BIOLIXIVIACION
Durante los últimos 50 años la vida útil de las reservas mundiales conocidas de cobre se ha mantenido constantes. La discusión planteada hoy en día no es el agotamiento de las reservas, si no la capacidad de innovación en tecnologías que permitan satisfacer la demanda del mineral. La demanda de cobre total para el siglo XXI se estima en 5 mil millones de toneladas, unas 10 veces la producción del siglo XX. En este escenario Chile juega un rol fundamental con un 35% de la producción mundial. Preservar el liderazgo obtenido dentro de la producción minera significaría aumentar la producción a 11.5 millones de toneladas para el año 2050, lo que pasaría por incentivar la creación de nuevas tecnologías de producción competitivas, involucrando a toda la producción privada. Una de estas tecnologías es el proceso de Biolixiviación, la cual tiene un rol cada vez más importante dentro de la industria minera.
Las reservas minerales disminuyen en ley y contenido de óxidos a través del tiempo, aumentando la cantidad de sulfuros, lo que hace más difícil la extracción con tecnologías convencionales. Todo este material sulfurado cuyo contenido de cobre no es posible recuperar, ha sido considerado de descarte por décadas. La Biolixiviación, practicada industrialmente desde1960 para el tratamiento de minerales de baja ley en botaderos (dump leaching), permite el tratamiento de este material y ha permitido incorporar como reservas los millones de toneladas de minerales de descarte acumulados en diversas minas de cobre del mundo. La contribución dela Biolixiviación es estimada en un 15% a la producción mundial total de cobre.
Cuando el material de un yacimiento cuprífero u otro tipo de yacimiento minero tiene menos de un 0,5% de cobre o porcentajes menores dependiendo del mineral, el trabajo de refinamiento tradicional deja de ser rentable, una situación que impulsó a los investigadores a buscar nuevos procesos, más baratos y eficientes, que permitieran aprovechar las millones de toneladas de descarte amontonadas, lo que ha sido posible gracias a las bacterias lixiviantes permitiendo separar el cobre principalmente de los minerales sólidos con los que se encontraba mezclado.
Todos ya tenemos claro que el principal mineral de Chile es la producción de cátodos de cobres, concentrados y subproductos, por esta razón las investigaciones en esta área fueron de gran importancia en el país.
En el 70% de los casos en que se busca extraer el mineral rojo de la roca, se recurre a la pirometalúrgica, proceso que consiste en separar físicamente el cobre de los compuestos a través de la flotación y, luego, la fundición en hornos a 1.200°C, lo que produce que, al pasar al estado líquido, los elementos más livianos queden en la parte superior del fundido, y los pesados, como el cobre, se concentren en la base.
El otro método que se utiliza es la Hidrometalurgia, proceso tecnológico en el que con la ayuda directa de ácido sulfúrico se separa el cobre de la roca que lo contiene, pero cuando ya estos dos procesos descartan el mineral por que los elevados costos de extraerlo son superados entra la tecnología de la Biolixiviación, con la ayuda directa o indirecta de microorganismos se produce la lixiviación: la disolución selectiva de minerales, con lo cual se separa de los otros elementos, ayudándose así a la descontaminación de metales en los sistemas acuáticos.
La Biolixiviación se ha transformado en una alternativa atractiva debido a una serie de ventajas respecto de los procesos convencionales para la recuperación de minerales. Entre ellas se puede nombrar la baja necesidad energética, reduciéndose las temperaturas de operación desdelos 1500ºC hasta menos de 100ºC. No produce emisiones de gases sulfurados y se reduce el consumo de ácido gracias a la capacidad de las bacterias de producirlo. Permite el tratamiento de minerales y productos residuales pobres, los que son imposibles de tratar con los procesos hidro y pirometalúrgicos convencionales. Todo esto junto con reducidos costos de operación lo hacen un proceso económico y ambientalmente más seguro.
Proceso de Biolixiviación
La Biolixiviación se ubica dentro de la clasificación de proceso comercial de Biominería, que es el término usado para describir el uso de microorganismos en la extracción de metales desde minerales o concentrados sulfurados y/o con contenido de hierro. Cuando el metal es extraído desde soluciones, el proceso recibe el nombre de biooxidación o Biolixiviación.
