Biolixiviacin de Metales en Minerales con Arsenopirita Mediante Cepas de

Acidithiobacillus ferrooxidans en Cultivo Continuo

Tesis que como Requisito para obtener el Grado de Doctor en Ciencias en Ciencia de Materiales presenta:

Mario Antonio Makita Aguilar

Director de Tesis: Dr. Erasmo Orrantia Borunda

Chihuahua, Chihuahua, Agosto de 2004

ii

DEDICATORIA

A Dios, por permitrmelo.

A mi querida esposa Margarita, mi fuente de amor, inspiracin y equilibrio.

A mis hijos, Margarita y Mario Antonio, mi motivacin y mi orgullo.

A la memoria de mis padres y de mi madre poltica, nuestras races.

A los Peques con un cario muy especial.

A mis hermanos, hermanos polticos y sobrinos con amor y afecto.

iii

RESUMEN

La Biolixiviacin es un proceso que ha sido usado en el pasado para el tratamiento previo de los sulfuros minerales, principalmente para la extraccin de oro, cobre y uranio. Esta tecnologa ha probado ser ms econmica, ms eficiente y ms amigable con el medio ambiente, que los procesos de tostado y de calentamiento hmedo a alta presin, usados convencionalmente. El microorganismo ms estudiado en los procesos de oxidacin biolgica es el Acidithiobacillus ferrooxidans. Existen muy pocos estudios sobre el beneficio de metales de bajo valor, mediante el uso de la biolixiviacin, de ellos, son sumamente escasos aquellos estudios que tratan sobre minerales complejos de arsenopirita ( FeAsS). La reduccin y/o eliminacin del arsnico en estos minerales, incrementara su valor y permitira la explotacin de una gran cantidad de menas que estn siendo subexplotadas. Este trabajo est orientado a estudiar la reduccin del contenido de arsnico en concentrados complejos de galena y calcopirita, adems de generar datos preliminares que permitan realizar estudios posteriores tendientes a comprender el comportamiento del proceso de biolixiviacin de estos minerales. En una primera etapa, el estudio trata de determinar la influencia de algunos factores, sobre la biolixiviacin del arsnico a partir de concentrados complejos de plomo y de cobre. Los principales factores que influyen el proceso biolgico de oxidacin, se estudiaron utilizando un diseo experimental factorial fraccionario de dos niveles. Los factores fueron: rea superficial, densidad de la pulpa, burbujeo de bixido de carbono, burbujeo de aire, adicin de medio 9K, adicin de FeCl3 y dos diferentes cepas de Acidithiobacillus ferrooxidans. En la segunda etapa, los resultados obtenidos en la primera etapa se utilizaron para disear un proceso continuo de biolixiviacin. La operacin continua de un proceso de fermentacin, ofrece algunas ventajas sobre los mtodos convencionales por lote, desde los puntos de vista operacionales y de costos. La ventaja ms visible es el incremento de la productividad con el uso del mismo equipo. Este trabajo explora la factibilidad de llevar a cabo el proceso de biolixiviacin de arsnico a partir de concentrados minerales complejos de plomo y cobre, usando el cultivo continuo.

iv

ABSTRACT

Bioleaching is a process that has been used in the past in mineral pretreatment of refractory sulfides, mainly in the gold, copper and uranium benefit. This technology has been proved to be cheaper, more efficient and environmentally friendly than roasting and high pressure moisture heating processes. So far the most studied microorganism in bioleaching is Acidithiobacillus ferrooxidans. There are a few studies about the benefit of metals of low value through bioleaching. From all of these, there are almost no studies dealing with complex minerals containing arsenopyrite (FeAsS). Reduction and/or elimination of arsenic in these ores increase their value and allows the exploitation of a vast variety of minerals that today are being underexploited. This work is aimed to reduce the arsenic content in complex concentrates of galena and chalcopyrite and to generate preliminary data to allow us to conduct further studies to understand the complex behavior of the bioleaching process. In the first step, this study deals with the influence of main factors in batch bioleaching over the arsenic solubilization from complex lead and copper concentrates. The main factors influencing the biooxidative treatment were tested using a two level fractional factorial plan of experiments and they were: surface area, pulp density, carbon dioxide bubbling, air bubbling, 9 K medium addition, FeCl3 addition, and two different At. Ferrooxidans strains. In the second step, results obtained during the first step, were used to design and a continuous bioleaching process. Continuous operation of a fermentation process offers a number of advantages over the conventional batch method from both cost and operational viewpoints. The most striking advantage is increased productivity from the same equipment. This work explores the feasibility of carry out the arsenic bioleaching process, over refractory lead and copper complex mineral ores, using continuous cultivation.

v

NDICE TEMA Pgina

INTRODUCCIN 1HIPTESIS 3OBJETIVO GENERAL 3OBJETIVOS PARTICULARES 3ANTECEDENTES 4

Biolixiviacin 4 Historia de la biolixiviacin 4 Mecanismos de la biolixiviacin 5 Mecanismo del tiosulfato 8 Mecanismo del polisulfuro 8 Conversin galvnica 8 Biolixiviacin de arsenopirita 9 Biolixiviacin de sulfuros de cobre 9 Microorganismos en la biolixiviacin 10 Caractersticas generales 10 Microorganismos asociados con la biolixiviacin 10 Acidithiobacillus ferrooxidans 12 Resistencia bacteriana al arsnico y antimonio 13 Minerales complejos de arsenopirita 15 Mtodos de biolixiviacin 17 Heap leaching (amontonamientos) 17 In situ 18 Columnas de percolacin 18 Cultivo por lote 19 Cultivo continuo 20

DESARROLLO EXPERIMENTAL 21 Estructura del trabajo experimental 21 MINERAL DE PLOMO 23 PRIMER EXPERIMENTO: Prueba de crecimiento de At.

ferrooxidans en un mineral de galena con alto contenido de arsnico

23

OBJETIVO 23 MATERIALES Y MTODOS 23

Mineral 23 Origen 23 Anlisis qumico y mineragrfico 23 Cultivo de Acidithiobacillus ferrooxidans en el mineral 24 Mediciones y muestreo del proceso de biolixiviacin 24

vi

RESULTADOS Y DISCUSIN 25 Composicin qumica del mineral 25 Complejidad del mineral 25 Espectros de energa dispersiva 29 Biolixiviacin de fierro y arsnico 34 Fotografas del ataque bacteriano a las partculas de

mineral 35

CONCLUSIONES DEL PRIMER EXPERIMENTO DEL MINERAL DE PLOMO

42

SEGUNDO EXPERIMENTO: Probar el efecto de siete factores

sobre la lixiviacin de arsnico en un concentrado de galena con arsenopirita

43

OBJETIVO 43 MATERIALES Y MTODOS 43 Mineral: origen, anlisis qumicos y mineralgicos 43 Diseo del experimento 43 Factores y niveles en las corridas experimentales 44 Condiciones de cultivo y muestreo 45 Anlisis de los datos 46 Software 47 RESULTADOS Y DISCUSIN 48 Caractersticas mineralgicas y qumicas del

concentrado de plomo 48

Efecto de la complejidad del concentrado 48 Especies minerales biolixiviadas 51 Formacin de precipitados durante la biolixiviacin 52 Optimizacin de la disolucin de arsnico 53 Corrida ptima 55 Biolixiviacin general de arsnico 56 Efecto de la densidad de la pulpa 57 Efecto del rea superficial 59 Efecto de la adicin de cloruro frrico 60 Efecto del bixido de carbono 60 Efecto del aire 62 Efecto de la adicin de medio 9K 63 Efecto de la cepa utilizada 63 Clculo preliminar de la velocidad de dilucin para una

cultivo continuo 64

CONCLUSIONES DEL SEGUNDO EXPERIMENTO DEL MINERAL DE PLOMO

66

TERCER EXPERIMENTO: Uso de la metodologa de las

superficies de respuesta para optimizar la densidad de la pulpa y la velocidad de dilucin

68

OBJETIVO 68 MATERIALES Y MTODOS 68

vii

Mineral: origen, anlisis qumicos y mineralgicos 68 Metodologa de las superficies de respuesta 68 Definicin 68 Diseos centrales compuestos 69 Propiedad rotatoria y puntos centrales 70 Diseo experimental 71 Obtencin del inculo 71 Condiciones de cultivo y muestreo 72 Anlisis de los datos 72 RESULTADOS Y DISCUSIN 73 CONCLUSIONES DEL TERCER EXPERIMENTO DEL

MINERAL DE PLOMO 77

CUARTO EXPERIMENTO: Cultivo continuo del concentrado de

plomo 78

OBJETIVO 78 MATERIALES Y MTODOS 78 Mineral: Origen, anlisis qumicos y mineralgicos 78 Construccin del aparato de biolixiviacin continuo 78 Obtencin del inculo 80 Condiciones de cultivo y muestreo 80 RESULTADOS Y DISCUSIN 81 Disolucin de arsnico 81 Velocidad de dilucin de lavado 82 CONCLUSIONES DEL CUARTO EXPERIMENTO DEL

MINERAL DE PLOMO 83

MINERAL DE COBRE 84 PRIMER EXPERIMENTO: Probar el efecto de siete factores

sobre la lixiviacin de arsnico y antimonio en un concentrado de cobre

84

OBJETIVO 84 MATERIALES Y MTODOS 84

Mineral: Origen, anlisis qumicos y mineralgicos 84 Diseo del experimento 85 Factores y niveles en las corridas experimentales 85 Condiciones de cultivo y muestreo 86 Anlisis de los datos 86 Software 88 RESULTADOS Y DISCUSIN 89

Caractersticas mineralgicas y qumicas del concentrado de cobre

89

Biolixiviacin de cobre 93 Biolixiviacin de arsnico 97 Biolixiviacin de antimonio 100 Efecto de la complejidad del concentrado 103

viii

Condiciones ptimas para la lixiviacin de cobre, arsnico y antimonio

104

Efecto de la densidad de la pulpa 104 Efecto del rea superficial 107 Efecto de la adicin de cloruro de plata 109 Efecto del aire 111 Efecto del bixido de carbono 113 Efecto de la adicin de medio 9K 116 Efecto de la cepa utilizada 117 Clculo preliminar de la velocidad de dilucin para una

cultivo continuo 119

CONCLUSIONES DEL PRIMER EXPERIMENTO CON MINERAL DE COBRE

121

SEGUNDO EXPERIMENTO: Evaluacin de cepas nativas 122 OBJETIVO 122 MATERIALES Y MTODOS 122 Mineral 122 Muestras de agua 122 Desarrollo de las cepas nativas 122 Condiciones de cultivo y muestreo 123 RESULTADOS Y DISCUSIN 124 Localizacin y acidez de las muestras de agua 124 Disolucin de arsnico 125 Disolucin de cobre 126 Disolucin de antimonio 127 CONCLUSIONES DEL SEGUNDO EXPERIMENTO CON

MINERAL DE COBRE 129

TERCER EXPERIMENTO: Uso de la metodologa de las

superficies de respuesta para optimizar la densidad de la pulpa y la velocidad de dilucin en el concentrado de cobre

