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Pres biotec Pres biotec Presentation Transcript

  • La biotecnología aplicada a losprocesos minero-metalúrgicos Dr. José Luz González Chávez Fac. de Química
  • Biotecnología► Uso de la microbiología, la bioquímica y la ingenieríacon el fin de lograr aplicaciones tecnológicas industrialesprovenientes de microorganismos o de células de cultivode tejidos y sus partes.► Explotación industrial del potencial demicroorganismos, células vegetales y animales enbeneficio del hombre, plantas y animales.
  • Áreas de apoyo► La biotecnología está recibiendo, tanto anivel social, como de los gobiernos einvestigadores, una atención especial.► Estos esfuerzos se han desarrollado sobretodoen los campos farmacéutico, alimentario, de laquímica orgánica y de las enzimas, sin prestarespecial atención al campo de los metales.
  • Difusión-apoyoEl potencial de las transformaciones de metales pormicroorganismos, no ha sido promocionado y apoyado deforma tan clara como las otras áreas de la biotecnología.► Un número relativamente reducido de investigadoresdedicados a estos temas.► El conocimiento de los mecanismos de estos procesoses incompleto. Además se trata de sistemas muyheterogéneos, con diseño, ingeniería y control difíciles.
  • Tabla periódica y biotecnologíaLa mayoría de los elementos de la tabla periódica,por supuesto los metales, son transformadosmicrobiológicamente, por lo que estos procesospueden 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 laobtención de metales para la extracción de cobre, uranio,cobalto, oro y plata.► Se están haciendo esfuerzos importantes paraconseguir su implantación a escala industrial en eltratamiento de otros minerales.► Se investigan también otros procesos biotecnológicosde 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 eliminaciónde contaminantes, orgánicos e inorgánicos,presentes en suelos, minerales, carbones,sedimentos o efluentes líquidos, por acción demicroorganismos (bacterias, levaduras,hongos).
  • ProcesosDe acuerdo al modo de acción y a la naturalezade los contaminantes:► Biodegradación► Bioreducción► Biolixiviación► Biofijación o biosorción
  • Biodegradación► Descomposición de un sustrato orgánicopor acción microbiológica.
  • Bioreducción► Reducción de compuestos oxidados (nitratos,óxidos metálicos, sulfatos, etc.) por acciónmicrobiológica.
  • Biolixiviación► Extracción de metales contenidos en carbones,suelos, sedimentos o minerales debida a lasolubilización (oxidación) de éstos por acciónmicrobiológica.
  • Biofijación o biosorción► Remoción de contaminantes, generalmentemetálicos, presentes en un líquido sobremicroorganismos vivos o muertos.► El uso de biomasa ha abierto nuevasexpectativas para la eliminación de los metalestóxicos de aguas residuales, o para larecuperación 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 unmineral por acción bacteriana previa a laconcentración para lograr separacionespor flotación más selectivas.► También se le llama flotación inducidapor microorganismos.
  • Biooxidación► Solubilización de los constituyentes delmineral por acción bacteriana.► Se remueven los constituyentes del mineralque interfieren con la extracción convencionalde los valores metálicos.► La solución se desecha y el residuo seprocesa para obtener metales.
  • Biolixiviación► Ataque y solubilización de un mineral poracción bacteriana.► Se extraen los valores metálicos.► El residuo se desecha y la solución seprocesa para obtener metales.
  • BIOSORCIÓN
  • Caracterísiticas de la biomasaLa biomasa puede tener naturaleza muydiversa:► Puede estar viva o muerta, libre oinmovilizada sobre algún soporte.► Puede ser unicelular o pluricelular,tratarse de algún compuesto celular(diferentes tipos de polímeros) o incluso deproductos de excreción
  • Mecanismos de biosorción►Transporte activo de los iones metálicos a través dela pared celular del biosorbente.►Ingestión de partículas.►Intercambio iónico, Complejación o quelación.►Adsorción física.►Precipitación.►Atrapamiento de partículas por órganos o pormetabolitos 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 ymateriales por acción bacteriana.
  • Biocorrosión: Bacts. oxidantes de azufre Ac. sulfúrico Oxígeno Ac. sulfhídrico Ac. sulfhídrico Sulfatos Bacts. sulfato reductoras
  • Generación de drenajes ácidos de mina► Debido a las condiciones de humedad,temperatura, pH, disposición de residuos deexplotación minera, y sobretodo a la presencia demicroorganismos, la meteorización de los residuosmineros de sulfuros metálicos abandonados puedegenerar sulfatos metálicos solubles y ácidosulfúrico.
  • Drenajes ácidos de minas
  • Residuos mineros► El problema ambiental de generación deresiduos no se limita a los aspectos derivados dela confinación, como el volumen de ocupación, olos riesgos de contención, etc.► El problema añadido a la generación deresiduos, y en particular a los de la industriaminera, es la transformación de los mismos y laproblemática adicional que esto conlleva.
  • Meteorización de residuos mineros► Los residuos de los procesos mineros y metalúrgicos,una vez vertidos, quedan expuestos a las cambiantescondiciones ambientales.► La acción del agua, el oxígeno, las bacterias, latemperatura, etc, sobre estos residuos, y lastransformaciones a las que ello da lugar, constituye lo quese conoce con el nombre de meteorización o weathering.
  • Meteorización de un mineral sulfurado► Cuando el residuo que se abandona es unmineral sulfurado sometido a la acción deloxígeno y del agua, éste será “lixiviado”, yla consecuencia inmediata será lageneración de aguas ácidas.
