Recuperación de valores metálicos por vía biohidrometalurgica*
Indice1. Introducción 2. Aspectos microbiologicos 3. Aspectos Experimentales 4. Conclusiones 5. Referencias
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:
- Requiere poca inversión de capital(las bacterias pueden ser aisladas a partir de aguas ácidas de minas).
- Bajos costos de operación necesarios para las operaciones hidrometalúrgicas en comparación con los procesos convencionales.
- Relativa ausencia de polución o contaminación ambiental durante el proceso.
- El tratamiento del creciente acumulo de minerales de baja ley en las minas los cuales no pueden ser económicamente procesados por los métodos convencionales.
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.
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.
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).
(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.