oxidaba fierro y azufre. Esta
era la Thiobacillus ferrooxidans, bacteria que forma parte del proceso de
obtención de cobre.
Una vez descubierta, se determinó que era la responsable de la oxidación
de los minerales sulfurados que contenían el metal rojo, acelerando su
lixiviación desde minerales de baja ley, los que tradicionalmente eran
sometidos a procesos más largos, costosos y contaminantes. Las bacterias
liberan fuerzas químicas y biológicas que se refuerzan en un plan común
que explota la biotecnología: degradar los sulfuros a formas solubles, a
velocidades de medio a un millón de veces más rápidas que si estuvieran
expuestos al aire y al agua en ausencia de bacterias.
¿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 QUE SE HACE?
A consecuencia de sus propiedades metabólicas resultan
fuerzas químicas y biológicas que se refuerzan en un plan
común que explota la biotecnología: degradar los sulfuros
metálicos a formas solubles, a velocidades
de a lo menos medio a un millón de veces más rápidas
que si estos minerales estuvieran expuestos al aire y al
agua en ausencia de bacterias.
¿CON QUE TIPO DE
MINERAL SE REALIZA?
Antes de explicar el proceso de extracción se debe aclarar que el
cobre es un metal que no existe en estado puro, sino que está
combinado en una gran variedad de minerales los que se dividen
en tres clases: en la primera categoría están los óxidos que se
disuelven muy fácilmente en un ácido suave, permitiendo una rápida
extracción del cobre; en segundo lugar están los sulfuros secundarios,
como la Calcocina y la Covelina, que sólo se disuelven por oxidación
mediante el uso de un ácido muy fuerte y un agente oxidante; y
finalmente están los sulfuros primarios, minerales insolubles o muy
lentamente solubles en el tratamiento ácido, que por lo anterior no se
lixivian sino que son tratados mediante Pirometalurgia.
¿COMO SE TRABAJA EL
MINERAL?
El mineral se trabaja en pilas mediante la cual el mineral
está dispuesto en un lecho de dos, tres o seis metros de altura, y que
posteriormente es regado con ácido, esta innovación fue una parte
clave para el desarrollo de la aplicación industrial controlada de la
lixiviación bacteriana, ya que el mineral no está inundado como en
las piscinas, sino que hay aire y solución lixiviante que permite el
crecimiento bacteriano.
DE LA LIXIVIACION A LA
BIOLIXIVIACION
En 1980 comenzaron a lixiviar óxidos y más tarde intentaron
explotar los sulfuros secundarios, descubriendo que la
lixiviación era también aplicable a estos minerales
“Al principio no estaba muy claro a qué se debía la oxidación
observada en sulfuros, pero al realizar una serie de análisis
encontramos que las bacterias eran responsables en parte de ella,
y digo en parte, porque hay oxidación química y biológica, y la
segunda nunca había sido considerada fundamental en el proceso”
Romilio Espejo
¿POR QUE SE TRABAJA EN
PILAS?
Para mejorar la parte biológica se utilizó la experiencia que
la minera tenía en el diseño y construcción de pilas para que
el mineral fuera permeable al líquido y al aire, debido a que
se necesita que el ácido atraviese toda la pila sin que ésta se
tape ni se inunde. Esto, aunado con nuestra experiencia en la
parte bacteriana, permitió desarrollar un proceso que no era
nuevo en su concepto, pero sí en la forma, donde se planeaba
explotar un yacimiento de cobre en función únicamente de
biolixiviación
EL MEDIO AMBIENTE
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).
MICROORGANISMOS
BACTERIAS
CLASIFICACION
THIOBACILLUS FERROOXIDANS
THIOBACILLUS THIOOXIDANS
PROPIEDADES DE LAS BACTERIAS
ALGUNAS
CARACTERISTICAS DE LAS
BACTERIAS
ADAPTABILIDAD
OBTENCION DE ENERGIA
MEDIO AMBIENTE
ADAPTABILIDAD
Las bacterias junto con las cianobacterias (algas
veriazules) 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.
OBTENCION DE ENERGIA
Los organismos quimiolitótrofos obtienen su
energía mediante la oxidación de materiales
inorgánicos, los autótrofos utilizan el CO 2 del aire
como única fuente de carbono (autótrofos
obligados), y los heterótrofos lo obtienen
metabolizando compuestos orgánicos. Algunos
heterótrofos tienen la facultad de ser autótrofos en
determinadas condiciones (autótrofos facultativos).
MEDIO AMBIENTE
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).
