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La biotecnología aplicada a los procesos minero-metalúrgicos Dr. José Luz González Chávez Fac. de Química.

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1 La biotecnología aplicada a los procesos minero-metalúrgicos Dr. José Luz González Chávez Fac. de Química

2 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.

3 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.

4 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.

5 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

6 Reacciones Oxidación Reducción Alquilación Solubilización Precipitación Etc.

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

8 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. S e 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.

9 Procesos biotecnológicos relacionados con la I. M. M. Biodecontaminación Biotecnología minera Biogénesis Biocorrosión Generación de drenajes ácidos de minas

10 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).

11 Procesos De acuerdo al modo de acción y a la naturaleza de los contaminantes: Biodegradación Bioreducción Biolixiviación Biofijación o biosorción

12 Biodegradación Descomposición de un sustrato orgánico por acción microbiológica.

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

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

15 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.

16 BIOTECNOLOGIA MINERA Beneficio de minerales: Biofloculación y biooxidación. Extracción hidrometalúrgica de metales: Biolixiviación de minerales. Remediación de residuos: Biodegradación y biosorción.

17 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.

18 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.

19 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.

20 BIOSORCIÓN

21 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

22 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.

23 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.

24 Sulfatos Ac. sulfhídrico Ac. sulfúrico Oxígeno Bacts. oxidantes de azufre Bacts. sulfato reductoras Biocorrosión:

25 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.

26 Drenajes ácidos de minas

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

28 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.

29 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.

30 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.

31 Pirita, FeS 2 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.

32 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: FeS 2 + 7/2 O 2 + H 2 O Fe SO H + FeS /8 O /2 Fe /4 H 2 O 15/2 Fe SO /2 H +

33 También pueden acelerar la reacción: FeS 2 + 7/2 O 2 + H 2 O Fe SO H + durante la oxidación natural de la pirita.

34 Tratamiento de aguas ácidas Ha sido el sistema más utilizado hasta la fecha. Puede ser activo (neutralización y precipitación) o pasivo (humedales o wetlands).

35 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.

36 Neutralización H 2 SO 4 + CaCO 3 + H 2 O = CaSO 4.2H 2 O + CO 2 H 2 SO 4 + Ca(OH) 2 = CaSO 4.2H 2 O -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.

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

38 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.

39 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

40 Tecnologías Convencionales Separaciones físicas Química a alta temperatura

41 Investigación y desarrollo de procesos alternativos Más sencillos Económicos Menos contaminantes

42 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

43 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

44 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.

45 Tiobacillus ferrooxidans (quimiolitoautrotófica, acidófila y mesófila) Fuente de energía: Fe(II) y S(II-) de minerales Fuente de carbono: CO 2 del aire pH de crecimiento: ( ) Intervalo de temperatura: °C (28 – 35 °C) Reproducción: fisión binaria Poblaciones: 10E9 - 10E10 células/mL

46 Requerimentos energéticos Elementos Esenciales –Carbón, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre. Fuentes de energía –Materiales inorgánicos y CO 2 del aire como fuente de carborno. Función metabólica –Oxidación de especies reducidas de azufre (S 2- y/o S 0 ), de fierro (Fe 2+ ) o de ambos.

47 Mecanismos Mecanismo Directo CuFeS 2 + 9/2 O 2 + H + Cu SO Fe /2 H 2 OOxidación biológica Mecanismo indirecto completo CuFeS Fe H 2 O Cu SO Fe H + Oxidación química 17Fe /4 O H + 17Fe /2 H 2 OOxidación biológica Mecanismo indirecto incompleto CuFeS 2 + 4Fe 3+ Cu Sº + 5Fe 2+ Oxidación química 5Fe /4 O 2 + H + 5Fe /2 H 2 OOxidación biológica 2Sº + 3 O 2 + 2H 2 O 2H 2 SO 4 Oxidación biológica

48 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.

49 Ventajas Ausencia de emisiones de SO 2. 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.

50 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.

51 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+.

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53 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 ellos están fijos sobre la superficie del sulfuro. De estos cationes la plata ha sido el más efectivo en la lixiviación química y microbiológica de la calcopirita El efecto positivo de los iones de plata ha sido atribuido a la formación transitoria de un sulfuro de plata sobre la superficie de la calcopirita que permite la formación de pares galvánicos. Adicionalmente, este sulfuro de plata es oxidado a Ag + y Sº por un exceso de Fe 3+ Iniciando una vez más el ciclo de reacciones de acuerdo al siguiente esquema: CuFeS Ag + 2 Ag 2 S + Cu 2+ + Fe 2+ (1) 2 Ag 2 S + 4 Fe 3+ 4 Ag Fe Sº(2)

54 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 Fe 3+ /Fe 2+ 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 Fe 2+ Fe 3+ + e - (3) bacteria 2 S° + 2 H 2 O + 3 O 2 2 H 2 SO 4 (4)

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