La biotecnología aplicada a los procesos minero-metalúrgicos

Dr. José Luz González Chávez

Fac. de Química

Biotecnología

► Uso de la microbiología, la bioquímica y la ingeniería con el fin de lograr aplicaciones tecnológicas industriales provenientes de microorganismos o de células de cultivo de tejidos y sus partes.

► Explotación industrial del potencial de microorganismos, células vegetales y animales en beneficio del hombre, plantas y animales.

Áreas de apoyo

► La biotecnología está recibiendo, tanto a nivel social, como de los gobiernos e investigadores, una atención especial.

► Estos esfuerzos se han desarrollado sobretodo en los campos farmacéutico, alimentario, de la química orgánica y de las enzimas, sin prestar especial atención al campo de los metales.

Difusión-apoyo

El potencial de las transformaciones de metales por microorganismos, no ha sido promocionado y apoyado de forma tan clara como las otras áreas de la biotecnología.

► Un número relativamente reducido de investigadores dedicados a estos temas.

► El conocimiento de los mecanismos de estos procesos es incompleto. Además se trata de sistemas muy heterogéneos, con diseño, ingeniería y control difíciles.

Tabla periódica y biotecnología

La mayoría de los elementos de la tabla periódica, por supuesto los metales, son transformados microbiológicamente, por lo que estos procesos pueden ser aplicables a escala biotecnológica.

► Biogénesis

► Biolixiviación

► Biocorrosión

► Bioacumulación

Reacciones

► Oxidación

► Reducción

► Alquilación

► Solubilización

► Precipitación

► Etc.

Participación de los elementos en reacciones que se producen en la interfase biotecnología-materiales.

Biotecnología en procesos minero-metalúrgicos:

► La biotecnología sólo está siendo aplicada en la obtención de metales para la extracción de cobre, uranio, cobalto, oro y plata.

► Se están haciendo esfuerzos importantes para conseguir su implantación a escala industrial en el tratamiento de otros minerales.

► Se investigan también otros procesos biotecnológicos de aplicación en la industria minero-metalúrgica.

Procesos biotecnológicos relacionados con la I. M. M.

► Biodecontaminación

► Biotecnología minera

► Biogénesis

► Biocorrosión

► Generación de drenajes ácidos de minas

Biodecontaminación

► Es el conjunto de procesos de eliminación de contaminantes, orgánicos e inorgánicos, presentes en suelos, minerales, carbones, sedimentos o efluentes líquidos, por acción de microorganismos (bacterias, levaduras, hongos).

Procesos

De acuerdo al modo de acción y a la naturaleza de los contaminantes:

► Biodegradación

► Bioreducción

► Biolixiviación

► Biofijación o biosorción

Biodegradación

► Descomposición de un sustrato orgánico por acción microbiológica.

Bioreducción

► Reducción de compuestos oxidados (nitratos, óxidos metálicos, sulfatos, etc.) por acción microbiológica.

Biolixiviación

► Extracción de metales contenidos en carbones, suelos, sedimentos o minerales debida a la solubilización (oxidación) de éstos por acción microbiológica.

Biofijación o biosorción

► Remoción de contaminantes, generalmente metálicos, presentes en un líquido sobre microorganismos vivos o muertos.

► El uso de biomasa ha abierto nuevas expectativas para la eliminación de los metales tóxicos de aguas residuales, o para la recuperación de los metales valiosos.

BIOTECNOLOGIA MINERA

► Beneficio de minerales:

Biofloculación y biooxidación.

► Extracción hidrometalúrgica de metales: Biolixiviación de minerales.

► Remediación de residuos:

Biodegradación y biosorción.

Biofloculación

► Modificación de la superficie de un mineral por acción bacteriana previa a la concentración para lograr separaciones por flotación más selectivas.

► También se le llama flotación inducida por microorganismos.

Biooxidación

► Solubilización de los constituyentes del mineral por acción bacteriana.

► Se remueven los constituyentes del mineral que interfieren con la extracción convencional de los valores metálicos.