CLASIFICACION
Los microorganismos acidófilos importantes en
biolixiviación se clasifican en tres grupos:
TIPO DE
MICROORGANISMOS
MESOFILOS
GENERO
THIOBACILLUS Y
LEPTOSPIRILLIUM
TERMOFILOS MODERADOS
SULFOBACILLUS
TERMOFILOS EXTREMOS
SULFOLOBULOS ACIDANUS
METALODPAHERAY
SULFUROCOCCUS
MESOFILOS
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+ .
TERMOFILOS
MODERADOS
Estas especies de bacterias pueden tener una gran variedad
de formas con tamaños de 0.8 a 6.0 micras. Cuando crecen
autotróficamente en Fe 2+ en ausencia de levaduras, son más
pequeñas. Todas ellas presentan una tinción Gram positiva y
tienen una versatilidad de nutrientes mucho más amplia que
las autotróficas obligadas.
Sulfobacillus thermosulfidooxidans su forma se ha descrito
como esporas sin movilidad. La temperatura óptima de
crecimiento asociada a la oxidación del hierro está entre los
45 y 50°C, aunque están activas dentro de un amplio rango de
temperatura.
TERMOFILOS 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
FERROXIDANS
ESTA BACTERIA ES PROPIA DEL MINERAL, POR LO CUAL
SOLO BASTA CON DARLE LAS CONDICIONES NESESARIAS
PARA SU REPRODUCCION Y DESARROLLO, ESTA BACTERIA
OXIDA O REDUCE COMPUESTOS DERIVADOS DE AZUFRE Y
MINERALES SULFURADOS.
THIOBACILLUS
THIOXIDANS
ESTA BACTERIA ES CAPAS DE OXIDAR EL
AZUFRE ELEMNTAL DE LOS MINERALES
SULFURADOS
PROPIEDAES
* Son Quimioautroficas
La energía que usan para su crecimiento y mantenimiento la obtiene
de sustancias inorgánicas tales como Fe+2 y S y compuestos de
azufre.
Son Aeróbicas:
Requieren O2 para reaccionar con el catión H+ y el electrón
liberado por la oxidación de Fe+2, para formar agua dentro de la
célula. Adicionalmente se requiere O2 para la oxidación química de
los sulfuros.
* Son Acidofílicas:
Crecen y sobreviven en rangos de pH de 1.0 a 4.5 óptimos
están entre 1.5 y 2.5. Normalmente estos microorganismos no
soportan pH sobre 6.5 y bajo 1.0.
MECANISMO DE
LIXIVIACION
LA LIXIVIACION BACTERIANA SE DIVIDE EN DIEZ
PARTES :
LIXIVIACION DIRECTA
LIXIVIACION INDIRECTA
LIXIVIACION MIXTA
LIXIVIACION POR CONTACTO
MECANISMO DE ATAQUE INDIRECTO
VIA THIOSULFATO
MECANISMO DE ATAQUE INDIRECTO
VIA POLISULFURO
LIXIVIACION COOPERATIVA
OXIDACION DEL HIERRO Y EL AZUFRE
LIXIVIACION DIRECTA
Las bacterias ferroxidantes también pueden lixiviar sulfuros
metálicos directamente sin la participación del sulfato férrico
producido biológicamente.
LIXIVIACION 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
MIXTA
La combinación de ambos mecanismos, es
decir, un ataque directo e indirecto al
mineral por uno o varios microorganismos
activos.
LIXIVIACION DE
CONTACTO
El mecanismo directo se ha redefinido, puesto que para que
exista un ataque biológico a la superficie del mineral, es
indispensable la existencia de una capa de lipopolisacáridos o
sustancias extrapoliméricas excretadas por la bacteria, EPS
(entre la bacteria y el mineral), las cuales sirven como
almacén temporal del S° producido.
MECANISMO DE ATAQUE
INDIRECTO VIA
THIOSULFATO
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 SO42-.
MECANISMO DE ATAQUE
INDIRECTO VIA
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.
LIXIVIACION
COOPERATIVA
El mecanismo mixto se ha redefinido
también como lixiviación cooperativa
OXIDACION 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.
THIOBACILLUS
FERROOXIDANS
CO2
Th F
Th F
O2
Th F
FeS2
Th F
1-EL CONTACTO FISICO ENTRE LA BACTERIA Y EL MINERAL
ES NECESARIO.