  • Exposición de materiales piríticos► Como consecuencia de la explotación delos yacimientos mineros de carbón,sulfuros metálicos, uranio y otros, grandescantidades de materiales piríticos quedanexpuestos a la meteorización.
  • Pirita, FeS2► El principal compuesto implicado en lageneración de acidez es la pirita.► Causa problemas ambientales tanto cuando seencuentra asociada a la materia prima (sufurospolimetálicos y carbones), como cuando seencuentra asociada a los residuos de mina.
  • DAMs► Ciertas bacterias catalizan el proceso de generación deDAM provocando un incremento en la velocidad globaldel proceso.► El papel de las bacterias es catalizar la transferenciaelectrónica 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 hastala fecha. Puede ser activo (neutralizacióny precipitación) o pasivo (humedales owetlands).
  • Tratamiento ácido►Objetivo: Eliminar la acidez, precipitar losmetales pesados y recuperar cualquier sustanciaperjudicial en forma de sólido en suspensión.► Reactivos: Bases que neutralizan la acidez,precipitan los metales como hidróxidos y retirananiones como arseniatos y antimoniatos enforma de compuestos insolubles cuando el pH esneutro, como carbonato e hidróxido de calcio.
  • NeutralizaciónH2SO4 + CaCO3 + H2O = CaSO4.2H2O + CO2H2SO4 + Ca(OH)2 = CaSO4.2H2O-El producto formado es yeso el cual tiene una grantendencia a la sobresaturación en solución acuosa ya la formación de adherencias en las conducciones.
  • Precipitación► Estabilidad de los precipitados y condicionesde eliminación y almacenamiento, especialmentede hidróxidos metálicos, de sulfuros y dearseniatos.
  • Humedales o wetlands► La vegetación, el suelo sumergido y losmicroorganismos contribuyen a mejorar la calidad delagua al pasar por ellos. En algunos humedales el pH estátamponado y la acidez y los metales pesados en soluciónse reducen apreciablemente al pasar.► Son sistemas en desarrollo y por tanto poco aplicados aescala industrial.
  • Métodos de obtención de metales en el Siglo XX► Explotación por minería subterránea y a cieloabierto► 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 bacterianaDurante miles de años se biolixivió cobre deminerales de baja ley, sin darse cuenta que estaextracción es imposible sin la presencia de unabacteria que crece en las minas
  • Uso de técnicas biológicas en ingeniería minera► Creciente complejidad y empobrecimiento de losminerales► Agotamiento de las reservas de mineralesoxidados► Aumento en los costos de producción► Severas legislaciones anti-contaminantes
  • Microorganismos biolixiviantes► Mesófilos (20 – 40 °C): Thiobacillus (Tf y Tt) yLeptospirillium (Lf ).► Termófilos moderados (40 – 55 °C): Sulfobacillus(S. thermosulfidooxidans).► Termófilos extremos (> 55 °C): Sulfolobusacidanus (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.
  • MecanismosMecanismo DirectoCuFeS2 + 9/2 O2 + H+ → Cu2+ + 2SO42- + Fe3+ + 1/2 H2O Oxidación biológicaMecanismo indirecto completoCuFeS2+ 16Fe3+ + 8H2O → Cu2+ + 2SO42- + 17Fe2+ + 16H+ Oxidación química17Fe2+ + 17/4 O2 + 17H+ → 17Fe3+ + 17/2 H2O Oxidación biológicaMecanismo indirecto incompletoCuFeS2 + 4Fe3+ → Cu2+ + 2Sº + 5Fe2+ Oxidación química5Fe2+ + 5/4 O2 + H+ → 5Fe3+ + 5/2 H2O Oxidación biológica2Sº + 3 O2 + 2H2O → 2H2SO4 Oxidación biológica
  • Mecanismos► Directo: Ataque enzimático, el contacto físico entrebacteria y mineral es necesario► Indirecto: Ataque químico por productos delmetabolismo (Fe3+/ H+), el papel de la bacteria esregenerar este medio oxidante► Mixto o cooperativo: Ambos mecanismos se llevan acabo 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 delmétodo empleado.► Dificultad para implantar la técnica a partir de losprocesos en funcionamiento.► Muy poco margen disponible de maniobra para laimplantación y adaptación de nuevos procesos en laindustria 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 cobrecatalizada por Ag+.
  • Biolixiviación de concentrados decobre 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 calcopiritaEl 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 debacterias ferro y tio oxidantes tales como Acidithiobacillusferrooxidans. Estos microorganismos oxidan a los iones ferrosos y alazufre elemental formados en las reacciones (1) y (2),manteniendo así una relación Fe3+/Fe2+ favorable para proveerAg+ de manera continua y oxidando la capa de azufre elementalformada sobre la superficie de la calcopirita sin causarpasivación: bacteria Fe 2+ → Fe3+ + e- (3) bacteria 2 S° + 2 H2O + 3 O2 → 2 H2SO4 (4)
  • 100 80 Uninoculated with silver @ 35°C Uninoculated with silver @ 68°C Inoculated @ 35°CCopper extraction (%) 60 Inoculated @ 68°C Inoculated with silver @ 35°C Inoculated with silver @ 68°C 40 Silver conditioning @ 35°C and inoculated @ 68°C 20 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Time (Days)
  • 3.5 b) 68°C 3.0 68°C - 35°C 68°C - 68°C 2.5 Condit ioning 2.0 Electrochem ical st age t esti (mA.cm )-2 1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 0 200 400 600 800 1000 Potential (mV vs Ag/AgCl)