► La solución se desecha y el residuo se procesa para obtener metales.

Biolixiviación

► Ataque y solubilización de un mineral por acción bacteriana.

► Se extraen los valores metálicos.

► El residuo se desecha y la solución se procesa para obtener metales.

BIOSORCIÓN

Caracterísiticas de la biomasa

La biomasa puede tener naturaleza muy diversa:

► Puede estar viva o muerta, libre o inmovilizada sobre algún soporte.

► Puede ser unicelular o pluricelular, tratarse de algún compuesto celular (diferentes tipos de polímeros) o incluso de productos de excreción

Mecanismos de biosorción►Transporte activo de los iones metálicos a través de la pared celular del biosorbente.

►Ingestión de partículas.

►Intercambio iónico, Complejación o quelación.

►Adsorción física.

►Precipitación.

►Atrapamiento de partículas por órganos o por metabolitos extracelulares.

Otros procesos biológicos

► Biogénesis o biomineralización.

Es la formación de minerales en suelos a partir de sus componentes por acción bacteriana

► Biocorrosión.

Es la degradación de metales y materiales por acción bacteriana.

Sulfatos

Ac. sulfhídrico

Ac. sulfhídrico

Ac. sulfúrico

Oxígeno

Bacts. oxidantes de azufre

Bacts. sulfato reductoras

Biocorrosión:

Generación de drenajes ácidos de mina

► Debido a las condiciones de humedad, temperatura, pH, disposición de residuos de explotación minera, y sobretodo a la presencia de microorganismos, la meteorización de los residuos mineros de sulfuros metálicos abandonados puede generar sulfatos metálicos solubles y ácido sulfúrico.

Drenajes ácidos de minas

Residuos mineros

► El problema ambiental de generación de El problema ambiental de generación de residuos no se limita a los aspectos derivados de residuos no se limita a los aspectos derivados de la confinación, como el volumen de ocupación, o la confinación, como el volumen de ocupación, o los riesgos de contención, etc. los riesgos de contención, etc. ► El problema añadido a la generación de El problema añadido a la generación de residuos, y en particular a los de la industria residuos, y en particular a los de la industria minera, es la transformación de los mismos y la minera, es la transformación de los mismos y la problemática adicional que esto conlleva.problemática adicional que esto conlleva.

Meteorización de residuos mineros

► Los residuos de los procesos mineros y metalúrgicos, una vez vertidos, quedan expuestos a las cambiantes condiciones ambientales.

► La acción del agua, el oxígeno, las bacterias, la temperatura, etc, sobre estos residuos, y las transformaciones a las que ello da lugar, constituye lo que

se conoce con el nombre de meteorización o weathering.

Meteorización de un mineral sulfurado

► Cuando el residuo que se abandona es un mineral sulfurado sometido a la acción del oxígeno y del agua, éste será “lixiviado”, y la consecuencia inmediata será la generación de aguas ácidas.

Exposición de materiales piríticos

► Como consecuencia de la explotación de los yacimientos mineros de carbón, sulfuros metálicos, uranio y otros, grandes cantidades de materiales piríticos quedan expuestos a la meteorización.

Pirita, FeS2

► El principal compuesto implicado en la generación de acidez es la pirita.

► Causa problemas ambientales tanto cuando se encuentra asociada a la materia prima (sufuros polimetálicos y carbones), como cuando se encuentra asociada a los residuos de mina.

DAMs

► Ciertas bacterias catalizan el proceso de generación de DAM provocando un incremento en la velocidad global del proceso.

► El papel de las bacterias es catalizar la transferencia electrónica entre el oxígeno y la pirita en las reacciones:

FeS2 + 7/2 O2 + H2O Fe2+ + 2 SO42- + 2 H+

FeS2 + 15/8 O2 + 13/2 Fe3+ + 17/4 H2O

15/2 Fe2+ + 2 SO42- + 17/2 H+

► También pueden acelerar la reacción:

FeS2 + 7/2 O2 + H2O Fe2+ + 2 SO42- +

2 H+

durante la oxidación natural de la pirita.