130

OBJETIVO 130 MATERIALES Y MTODOS 130 Mineral: origen, anlisis qumicos y mineralgicos 130 Diseo experimental 130 Obtencin del inculo 131 Condiciones de cultivo y muestreo 131 Anlisis de los datos 132 RESULTADOS Y DISCUSIN 133 Biolixiviacin de arsnico 133 Biolixiviacin de antimonio 136 Biolixiviacin de cobre 139 CONCLUSIONES DEL TERCER EXPERIMENTO CON

MINERAL DE COBRE 143

ix

CUARTO EXPERIMENTO: Cultivo continuo del concentrado de cobre

144

OBJETIVO 144 MATERIALES Y MTODOS 144 Mineral: Origen, anlisis qumicos y mineralgicos 144 Aparato de biolixiviacin continuo 144 Obtencin del inculo 144 Condiciones de cultivo y muestreo 145 RESULTADOS Y DISCUSIN 146 Disolucin de arsnico, antimonio y cobre 146 Velocidad de dilucin 148 CONCLUSIONES DEL CUARTO EXPERIMENTO CON

MINERAL DE COBRE 149

CONCLUSIONES GENERALES 150LITERATURA CITADA 154

x

NDICE DE TABLAS

Nmero Tabla Pgina 1 Clasificacin general de los microorganismos que participan en la

biolixiviacin de minerales. Tomada de Rawlings, 1997 12

2 Composicin qumica del mineral. 253 Principales especies presentes en el mineral de plomo. 264 Contenido porcentual de varios elementos en el mineral. Datos

obtenidos de los EDS. 29

5 Factores y niveles utilizados en el diseo 27-4. 446 Asignacin de variables indicadoras a los niveles de los factores. 467 Especies minerales y asociaciones en el concentrado mineral de

plomo. 48

8 Resultados del anlisis de regresin. 549 ANOVA para la interaccin entre la densidad de la pulpa y la

inyeccin de aire. 59

10 ANOVA para la interaccin entre la inyeccin de aire y a la inyeccin de bixido de carbono.

61

11 Diseo central compuesto rotatorio. 7112 Anlisis estadstico y estimacin de los coeficientes del modelo de

segundo orden para la superficie de respuesta general para arsnico.

76

13 Factores y niveles usados en el experimento. 8514 Asignacin de variables indicadoras a los niveles de los factores. 8715 Anlisis qumico del concentrado de cobre. 8916 Especies minerales y asociaciones encontradas en el concentrado

de cobre. 89

17 Proporciones relativas de las especies minerales y asociaciones en el concentrado de cobre.

90

18 Coeficientes del modelo de regresin para la biolixiviacin de cobre. 9419 ANOVA para el modelo polinomial de la lixiviacin de cobre.

Tomando el tiempo como la nica variable independiente del modelo.

97

20 Coeficientes del modelo de regresin para la biolixiviacin de arsnico

98

21 Coeficientes del modelo de regresin para la biolixiviacin de antimonio.

101

22 Localizacin del punto de muestreo y pH de las muestras de agua de la mina de Cosal, Sin.

124

23 Diseo central compuesto rotatorio 13124 Anlisis estadstico y estimacin de los coeficientes del modelo de

segundo orden para la superficie de respuesta general para arsnico 136

25 Anlisis estadstico y estimacin de los coeficientes del modelo de segundo orden para la superficie de respuesta general para antimonio.

139

26 Anlisis estadstico y estimacin de los coeficientes del modelo de segundo orden para la superficie de respuesta general para cobre.

142

xi

NDICE DE FIGURAS Nmero Figura Pgina

1 Transporte y resistencia al arseniato en E. coli. 152 Fotografa de un sitio de la briqueta. 273 Fotografa de un sitio de la briqueta. 274 Fotografa de un sitio de la briqueta. 285 Fotografa de un sitio de la briqueta. 286 Fotografa de un sitio de la briqueta. 297 EDS del mineral en el matraz control. 318 EDS del mineral biolixiviado durante 39 das. 329 EDS del mineral biolixiviado durante 64 das. 3310 Fierro total en solucin 3411 Arsnico total en solucin 3512 Fotografa de una partcula de arsenopirita del matraz control que no

ha sufrido deterioro. 36

13 Un acercamiento de la fotografa de la Figura anterior en donde se aprecia una superficie rugosa pero que conserva su integridad.

36

14 Fotografa de otra partcula de arsenopirita del matraz control. 3715 Un acercamiento a la partcula mostrada en la Figura anterior, en

donde se aprecia la rugosidad de la partcula, pero que sin embargo no ha sufrido deterioro.

37

16 Fotografa del mineral sometido a 39 das de biolixiviacin. 3817 Fotografa del mineral sometido a 39 das de biolixiviacin,

mostrando el deterioro causado por la biooxidacin 38

18 Fotografa del mineral sometido a 39 das de biolixiviacin mostrando poros de deterioro y depsito de precipitados.

39

19 Un acercamiento a partculas del mineral a los 39 das de biolixiviacin, mostrando formas irregulares, manchas y un cambio en la coloracin

39

20 Fotografa del mineral sometido a 64 das de biolixiviacin. 4021 Fotografa del mineral sometido a 64 das de biolixiviacin. 4022 Un acercamiento a las partculas de la fotografa anterior 4123 Fotografa del mineral sometido a 64 das de biolixiviacin 4124 Fotografa de un sitio de la briqueta del concentrado de plomo 4925 Fotografa de un sitio de la briqueta del concentrado de plomo 5026 Fotografa de un sitio de la briqueta del concentrado de plomo 5027 XRD del slido residual de la biolixiviacin mostrando nicamente la

presencia de cristales de anglesita 51

28 Plomo biolixiviado. 5229 Arsnico biolixiviado 5330 Efectos principales de los factores. 5431 Modelo polinomial de tercer orden y su intervalo de confianza del

95% para la Corrida 1 56

32 Modelo polinomial de tercer orden para los todos los datos, usando 57

xii

Nmero Figura Pgina el tiempo como la nica variable independiente.

33 Efecto de la densidad de la pulpa sobre la lixiviacin de arsnico. 5734 Grfica de la interaccin entre la densidad de la pulpa y la inyeccin

de aire 58

35 Efecto del rea superficial sobre la lixiviacin de arsnico. 5936 Efecto de la adicin de cloruro frrico sobre la lixiviacin de arsnico. 6037 Efecto de la inyeccin de bixido de carbono sobre la lixiviacin de

arsnico. 61

38 Grfica de la interaccin entre la inyeccin de bixido de carbono y la inyeccin de aire.

62

39 Efecto de la inyeccin de aire sobre la lixiviacin de arsnico 6340 Efecto de utilizacin de medio 9K sobre la lixiviacin de arsnico. 6341 Efecto de la cepa utilizada sobre la lixiviacin de arsnico 6442 Clculo de la velocidad de dilucin utilizando datos de un cultivo por

lote. 65

43 Puntos del diseo central compuesto 7044 Fotografa de la incubadora orbital Lab-Line utilizada en el

experimento con las trece corridas. 72

45 Productividad de arsnico en las trece corridas experimentales. 7346 Superficie de respuesta para el muestreo del Da 1. 7447 Superficie de respuesta para el muestreo del Da 8. 7448 Superficie de respuesta para el muestreo del Da 16. 7549 Superficie de respuesta de la productividad de arsnico para el

promedio general de los 16 das. 75

50 Grfica de la maximizacin de la productividad del arsnico biolixiviado

76

51 Fotografa del fermentador continuo utilizado. 7952 Fotografa del tanque alimentador agitado 7953 Grfica del comportamiento del arsnico en solucin con respecto al

tiempo, en el cultivo continuo. 82

54 Grfica de arsnico biolixiviado contra velocidad de dilucin. 8355 Fotografa de un sitio de la briqueta. Concentrado de cobre. 9156 Fotografa de un sitio de la briqueta. Concentrado de cobre. 9157 Fotografa de un sitio de la briqueta. Concentrado de cobre. 9258 Fotografa de un sitio de la briqueta. Concentrado de cobre. 9259 Solucin de cobre biolixiviada. 9360 Cobre biolixiviado por corrida experimental 9461 Grficas de efectos principales sobre la biolixiviacin de Cobre. 9562 Grficas de Interaccin entre los siete factores para la lixiviacin de

Cobre. 96

63 Biolixiviacin general de Cobre (todas las corridas). 9664 Arsnico biolixiviado por corrida experimental. 9765 Grficas de efectos principales sobre la lixiviacin de Arsnico 9866 Grficas de Interaccin entre los siete factores para la lixiviacin de

Arsnico. 99

67 Biolixiviacin general de Arsnico (todas las corridas). 9968 Antimonio biolixiviado por corrida experimental. 10069 Grficas de efectos principales sobre la biolixiviacin de Antimonio. 10170 Grficas de Interaccin entre los siete factores para la lixiviacin de

Antimonio. 102

xiii

Nmero Figura Pgina 71 Biolixiviacin general de Antimonio (todas las corridas). 10372 Efecto de la densidad de la pulpa sobre la lixiviacin de Cobre. 10673 Efecto de la densidad de la pulpa sobre la lixiviacin de Arsnico. 10674 Efecto de la densidad de la pulpa sobre la lixiviacin de Antimonio. 10775 Efecto del rea superficial de las partculas sobre la biolixiviacin de

Cobre. 107

76 Efecto del rea superficial de las partculas sobre la biolixiviacin de Arsnico.

108

77 Efecto del rea superficial de las partculas sobre la biolixiviacin de Antimonio.

109

78 Efecto del cloruro de plata sobre la biolixiviacin de Cobre. 11079 Efecto del cloruro de plata sobre la biolixiviacin de Arsnico. 11180 Efecto del cloruro de plata sobre la biolixiviacin de Antimonio. 11181 Efecto de la inyeccin de aire sobre la biolixiviacin de Cobre. 11282 Efecto de la inyeccin de aire sobre la biolixiviacin de Arsnico. 11383 Efecto de la inyeccin de aire sobre la biolixiviacin de Antimonio. 11384 Efecto de la inyeccin de bixido de carbono sobre la biolixiviacin

de Cobre. 114

85 Efecto de la inyeccin de bixido de carbono sobre la biolixiviacin de Arsnico.

115

86 Efecto de la inyeccin de bixido de carbono sobre la biolixiviacin de Antimonio.

115

87 Efecto de la adicin de medio 9K sobre la biolixiviacin de Cobre. 11688 Efecto de la adicin de medio 9K sobre la biolixiviacin de Arsnico. 11789 Efecto de la adicin de medio 9K sobre la biolixiviacin de Antimonio. 11790 Efecto de la cepa utilizada sobre la biolixiviacin de Cobre. 11891 Efecto de la cepa utilizada sobre la biolixiviacin de Arsnico. 11892 Efecto de la cepa utilizada sobre la biolixiviacin de Antimonio. 11993 Clculo de la velocidad de dilucin tomando como base la disolucin

de cobre. 120

94 Incubadora orbital en la que se muestran los frascos con los cultivos de cepas.

123

95 Disolucin de arsnico por las bacterias oxidantes presentes en las muestras de agua.

125

96 Modelo polinomial de tercer orden para la lixiviacin de arsnico por todas las cepas.

126

97 Disolucin de cobre por las bacterias oxidantes presentes en las muestras de agua.

127

98 Modelo polinomial de tercer orden ajustado a los datos de biolixiviacin de cobre.

127

99 Disolucin de antimonio por las bacterias oxidantes presentes en las muestras de agua.

128

100 Modelo polinomial de tercer orden ajustado a los datos de antimonio disuelto.

128

101 Productividad de arsnico en las trece corridas experimentales. 133102 Superficie de respuesta de la productividad de arsnico para el

