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Pres biotec

  1. 1. La biotecnología aplicada a losprocesos minero-metalúrgicos Dr. José Luz González Chávez Fac. de Química
  2. 2. 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.
  3. 3. 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.
  4. 4. 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.
  5. 5. 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
  6. 6. Reacciones► Oxidación► Reducción► Alquilación► Solubilización► Precipitación► Etc.
  7. 7. Participación de los elementos en reacciones que se producen en la interfase biotecnología-materiales.
  8. 8. 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.
  9. 9. Procesos biotecnológicos relacionados con la I. M. M.► Biodecontaminación► Biotecnología minera► Biogénesis► Biocorrosión► Generación de drenajes ácidos de minas
  10. 10. 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).
  11. 11. ProcesosDe acuerdo al modo de acción y a la naturalezade los contaminantes:► Biodegradación► Bioreducción► Biolixiviación► Biofijación o biosorción
  12. 12. Biodegradación► Descomposición de un sustrato orgánicopor acción microbiológica.
  13. 13. Bioreducción► Reducción de compuestos oxidados (nitratos,óxidos metálicos, sulfatos, etc.) por acciónmicrobiológica.
  14. 14. Biolixiviación► Extracción de metales contenidos en carbones,suelos, sedimentos o minerales debida a lasolubilización (oxidación) de éstos por acciónmicrobiológica.
  15. 15. 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.
  16. 16. BIOTECNOLOGIA MINERA► Beneficio de minerales: Biofloculación y biooxidación.► Extracción hidrometalúrgica de metales:Biolixiviación de minerales.► Remediación de residuos: Biodegradación y biosorción.
  17. 17. 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.
  18. 18. 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.
  19. 19. 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.
  20. 20. BIOSORCIÓN
  21. 21. 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
  22. 22. 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.
  23. 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 ymateriales por acción bacteriana.
  24. 24. Biocorrosión: Bacts. oxidantes de azufre Ac. sulfúrico Oxígeno Ac. sulfhídrico Ac. sulfhídrico Sulfatos Bacts. sulfato reductoras
  25. 25. 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.
  26. 26. Drenajes ácidos de minas
  27. 27. 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.
  28. 28. 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.
  29. 29. 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.
  30. 30. 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.
  31. 31. 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.
  32. 32. 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+
  33. 33. ► También pueden acelerar la reacción:FeS2 + 7/2 O2 + H2O → Fe2+ + 2 SO42- + 2 H+durante la oxidación natural de la pirita.
  34. 34. Tratamiento de aguas ácidas► Ha sido el sistema más utilizado hastala fecha. Puede ser activo (neutralizacióny precipitación) o pasivo (humedales owetlands).
  35. 35. 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.
  36. 36. 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.
  37. 37. Precipitación► Estabilidad de los precipitados y condicionesde eliminación y almacenamiento, especialmentede hidróxidos metálicos, de sulfuros y dearseniatos.
  38. 38. 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.
  39. 39. Métodos de obtención de metales en el Siglo XX► Explotación por minería subterránea y a cieloabierto► Concentración de menas por flotación► Fusión de concentrados
  40. 40. Tecnologías Convencionales► Separaciones físicas► Química a alta temperatura
  41. 41. Investigación y desarrollo de procesos alternativos► Más sencillos► Económicos► Menos contaminantes
  42. 42. 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
  43. 43. 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
  44. 44. 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.
  45. 45. 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
  46. 46. 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.
  47. 47. 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
  48. 48. 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.
  49. 49. 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.
  50. 50. 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.
  51. 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 cobrecatalizada por Ag+.
  52. 52. Biolixiviación de concentrados decobre catalizada por Ag+.
  53. 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 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)
  54. 54. 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)
  55. 55. 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)
  56. 56. 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)

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