Tratamiento de aguas ácidas

► Ha sido el sistema más utilizado hasta la fecha. Puede ser activo (neutralización y precipitación) o pasivo (humedales o wetlands).

Tratamiento ácido

►Objetivo: Eliminar la acidez, precipitar los metales pesados y recuperar cualquier sustancia perjudicial en forma de sólido en suspensión.

► Reactivos: Bases que neutralizan la acidez, precipitan los metales como hidróxidos y retiran aniones como arseniatos y antimoniatos en forma de compuestos insolubles cuando el pH es neutro, como carbonato e hidróxido de calcio.

Neutralización

H2SO4 + CaCO3 + H2O = CaSO4.2H2O + CO2

H2SO4 + Ca(OH)2 = CaSO4.2H2O

-El producto formado es yeso el cual tiene una gran tendencia a la sobresaturación en solución acuosa y a la formación de adherencias en las conducciones.

Precipitación

► Estabilidad de los precipitados y condiciones de eliminación y almacenamiento, especialmente de hidróxidos metálicos, de sulfuros y de arseniatos.

Humedales o wetlands

► La vegetación, el suelo sumergido y los microorganismos contribuyen a mejorar la calidad del agua al pasar por ellos. En algunos humedales el pH está tamponado y la acidez y los metales pesados en solución se reducen apreciablemente al pasar.

► Son sistemas en desarrollo y por tanto poco aplicados a escala industrial.

Métodos de obtención de metales en el Siglo XX

► Explotación por minería subterránea y a cielo abierto

► Concentración de menas por flotación

► Fusión de concentrados

Tecnologías Convencionales

► Separaciones físicas

► Química a alta temperatura

Investigación y desarrollo de procesos alternativos

► Más sencillos

► Económicos

► Menos contaminantes

Disolución bacteriana

Durante miles de años se biolixivió cobre de minerales de baja ley, sin darse cuenta que esta extracción es imposible sin la presencia de una bacteria que crece en las minas

Uso de técnicas biológicas en ingeniería minera

► Creciente complejidad y empobrecimiento de los minerales

► Agotamiento de las reservas de minerales oxidados

► Aumento en los costos de producción

► Severas legislaciones anti-contaminantes

Microorganismos biolixiviantes

► Mesófilos (20 – 40 °C): Thiobacillus (Tf y Tt) y Leptospirillium (Lf ).

► Termófilos moderados (40 – 55 °C): Sulfobacillus (S. thermosulfidooxidans).

► Termófilos extremos (> 55 °C): Sulfolobus acidanus (S. acidocaldarius y S. brierleyi), Metallosphaera y Sulfurococcus.

Tiobacillus ferrooxidans(quimiolitoautrotófica, acidófila y mesófila)

► Fuente de energía: Fe(II) y S(II-) de minerales

► Fuente de carbono: CO2 del aire

► pH de crecimiento: 1.0 - 6.0 (2.0 - 2.5)

► Intervalo de temperatura: 2 - 40 °C (28 – 35 °C)

► Reproducción: fisión binaria

► Poblaciones: 10E9 - 10E10 células/mL

Requerimentos energéticos

•Elementos Esenciales

–Carbón, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre.

•Fuentes de energía

–Materiales inorgánicos y CO2 del aire como fuente de carborno.

•Función metabólica

–Oxidación de especies reducidas de azufre (S2- y/o S0), de fierro (Fe2+ ) o de ambos.