muestreo del Da 1. 134

103 Superficie de respuesta de la productividad de arsnico para el muestreo del Da 8.

134

104 Superficie de respuesta de la productividad de arsnico para el muestreo del Da 16.

135

xiv

Nmero Figura Pgina 105 Superficie de respuesta de la productividad de arsnico para el

promedio general de los 16 das. 135

106 Grfica de la maximizacin de la productividad del arsnico biolixiviado.

136

107 Productividad de antimonio en las trece corridas experimentales. 137108 Superficie de respuesta de la productividad de antimonio para el

muestreo del Da 1. 137

109 Superficie de respuesta de la productividad de antimonio para el muestreo del Da 8.

138

110 Superficie de respuesta de la productividad de antimonio para el muestreo del Da 16.

138

111 Superficie de respuesta de la productividad de antimonio para el promedio general de los 16 das.

138

112 Grfica de la maximizacin de la productividad del antimonio biolixiviado.

139

113 Productividad de cobre en las trece corridas experimentales. 140114 Superficie de respuesta de la productividad de cobre para el

muestreo del Da 1. 140

115 Superficie de respuesta de la productividad de cobre para el muestreo del Da 8.

141

116 Superficie de respuesta de la productividad de cobre para el muestreo del Da 16.

141

117 Superficie de respuesta de la productividad de cobre para el promedio general de los 16 das.

141

118 Grfica de la maximizacin de la productividad del cobre biolixiviado. 142119 Grfica del comportamiento del arsnico en solucin con respecto al

tiempo, en el cultivo continuo para concentrado de cobre. 147

120 Grfica del comportamiento del antimonio en solucin con respecto al tiempo, en el cultivo continuo para concentrado de cobre.

148

121 Grfica del comportamiento del cobre en solucin con respecto al tiempo, en el cultivo continuo para concentrado de cobre.

148

122 Grfica de arsnico biolixiviado contra velocidad de dilucin. 149

xv

xvi

INTRODUCCIN De manera general, se define a la lixiviacin como un proceso mediante el cual, un compuesto o elemento es extrado a partir de una matriz slida mediante un solvente. La biolixiviacin cumple con esta definicin, la diferencia estriba en que la disolucin del compuesto o elemento se lleva a cabo por la accin que ejercen uno o varios microorganismos. El trmino biolixiviacin se refiere particularmente a la conversin de un sulfuro metlico refractario, en un sulfato metlico soluble, de manera que el metal de inters es extrado en la solucin acuosa. Debido a que este es un proceso oxidativo, tambin recibe el nombre de biooxidacin [Rawlings, 2002]. El uso de microbios para extraer metales de los minerales es simplemente la adaptacin de un proceso que ocurre naturalmente en minas y en depsitos minerales de sulfuros, al pretratamiento de minerales refractarios para el beneficio de metales de inters comercial [Colmer y Hinkle, 1947]. Los minerales refractarios poseen caractersticas fsicas y qumicas que hacen que su procesamiento sea poco viable por los mtodos metalrgicos convencionales, siendo necesaria la aplicacin de algn tratamiento previo para incrementar la recuperacin de los metales de valor, los mtodos que ms se han utilizado son: el tostado del mineral, procedimiento que abre al mineral y libera a los metales ocluidos en la matriz de sulfuro; y el uso de altas presiones y temperaturas en autoclaves que generan el mismo resultado. Ambos procedimientos requieren de equipo altamente sofisticado, de personal especializado para su operacin, y por otra parte, su operacin resulta poco rentable por la gran cantidad de combustibles de fuentes no renovables que consumen y por su baja eficiencia [Lawrence, 1990]. Una desventaja adicional resulta en las emisiones de los gases de la combustin que producen y la liberacin de dixido de azufre a la atmsfera [Luganov et al. 2003]. La biolixiviacin resulta una alternativa muy conveniente a los mtodos mencionados con anterioridad, debido a que presenta una serie de ventajas, entre las que se pueden mencionar: 1) no se requiere de grandes modificaciones en la infraestructura disponible en las plantas de beneficio, pudiendo usar como fermentadores a las mismas celdas de flotacin, agregando instrumentos para el control de la temperatura y del pH, 2) no requiere de grandes cantidades de energa, 3) no produce gases ni emisiones contaminantes a la atmsfera, 4) puede usarse en minerales de baja ley, y 5) los residuos que se generan son

1

qumicamente menos activos y presentan menos interaccin con el medio ambiente, comparados con los residuos producidos por los otros mtodos [Marchant, 1985]. La biolixiviacin se ha venido utilizando con fines comerciales, principalmente para el pretratamiento de minerales de sulfuro que contienen una baja ley de metales preciosos o metales de alto valor estratgico, tales como el oro, la plata y el uranio [Lynn, 1997; Shuey, 1998; Loayza et al.,1999; Salameh et al., 1999; Mathur et al., 2000]. Tambin se utiliza en muchos pases, incluyendo a los EU, Rusia, Chile, Per, Australia, Espaa, Canad y Mxico en donde ha probado su eficiencia en la extraccin de cobre [Acevedo, 2002]. En el inters creciente por la biolixiviacin, han influido tanto el agotamiento paulatino de los minerales susceptibles de beneficiarse mediante los mtodos metalrgicos tradicionales, como la disminucin en el precio de los metales que ha venido observndose en los ltimos aos. Ambas situaciones han obligado a mirar en direccin a procesos que aseguren eficiencia y bajo costo de operacin. Sin embargo, a pesar de las grandes ventajas potenciales que presenta la lixiviacin bacteriana, esta tecnologa ha recibido poca atencin por parte de la comunidad cientfica mundial, de manera que en la actualidad son contados los grupos de investigadores que se dedican a desarrollar este campo, y aquellos que lo hacen, se han enfocado fundamentalmente al estudio de la biooxidacin de minerales que contienen metales valiosos como los que se mencionaron con anterioridad. Esto ha generado un desarrollo lento, con muy pocas innovaciones en el estudio de la biolixiviacin de otros metales de menor valor, de modo que en la actualidad existen ms interrogantes que respuestas en lo que a estos metales se refiere. Por ejemplo, en el caso de Mxico y particularmente en los estados del norte, existen importantes yacimientos de sulfuros de cobre, plomo y zinc, que se encuentran poco explotados o sin explotar debido a la gran cantidad de arsenopirita que contienen, cuya presencia en los concentrados minerales, es motivo de castigo econmico, o definitivamente de rechazo en las plantas metalrgicas. Un proceso eficiente y econmico de biooxidacin que pudiera lixiviar y eliminar el arsnico de dichos concentrados permitira la reactivacin y el desarrollo de muchos fundos mineros que tienen este problema. Este trabajo est dedicado al estudio de las condiciones ptimas para la lixiviacin y limpieza del arsnico en concentrados minerales complejos de plomo y de cobre, as como de disear un proceso continuo que pueda realizarse a nivel comercial para cumplir con este objetivo.

2

HIPTESIS La utilizacin de cepas de Acidithiobacillus ferrooxidans resistentes al arsnico, en cultivo continuo reducen el tiempo de biolixiviacin de minerales de galena y calcopirita conteniendo arsenopirita, aumentando el rendimiento del plomo y del cobre.

OBJETIVO GENERAL Acelerar los mecanismos de oxidacin de los minerales refractarios con plomo y cobre, mediante el cultivo continuo utilizando cepas de Acidithiobacillus ferrooxidans resistentes al arsnico.

OBJETIVOS PARTICULARES 1. Seleccionar las cepas de Acidithiobacillus ferrooxidans resistentes al

arsnico que mejor se adapten a las condiciones de crecimiento durante la biolixiviacin de los minerales refractarios de plomo y de cobre.

2. Establecer el mecanismo oxidativo de los sulfuros de arsnico de Acidithiobacillus ferrooxidans mediante pruebas de biolixiviacin in vitro.

3. Describir los patrones de oxidacin de minerales refractarios en cinticas de biolixiviacin por microscopa electrnica.

4. Encontrar las condiciones ptimas de crecimiento de Acidithiobacillus ferrooxidans en cultivo por lote, en medios de cultivo que contienen minerales refractarios.

5. Describir la cintica de crecimiento del Acidithiobacillus ferrooxidans. 6. Formular los medios de cultivo de minerales refractarios mas adecuados

para la biolixiviacin 7. Disear un sistema de cultivo continuo a partir de la cintica de

crecimiento del cultivo por lote. 8. Proponer los procesos ms convenientes para la recuperacin y manejo

de productos de la fermentacin. 9. Proponer los criterios mas adecuados de escalamiento del fermentador a

nivel planta piloto y proceso industrial.

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ANTECEDENTES

Biolixiviacin

El trmino biolixiviacin se refiere a la conversin realizada por microorganismos, de un metal insoluble, usualmente un sulfuro metlico refractario (CuS, NiS, ZnS), en un compuesto soluble, usualmente un sulfato metlico (CuSO4, NiSO4, ZnSO4). Cuando esto sucede, el metal es extrado en el agua; a este proceso se le conoce como biolixiviacin. Debido a que estos procesos son reacciones de oxidacin, tambin se le conoce como biooxidacin. Sin embargo, el trmino biooxidacin es usualmente utilizado para referirse a procesos en los cuales la recuperacin de un metal se ve incrementada mediante la descomposicin microbiana del mineral, pero el metal de inters no se disuelve en el agua. Un ejemplo de este tipo de procesos es la recuperacin de oro a partir de minerales de arsenopirita en donde el oro permanece en la fase slida despus de la biooxidacin y es extrado mediante un proceso de cianuracin en una etapa posterior. El trmino biolixiviacin es claramente inapropiado cuando se hace referencia al beneficio del oro, aunque el arsnico, el fierro y el azufre si sean lixiviados del mineral [Rawlings, 2002]. La biolixiviacin ha emergido como un proceso ms simple, seguro y econmico que otras alternativas para el pretratamiento de minerales de sulfuros refractarios que contienen metales de valor comercial. En aos recientes, los procesos de biooxidacin han demostrado que requieren de menos capital, presentan menores costos de operacin y no necesitan de personal altamente especializado cuando se comparan con los tcnicas tradicionales como los procesos pirometalrgicos y la utilizacin de presin hmeda [Lynn, 1997]. Esta tecnologa ha sido usada para el tratamiento de minerales especficos, principalmente de cobre y de oro [Acevedo, 2002; Shuey, 1998; Songrong et al., 2002]. Adems la lixiviacin bacteriana en medio cido ha sido aplicada con xito en la metalurgia del uranio [Mathur et al., 2000]; en la recuperacin de oro, plata y plomo [Fras et al., 2002]; en la extraccin de zinc [Harvey et al., 2002]; y nuevos procesos han sido desarrollados para la recuperacin de cobalto [Wiertz et al., 1999; DHugues et al., 1997].

