Biolixiviación o Lixiviación Bacteriana

Indice
1. Introducción
2. Microrganismos y su aplicación en la biogeotecnología de metales.
3. Composición de medios nutrientes
4. Adosamiento Bacteriano Y Mejoramiento De Cepas
5. Concentración Por Flotación

1. Introducción

La biolixiviación de minerales, concentrados y relaves sulfurados que contienen Au y Cu encapsulados es un concepto relativamente nuevo en comparación a los procesos de tostación, oxidación a presión y/o oxidación química, y rápidamente fue establecido como un pre-tratamiento alternativo de oxidación viable.
La técnica de oxidación bacteriana empleada para el tratamiento de minerales sulfurados auríferos se fundamenta en la acción efectiva de la bacteria Thiobacillus Ferrooxidans para oxidar especies reducidas de azufre a sulfato, y para oxidar el ión ferroso a ión férrico. El Thiobacillus Ferrooxidans es eficaz en ambiente ácido, aeróbico, móvil y quimioautotráfico y se presenta en forma de bastoncitos de 1-2 ìn de largo por 0.5-1.0 ìn de ancho, gran negativas. Presentan punto isoeléctrico entorno de 4.0 – 5.0 y se desenvuelven en el intervalo de temperatura de 28 – 35 C. La fuente de energía fundamental para el Thiobacillus Ferrooxidans es el ión Fe+2, pudiendo ser utilizados también el azufre y sus formas reducidas. Usa nutrientes básicos para su metabolismo a base de N, P, K, y Mg, Ca, como elementos de trazo.
La biolixiviación de sulfuros como proceso biohidrometalúrgico involucra un conjunto de reacciones químicas, metabólicas, enzimáticas y no enzimáticas, en el cuál el mineral insoluble es oxidado y otros metales de interés son liberados en solución.

2. Microrganismos y su aplicación en la biogeotecnología de metales.

Microorganismos y áreas de aplicación en hidrometalurgia
Hasta ahora los siguientes procesos microbiológicos son de importancia en la hidrometalurgia.
a) Oxidación de sulfuros, azufre elemental y fierro ferroso.
b) Producción de compuestos orgánicos, peróxidos, etc. por microorganismos organotróficos, los cuales atacan minerales oxidando o reduciendo los elementos con valencia variable.
c) Acumulación de elementos químicos o su precipitación por microorganismos.

Rol de la bacteria en la oxidación de Fe2, S y sulfuros.
La oxidación de Fe3, S y sulfuros esta mediada básicamente por las bacterias del género Thibacillus, Leptospirillum, Sulfolobus, Sulfobacillus y Acidianus. Especialmente importante para la hidrometalurgia son las bacterias acidofílicas, a bajos valores de pH los metales son solubilizados y pueden eventualmente recuperarse como un producto comercial.

Oxidación de Fe2+, S.
Tabla Nº 1. Microorganismos de importancia en Hidrometalurgia (Anexo)
Ferroxidans y otras bacterias. La reacción de oxidación se realiza probablemente de acuerdo al esquema siguiente:
bacteria
4Fe2 + O2 + 4H4 ———-> 4Fe3+ + 2H2O (1)
G300C = -38.0 Kj.mol-1
Esta reacción es importante para lixiviación de metales pues permite la acumulación de biomasa bacteriana en minerales y soluciones; obtener una fuerte oxidación de muchos sulfuros y producir un alto potencial redox en el medio.

