BIOTECNOLOGIA EN LA DISOLUCION Y RECUPERACION DE METALES*

Biól. José J. Guerrero Rojas
Telf.:(51-1) 989 4678 / 484 2284 ; e-mail : esojgue@hotmail.com
*: Presentado en el Primer Congreso Peruano de Biotecnología y Bioingeniería, Trujillo, Perú, Noviembre 1998.

RESUMEN

En los últimos tiempos, la Biotecnología se ha convertido en una alternativa viable para la extracción de los valores presentes en las menas, así como para la recuperación de metales presentes en soluciones acuosas contaminantes. En el sector minero metalúrgico, los procesos biotecnológicos han logrado ser aplicados con éxito en la lixiviación de cobre y uranio, y en el pretratamiento de sulfuros auríferos refractarios. En el Perú, la Lixiviación Bacteriana ha sido aplicada con éxito en la recuperación de oro contenido en arsenopirita en Tamboraque, y en la disolución del cobre presente en los botaderos de Toquepala.

INTRODUCCION

El empleo de sistemas biológicos en los procesos industriales, conocida como Biotecnología, ha sido usada desde tiempos inmemoriales en la producción de vino, cerveza, pan, en la fabricación de antibióticos, en la industria alimentaria, entre otras aplicaciones. En el sector minero metalúrgico, la biotecnología ha sido utilizada como una herramienta en la disolución y recuperación de los valores metálicos contenidos en menas. Mayormente, los procesos microbianos han sido empleados en la lixiviación de cobre y uranio, en el mejoramiento de la extracción de metales preciosos contenidos en sulfuros refractarios, y en el tratamiento de aguas residuales.

El enorme potencial que representa el empleo de bacterias en los procesos mineros se grafíca con la afirmación que en 1979 brindara el Dr. Richard Manchee al respecto: ..."una planta de extracción de minerales del futuro podría tener el aspecto de una actual de tratamiento de agua: libre de la suciedad y de los montones de escorias asociadas con las operaciones mineras, mientras que bajo el suelo millones de microbios realizarían las tareas que en nuestros días se caracterizan por el rugido de las máquinas, el ruido de los picos y el traslado de mineral".

La Lixiviación Bacteriana, también conocida como Biolixiviación, Biohidro-metalurgia o Biooxidación de Sulfuros, puede ser definida como un proceso natural de disolución que resulta de la acción de un grupo de bacterias - principalmente del género Thiobacillus - con habilidad de oxidar minerales sulfurados, permitiendo la liberación de los valores metálicos contenidos en ellos. Por mucho tiempo, se pensó que la disolución o lixiviación de metales era un proceso netamente químico, mediado por agua y oxigeno atmosférico. El descubrimiento de bacterias acidófilas ferro- y sulfo-oxidantes ha sido primordial en la definición de la lixiviación como un proceso catalizado biológicamente.

En términos más globales, se puede señalar que la biolixiviación es una tecnología que emplea bacterias especificas para lixiviar, o extraer, un metal de valor como uranio, cobre, zinc, níquel y cobalto presente en las menas o en un concentrado mineral. El producto final de la biolixiviación es una solución ácida que contiene el metal valor en su forma soluble. De otro lado, el término biooxidación es un utilizado para describir un proceso que emplea bacterias para degradar un sulfuro, usualmente pirita o arsenopirita, en la que el oro o la plata, o ambos, se encuentran encapsulados.