Los microorganismos que participan en la Biolixiviación se alimentan principalmente de dos impurezas que hay que extraer del mineral para producir cobre: el azufre, que las bacterias pueden oxidar y convertir en ácido sulfúrico; y el fierro, el cual es precipitado sobre el mineral de descarte, lo que permite lograr una disolución más barata y simple.
Estos microorganismos, varios de los cuales son autótrofos por ser capaces de sintetizar sus componentes celulares a partir del anhídrido carbónico del aire, son denominados quimiolitoautotróficas por ser bacterias que comen piedras, destacándose entre todos ellos el “Acidithiobacillus ferrooxidans”, la que fue aislada en 1957 de agua obtenida de filtraciones que presentaba una mina de carbón abandonada en Virginia Oeste, Estados Unidos.
El nombre de este microorganismo no es por azar, sino que refleja sus características: Acidithiobacillus, es acidófilo, porque crece en pH ácido; es thio, es decir, capaz de oxidar compuestos de azufre; es un bacillus, porque tiene forma de bastón, y ferrooxidans, porque además puede oxidar el Fierro. Además, son denominados extremófilos por vivir en condiciones extremas, que son normales en el caso de los minerales: pH ácido, altas temperaturas y concentraciones de metales.
Las bacterias quimiolitoautotróficas comenzaron a ser utilizadas en Chile en 1970, cuando se comenzó a experimentar en Chuquicamata con unos microorganismos capaces de obtener cobre de pilas de ripio que contenían mineral de muy baja ley y que no era posible extraerlo con los métodos tradicionales. Este fenómeno se estudió en terreno, aislándose y cultivándose estos microorganismos para luego sembrarlos en pilas de ripio, como una forma de mejorar el proceso que se da en forma natural.
En esa época, el Instituto de Investigaciones Tecnológicas (INTEC - Chile) orientó sus esfuerzos en caracterizar y seleccionar distintos tipos de microorganismos que habitaban en ambientes naturales propicios a la lixiviación, como por ejemplo botaderos, aguas que emergían de faenas mineras, etc. Sin embargo, dichas investigaciones se desarrollaron a un ritmo irregular, lográndose recién en 1984 un proyecto a mayor escala con la participación de universidades, entidades estatales y el apoyo económico de las Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial y del Gobierno de Chile.
Este proyecto, denominado “Control de procesos biológicos en la lixiviación bacteriana del cobre de minerales chilenos”, se enfocó en el estudio de la genética, fisiología y bioquímica de las bacterias lixiviantes, los mecanismos de interacción de la bacteria con el mineral y cinéticas de Biolixiviación en diferentes condiciones, con el objetivo de modificar algunas características fisiológicas de los microorganismos lixiviantes, de manera de hacerlos más eficientes; y modificar características ambientales para optimizar el proceso de lixiviación que realizan estas bacterias.
A partir de una serie de experimentos que se desarrollaron en Sudáfrica se descubrió que, si se conservan estas bacterias en agua con un bajo contenido de ácido y azufre a una temperatura de unos 75 grados centígrados, en cuatro días pueden convertir el mineral de cobre en una solución de 30 gramos de cobre puro por cada litro de agua, la cual es luego enviada a una refinería, donde se desarrollan las etapas de extracción por solventes y de electro-obtención (SX – EW).
Los avances en esta área han permitido que en la actualidad se generen en Chile alrededor de 450 mil toneladas de cobre a través de la Biolixiviación en plantas, con un costo de producción de 850 dólares por tonelada y sin que se produzcan emisiones de polvo, dióxido de azufre y arsénico. La cantidad de mineral que se obtiene por medio de bacterias alcanza un precio de venta que se ubica en torno a los 900 millones de dólares.
Los beneficios que pueden entregar estos microorganismos han impulsado un importante desarrollo investigativo en el área, el cual ya ha dado importantes resultados, como cuando el año 2004 se descubrió una nueva bacteria capaz de bioxidar azufre y hierro, lo cual se produjo en el marco del proyecto de Biolixiviación que lleva a cabo BioSigma S.A., asociación de Codelco (66,66%) y la empresa japonesa Nipon Minning & Metals Co. Ltd. (33,33%).