Historia de la Biolixiviacin

La aplicacin de los procesos de lixiviacin bacteriana es cada vez ms comn para la recuperacin de metales en minerales y concentrados de baja ley que no

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pueden ser procesados econmicamente por los mtodos convencionales. Como es el caso de muchos procesos biotecnolgicos, este mtodo puede haber sido usado desde tiempos prehistricos y probablemente los Griegos y los Romanos extrajeron cobre del agua de las minas desde hace ms de 2000 aos [Bosecker, 1997]. Se ha sealado que la mina de cobre de Ro Tinto en Espaa, fue probablemente la primera operacin a gran escala en donde los microorganismos jugaron un papel importante [Brierley, 1982]. El papel que juegan los microorganismos en este proceso fue demostrado en 1947 cuando Colmer y Hinkle aislaron bacterias pertenecientes al gnero Thiobacillus a partir de aguas cidas de minas. Posteriormente se aislaron y caracterizaron las bacterias Thiobacillus ferrooxidans [Temple y Colmer, 1951] y Thiobacillus thiooxidans [Temple y Delchamps, 1953]. La bacteria Thiobacillus ferrooxidans ha sido reclasificada recientemente como Acidithiobacillus ferrooxidans [Kelly y Wood, 2000]. En el perodo de 1950 a 1980 se consider a la biolixiviacin principalmente como una tecnologa adecuada para la recuperacin de cobre y de otros metales, a partir de jales y minerales de baja ley. Probablemente las operaciones ms importantes en ese tiempo se realizaban en Ro Tinto, Espaa y en Cananea, Mxico. En Ro Tinto se producan 8000 toneladas de cobre al ao, mediante una operacin de lagunas de oxidacin, mientras que en Cananea produca 9000 toneladas de cobre al ao en una operacin in situ, combinada con lagunas de oxidacin [Gentina y Acevedo, 1985]. Un avance importante en la prctica de la biolixiviacin lo constituy el hecho de que la Minera Pudahuel en Chile, estableci la primera mina de cobre explotada nicamente mediante el uso de la biotecnologa. A mediados de la dcada de los ochenta, esta minera cambi de una operacin combinada cido-biolixiviacin a una extraccin mediante biooxidacin nicamente, por el mtodo de amontonamientos (heap leaching), de un mineral con un contenido de cobre de 1 a 2% para producir 14000 toneladas de cobre fino por ao [Acevedo et al. 1993]. En la actualidad, la biolixiviacin tambin se aplica con xito en el beneficio de oro, en minerales en los cuales este metal se encuentra cubierto por sulfuros refractarios que impiden su extraccin mediante las soluciones de cianuro. En estos casos, los sulfuros deben ser removidos para mejorar la recuperacin de oro y la biolixiviacin se cuenta como una buena alternativa para el pretratamiento de este tipo de minerales [Lynn, 1997; Shuey, 1998; Loayza et al.1999].

Mecanismos de la Biolixiviacin

Anteriormente se tena la creencia que la disolucin de metales a partir de minerales refractarios se deba a una reaccin puramente qumica realizada en presencia de agua y oxgeno atmosfrico. El descubrimiento de bacterias acidfilas oxidantes del fierro marc el punto de partida para definir a este

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proceso principalmente como biolgicamente catalizado. En 1970 se report que At. ferrooxidans incrementa la velocidad de la oxidacin del ion ferroso entre medio milln y un milln de veces, comparada con la oxidacin qumica abitica por oxgeno disuelto [Lacey y Lawson, 1970]. El in frrico producido en este proceso es capaz de oxidar qumicamente a los sulfuros refractarios, por esta razn se ha presentado un largo debate para dilucidar si la biooxidacin mediada por microorganismos se realiza a travs de un mecanismo directo o de un mecanismo indirecto [Lundgren y Silver, 1980]. Algunos de los desacuerdos parecen ser causados por la falta de claridad en lo que respecta al significado de mecanismo directo y mecanismo indirecto. Existe un acuerdo general de que el mecanismo indirecto se refiere al ataque qumico del in frrico o de protones, en contra de un sulfuro mineral, que resulta en la disolucin del mineral, en la formacin de in ferroso y de varias formas de azufre. Las bacterias oxidantes del fierro usan el in ferroso como donador de electrones, oxidndolo de nuevo para formar in frrico y de esta manera regenerar el proceso [May et al. 1997; Fowler y Crundwell, 1998; Boon et al.,1998]. Si el papel de los microbios consiste nicamente en regenerar el ion frrico, entonces la eficiencia de la biooxidacin debe ser independiente del hecho de que las bacterias estn o no en contacto con la superficie del mineral. En donde no existe acuerdo generalizado es en el concepto de mecanismo directo. En un sentido amplio, significa que la adhesin del microorganismo a la superficie de las partculas aumenta la velocidad de disolucin del mineral. En un sentido mas estricto, el ataque directo es visto como un proceso mediante el cual los componentes dentro de la membrana de la bacteria interactan directamente con el metal y con los sulfuros del mineral usando mecanismos de tipo enzimtico [Dziurla et al., 1998; Sand et al., 1995]. Un gran nmero de cientficos de varias disciplinas han investigado este problema en aos recientes [Sampson et al., 2000; Sampson y Blake, 1999; Sanhueza et al., 1999; Gehrke et al., 1998; Mirajkar et al., 1997; Karan et al., 1996; Escobar et al., 1995;] los puntos de vista son variados, sin embargo, existe un consenso creciente en muchos aspectos del mecanismo de biolixiviacin. La comprensin de la disolucin de los sulfuros metlicos es complicada debido a que tienen diferentes tipos de estructura cristalina, y se ha observado que la oxidacin de los diferentes sulfuros metlicos procede a travs de diferentes compuestos intermedios [Sand et al., 1999; Schippers y Sand, 1999]. Por otra parte los diferentes tipos de bacterias oxidantes utilizan diferentes estrategias para romper los enlaces en los minerales [Tributsch, 2001]. En el trabajo de Sand et al. [1999] se presenta un resumen de las reacciones que se presentan en la lixiviacin y se establece la hiptesis de un modelo que puntualiza la preponderancia del mecanismo indirecto, este hiptesis propone dos caminos en la lixiviacin de los sulfuros dependiendo de su estructura qumica, y explica las razones por las cuales algunas bacterias oxidativas son incapaces de lixiviar a los bisulfuros.

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De acuerdo con el reporte de estos autores [Sand et al., 1999] las reacciones de biolixiviacin pueden resumirse de la siguiente manera: Lixiviacin Directa: De acuerdo con su definicin, la cual no est exenta de imprecisiones, el mecanismo directo considera que una bacteria adherida a la superficie, oxida al mineral mediante su sistema enzimtico utilizando el oxgeno disuelto en el medio, para formar sulfato y cationes metlicos. La parte sulfurosa del mineral se supone que es biolgicamente oxidada a sulfatos sin la formacin de compuestos intermediarios. Un ejemplo de estas reacciones, que realiza el At. ferrooxidans, son:

242

2221

2 223)( SOHFeOHOpiritaFeS

OHFeHOFe 23

2212 222

Lixiviacin Indirecta En contraste, el mecanismo indirecto bsicamente comprende la accin oxidante de los iones Fe3+ para disolver el sulfuro metlico. En el curso de esta reaccin qumica, se generan iones Fe2+ y azufre elemental (S8). Posteriormente estos compuestos son biolgicamente oxidados para formar Fe3+ y sulfato, de acuerdo con las ecuaciones del mecanismo directo. La lixiviacin indirecta no requiere de la adhesin de las clulas a la superficie del mineral. Las reacciones se resumen de la manera siguiente:

242

23

2 21615814 SOHFeOHFeFeS 2023 22 FeSMFeMS

2422230 2 SOHOHOS

En donde MS es un sulfuro metlico. Siguiendo con los autores mencionados, este grupo de investigadores afirma que mientras que el mecanismo directo permanece bajo cuestionamiento y que muchos investigadores han reportado tanto la confirmacin como el rechazo de esta hiptesis, los avances y las nuevas evidencias obtenidas en el campo de la qumica de los sulfuros, la mineraloga y la fsica del estado slido, apoyan la hiptesis de la biolixiviacin indirecta y han resultado en el establecimiento de un nuevo modelo integral para la biolixiviacin. La principal caracterstica de este nuevo modelo es la hiptesis de que los iones Fe3+ y/o los protones son los nicos agentes qumicos que disuelven a los sulfuros. De esta manera, en el sentido estricto, el mecanismo de biolixiviacin es del tipo indirecto. La bacteria tiene la funcin de regenerar los iones Fe3+ y/o los protones y concentrarlos en la interfase mineral-agua o mineral-bacteria, de modo que se incremente el ataque y la degradacin del mineral, el factor determinante es una pelcula de exopolmero, el glicocalix, con un grosor en el rango de los nanmetros, que rodea a la clula. En esta delgada capa es donde

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se realiza el proceso qumico que causa la disolucin del sulfuro. La concentracin de los agentes degradantes en esta interfase es lo que explica la aceleracin de la disolucin de sulfuros en presencia de la bacteria. Este modelo integral no requiere de consideraciones hipotticas de enzimas, factores, etc., que hasta ahora no han sido detectados. En contraste, este modelo permite integrar, sin ninguna contradiccin con la qumica o con la fsica, todos los hechos conocidos dentro de un modelo natural de biolixiviacin. Con base en los intermediarios clave, se establecen dos mecanismos de biolixiviacin indirecta: el del tiosulfato y el del polisulfuro. Las caractersticas de ambos se presentan a continuacin. Mecanismo del Tiosulfato Los bisulfuros tales como la pirita (FeS2), molibdenita (MoS2), y tungstenita (WS2) son degradados a travs de la va del intermediario tiosulfato. Los iones Fe3+ son los agentes oxidantes exclusivos responsables de la disolucin. El tiosulfato es posteriormente degradado en un proceso cclico hasta sulfato, se genera azufre elemental como producto alterno. Esto explica el porqu solamente las bacterias oxidantes del in Fe2+ son capaces de oxidar este tipo de sulfuros metlicos. El proceso se resume en las siguientes ecuaciones:

HFeOSOHFeFeS 6736 223223

2 HFeSOOHFeOS 108258 2242

3232

Mecanismo del Polisulfuro Los sulfuros metlicos como la esfalerita (ZnS), galena (PbS), calcopirita (CuFeS2), hauerita (MnS2), orpimento (As2S3), y realgar (As4S4) son degradados por el ion Fe3+ y ataque de protn, consecuentemente, los principales intermediarios son polisulfuros y azufre elemental (el tiosulfato es solamente un subproducto en etapas posteriores de degradacin). La disolucin procede va la formacin de un radical H2S*+ y polisulfuros hasta formar azufre elemental. As, este tipo de sulfuros metlicos son degradados por todas las bacterias que son capaces de oxidar a los compuestos de azufre. Este mecanismo se resume en las siguientes ecuaciones:

2222123 nFeSHMHFeMS n

HFeSFeSH n2

8813

221

HSOOHOS 2242223881 Conversin Galvnica. Un tercer mecanismo de biolixiviacin es la denominada conversin galvnica. El contacto fsico entre dos diferentes fases de sulfuros de metal inmersos en un electrolito (solucin diluida de cido sulfrico/sulfato frrico) crea una celda

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galvnica. Por ejemplo, en el par CuFeS2/FeS2, la calcopirita posee un potencial elctrico menor y funciona como nodo mientras que la pirita constituye el ctodo. Como resultado, se tiene que la calcopirita se disuelve rpidamente, mientras que la fase de la pirita permanece esencialmente sin cambio. At. ferrooxidans puede acelerar esta reaccin oxidando continuamente la pelcula de azufre elemental, que de otra manera, actuara como una barrera a la difusin de las sales de cobre y fierro fuera de la fase de reaccin. La contribucin de la conversin galvnica a la lixiviacin es desconocida [Hutchins et al., 1986]

Biolixiviacin de Arsenopirita

La oxidacin de la arsenopirita resulta en un amplio rango de productos finales con diferentes estados de oxidacin tanto del azufre como del arsnico, que dependen de las condiciones de oxidacin. El azufre puede estar presente en diferentes especies intermediarias entre el azufre elemental y el sulfato. El arsnico puede estar presente como As(III) o como As(V). Las reacciones de oxidacin son las siguientes [Malatt, 1999]:

033

22

3 3635 SHAsOHFeOHFeFeAsS 2443

22

3 1314813 SOHAsOHFeOHFeFeAsS Nuevamente el in Fe2+ es regenerado por la reaccin catalizada por la bacteria.