La tecnología microbiana presenta ventajas sobre los métodos no biológicos, entre los que podemos encontrar:

  1. Requiere poca inversión de capital (las bacterias pueden ser aisladas a partir de aguas ácidas de minas).
  2. Bajos costos de operación necesarios para las operaciones hidrometalúrgicas en comparación con los procesos convencionales.
  3. Relativa ausencia de polución o contaminación ambiental durante el proceso.
  4. El tratamiento del creciente acumulo de minerales de baja ley en las minas los que no pueden ser económicamente procesados por los métodos tradicionales.
ASPECTOS MICROBIOLOGICOS

Thiobacillus ferrooxidans:

Los microorganismos que son responsables de la disolución de los metales a partir de minerales son, principalmente, organismos quimiosintéticos y autotróficos pertenecientes al género Thiobacillus, aunque como señalamos en un párrafo y tabla anterior, no es la única. De las especies de Thiobacillus que se conocen la que más atención ha recibido es Thiobacillus ferrooxidans, cuya presencia fue demostrada por Colmer y Hinkle, a comienzos de los años 50, en el drenaje unas minas de carbón, que reportaban altos contenidos de ácido y fierro.

T. ferrooxidans presenta forma bacilar, gram negativas, de 0.5 a 1.7 µ, algunas cepas tienen flagelos, es quimioautotrófico, capaz de oxidar compuestos inorgánicos como iones ferroso (Fe(II)) y azufre, los que le sirven de fuente primaria de energía. El carbono necesario para su arquitectura celular lo obtiene por fijación de CO2, de manera similar a las plantas verdes (Ciclo de Calvin-Benson).  Es aerobio (requiere de O2 como aceptor final de electrones), acidófilo (desarrolla en rangos de pH que varían entre 1.5 y 3.0), y a temperaturas que oscilan entre 25-35ºC. 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.

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 ® FeSO4 + H2SO4  .................1

2 FeSO4 + 0.5 O2 + H2SO4 ® 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 ® CuSO4 + 5 FeSO4 + 2 Sº  ................. 3

Chalcocita Cu2S + 2 Fe2(SO4)3 ® 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 ácido sulfúrico (H2SO4) por T. ferrooxidans según:

2 Sº + 3 O2 + 2 H2O ® 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 sulfuros metálicos directamente sin la participación del sulfato férrico producido biológicamente. El proceso se describe en la siguiente reacción :

MS + 2 O2 ® MSO4 .................. 6

donde M representa un metal bivalente.

bacteria

Pirita 2 FeS2 + H2O + 7.5 O2 ® Fe2(SO4)3 + H2SO4 ...... 7

bacteria

Chalcopirita 2 CuFeS2 + 8.5 O2 + H2SO4 ® 2CuSO4 + Fe2(SO4)3+ H2O ..8

Dado que el fierro siempre está presente en ambientes de lixiviación natural, es posible que tanto la lixiviación indirecta como la directa ocurran de manera simultánea.

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 factores, como el pH, la presencia de oxigeno, la temperatura, la influencia de la luz, los requerimientos nutricionales, tamaño de partícula, y el efecto de inhibidores, entre otros.

Otros microorganismos de importancia:

Dentro de este grupo y estrechamente asociados a T. ferrooxidans encontramos a:

MICROORGANISMO FUENTE ENERGETICA pH TEMPERATURA (ºC)
Thiobacillus ferrooxidans Fe+2 , U+4 , Sº 1.5 25 - 35
Thiobacillus thiooxidans 2.0 25 - 35
Leptospirillum ferrooxidans Fe+2 1.5 25 - 35
Sulfolobus Sº , Fe+2 , C orgánico 2.0 > a 60
Acidiphilium cryptum C orgánico 2.0 25 - 35
Th. intermedius Sº, S-2, C orgánico 2.5 30
Th. napolitanus Sº, S-2 2.8 30
Th. acidophilus Sº, S-2 3.0  
Th. thioparus Sº. S-2 3.5  
Thiobacillus TH2 y TH3 Fe+2, S-2 6.0 50
Metallogenium sp. Fe+2 4.5  
Heterotrofos C orgánico   25 - 40

Bacterias asociadas a la Lixiviación de Minerales (Ref. 6 y 29)

APLICACION DE LOS PROCESOS BIOTECNOLOGICOS

Biooxidación de Sulfuros

Muchos sulfuros metálicos pueden ser atacados por acción bacterial, dando lugar a la producción de los correspondientes sulfatos solubles. Para sulfuros refractarios de oro y metales del grupo del platino, el ataque bacterial resulta siendo un pretratamiento.