Junto con descubrir la nueva bacteria y registrarla para obtener la patente respectiva, se trabajó en el secuenciamiento de su genoma, identificando cerca del 95% de su material genético, incluyendo los genes responsables de acelerar el proceso de Biolixiviación, en especial el que se refiere a la disolución de la calcopirita, que es la especie mineralógica mayoritaria en los recursos de cobre primario.
A nivel internacional son líderes en este campo investigativo el Instituto de Biología Molecular de Barcelona, el Johannesburg Technology Center, la University of Massachussets Lowel y el Mathematical Bioscience Institute de Ohio, entre otros.
En la actualidad, junto con buscar la manera de hacer más eficiente los procesos de Biolixiviación que realizan estas bacterias “mineras”, los investigadores han centrado sus esfuerzos en lograr una solución para uno de los efectos negativos que causa la labor de estos microorganismos: la producción de ácido.
En el noroeste de Estados Unidos existen diversas minas de carbón, en donde la presencia de estas bacterias en las aguas que fluyen por grietas y filtraciones ha producido problemas de acidificación de suelos fértiles, un inconveniente que tal vez más temprano que tarde pueda ser resuelto gracias a la ingeniería genética.
Mecanismos de Biolixiviación:
La bacteria más estudiada es: Acidithiobacillus ferrooxidans la cual prolifera en un medio de bajo pH, 1.6 a 2.7, aunque crece en el intervalo de 1.0 a 6.0, su velocidad óptima de crecimiento es entre pH 2 y 2.5. El intervalo de temperatura es de 2 a 40°C, la más favorable es de 28 a 35°C. Las reacciones de oxidación catalizadas por las bacterias son exotérmicas y son la oxidación de especies reducidas de hierro y de azufre, presentes en los minerales, Fe (II) y S(II-). Las reacciones de oxidación disuelven los minerales obteniendo soluciones de Fe(III)soluble y ácido sulfúrico, las cuáles son recirculadas al proceso de lixiviación.
Aspectos microbiológicos
Los microorganismos que son responsables de la disolución de los metales a partir de minerales son, principalmente, organismos quimiosintéticos y autotróficos pertenecientes al género Thiobacillus, pero no son las únicas.
Los microorganismos de importancia en la Biolixiviación son:
Mesófilos: T. ferrooxidans, T. thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans.
Termófilos moderados: Sulfobacillus thermosulfidooxidans, TH-1, TH-2, TH-3 y M4.
Termófilos obligados: Sulfolobus, Acidanus, Metallosphaera y Sulfurococcus.
Heterótrofos: algas, hongos.
El proceso de Biolixiviación se realiza mediante el uso de microorganismos como los mencionados anteriormente, donde ellos incrementan la velocidad de disolución de ciertos compuestos metálicos de un mineral, concentrado sulfurado o en una matriz soluble o poco soluble. Estos metales disueltos pasan a la fase soluble y son recuperados por otros procesos metalúrgicos, y el residuo solido es descartado. La Biolixiviación se puede llevar a cabo de manera directa e indirecta.
Los T. ferrooxidans presenta forma bacilar, gram negativas, de 0.5 a 1.7 µ, es quimioautotrófico, capaz de oxidar compuestos inorgánicos como iones ferrosos (Fe(II)) y azufre, los que le sirven de fuente primaria de energía. El carbono necesario para su arquitectura celular lo obtiene por fijación de CO2. Es considerada como el mayor contribuyente en la producción de aguas ácidas que drenan de depósitos de metales sulfurados, gracias a la capacidad que tienen de oxidar minerales de disulfuro de fierro, generando soluciones ácidas de sulfato férrico.