Biolixiviacin de Sulfuros de Cobre

El in Fe3+ es el responsable de la lixiviacin de algunos minerales importantes desde el punto de vista econmico, que contienen sulfuros de cobre. Las reacciones propuestas para la lixiviacin son las siguientes [Hutchins et al., 1986]:

0443422 25)(2)( SFeSOCuSOSOFeaCalcopiritCuFeS

0443422 42)(2)( SFeSOCuSOSOFeCalcocitaSCu 0

44342 2)()( SFeSOCuSOSOFeCovelitaCuS 0

4434245 4135)(6)( SFeSOCuSOSOFeBornitaFeSCu Finalmente, el mecanismo de lixiviacin indirecta depende de la regeneracin biolgica del sulfato frrico establecida en la segunda ecuacin. El azufre elemental (S0) generado durante el proceso puede ser convertido en cido sulfrico por At. ferrooxidans mediante:

42220 2232 SOHOHOS

Este cido mantiene el pH a niveles favorables para la bacteria y adems extrae algunos minerales de xidos de cobre como puede verse en las reacciones siguientes:

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OHCOCuSOSOHAzuritaCOOHCu 224422323 4233)()()( OHSiOCuSOSOHCrisocolaOHSiOCu 22442233 3)(2

OHCuSOSOHTenoritaCuO 2442)( Estas ltimas reacciones se consideran como parte de un cuarto mecanismo de biolixiviacin llamado lixiviacin cida. Este mecanismo, al igual que la conversin galvnica no es muy tomado en cuenta debido a la predominancia de los mecanismos directo e indirecto [Sand et al., 1999].

Microorganismos en la Biolixiviacin

Caractersticas Generales Los principales microorganismos oxidativos con capacidad para realizar la biooxidacin tienen varias caractersticas fisiolgicas comunes. Son quimiolitoauttrofos y son capaces de utilizar el in ferroso y/o los compuestos reducidos de azufre inorgnico como donadores de electrones [Rawlings, 2002]. Debido a que un subproducto de la oxidacin del azufre durante la biolixiviacin es el cido sulfrico, estos organismos son acidfilos que crecen a rangos de pH de 1.5 a 2.0. Esta extrema acidofilia se presenta an en aquellos organismos que nicamente oxidan al fierro. Aunque las bacterias oxidantes pueden utilizar otros aceptores de electrones diferentes del oxgeno, generalmente crecen mejor en medios fuertemente aireados [Hutchins et al., 1986, Rawlings, 2002]. Todos son capaces de fijar CO2, aunque existe una considerable variacin en la eficiencia con la que realizan este proceso. Las especies menos eficientes en la fijacin de CO2 requieren de la adicin de elevados niveles de CO2 o de pequeas cantidades de extracto de levadura para crecer con rapidez. Estos microorganismos generalmente son resistentes a un rango de iones metlicos, con alguna variacin en la tolerancia a metales entre las especies [Hutchins et al., 1986, Rawlings, 2002]. Estas propiedades comunes explican el porqu los microorganismos biooxidantes son ideales para crecer en un medio ambiente inorgnico creado por la activa aireacin de una suspensin de minerales de fierro y/o azufre en agua, o durante la aireacin pasiva que sucede cuando los montones de mineral son regados con agua. El aire proporciona la fuente de carbono (CO2) y el aceptor de electrones preferido (O2), el mineral proporciona los donadores de electrones (ion ferroso o azufre inorgnico reducido), mientras que el agua es el medio de crecimiento. Algunos elementos traza son proporcionados por el mineral o por el agua. En los procesos comerciales, se agregan pequeas cantidades de sulfato de amonio y fosfato de potasio grado fertilizante, para asegurar que no exista una limitacin de nutrientes [Rawlings, 2002]. Microorganismos asociados con la biolixiviacin El sistema microbiano que ha predominado en la investigacin, el desarrollo de procesos y la aplicacin comercial han sido los miembros del gnero Acidithiobacillus, At. thiooxidans y especialmente At. ferrooxidans.

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At. ferrooxidans puede usar ya sea ion ferroso o azufre como fuente de energa, At. thiooxidans puede oxidar solamente el azufre y puede ser usado para remover el azufre acumulado de algunos minerales durante la biolixiviacin indirecta. Otra bacteria relacionada con la biooxidacin, Leptospirillum ferrooxidans puede oxidar nicamente el ion ferroso, pero puede crecer a temperaturas mayores que los dos anteriores y en medios de mayor acidez, pH 1.3, nivel que es inhibitorio para At. ferrooxidans [Norris, 1990]. L. ferrooxidans tiene una afinidad ms alta por el ion ferroso que At. ferrooxidans y una baja afinidad por el ion frrico, un inhibidor competitivo [Norris, 1990], cualidades que hacen a esta bacteria muy conveniente para la biolixiviacin de minerales bajo condiciones de alta temperatura, bajo pH y una relacin alta Fe3+/Fe2+. A temperaturas mas altas, del orden de 50C, un auttrofo facultativo, Sulfobacillus thermosulfidooxidans, en presencia de 0.01-0.02% de extracto de levadura como suplemento nutricional, puede crecer en Fe2+, S0, y minerales de sulfuro. A temperaturas de 70C, Sulfolobus acidocaldarius y Acidianus brierleyi son capaces de crecer en medios similares [Karavaiko et al., 1988]. Hallberg y Lindstrm (1994) mostraron que At. caldus, un termfilo moderado, oxidante de sulfuros y azufre, era el principal microorganismo oxidante del azufre a temperaturas por encima de 40C en la biolixiviacin de minerales aurferos de pirita y arsenopirita. Este microorganismo es muy similar a At. thiooxidans en lo que se refiere a su respuesta a los inhibidores de varias reacciones de oxidacin [Hallberg et al., 1996; Susuki, 1999]. La utilizacin de At. caldus en conjunto con S. thermosulfidooxidans, en la lixiviacin de arsenopirita a 45C y pH 2, mejora la eficiencia de la oxidacin, debido a la capacidad de At. caldus para oxidar el azufre; por otra parte, S. thermosulfidooxidans solo, en presencia de 0.02% de extracto de levadura muestra unos resultados similares a los obtenidos con la combinacin de cultivos [Dopson y Lindstrm, 1999]. En California existe una antigua mina de cobre llamada Iron Mountain, la cual es conocida por producir aguas extremadamente cidas, con pH negativos tan bajos como -3.6, con una alta concentracin de metales combinados (200 g/L), y una alta concentracin de sulfatos (760 g/L) [Nordstrom y Alpers, 1999]. Edwards et al. [1999a,b, 2000] y Schrenk [1998] investigaron los microorganismos en este medio ambiente extremo. At. ferrooxidans se encontr nicamente en el limo perifrico a pH de 1.3 y temperatura por debajo de los 30C. Cerca de la superficie, en los lodos y en las clulas de plancton, a pH 0.3-0.7 y temperaturas 30-50C, se encontr L. ferrooxidans en abundancia. Sin embargo, las archaea constituyeron la proporcin ms grande de poblacin microbiana en los sitios en donde se generan los cidos durante el verano y el otoo. Los investigadores pudieron finalmente aislar un microorganismo despus de enriquecer un medio con pirita (37C, pH 1) y lo llamaron Ferroplasma acidarmanus, cercanamente relacionado con F. acidiphilum, el cual haba sido aislado de un reactor de biolixiviacin en Rusia [Golyshina et al., 2000]. Ambos son archaea, del orden de los Thermoplasmales, que carecen de pared celular,

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son oxidantes del fierro, quimiolitotrficos, autotrficos y requieren de extracto de levadura para crecer en Fe2+, pero F. acidarmanus puede crecer heterotrficamente en extracto de levadura. Estos microorganismos pueden crecer a pH 0-2.5 con un pH ptimo de 1.2. Vsquez et al. [1999] tambin reportaron la deteccin de un archaea del orden de los Thermoplasmales en una solucin lixiviada de cobre con un alto contenido de sulfato (120-150 g/L, pH 1.6). Estos archaea tolerantes al cido parecen ser importantes en la biolixiviacin, Brierley [1990] consider que los archaea acidfilos-termfilos tenan mucho potencial en la lixiviacin microbiana, aunque en ese tiempo no se conocan operaciones en los que fueran utilizados. En experimentos recientes, el microorganismo Acidianus brierleyi en un birreactor a 65C y pH 1.2 mostr mejores resultados en la disolucin de calcopirita que At. ferrooxidans a 30C y pH 2 [Konishi et al., 1999]. En la Tabla 1 [Rawlings, 1997] puede verse una clasificacin muy general de los microorganismos que participan en la biolixiviacin de minerales. Microorganismos quimiolitotrficos que participan en la biolixiviacin Bacterias mesfilas convencionales 10 a 40 C

Bacterias termfilas moderadas 30 a 55 C

Archaea hipertermfilas 50 a 85 C

Acidithiobacillus ferrooxidans

Acidithiobacillus caldus Sulfolobus sp.

Leptospirillum ferrooxidans

Sulfobacillus sp. Acidianus sp.

Acidithiobacillus thiooxidans

Metallospheara sp.