Proyecto, Ubicación Tipo & Tamaño Tecnología Aplicada Historia
Fairview, Sud Africa Oro, 35 tm/ día GENMIN, tanque agitado Construido en 1986, en operación
Sao Bento, Brazil  Oro, 150 tm/día GENMIN, una fase de tanque agitado previo al autoclave  Construido en 1990, en operación
Harbour Lights, Australia Oro, 40 tm/día  GENMIN, tanque agitado Construido en 1992, paralizado en 1994
Wiluna Mine, Australia Oro, 115 tm/día GENMIN, tanque agitado  Construido en 1993, en operación
Sansu, Ghana Oro, 1000 tm/día GENMIN, tanque agitado Construido en 1994, ampliado en 1995, en operación
Youanmi, Australia Oro, 120 tm/día BACTECH, tanque agitado Construido en 1994, en operación
Lo Aguirre, Chile Cu, lixiviacón en pilas Soc. Minera Pudahuel, bio-pilas Iniciado en 1980, paralizado en 1996
Cerro Colorado, Chile Cu, lixiviación en pilas Soc. Minera Pudahuel, biopilas Construido en 1993, en operación
Quebrada Blanca, Chile Cu, lixiviación en pilas Soc. Minera Pudahuel, biopilas Construido en 1994, en operación
Ivan-Zar, Chile Cu, lixiviación en pilas Soc. Minera Pudahuel, biopilas Construido en 1994, en operación
Mt, Leyshon, Australia Cu/Au, lixiviación en pilas Biopila de capa delgada más cianuración Construido en 1992, en cierre
Girilambone, Australia Cu, lixiviación en pilas Biopila Construido en 1993, en operación
Newmont-Carlin, USA Oro, lixiviación en pilas Biopila y cianuración Construido en 1995, en operación
Toquepala, Perú Cu, lixiviación de botaderos Dumps Iniciado en 1996, en operación
Tamboraque, Perú Oro, 60 tm/día BIOX, tanque agitado Construido en 1998, en operación y producción

Plantas de Biooxidación en Operación (ref. 3)

Desulfurización de Carbón

La presencia de azufre en las menas de carbón constituye un contaminante, cuya eliminación se presenta como un problema, sobre todo desde el punto de vista ambiental. La oxidación biológica de la porción piritosa o sulfurada permitirá eliminar el azufre presente. Muchos trabajos de laboratorio han demostrado que un importante porcentaje (generalmente por encima del 90%) del azufre contenido en la pirita puede ser removido del carbón bituminoso, sub-bituminoso y lignito en periodos de una a dos semanas por T. ferrooxidans. También es posible emplear bacterias termófilas del género Sulfolobus en la desulfurización de las menas de carbón.

La remoción del azufre orgánico presente en el carbón por vía microbiana es un área de interés por muchas razones. En algunos casos, la presencia de este tipo de azufre representa un porcentaje considerable del azufre total del carbón. Debido a que la efectiva desulfurización del carbón involucra la remoción del carbón orgánico como del inorgánico, los procesos microbianos que operan en condiciones cercanas a las ambientales, presentan innumerables ventajas sobre los métodos químicos y físicos convencionales.

Biorecuperación de Metales

Una tarea importante de la hidrometalurgia es la recuperación de los metales presentes en las soluciones, así como el tratamiento de las aguas residuales de las diferentes industrias, en cumplimiento de las rigurosas normas ambientales. Existen muchos microorganismos con capacidad para adsorber o precipitar metales. Algunas de las formas como los microbios recuperan los metales se detallan a continuación:

MICROORGANISMO FORMA DE ADSORCIÓN Y PRECIPITACIÓN
Hongos, Levaduras y Bacterias Biosorción de elementos radioactivos y otros: Al, Ag, Zn, Cr, Ni, Cu, etc. 
Chitina y Chitosan Adsorción de Se, Zr, Hf, Ru de aguas circundantes en un sistema de enfriamiento de un reactor nuclear. 
Bacterias Sulfato Reductoras Precipitación de metales a partir de soluciones.