La lixiviación bacteriana es aplicable a minerales sulfurados de cobre que corresponden a la zona de enriquecimiento secundario, como calcosina (Cu2S), minerales mixtos de cobre o sulfuros primarios como la calcopirita (CuFeS2) conocidos como sulfuros marginales de baja ley. Para llevar a cabo este tipo de lixiviación deben existir al menos pequeñas cantidades de pirita (FeS2), de tal manera de oxidar el Fe+2 del mineral. Mientras más FeS2 haya en el mineral, mayor será el grado de oxidación del Fe+2 a Fe+3 y mayor la disolución de cobre y fierro, lograda mediante la presencia de O2 (presente en el H2O, CO2 y/o aireación) y bacterias para catalizar la reacción. Primero se disolverán completamente los minerales sulfurados de cobre como la Cu2S, CuFeS2 y al final la FeS2 (Fe+2) de lenta disolución.
Función de las bacterias: Catalizar la reacción de lixiviación y la oxidación de Fe+2 a Fe+3.
Sin presencia de bacterias no se acelera la reacción química de disolución de cobre, y prácticamente se minimiza la oxidación de Fe+2 a Fe+3, obteniéndose en la solución sólo el ferroso y férrico que se disolvió químicamente. Este fenómeno es muy similar al que ocurre en la lixiviación de minerales oxidados de cobre. Para estos procesos las bacterias más conocidas son las llamadas “Bioxidans” y “Ferrooxidans”.
Mecanismo Indirecto Solución-Bacteria: Mecanismo que consiste en oxidar el Fe+2 de la solución a Fe+3, mediante la presencia bacterias y O2. Los iones de H+ y O2 se encuentran presentes en el H2O.
Reacción Global: 2 Fe+2 + ½ O2 + 2 H+ a 2 Fe+3 + H2O
Mecanismo Directo Bacteria-Mineral: El Fe+3 de la solución generado por oxidación del ión ferroso y con presencia de bacteria, actúa sobre la superficie del mineral alojándose allí estas bacterias, generándose así la disolución de cobre (Cu+2) y fierro (Fe+2). Luego este Fe+2 en solución proveniente de la pirita se oxida a Fe+3 y se acelera por la acción bacteriana alojada en la superficie del mineral. Fenómeno cíclico de disolución de fierro (Fe+2) y de oxidación a férrico (Fe+3).
CuFeS2 = Fe+2 + Cu+2 + 2S0+ 4e- Se genera Cu+2 y S0 que queda en la superficie del mineral.
S0 + 3/2 O2 + H2O = 2H+ + SO4-2 El S0 elemental se oxida a SO4, y posteriormente genera H2SO, ácido sulfúrico.
Fe+2 + ½ O2 + H+ a Fe+3 + ½ H2O Se genera Fe+3 a partir de la oxidación del Fe+2 de la pirita.
Es importante tener en claro que todo mineral sulfurado se puede lixiviar química o bacterialmente, lo importante es saber qué condiciones deben existir y si económicamente rentable.
Todo azufre contenido en los sulfuros de cobre o fierro puede generar ácido sulfúrico por oxidación.
Todo mineral sulfurado de cobre se puede lixiviar química o bacterialmente, la diferencia está en las recuperaciones de cobre a obtener y en cinética de lixiviación, de allí que se tiene a acelerar los procesos mediante catalizadores, como por ejemplo, las bacterias, la aireación, sales de cloruro, etc.
El ranking de disolución de especies de cobre (cinética de lixiviación) en orden descendente es el siguiente:
Calcosina.
Bornita.
Covelina.
Calcopirita (mineral marginal diseminado, de baja ley de cobre y cinética lenta, conviene lixiviarlo bacterialmente en botaderos).
Para lixiviar un sulfuro de cobre bacterialmente o químicamente es necesario:
Considerar y evaluar costos de reactivos por la escasa presencia de fierro en la forma de férrico y ferroso (pirita).
Considerar niveles de impurezas en las soluciones (carga iónica) para trabajar bacterialmente, o en caso contrario considerar la alternativa química. Si la carga iónica por impurezas es alta se necesitaría de una bacteria inmune a elevadas cargas iónicas, lo cual está el momento no existe.
En la lixiviación de óxidos el ácido consumido corresponde en gran parte a lo que consume la ganga y el otro por efecto de la reacción de disolución de cobre. En el caso de la Biolixiviación ocurre algo similar, pero además se consume ácido por efecto de la reacción de oxidación de Fe+2 a Fe+3.
En Biolixiviación el Fe+3 se va incrementando con el transcurso del tiempo por la oxidación del Fe+2 de la solución más el ión ferroso del mineral.