Tabla 1: Clasificacin general de los microorganismos que participan en la biolixiviacin de minerales. Tomada de Rawlings, 1997

Acidithiobacillus ferrooxidans

Es una bacteria Gram-negativa, acidfila, mesfila quimioauttrofa. Las clulas son cortas en forma de bastones rectos (bacilo) de 1.0 m de longitud y 0.5 m de dimetro. Algunas cepas pueden poseer flagelos y/o pili [DiSpirito et al., 1982]. Fue la primera bacteria descubierta capaz de oxidar a los minerales [Colmer y Hinkel, 1947]. Desde un punto de vista nutricional, las cepas tpicas de At. ferrooxidans estn consideradas como auttrofos obligados. Este microorganismo es capaz de crecer en cido frmico, cuando este compuesto es agregado en pequeas cantidades, conforme es consumido por la bacteria. Debido a que el cido frmico es un compuesto con un solo tomo de carbono, esta propiedad no es inconsistente con la autotrofa [Pronk et al., 1991a]. At. ferrooxidans es capaz de usar tanto ion ferroso como una amplia variedad de compuestos de azufre inorgnico reducido como donadores de electrones. Es preferentemente aerbico, pero tambin es capaz de crecer usando ion frrico

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como aceptor de electrones, siempre que exista en el medio un compuesto de azufre reducido que pueda actuar como donador [Pronk et al., 1991b]. Las bacterias oxidantes que pertenecen al gnero Acidithiobacillus previamente estaban incluidas en el gnero Thiobacillus, como resultado de un anlisis secuencial del 16S rRNA, vino a ser evidente que el gnero Thiobacillus inclua bacterias oxidantes del azufre que pertenecan a las divisiones , , y de Proteobacteria, para resolver esta anormalidad, el gnero Thiobacillus fue subdividido [Kelly y Wood, 2000] y se cre un nuevo gnero, Acidithiobacillus, para acomodar a los altamente acidfilos miembros del gnero anterior. Acidithiobacillus ferrooxidans es la nica bacteria biooxidativa cuya biologa molecular ha sido estudiada con cierto detalle, de los aproximadamente 50 genes clonados o secuenciados que han sido publicados, la gran mayora que pueden ser probados, han sido expresados y producen protenas que tambin son funcionales en Escherichia coli (un miembro de la subdivisin de Proteobacteria). Estas observaciones, junto con las comparaciones filogenticas de la mayora de las secuencias de protenas en Acidithiobacillus ferrooxidans, han confirmado una inesperadamente estrecha relacin entre At. ferrooxidans y E. coli [Rawlings, 2001].

Resistencia Bacteriana al Arsnico y Antimonio

El arsnico es un metaloide que posee propiedades tanto de los metales como de los no metales, sin embargo, la resistencia a los compuestos de arsnico que presentan ciertas bacterias, se debe a sistemas muy similares a aquellos responsables de la resistencia a los metales. El ingreso del fosfato (y arseniato) a las clulas bacterianas, ha llegado a ser el paradigma para el ingreso de los nutrientes y de los iones txicos relacionados. El ingreso del arseniato siempre es mediado por los transportadores de fosfato [Bennet y Malamy, 1970; Harold y Baarda, 1966; Maloney et al., 1990; Willsky y Malamy, 1980a]. En condiciones de abundancia de fosfato en el medio, el sistema Pit (protena de transporte de fosfato inorgnico) [Elvin et al., 1987], mas veloz, pero menos especfico, llena las necesidades de fosfato de la clula y lleva tambin a la acumulacin de arseniato. En condiciones de escasez de fosfato, se induce la actuacin del Pst [Surin et al., 1987], este es un sistema especfico de transporte de fosfato, que puede discriminar entre el fosfato y el arseniato 100 veces mejor que Pit [Poole y Hancock, 1984; Rosenberg et al., 1977; Willsky y Malamy, 1980b]. Entonces, una manera de que la clula se adapte a la presin del arseniato, es inactivar el sistema Pit mediante una mutacin, esto genera una tolerancia moderada al arseniato debida a la discriminacin entre el arseniato y el fosfato realizada por el sistema Pst [Nies y Silver, 1995]. Mientras que la funcin del Pit est codificada por un solo gen [Rao y Torriani, 1990; Torriani, 1990], el sistema Pst est compuesto por la protena PstS cuya funcin es ligar al fosfato y por el complejo PstABC ATPasa que hace pasar al fosfato hacia el interior de la clula. La especificidad por el fosfato se determina

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en el espacio periplsmico por la protena PstS [Luecke y Quiocho, 1990; Nakata et al., 1987]. El ingreso del fosfato a travs del complejo PstABC ATPasa requiere de la hidrlisis de ATP [Silver y Walderhaug, 1992]. De esta manera el Pst consume ms energa que el sistema Pit, por esta razn, la resistencia al arseniato que resulta de una mutacin en el sistema Pit, frecuentemente se pierde cuando la presin del arseniato se elimina. Una forma ms especfica de tratar con el arseniato en el medio es la adquisicin de una bomba de expulsin de arseniato. Los sistemas de resistencia por expulsin han sido estudiados intensivamente en la bacteria Gram-negativa E. coli y en dos especies Gram-positivas del gnero Staphylococcus. Las funciones de expulsin de arsnico de los plsmidos estn codificadas en los determinantes ars, el proceso requiere de energa [Silver et al., 1981; Mobley y Rosen, 1982], en E. coli la energa proviene de la hidrlisis de ATP [Rosen y Borbolla, 1984], mientras que en Staphylococcus se debe al potencial de la membrana [Broeer et al., 1993]. Los determinantes ars tambin gobiernan la resistencia a la antimonita, la cual parece ser otro sustrato alterno para el sistema de transporte [Novick y Roth, 1968] y la resistencia a la telurita [Turner et al., 1992]. Debido al gradiente electroqumico a travs de la membrana citoplsmica, la exportacin de un anin supone una energa libre negativa para la clula bacteriana. De esta manera, la clula solamente requiere de un tnel especfico para el arsnico con el fin de dar salida al anin txico. Estos tneles son el producto de genes arsB los cuales forman a la protena ArsB [Ji y Silver, 1992; Chen et al., 1986], sin embargo, esta protena es especfica para el ion arsenito [Broeer et al., 1993; Ji y Silver, 1992] (y posiblemente para el antimoniato); el ion arseniato no es un sustrato, tal vez porque un tnel especfico para el arseniato podra provocar la salida del fosfato del interior de la clula, resultando en una disminucin de la concentracin del fosfato intracelular [Nies y Silver, 1995]. La solucin al problema de expulsin del arseniato es la enzima arseniato-reductasa, la cual es producto del gen arsC [Ji y Silver, 1992; Chen et al., 1986]. El arseniato es convertido a arsenito por la accin de esta enzima para posteriormente ser expulsado al exterior de la clula a travs del tnel formado por la protena ArsB. En la siguiente Figura (1) se esquematizan los procesos descritos con anterioridad [Nies y Silver, 1995]. Se toma el modelo para la E. coli por su semejanza filogentica con At. ferrooxidans establecida con anterioridad. Por otra parte, algunos resultados experimentales en la biolixiviacin de un concentrado de pirita y arsenopirita mediante At. thiooxidans y L. ferrooxidans sugiere que el mecanismo de la resistencia al arsnico de estos dos microorganismos se debe a mutaciones en el sistema Pst y en la protena Pit as como a una bomba expulsora que requiere de energa para funcionar [Breed et al., 1996].

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Figura 1: Transporte y resistencia al arseniato en E. coli. El arseniato y el fosfato entran al espacio periplsmico (Peri) a travs de la membrana externa porina (OM), en el sitio de la protena PhoE. Ambos aniones son transportados al interior del citoplasma (Cyt) por la protena Pit o por el sistema Pst (PstABC), colocados ambos en la membrana citoplsmica (CPM). Dentro de la clula el arseniato es reducido a arsenito mediante la protena ArsC y el arsenito es bombeado fuera del citoplasma a travs del tnel formado por ArsAB.

Minerales Complejos de Arsenopirita

Un sulfuro complejo es una asociacin de galena (PbS), esfalerita (ZnS) y calcopirita (CuFeS2), diseminada en una matriz pirtica. Adems de plomo, zinc y cobre como metales de valor, estos depsitos minerales pueden contener cantidades significativas de plata, oro, arsnico, antimonio, bismuto y mercurio. Un gran nmero de depsitos econmicamente importantes de este tipo de minerales existen en el mundo [Gmez et al., 1999]. Los minerales complejos a menudo se caracterizan por un particularmente fino mezclado intersticial de las especies minerales de inters. Debido a estas caractersticas mineralgicas, es necesario moler finamente y concentrar el mineral antes de disolver los metales de valor. La obtencin de concentrados separados por flotacin selectiva, involucra un alto costo de operacin, una baja calidad de los concentrados y bajos rendimientos [Ortega y Bonilla, 1983]. El arsnico es la principal impureza presente en muchos depsitos de sulfuros. La presencia de arsnico en los concentrados minerales disminuye

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drsticamente su valor y resulta en dos principales tipos de problemas. Por una parte, el arsnico genera problemas metalrgicos, dificultando la extraccin del metal y la obtencin de un producto final de alta pureza, por otra parte, el arsnico es un peligroso contaminante que genera problemas ambientales debido a los gases que produce durante la pirometalurgia y a la posible contaminacin del agua utilizada en el procesamiento de concentrados que contienen arsnico [Luganov et al., 2003]. Adems este elemento es generalmente txico para los microorganismos y su disolucin puede inhibir la actividad microbiana durante el proceso de biolixiviacin, ha sido demostrado que altas concentraciones de arsnico disuelto inhiben el crecimiento bacteriano y se ha reportado que el As(III) inhibe la actividad bacteriana en un grado mayor que As(V) [Breed et al., 1996] El procesamiento de minerales y concentrados complejos de arsnico requiere de una buena comprensin de los mecanismos involucrados, previa al diseo y al desarrollo de una secuencia de unidades de proceso. En particular es esencial una caracterizacin qumica y mineralgica [Andrews y Merkle, 1999], tanto desde el punto de vista biolgico como metalrgico, con la finalidad de determinar los posibles problemas de inhibicin y los requerimientos para el tratamiento de los efluentes del proceso [Wiertz et al., 1999] El inters en el estudio de la biolixiviacin de minerales de arsnico tuvo su inicio hace dos dcadas con la publicacin de un estudio sobre la degradacin de arsenopirita (FeAsS) mediante At. ferrooxidans en concentrados de arsnico-oro, estableciendo la rentabilidad de esta tecnologa en la extraccin de oro, as como su potencial para aliviar el problema relacionado con la proteccin ambiental [Karavaiko et al., 1986]. Posteriormente, otros investigadores [Monroy et al., 1995] estudiaron los cambios fsicos que ocurren en la interfase mineral-bacteria en cristales puros de arsenopirita y encontraron que la oxidacin bacteriana est caracterizada por tres fases que coinciden con las fases del crecimiento bacteriano general y que los arseniatos amorfos producidos, se depositan sobre la superficie del cristal y detienen la biolixiviacin. Se han realizado otros estudios para determinar la influencia de algunos factores sobre la biolixiviacin de minerales y concentrados aurferos que contienen arsnico, estas investigaciones han estado principalmente orientadas a considerar a la biolixiviacin como un tratamiento previo a la cianidacin, buscando las condiciones que maximizan la extraccin de oro, dejando de lado la disolucin y extraccin del arsnico. En un estudio realizado sobre un mineral refractario de arsenopirita, utilizando una mezcla de At. ferrooxidans y At. thiooxidans se logr un incremento en la extraccin de oro de 55.3% a 96.8% utilizando las siguientes condiciones de biolixiviacin: densidad de la pulpa 20%, pH 2, velocidad de agitacin 200 rpm, temperatura 30C, tiempo 7 das [Ubaldini et al., 1997]. Otro grupo de investigadores utilizaron una cepa At. ferrooxidans domesticada y un mineral refractario de oro para estudiar la influencia de un campo magntico, de la adicin de surfactantes y de la presencia de iones metlicos Ag+, Bi+3, Co+2 y Hg+2; encontraron que el tiempo para lixiviar el 60% de arsnico se ve acortado

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en 120 horas, utilizando agua magnetizada, agregando el surfactante tween-80 y el ion metlico Ag+ [Deng et al., 2000]. Como puede verse, ninguno de estos estudios est orientado a utilizar la biolixiviacin como un mtodo para eliminar el arsnico en minerales complejos de metales de menor valor, como el plomo.