Mecanismos

Mecanismo Directo

CuFeS2 + 9/2 O2 + H+ Cu2+ + 2SO42- + Fe3+ + 1/2 H2O Oxidación biológica

 

Mecanismo indirecto completo

CuFeS2+ 16Fe3+ + 8H2O Cu2+ + 2SO42- + 17Fe2+ + 16H+ Oxidación química

17Fe2+ + 17/4 O2 + 17H+ 17Fe3+ + 17/2 H2O Oxidación biológica

 

Mecanismo indirecto incompleto

CuFeS2 + 4Fe3+ Cu2+ + 2Sº + 5Fe2+ Oxidación química

5Fe2+ + 5/4 O2 + H+ 5Fe3+ + 5/2 H2O Oxidación biológica

2Sº + 3 O2 + 2H2O 2H2SO4 Oxidación biológica

Mecanismos

► Directo: Ataque enzimático, el contacto físico entre bacteria y mineral es necesario

► Indirecto: Ataque químico por productos del metabolismo (Fe3+/ H+), el papel de la bacteria es regenerar este medio oxidante

► Mixto o cooperativo: Ambos mecanismos se llevan a cabo simultáneamente.

Ventajas

► Ausencia de emisiones de SO2.

► Obtención de permisos ecológicos en tiempos más cortos.

► Explotación de la zona en menor tiempo.

► Se generan productos estables.

► Costos y tiempo menores para legalizar los desechos.

► Costos de capital y operación menores.

► Utilización de equipos sencillos.

► Fácil separación de subproductos.

► Bajo consumo de reactivos.

► Gran versatilidad.

Desventajas

► Cinéticas aún lentas dependiendo del material y del método empleado.

► Dificultad para implantar la técnica a partir de los procesos en funcionamiento.

► Muy poco margen disponible de maniobra para la implantación y adaptación de nuevos procesos en la industria extractiva.

Proyectos de biolixiviación de cobre

► Biolixiviación de cobre en jales

► Biolixiviación de cobre en minerales

► Biolixiviación de cobre en concentrados

► Biolixiviación de concentrados de cobre catalizada por Ag+.

Biolixiviación de concentrados de cobre catalizada por Ag+.

Para mejorar la biolixiviación de los concentrados de flotación de cobre,se ha probado la adición de varios iones al medio lixiviante.

Estos iones pueden modificar el mecanismo de disolución electróquímica o las propiedades conductoras del sulfuro metálico cuando ellosestán fijos sobre la superficie del sulfuro.

De estos cationes la plata ha sido el más efectivo en la lixiviaciónquímica y microbiológica de la calcopirita

El efecto positivo de los iones de plata ha sido atribuido a la formacióntransitoria de un sulfuro de plata sobre la superficie de la calcopiritaque permite la formación de pares galvánicos.

Adicionalmente, este sulfuro de plata es oxidado a Ag+ y Sº por un exceso de Fe3+ Iniciando una vez más el ciclo de reacciones de acuerdo al siguiente esquema:

CuFeS2 + 4 Ag+ 2 Ag2S + Cu2+ + Fe2+ (1)

2 Ag2S + 4 Fe3+ 4 Ag+ + 4 Fe2+ + 2 Sº (2)

El efecto de la plata se incrementa por la presencia de bacterias ferro y tio oxidantes tales como Acidithiobacillus ferrooxidans.

Estos microorganismos oxidan a los iones ferrosos y al azufre elemental formados en las reacciones (1) y (2), manteniendo así una relación Fe3+/Fe2+ favorable para proveer Ag+ de manera continua y oxidando la capa de azufre elemental formada sobre la superficie de la calcopirita sin causar pasivación:

bacteria

Fe2+ Fe3+ + e- (3) bacteria

2 S° + 2 H2O + 3 O2 2 H2SO4 (4)

0 2 4 6 8 10 12 140

20

40

60

80

100

Cop

per e

xtra

ctio

n (%

)

Time (Days)

Uninoculated with silver @ 35°C Uninoculated with silver @ 68°C Inoculated @ 35°C Inoculated @ 68°C Inoculated with silver @ 35°C Inoculated with silver @ 68°C Silver conditioning @ 35°C and

inoculated @ 68°C

0 200 400 600 800 1000-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5b)

Conditioning stageElectrochemical

test

i (m

A.c

m-2)

Potential (mV vs Ag/AgCl)

68°C 68°C - 35°C 68°C - 68°C