Oxidación de los sulfuros.
La bacteria es capaz de oxidar los siguientes sulfuros.
– Pirita y Marcasita (FeS2)
– Pirrotita (FeS)
– Chalcopirita (CuFeS2)
– Bornita (Su,FeS4)
– Covelita (Cu2S)
– Tetrahedrita (Cu8SB2S7)
– Enargita (3Cu2,S.AS2S5)
– Arsenopirita (FeAsS)
– Realgar (AsS)
– Orpimenta (As2S3)
– Cobaltita (CoAsS)
– Petlandita (Fe,Ni)9S8
– Violarita (Ni2FeS4)
– Bravoita (Ni,Fe)S2
– Milerita (NiS)
– Polidimita (Ni3S4)
– Antimonita (Sb2S3)
– Molibdenita (MoS2)
– Esfalerita (ZnS)
– Marmatita (ZnS)
– Galena (PbS)
– Geocronita Pb5(Sb,As2)S8,Ga2S3

Mecanismos de oxidación bacterial de Fe2 +, S y sulfuros
La oxidación de Fe2+ y compuestos reducidos de azufre; por la bacteria es en extremo complejo y un proceso de múltiples etapas las cuales no han sido profundamente investigadas.
Involucra la adhesión bacteriana a minerales, su destrucción, solubilización de azúfre, transporte de S, Fe2+ o iones de otros metales hacia la célula y su oxidación.
Como ha sido demostrado por la oxidación de la pirita, por T. ferrooxidans, el potencial electrodo mineral (EP) es considerablemente bajo mientras que el potencial redox del medio (Eh) es alto, produciendo un medio oxidante.
En ausencia de bacterias, mientras EP de la pirita y Eh del medio tienen similares valores, la oxidación no se realiza.
Este modelo ha sido también propuesto para otros minerales. En una mezcla de diferentes sulfuros formando parejas galvánicas la bacteria preferencialmente oxida a aquellos con un bajo EP, por ejemplo: sulfuroanodo.
Obviamente, la dirección de oxidación microbiológica de los sulfuros coincide con la oxidación electroquímica. Por lo tanto puede ser considerado como un proceso electroquímico biológicamente intensificado o corrosivo. También un ataque bacteriano al sulfuro aumenta la deformación de la estructura cristalina facilitando el proceso de oxidación. Ver tabla 3. (Anexo)

Características de las bacterias oxidantes de Fe2+, S y sulfuros.
Género Thiobacillus
Pequeños bacilos gran negativos. Móviles por medio de un flagelo polar. No forman esporas, estrictamente aerobios (excepto Thiobacillus denitrificans, que es aerobio facultativo).
T. ferrooxidans.- Es fácilmente aislado de los drenajes de las minas.
Crecen sobre medio líquido con Fe2+ y Sulfuros, como en medio solido de sílica gel o poliacrilamida.
Características de Thiobacillus acidofílicos quimiolitoautotróficos obligados (Anexo)
Características de los Thiobacillus acidofílicos quimiolitoautotróficos facultativos (Anexo)
Características de las especies del género Sulfobacillus (Anexo)
Características de las especies del género Leptospirillum ferrooxidans (Anexo)
Características de los termoacidofílicos que participan en los ciclos del azufre y fierro (Anexo).
Otros heterotróficos contaminantes de T. ferrooxidans
Asociación sintrófica de bacterias fierro y azufre oxidantes

3. Composición de medios nutrientes

Aislamientos sucesivos de nuevos y ya conocidos microorganismos activos en el proceso biogeoquímico y una alta velocidad de lixiviación de metales depende de la calidad del medio nutritivo. A continuación veremos la composición de los medios nutritivos probados para el aislamiento y cultivo de los microorganismos más importantes en la biogeotecnología de metales.
Metodos de enumeracion de microorganismos
Método de dilución en serie.
Este método es el más antiguo de todos. Aún es muy usado para numerar células viables de microorganismos autotróficos y heterotróficos.
Con la finalidad de obtener la dilución final (1010) se usa el medio nutritivo adecuado en vez del agua. En la práctica para enumerar bacterias en 1 ml de solución ó 1 gr de mineral se usan tablas basadas en la variación estadística de métodos.

Enumeración de colonias
Las colonias son obtenidas por inoculación de medio sólido o por fijación sobre un filtro de membrana después de filtración.
El número óptimo de colonias estimadas por placa está entre 30 – 300.