Mtodos de Biolixiviacin

Se han reportado en la literatura varios tipos de biolixiviacin utilizando At. ferrooxidans, algunos de ellos a nivel laboratorio y planta piloto y otros que se estn aplicando a escala industrial. Entre estos mtodos se pueden mencionar: Heap Leaching (acumulamientos) In situ Columnas de percolacin Cultivo por lote Cultivo continuo Heap Leaching (acumulamientos) Las configuraciones fsicas de las operaciones de biolixiviacin en todo el mundo son bastante uniformes. Para el cobre, por ejemplo, el mineral de baja concentracin que se somete a la biolixiviacin, es apilado sobre una superficie impermeable hasta acumular una cantidad considerable. Acumulamientos de 40 metros de altura cubriendo varias hectreas es lo usual. Los acumulamientos son regados con la solucin de lixiviacin conteniendo At. ferrooxidans. La formacin de colonias ocurre principalmente en el primer metro superior del apilamiento. La temperatura puede alcanzar 90C en el centro del acumulamiento debido a la naturaleza exotrmica de las reacciones de la lixiviacin; en este punto, prevalece la lixiviacin indirecta por sulfato frrico. La solucin enriquecida con cobre se recolecta en la base y es enviada al proceso de recuperacin. En operaciones a gran escala la solucin conteniendo 0.5-2.0 g de Cu por litro se bombea a travs de unidades de contacto empacadas con ralladura de fierro, donde ocurre la siguiente reaccin:

04

04 CuFeSOFeCuSO

El cemento de cobre finamente dividido se recupera y se refina peridicamente. La solucin de sulfato ferroso se recicla como lquido de lixiviacin (Hutchins et al. 1986). Este tipo de biolixiviacin tambin es ampliamente utilizada para la extraccin de oro, debido a que cantidades considerables de este metal se encuentran en materiales refractarios de baja ley. Sin embargo, a diferencia del cobre, el cual es extrado en la solucin lixiviada, en el caso del oro, ste permanece en el acumulamiento de material despus de que la oxidacin de los compuestos sulfurosos refractarios se ha realizado. La recuperacin de este metal debe involucrar una etapa de extraccin posterior. La combinacin de la biolixiviacin

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cida y una posterior cianuracin alcalina, es la secuencia ms comnmente utilizada. Es conveniente destacar que antes de que la solucin alcalina de cianuro pueda ser utilizada, el acumulamiento debe lavarse y neutralizarse para remover el cido y las sales frricas, de lo contrario, stas pueden generar precipitados que interfieren en el flujo de la solucin extractora a travs del material as como aumentar el consumo de cianuro. De la misma manera, los materiales arcillosos son difciles de tratar debido a las dificultades en la percolacin y los minerales que requieren de un alto consumo de cido pueden resultar desventajosos en trminos econmicos para la aplicacin de este proceso [Lawrence, 1990]. In situ El xito de la biolixiviacin en acumulamientos para la extraccin de cobre, gener inters por desarrollar mtodos para realizar esta operacin directamente en la mina. Lo anterior involucra la fractura del cuerpo del mineral mediante poderosos explosivos para hacer al material permeable y permitir el flujo del lquido. Luego, se inyecta a presin la solucin de lixiviacin acompaada de oxgeno o de aire. La solucin enriquecida resultante de este proceso es recolectada mediante agujeros horadados por debajo del cuerpo del mineral. Una aplicacin ms amplia de la biolixiviacin In situ ha sido obstaculizada por los siguientes factores:

1. La incertidumbre con respecto a la permeabilidad del cuerpo del mineral al flujo de la solucin.

2. La prdida de solucin que se traduce en baja recuperacin y problemas ambientales

3. La incertidumbre con respecto al funcionamiento y desempeo de las bacterias sometidas a presin hidrosttica, temperatura y tensin de oxgeno disuelto, elevadas.

Este mtodo se implement en la dcada de los 60s en Canad para la biolixiviacin del uranio. En el proceso utilizado se riegan por aspersin o se inundan los escalones o los tneles de las minas con agua o con solucin diluida de cido sulfrico. La actividad bacteriana se limita a la oxidacin de la pirita y del ion ferroso, debido a que At. ferrooxidans no acta directamente sobre los minerales de uranio. La lixiviacin procede de acuerdo con las siguientes reacciones:

HOHSOUOSOHUOHFeSOSOUOSOHSOFeUO

4)(3

42)()(

24342423

44342423422

La solucin resultante enriquecida con uranio se drena en la parte inferior de la mina y se acumula en pozos de donde es bombeada a la superficie para la recuperacin del uranio [Hutchins et al. 1986] Columnas de percolacin Una columna de percolacin consiste en un tubo cilndrico en cuyo interior se empaca el mineral y se hace pasar el lquido de lixiviacin por gravedad a travs

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del mismo. En estos aparatos es posible utilizar mineral ms grueso, dependiendo de la escala experimental, para que sea representativo de las aplicaciones de la biolixiviacin comercial. Los estudios en columnas de percolacin son de larga duracin, que pueden ser varios meses e inclusive, aos, por lo cual imponen restricciones que pueden ser difciles de resolver. Una de las caractersticas de la lixiviacin en columna es la formacin de zonas dentro de la muestra de material que presentan diferentes gradientes qumicos y fsicos. Estas zonas pueden exhibir variaciones en el potencial redox, en la precipitacin de iones y en la formacin de azufre elemental, an en columnas de laboratorio relativamente pequeas. En aplicaciones comerciales a gran escala, como heap leaching estas zonas no han sido bien caracterizadas, pero parece ser que tambin incluyen gradientes de temperatura [Tuovinen, 1990]. La utilizacin de columnas de percolacin se ha limitado a estudios de laboratorio para investigar el crecimiento y la actividad de At. ferrooxidans [Monroy et al., 1994]. Se desconoce su potencial en procesos a escala comercial. Cultivo por lote El cultivo por lote involucra alguna de las siguientes tcnicas: frascos vibratorios o tanques agitados, en ambos casos se coloca el material a lixiviar, reducido a partculas muy finas y se agrega el medio lquido con el inculo y los nutrientes necesarios para el desarrollo de At. ferrooxidans. La mezcla se mantiene en movimiento para aumentar el contacto entre la bacteria y el material, hasta que la oxidacin alcanza el nivel deseado, luego se separan las fases y se someten a los procesos de recuperacin de productos. Los frascos vibratorios presentan muchas limitaciones debido a que las condiciones dentro del frasco cambian continuamente. El estado estable nunca se alcanza, y es muy difcil controlar las variables experimentales tales como el pH o el oxgeno disuelto. La falta de una operacin en estado estable tambin dificulta el examen de los efectos de los factores experimentales mismos que pueden ser amplificados o reducidos debido a las condiciones continuamente variables. Esta tcnica es adecuada para la seleccin y mejoramiento de las bacterias y como pruebas preliminares. Los experimentos conducidos por ste mtodo deben acompaarse de consideraciones especiales antes de extrapolar los resultados a escalas de planta piloto o sistemas a nivel comercial. Los reactores o fermentadores de tanques agitados, como los tanques Pachuca, permiten la aireacin, la mezcla completa de los slidos suspendidos y el control de varios parmetros, por lo que pueden proporcionar informacin ms til de varios de los factores que influyen en la cintica de la lixiviacin biolgica de los minerales (Tuovinen, 1990). Sin embargo, esta modalidad de operacin presenta severas limitaciones en cuanto a su restringida capacidad para manejar grandes cantidades de mineral, por lo que su campo de aplicacin se circunscribe a los casos en que los volmenes a tratar sean moderados, como son la biooxidacin de minerales de oro y la lixiviacin bacteriana de minerales sulfurados concentrados por flotacin [Acevedo y Gentina, 1989].

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Cultivo continuo Un sistema de cultivo continuo consiste en uno o varios fermentadores colocados en serie que pueden ser frascos agitados o tanques Pachuca, en los cuales se establece un flujo continuo de mineral y de medio de crecimiento para la bacteria. Esta tcnica tiene la ventaja de que es posible mantener un estado estable en cada uno de los fermentadores, lo que permite un mayor control de los parmetros de la biolixiviacin. Existen algunos sistemas experimentales de cultivo continuo reportados en la literatura, entre ellos podemos citar los estudios realizados por Jones y Kelly [1983]; Karavaiko et al. [1986]. En el primero de ellos se utiliz un fermentador continuo de laboratorio de 5 litros de capacidad denominado "chemostat" con sulfato ferroso como substrato limitante a velocidades de dilucin de 0.02 a 1.33 por hora para estudiar la inhibicin por substrato y por producto. En el segundo realizado a nivel planta piloto, se utilizaron diez tanques Pachuca de 150 litros de capacidad, colocados en serie para procesar 50 a 60 kg. de mineral por da, con la finalidad de estudiar la distribucin de T. ferrooxidans en forma libre y adherido a la superficie del material. El cultivo continuo a nivel de laboratorio ha sido usado para evaluar la biolixiviacin de una pirita conteniendo cobalto [d`Hugues et al., 1997]; para probar microbios extremadamente termfilos [d`Hugues et al., 2002]; para la biooxidacin de concentrados refractarios que contienen oro [Gonzlez et al., 1999]; y en la biolixiviacin de un concentrado de calcopirita con A. brierleyi [Konishi et al., 2001]. No se encontraron reportes de la utilizacin del cultivo continuo a escala comercial, por lo que se hace necesaria una mayor investigacin y exploracin de estos mtodos para avanzar en esta direccin, posiblemente se usen patentes de este tipo de procesos que no se reportan en la literatura. De acuerdo con Aiba et al. [1965] existen claras ventajas del cultivo continuo cuando se compara con el cultivo por lote. Estas ventajas se deben principalmente a: En el cultivo continuo se eliminan los tiempos improductivos que son

necesarios para la carga y descarga de un fermentador por lote. La bacteria se mantiene en el perodo de crecimiento exponencial, por lo que

no requiere del perodo de adaptacin como sucede en el cultivo por lote. Las condiciones estables permiten un mayor control de los parmetros de la

fermentacin y disminuyen los riesgos de una modificacin del patrn de crecimiento bacteriano

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DESARROLLO EXPERIMENTAL

Estructura del Trabajo Experimental Esta parte est dividida en dos grandes reas, la primera se refiere a los experimentos de biolixiviacin de un mineral de plomo con arsenopirita, y la segunda est orientada a investigar la biolixiviacin de un concentrado de cobre con arsnico y antimonio. Adems cada una de estas reas est constituida por experimentos diferentes que buscan cumplir con los objetivos planteados en esta tesis. Los experimentos siguen una secuencia ordenada en la que el resultado de cada uno de ellos se utiliz para planear el siguiente. Sin embargo, para facilitar la organizacin de este documento, los experimentos se consideran en forma independiente, de manera que para cada uno de ellos se establece las secciones de Objetivos; Materiales y Mtodos; Resultados y Discusin; y Conclusiones. La lista de experimentos es la siguiente: 1. Mineral de Plomo

1.1. Determinar si At. ferrooxidans puede crecer en un medio en el que un mineral con alto contenido de arsnico es su nica fuente de nutrientes

1.2. Probar el efecto de siete factores sobre la biolixiviacin de arsnico en un cultivo por lote, para disear las condiciones de disolucin mas adecuadas y establecer una velocidad de dilucin preliminar para un cultivo continuo

1.3. Encontrar la velocidad de dilucin y la densidad de la pulpa ptimas para un cultivo continuo, utilizando la metodologa de las superficie de respuesta aplicada a los datos obtenidos en un cultivo semicontinuo.