C org. + SO4= Õ Sº + CO2

S= + Me Õ MeS ¯

Bacterias Reductoras Reducción del metal.

Cr+6 Õ Cr+3

PERSPECTIVAS FUTURAS

Son numerosas las posibilidades que se presentan para la aplicación de los procesos biotecnológicos en el beneficio de los minerales, algunos de los cuales reseñaremos brevemente en las siguientes líneas.

Los microorganismos pueden ser utilizados como agentes floculantes o como colectores en los procesos de flotación de minerales. La capacidad de muchos microorganismos de poder adherirse a superficies sólidas gracias a la interacción existente entre la carga de la pared celular y las condiciones hidrofobicas, modificando la superficie del mineral permitiendo su flotación y floculación (empleado en la separación de las fases sólida y líquida de una pulpa). Por ejemplo, se ha reporta que una bacteria hidrofobica es un excelente floculante para un número de sistemas minerales. Los minerales que han podido se floculados con esta organismo incluye a la hematita, ciertos lodos de fosfatos, floculación selectiva de carbón en menas piritosas, entre otras. Igualmente, este microorganismo es buen colector de hematita, y puede ser empleado en reemplazo del colector químico.

Otra área de enorme interés es el empleo de microorganismos heterótrofos, generalmente parte de la flora acompañante de Thiobacillus, como herramienta para la lixiviación de sistemas no sulfurados. Tal es el caso del empleo de un esquema de lixiviación bacterial heterotrófico para menas lateriticas de baja ley y que permitiría incrementar enormemente las reservas economicamente explotables de niquel. También el empleo de heterotrofos en la lixiviación de menas de manganeso, plata y fosfato podría incrementar el número de reservas para estos commodities importantes. Su empleo radica en la enorme ventaja que significa su rápida velocidad de crecimiento, en comparación con los autótrofos.

La biodegradación de compuestos tóxicos orgánicos representa otro rubro importante de aplicación de los procesos biológicos. Debemos recordar que una amplia variedad de sustancias, tóxicas y no tóxicas, pueden ser descargadas al medio ambiente como consecuencia de las operaciones mineras. Muchos de estos compuestos son productos químicos complejos empleados en flotación y en procesos hidrometalurgicos. Otros incluyen a productos derivados del petróleo empleados de manera diversa en las operaciones mineras. Se reporta la capacidad de especies de Klebsiella y Pseudomonas en la degradación de reactivos de flotación.

Asimismo, se reconoce la habilidad de ciertos microorganismos o de sus enzimas de degradar, bajo ciertas condiciones, cianuro empleado en la recuperación de oro y plata. Ejemplo a nivel industrial de esta aplicación, lo representa la planta de Homestake, en Estados Unidos, que viene funcionando desde 1984, y emplea una cepa nativa de Pseudomonas. En el Perú, se han realizado numerosas investigaciones al respecto por J. Guerrero (1992), J. Hurtado en la Universidad Cayetano Heredia y por investigadores del Centro de Investigaciones Metalúrgicas de la Universidad Nacional de Trujillo.

También es de potencial importancia el empleo de ciertas especies vegetales en la prospección geológica de yacimientos minerales como en la limpieza y recuperación de suelos contaminados con iones metálicos pesados. Aunque el empleo de plantas u organismos completos escapa a la definición de biotecnología, el uso de estas permitirá centrar su aplicación en áreas donde se tiene depósitos de relaves antiguos o en zonas urbanas caracterizadas por su alto grado de contaminación.

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