Enumeración usando un microscopio
La enumeración directa de células es realizada en porta-objetos al microscopio o usando diferentes tipos de cámaras de conteo, por ejemplo: Thoma, Petrov, Hauser, etc. A continuación detallaremos varios métodos modernos para enumeración de T. ferrooxidans. Estos métodos son viables para numerar a estas bacterias sino también para numerar diferentes especies de thiobacillus. Esto es en extremo importante ya que el mismo medio puede ser usado para cultivar bacteria de diferente taxonomía haciendo difícil su identificación.
Método indirecto de tinción de anticuerpos fluorescentes.
Este método viable para la identificación de T. ferrooxidans es un medio mixto de varias horas. Para lo cual se necesita:
a) Filtros del tipo policarbonato;
b) Suero de conejo FITC conjugado comercialmente viable.
c) Suero de conejo anti-T.ferrooxidans sin purificar.

Determinacion de la actividad bacterial
Determinación la fijación de co2
La actividad del crecimiento bacteriano de los quimiolitoautotróficos en botaderos, tanques de lixiviación puede ser determinado por la intensidad de fijación de CO2. Describiremos algunos ejemplos de la aplicación de este método. Agua ácida de mina conteniendo bacterias y Fe2+ (volumen de muestra 10 ml) es colectada y colocada en frascos de 12 – 15 ml y selladas con tapas de goma.

Otros métodos de determinación de actividad bacterial
En la lixiviación de botaderos y módulos es posible determinar la velocidad de oxidación bacterial del Fe2+ solo en la solución. La actividad de las bacterias oxidantes de Fe2+ en soluciones se ha demostrado, no ser siempre favorable, y el número de células es frecuentemente bajo variando de 2.5 x 104 a 2.5 x 106 células/ml.
La muestra de agua también difieren en actividad bacterial.
Por lo tanto, la eficiencia de oxidación de Fe2+ debe ser determinada en diferentes lugares de la operación de lixiviación. Muestras de agua de mina (30 ml) son colocadas en un frasco Erlenmeyer de 100 ml, cubiertos con papel de aluminio y las muestras son colocadas en su temperatura natural.

Fundamentos Electroquimicos De La Biolixiviacion
La bacteria del tipo «Thiobacillus» además de propiciar la formación de sulfato ferroso, azufre elemental y compuestos solubles de azufre inorgánico, también puede oxidar muchos minerales sulfurados utilizándolos como donadores de electrones. Simultáneo al proceso de oxidación, la bacteria utiliza el CO2 como su fuente de carbono.

Electroquimica De Minerales Sulfurados
Los minerales nobles son los menos suceptibles a oxidación y por ende los más activos son fácilmente oxidables. Cuando dos sulfuros entran en contacto con un medio lixiviante se establece una celda galvánica dentro de la cual el sulfuro más activo se corroe mientras que el más noble se protege catódicamente.
La energía para el proceso de disolución galvánica es la diferencia de potencial entre el par galvánico, mientras que la velocidad de oxidación anódica es la corriente galvánica que fluye a través de este circuito.

Influencia Del Potencial Y Ph
El potencial de oxidación, Eh, de un sistema de lixiviación es tan importante como el potencial de reposo. Debe existir una gradiente entre el potencial (Eh) del medio y el potencial de los sulfuros para que produzca una disolución.
Los dos parámetros más importantes que controlan las reacciones de biolixiviación son el potencial y el pH puesto que influyen directamente en la actividad metabólica de la bacteria.