1.4. Realizar una corrida en cultivo continuo con los resultados obtenidos en la experimentacin anterior

2. Mineral de Cobre

2.1. Probar el efecto de siete factores sobre la biolixiviacin de cobre, arsnico y antimonio en un cultivo por lote, para disear las condiciones de disolucin mas adecuadas y establecer una velocidad de dilucin preliminar para un cultivo continuo.

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2.2. Bsqueda de cepas nativas con caractersticas convenientes para ser comparadas con las cepas adaptadas al crecimiento en medios con arsnico.

2.3. Encontrar la velocidad de dilucin y la densidad de la pulpa ptimas para un cultivo continuo, utilizando la metodologa de las superficie de respuesta aplicada a los datos obtenidos en un cultivo semicontinuo.

2.4. Realizar una corrida en cultivo continuo con los resultados obtenidos en la experimentacin anterior

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Mineral de Plomo Primer experimento

OBJETIVO:

Determinar si At. ferrooxidans puede crecer en un medio en el que un mineral complejo de galena, con un contenido alto de

arsnico, es su nica fuente de nutrientes

MATERIALES Y MTODOS

Mineral

Origen Muestra de mineral proporcionada por el Sr. Braulio Lozoya L. Proveniente de la mina "La Soledad" ubicada en la regin de "Las Coloradas" en Parral, Chih.

Condiciones de molienda La totalidad del mineral con un peso aproximado de 70 Kg. se redujo de tamao en el Laboratorio de Mineraloga de la Facultad de Ingeniera de la UACH mediante una quebradora de quijadas y un molino de cono hasta un tamao de -10 mallas. Una porcin de 15 Kg. de mineral, en lotes de 1 Kg. se someti a molienda en hmedo en un molino de bolas durante 25 minutos y posteriormente se sec en estufa. Anlisis Qumico y Mineragrfico Se utiliz un concentrado de galena proveniente de la mina La Soledad de Parral, Chih. Los anlisis qumicos se realizaron mediante espectrometra de absorcin atmica (AAS) (GBC Avante ), el arsnico se determin por AAS utilizando el sistema de generacin de hidruros. Las principales especies minerales presentes en el concentrado fueron determinadas por difraccin de rayos X (XRD) (Siemens D5000). Para el estudio mineragrfico, se prepararon briquetas de resina de polister utilizando 0.2 g de concentrado mineral, la superficie pulida de las briquetas se examin a travs del microscopio (Olympus AX70) y se tomaron fotografas de varios sitios. Para determinar el tamao promedio de las partculas, as como el rea especfica, el mineral de galena se lav con agua destilada, luego se sec en estufa a 55C y se analiz mediante un medidor de partculas de dispersin lser (Malvern Master Sizer 2000).

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Cultivo de Acidithiobacillus ferrooxidans en el mineral Obtencin de la cepa Se utiliz una cepa de At. ferrooxidans resistente al arsnico denominada T18, la cual se obtuvo a partir de una cepa nativa mediante transferencias seriadas con cantidades incrementales de arsnico en solucin en el medio, durante su crecimiento. La cepa T18 es capaz de crecer a concentraciones tan altas como 1800 mg/l de arsnico en un medio sinttico [Orrantia et al., 1999]. La cepa se cultiv en una incubadora orbital a 30C y 175 rpm en un medio estril conteniendo 44.22 g FeSO4, 3.0 g (NH4)2SO4, 0.5 g KH2PO4, 0.5 g MgSO47H2O, 0.1 g KCl, 0.01 g Ca(NO3)2 por litro de agua destilada, a un pH 2.0 ajustado con cido sulfrico [Silverman y Lundgren, 1959]. Despus de diez das en incubacin para generar el crecimiento de la bacteria, los cultivos se filtraron y el lquido claro se utiliz como inculo para cada una de las corridas, en una proporcin de 10% en volumen. Procedimiento de cultivo Se pesaron tres porciones de mineral de 25 g cada una, se midi el volumen de los 25 g en una probeta dando una lectura de 14 ml., por lo cual la densidad aparente aproximada es de 1.7857 g/ml. Las muestras de mineral se colocaron en tres matraces Kitasato de un litro. A dos de los matraces se les adicion 25 ml. de inculo de la cepa T18 de At. ferrooxidans, mientras que el tercero se dej como control. Uno de los matraces inoculados se afor a 250 ml con agua corriente de la llave, el otro se afor con agua destilada, al control se le agreg agua destilada hasta un volumen de 250 ml. Los matraces se taparon con algodn y se colocaron en una incubadora y agitadora orbital de piso (Lab-Line, Orbit) a 30.5C y 175 rpm durante 64 das.

Mediciones y muestreo del proceso de biolixiviacin

El pH se midi con un potencimetro ajustado con una solucin reguladora de citrato-cido clorhdrico con pH= 4 de MERCK. El pH de los matraces inoculados se mantuvo por debajo de un valor de 3 mediante la adicin de cido sulfrico al 20%. Al matraz control no se le control el pH. Peridicamente se extrajeron muestras de 2 ml de solucin de cada matraz, con adicin de agua para mantener el volumen. Un ml de muestra se utiliz para determinar el in ferroso (Fe+2) mediante permanganimetra; la muestra restante se utiliz para la determinacin de fierro total y de arsnico, mediante Absorcin Atmica. A los 37 das de iniciado el experimento se tom una muestra de 3 ml de cada matraz para hacer la determinacin de plata, plomo, cobre y zinc en la solucin. A los 39 y a los 64 das de iniciado el experimento, se extrajeron muestras del mineral slido sometido a tratamiento proveniente del matraz aforado con agua destilada y del mineral del matraz control. Las muestras fueron filtradas y se secaron en estufa, en cpsulas de porcelana a 59C. Estas muestras se observaron y fotografiaron en el microscopio electrnico de barrido.

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RESULTADOS Y DISCUSIN

Composicin qumica del mineral

El anlisis del mineral mediante espectrometra de absorcin atmica, arroj los resultados en porcentaje que se presentan en la Tabla 2, como puede verse, el contenido de arsnico es muy alto. En caso de que todo este arsnico se lixiviara alcanzara una concentracin en la solucin cercana a los 2200 mg/l que sobrepasa la tolerancia de la bacteria, considerando que se dispone de una cepa que resiste 1800 mg/l de arsnico en solucin en un medio sinttico, adems existe la presencia de algunos metales pesados que pueden generar problemas adicionales de inhibicin y/o toxicidad para el microorganismo durante el proceso de biolixiviacin. Esta diversidad de elementos en el mineral compromete bastante el crecimiento de la bacteria, debido a que la obliga a adquirir mecanismos de tolerancia o de resistencia a travs, ya sea de la sntesis de protenas especficas o mediante mutaciones en los sistemas de transporte a travs de la membrana celular. Estos mecanismos dependen de los iones metlicos involucrados, de la direccin del transporte y del tipo y cantidad de energa necesaria para realizarlos [Nies, 1999; Nies y Silver, 1995; Silver, 1996; Silver y Phung, 1996].

Elemento Porcentaje Arsnico 21.7800Fierro 21.1300Azufre 12.0192Plomo 9.6604Zinc 9.4240Manganeso 0.1576Cadmio 0.0836Antimonio 0.0510Cobre 0.0098Molibdeno 0.0026Insolubles 11.3800

Tabla 2: Composicin qumica del mineral.

Complejidad del mineral

La difraccin de Rayos X y el estudio mineragrfico del mineral muestra la presencia de las especies principales que se consignan en la Tabla 3:

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Mineral Frmula qumica Esfalerita ZnS Galena PbS Pirita FeS2 Arsenopirita FeAsS Cuarzo SiO2 Calcita CaCO3 Pirrotita Fe7S8 Hematita Fe2O3 Calcopirita CuFeS2 Pavonita AgSbS5

Tabla 3: Principales especies presentes en el mineral de plomo.

La medicin de la distribucin de tamao de partculas muestra un tamao promedio de 48.25 m y una superficie especfica de 0.558193 m2/g. La briqueta pulida conteniendo el mineral a -10 mallas fue observada al microscopio mineragrfico, las Figuras de la 2 a la 6, muestran fotografas tomadas en varios sitios de la briqueta, en ellos puede observarse la gran complejidad del mineral. De acuerdo con el estudio mineragrfico, la galena es el sulfuro que se deposit al final de la paragnesis de todas las especies minerales encontradas y se presenta englobando, reemplazando y rellenando huecos y fracturas entre los sulfuros previamente formados. El cuarzo tambin es un mineral tardo en la secuencia de depsito de minerales. La pirita en ocasiones se presenta con abundantes inclusiones de hematita. La arsenopirita se presenta asociada a la esfalerita, galena pirita y cuarzo y contiene inclusiones de galena, esfalerita, pirrotita y pirita. Adems, la arsenopirita se presenta incluida en la esfalerita y en la galena. En algunos fragmentos la arsenopirita se relaciona estrechamente con la galena, esfalerita, pirita, pirrotita, y cuarzo. Dada la abundancia relativa de la arsenopirita, su estrecha relacin con los otros sulfuros y su tamao en ocasiones menor a las 100 m, este mineral presenta problemas de contaminacin en los procesos de flotacin de los minerales plomo y zinc. Esta complejidad del mineral de sulfuro, debido a la asociacin entre especies y a la coexistencia en forma de inclusiones de muchas de ellas, son factores muy importantes que puede inhibir el proceso y provocar que la lixiviacin biolgica no sean del todo exitosa [Andrews y Merkle, 1999]. A continuacin se presentan algunas fotografas que ilustran esta serie de asociaciones.

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Figura 2: Fotografa de un sitio de la briqueta. Galena (G) que engloba y reemplaza a la arsenopirita (A), pirita (P), esfalerita (E), pirrotita (Pr) y cuarzo (C partes oscuras)

Figura 3: Fotografa de un sitio de la briqueta .Partcula que muestra la estrecha asociacin que existe entre la arsenopirita (A), esfalerita (E), galena (G), pirita (P) y cuarzo (C partes oscuras)

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Figura 4: Fotografa de un sitio de la briqueta. Partcula que muestra la estrecha asociacin que existe entre la arsenopirita (A), esfalerita (E), galena (G), y pirita (P)

Figura 5: Fotografa de un sitio de la briqueta. Galena (G) y cuarzo (C, partes oscuras) rellenando fracturas en la arsenopirita.

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Figura 6: Fotografa de un sitio de la briqueta. Asociacin entre galena (G), arsenopirita (A) y esfalerita (E) que contiene inclusiones de calcopirita (Cp).

Espectros de energa dispersiva

Los espectros de energa dispersiva (EDS) de los minerales, utilizando el microscopio electrnico de barrido, se muestran en las Figuras de la 7 a la 9 El primer espectro