2- LA BACTERIA TOMA EL OXIGENO Y EL BIOXIDO DE
CARBONO Y OXIDA AL FE2 Y AL S2
THIOBACILLUS
FERROOXIDANS
SO4
Th F
Fe2
Th F
FeS2
Th F
3- SE GENERAN SULFATOS SOLUBLES
Th F
Th F
Th F
Th F
Th F
Th F
FeS2
Th F
Th F
4- MINERAL DISUELTO POR LOS MICROORGANISMOS
Cu 2 Fe 23
Th F
SO4
CuS
1-EL MINERAL SE OXIDA QUIMICAMENTE
2- SI LA SOLUCION ES COMPLETA SE GENERAN Fe2, Cu2
Y SULFATO
CO2
Fe 2
CuS
Th F
O2
Fe 3
Th F
CuS
3-LA BACTERIA REGENERA EL OXIDANTE QUIMICO Fe3
4- EL CONTACTO FISICO NO ES NECESARIO
¿COMO SON LAS
BACTERIAS?
MORFOLOGIA Y
ESTRUCUTURA
Las bacterias son microorganismos procariotas de organización
muy sencilla. La célula bacteriana consta:
citoplasma. Presenta un aspecto viscoso, y en su zona central
aparece un nucleoide que contiene la mayor parte del ADN
bacteriano, y en algunas bacterias aparecen fragmentos circulares de
ADN con información genética , dispersos por el citoplasma:
son los plásmidos.
La membrana plasmática presenta invaginaciones, que son los
mesosomas, donde se encuentran enzimas que intervienen en
la síntesis de ATP, y los pigmentos fotosintéticos en el caso de
bacterias fotosintéticas.
En el citoplasma se encuentran inclusiones de diversa naturaleza
química.
Muchas bacterias pueden presentar flagelos generalmente rígidos,
implantados en la membrana mediante un corpúsculo basal . Pueden
poseer también, fimbrias o pili muy numerosos y cortos, que pueden
servir como pelos sexuales para el paso de ADN de una célula a otra.
Poseen ARN y ribosomas característicos, para la síntesis de
proteinas.
pared celular es rígida y con moléculas exclusivas de bacterias.
NUTRICION
El éxito evolutivo de las bacterias se debe en parte a su
versatilidad metabólica.
Todos los mecanismos posibles de obtención de materia y energía
podemos encontrarlos en las bacterias.
Según la fuente de carbono que utilizan, los seres vivos se dividen
en autótrofos, cuya principal fuente de carbono es el CO2 , y
heterótrofos cuando su fuente de carbono es materia orgánica.
Por otra parte según la fuente de energía, los seres vivos pueden
ser fototrofos, cuya principal fuente de energía es la luz, y los
organismos quimiotrofos, cuya fuente de energía es un compuesto
químico que se oxida.
CATEGORIAS
QUIMIOHETEROTROFO
QUIMIOAUTOTROFO
FOTOHETEROTROFO
FOTOAUTOTROFO
QUIMIOHETEROTROFO
Las bacterias quimioheterótrofas, utilizan un compuesto
químico como fuente de carbono , y a su vez, este mismo
compuesto es la fuente de energía. La mayor parte de las
bacterias cultivadas en laboratorios y las bacterias patógenas
son de este grupo.
QUIMIOAUTOTROFO
Las bacterias quimioautótrofas, utilizan compuestos
inorgánicos reducidos como fuente de energía y el
CO2 como fuente de carbono. Como por ejemplo,
Nitrobacter, Thiobacillus.
FOTOAUTOTROFRAS
Las bacterias fotoautótrofas, utilizan la luz como fuente
de energía y el CO2 como fuente de carbono. Bacterias purpureas.
FOTOHETEROTROFAS
Las bacterias fotoheterótrofas, utilizan la luz como
fuente de energía y biomoléculas como fuente de carbono.
Ejemplos como Rodospirillum y Cloroflexus.
REPRODUCCION
Generalmente las bacterias se reproducen por bipartición, como se
ve en el siguiente esquema:
Tras la duplicación del ADN, que esta dirigida por la ADNpolimerasa que se encuentra en los mesosomas, la pared bacteriana
crece hasta formar un tabique transversal separador de las dos
nuevas bacterias.
RESUMEN
LA BIOLIXIVIACION DE MINERALES SE PRESENTA COMO
UNA ALTERNATIVA ECOLOGICA PARA LA EXTRACCION
DE MINERALES SULFURADOS DE BAJA LEY.
LA GRAN RENTABILIDAD QUE PROVOCA EN LA EMPRESA
MINERA POR SU BAJO COSTO Y ALTO RENDIMIENTO.
UNA VES ACTIVADA LA BACTERIA POR SI MISMA
GENERA SU AMBIENTE
RESUMEN
VENTAJAS DE LA:
BIOLIXIVIACION
TRATAMIENTO DE
MINERALES QUE POR
OTROS METODOS
SERIA IMPOSIBLE
TRATAR
EL CUIDADO DEL MEDIO
AMBIENTE DURATE
EL APROVECHAMIENTO
DE RECURSOS NATURALES
PRESENTES EN EL MEDIO