Mecanismos De Reaccion Electrobioquimicos
Las probables reacciones involucradas en la biolixiviación de sulfuros complejos son:
1. Pb – Zn – Cu:
ZnS = Zn2+ + 2e- + S (Oxidación anódica de la esfalerita)
PbS = Pb2+ + 2e- + S (Oxidación anódica de la galena)
(PbSO4 precipita en un medio biolixiviante)
CuFeS2 = Cu2+ + Fe2+ + 4e- + S
(Oxidación anódica de la chalcopirita)
O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O (Reducción catódica del oxígeno en la superficie de los minerales más nobles, tales como pirita y chalcopirita)
La oxidación de la esfalerita será una reacción prominentemente anódica, mientras que la reacción anódica de la chalcopirita sucede solamente si ésta entra en contacto con la pirita.
2. Cu – Ni – Fe;
FeS = Fe2+ + S + 2e- (Oxidación anódica de la pirrotita)
(FexNi1-x)9S8 = 9xFe2+ + 9(1-x)Ni2+ + 8S + 18e-
(Oxidación anódica de la pentladita)
La reacción total generalizada puede expresarse de la siguiente forma:
2MS + O2 + 4H+ = 2M2+ + 2S + 2H2O
El azufre elemental producto de la oxidación anódica se acumula en la superficie lixiviada y puede actuar como una barrera difusional disminuyendo la velocidad de lixiviación.

4. Adosamiento Bacteriano Y Mejoramiento De Cepas.

Los siguientes factores deben tomarse en cuenta para un proceso de biolixiviación eficiente en el tratamiento de minerales complejos.
1. El adosamiento bacteriano en áreas selectivas de los sulfuros y el ataque directo.
2. Uso de cepas especialmente adaptadas a minerales específicos y tolerantes a metales.
3. Uso de bacterias genéticamente preparadas.
El adosamiento bacteriano a superficies minerales ha sido estudiado ampliamente, microfotografías demuestran que la mayor parte de las bacterias se encuentran en el sustrato sólido fuertemente adosadas.

Tratamiento De Minerales Refractarios De Oro
Minerales refractarios o más apropiadamente, minerales problema, se presentan en diferentes formas. Estas incluyen al oro químicamente combinado (teluros), oro encapsulado o finamente diseminado en minerales sulfurados: pirita y principalmente arsenopirita; y el oro lixiviable pero que es readsorbido en materiales carbonosos que contiene el mineral.
El oro encapsulado o finamente diseminado en minerales sulfurados es el mas común existiendo numerosos depósitos alrededor del mundo con esta problemática: Campbell Red Lake Mines, The Giant Yellowknife Mines, Dickenson Joint Venture y The Kerr Addison Mines en Canadá, otros depósitos incluyen Cortez, Getchell, y McLaughlin, Carlin, Bald Mountain, Jardine y Mercur Mines en U.S.A., Dacasun, Mindyak y Kazakhstan en U.S.S.R., Barberton, Eastern Transval y Witwatersrand en South Africa, Pórgera en Pagua New Guinea, y otros depósitos en Australia, Brasil y Perú.
Procedimientos Técnicos De Recuperación Del Au A Partir De Minerales Refractarios
Cuando el oro es encapsulado o asociado con sulfuros, su procesamiento generalmente comienza con flotación de un concentrado. Actualmente existen tres alternativas para el tratamiento de estos productos: tostación, lixiviación a presión y lixiviación bacteriana.

5. Concentración Por Flotación.

Los relaves provenientes de la flotación de valores polimetalicos: Pb-Ag y Zn, son previamente acondicionados para posteriormente flotar los valores de Py y Aspy auríferos.
La obtención del concentrado Aspy es factible por 2 métodos de Flotación Diferencial:
1ro.A partir del concentrado Bulk Py-Aspy, flotando la Py deprimiendo la Aspy con Na2S(sulfuro de sodio), el Concentrado Aspy viene a ser las colas de la flotación Py.
2do.A partir del Relave Final, por Flotación Diferencial Directa, flotando 1ro la Py y deprimiendo la Aspy co n Na2S, para posteriormente acondicionar y flotar los valores de Aspy.

Apendice
Ecuaciones usadas para los cálculos de biolixiviación
1. Cambio de masa durante biolixiviación
2. Adición de ácido para estabilizar la pulpa de biolixiviación.
3. Consumo de cal durante biolixiviación
4. Cantidad neta de ácido generado/consumido durante la biolixiviación.
5. Remoción de sulfuros
6. Disolución de cobre.