En Biolixiviación se puede observar que siempre se genera más ácido en el sistema por oxidación del Sº y disolución del cobre, que por consumo de H+ en la oxidación de Fe+2 a Fe+3, pero esto tarda, pues la cinética de los sulfuros de cobre es más lenta que los óxidos, a pesar de ser catalizada por la presencia de bacterias.
Por ejemplo: la calcopirita es recomendable lixiviarla bacterialmente y en botaderos, debido a sus bajas leyes de cobre, lo cual no permite pagar un tratamiento o procesamiento del mineral, además del estado en el que se encuentran las partículas, muy diseminado. La ventaja de esta lixiviación en botaderos es su bajo costo por concepto de ningún tratamiento al mineral y la generación de ácido, lograda a partir del mismo proceso, lo cual reduce los costos operacionales. Su desventaja es que para lograr esta generación de ácido el efecto puede tardar un tiempo muy prolongado, sobre 1 año de operación.
Factores que afectan la lixiviación bacteriana
El efecto de ciertos factores ambientales sobre el desarrollo y crecimiento de las bacterias es indispensable en el proceso de la lixiviación bacteriana, estos factores son:
pH: Se trata de un factor crítico. Los T. ferrooxidans, necesitan medios ácidos, siendo incapaces de desarrollar sobre Fe+2 a un pH mayor de 3.0. Normalmente el rango va de 1.5 a 2.5. Esto es para que el metal del mineral facilite la oxidación del azufre y síntesis de energía con calcopirita. El carácter acidofílico de T. ferrooxidans lo comparte con T. thooxidans con hongos del suelo, levaduras y protozoarios en esa condición fisicoquímica el hierro es disponible para la vida (Kusano et al., 1992).
Oxígeno y CO2: La disponibilidad de oxígeno es un factor que controla la extracción de metales por bacterias. No se conoce otro oxidante que pueda ser utilizado por los microorganismos en ambientes de lixiviación. El dióxido de carbono es utilizado como fuente de carbono para la fabricación de su arquitectura celular.
Nutrientes: Como todos los seres vivientes, T. ferrooxidans requiere de fuentes nutricionales para su óptimo desarrollo, entre las que tenemos fuente de N2 (amonio), de fosfato, de S, iones metálicos (como Mg+), etc. Magnesio, es necesario para la fijación de CO2 y el fósforo es requerido para el metabolismo energético. Los medios de cultivo empleados presentan estos requerimientos, siendo los más importantes el 9K y el TK.
Fuente de Energía: Los T. ferrooxidans utilizan como fuente primaria de energía los iones ferrosos y azufre inorgánico. El fierro ferroso debe ser suplementado al medio cuando se trata de medios sintéticos. En caso de utilizar mineral, no es necesario añadir Fe+2.
Luz: La luz visible y la no filtrada tienen un efecto inhibitorio sobre algunas especies de Thiobacillus, pero el fierro férrico ofrece alguna protección a los rayos visibles.
Temperatura: El rango sobre el cual se desarrollan las bacterias se encuentran entre 25˚C y 35˚C. El aumento de temperatura por la bacteria al oxidar el azufre genera calor durante su crecimiento. La máxima oxidación del ión ferroso se da a temperatura no mayor de 35˚C y disminuye a una temperatura 45oC.
Presencia de Inhibidores: En los procesos de molienda o por acción propia del agente lixiviante se liberan algunos iones que en ciertas concentraciones resultan tóxicas para las bacterias ferrooxidantes afectando el desarrollo bacterial. La literatura señala que los niveles de tolerancia de las bacterias para ciertos metales es Zn+2 = 15 - 72 g/l; Ni+2 = 12 - 50 g/l; Cu+2 = 15 g/l; Ag+ = 1ppb; UO2+2 = 200 - 500 mg/l, entre otros.
Tamaño de la partícula y el área superficial del mineral en la lixiviación bacteriana: En soluciones acuosas las partículas sólidas del mineral son una fuente de iones. El tamaño es clave pues el área de contacto facilita la oxidación lenta o rápida, los que tienen dimensión cercanas bacterias son ideales para su lixiviación.
