Introducción

La biolixiviación de minerales, concentrados y relaves sulfurados que contienen

Au y Cu encapsulados es un concepto relativamente nuevo en comparación a

los procesos de tostación, oxidación a presión y/o oxidación química, y

rápidamente fue establecido como un pre-tratamiento alternativo de oxidación

viable.

La técnica de oxidación bacteriana empleada para el tratamiento de minerales

sulfurados auríferos se fundamenta en la acción efectiva de la bacteria

Thiobacillus Ferrooxidans para oxidar especies reducidas de azufre a sulfato, y

para oxidar el ión ferroso a ión férrico. La fuente de energía la obtienen en el

intervalo de temperatura de 28 - 35 °C, lo fundamental para el Thiobacillus

Ferrooxidans es el ión Fe+2, pudiendo ser utilizados también el azufre y sus

formas reducidas. Usa nutrientes básicos para su metabolismo a base de N, P,

K, y Mg, Ca, como elementos de trazo.

La biolixiviación de sulfuros como proceso biohidrometalúrgico involucra un

conjunto de reacciones químicas, metabólicas, enzimáticas y no enzimáticas,

en el cuál el mineral insoluble es oxidado y otros metales de interés son

liberados en solución

Antecedentes

A finales del siglo XIX S. Winogradsky describió un grupo de bacterias de

diversos ambientes: suelo, agua y mina, que crecen por oxidación de minerales

con azufre, hierro, cobre, cobalto, níquel y otros metales, lo que además

asimilan el CO2 y/o carbonatos como fuente de carbono. Por este tipo de

metabolismo bioquímico les definió como "bacterias quimiolitotroficas y postuló

que la energía derivada de la oxidación del ión ferroso a férrico sirve para su

crecimiento y asimilación de CO2A finales de 1979 se les conocían como

bacterias autotróficas del hierro, entonces sólo se describían dos géneros:

Ferrobacillus y las especies F. ferrooxidans y F. sulfooxidans y Thiobacillus

thiooxidans, está última se aisló de un suelo pobre en materia orgánica y en

agua de mina.

La lixiviación bacteriana (LB) es una estrategia biológica que se emplea para la

concentración y extracción de metales de minerales sulfurados refractarios de

baja ley ó SMBL

En hidrometalurgía la LB es sencilla, barata y ecológica, sus productos no

contaminan el ambiente(Navarrete, et al., 2001). Una de sus principales

ventajas es la económica, al aprovechar menas de minerales sulfurados

metálicos de baja ley (SMBL), considerados así porque la concentración del

metal de interés es mínima (10mg/ton del mineral) y porque la extracción por

métodos químicos tradicionales no es rentable, por ello no se explotan a pesar

de que contienen oro, plata, cobre y metales radiactivos: uranio, radio, etc.

El primer informe sobre la LB de SMBL, se publicó en 1922 con una bacteria

quimiolitotrofica desconocida, está investigación describió una forma biológica

de extracción de metales como alternativa barata para la explotación de SMBL,

durante 30 años este informe se ignoró hasta el redescubrimiento T.

ferrooxidans tolerante a alta concentración de metales pesados (g L-1): 10 de

zinc, 72 de níquel, 30 de cobalto, 55 de cobre y hasta 160 de hierro

fundamental en el incremento del costo de fundición de minerales, la que obliga

a que concentrados de oro y plata se exploten por LB.

En general se describen tres métodos para la extracción de metales a partir de

minerales: lixiviación química en autoclave, tostación de sulfuros y LB. En base

al mineral que se trata se sabe que el reto es extraer el metal unido al azufre,

ya que éste es la causa de la refracción o resistencia del mineral a la

separación de estos metales.

En 1947 cuando T. ferrooxidans se aisló por primera vez del drenaje de una

mina de carbón bituminoso. En España en 1950 se reportó la LB de minerales

de cobre en una mina del Río Tinto, hasta 1970 se confirmó que esto fue

derivado de la actividad de Thiobacillus sobre el SMBL. Cuando la

microbiología avanzó, se reporto que Thiobacillus como es clave en la

recuperación de metales de valor comercial a partir de SMBL. Por ello existen

patentes de este proceso, incluso para minerales con metales radioactivos.

¿Qué es la lixiviación?

La biolixiviación o lixiviación bacteriana es un proceso natural de disolución, ejecutado por un grupo de bacterias que tienen la habilidad de oxidar minerales sulfurados, permitiendo la liberación de los valores metálicos contenidos en ellos. Por mucho tiempo se pensó que la disolución o lixiviación de metales era un proceso netamente químico, mediado por el agua y oxígeno atmosférico. El descubrimiento de bacterias acidófilas, ferro y sulfooxidantes, ha sido primordial en la definición de la lixiviación como un proceso catalizado biológicamente.

En términos generales, se puede decir que la biolixiviación es una tecnología que emplea bacterias específicas para extraer un metal de valor como uranio, cobre, zinc, níquel o cobalto, presente en la mina o en un concentrado mineral. El producto final de la biolixiviación es una solución ácida que contiene metal en su forma soluble.

Tal como los seres humanos oxidan la glucosa para conseguir energía y a partir de ésta fabrican todos los componentes celulares, estas bacterias quimiolitoautotróficas utilizan la oxidación de compuestos inorgánicos para generar todos los componentes de la célula. Esta capacidad metabólica es la que se aprovecha para solubilizar cobre. Estos microorganismos 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.

Dentro de este ecosistema, uno de los microorganismos de mayor importancia para la minería es el Thiobacillus ferrooxidans, presenta forma bacilar, Gram negativas, de 0.5 a 1.7 µ, algunas cepas tienen flagelos, es quimioautotrófico, capaz de oxidar compuestos inorgánicos como iones ferroso (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, de manera similar a las plantas verdes (Ciclo de Calvin-Benson).  Es aerobio (requiere de O2 como aceptor final de electrones), acidófilo (desarrolla en rangos de pH que varían entre 1.5 y 3.0), y a temperaturas que oscilan entre 25-35ºC. 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.

Mecanismos de oxidación bacterial de Fe2 +, S

El Thiobacillus ferrooxidans es un microorganismo autótrofo que obtiene su energía de la oxidación de hierro y azufre. El hierro debe estar en la forma de ion ferroso Fe2+ el que por acción bacteriana es convertido en ion férrico Fe3+. La oxidación de azufre puede ocurrir con el azufre elemental (S) así como con varias otras moléculas azufradas: sulfuros, tetrationato (S4 06

2-) o tiosulfato (S2 03

2-). El aceptor de la mayor parte de los electrones provenientes de estas oxidaciones es el oxígeno (02). Esta es por lo tanto una bacteria aeróbica.

La transferencia de electrones hacia el oxígeno ocurre a través de una serie de etapas con la participación de varias proteínas mediadoras localizadas en y entre las membranas externa e interna que envuelven la bacteria. 

Estos procesos de transferencia de electrones deben estar acoplados de alguna manera a la síntesis de ATP. Este es el compuesto que en general los seres vivos utilizan en procesos químicos que requieren energía. Los mecanismos de este acoplamiento entre transferencia de electrones y síntesis de ATP no están bien aclarados en este microorganismo pero su estudio ha progresado y atraído el interés de un número creciente de investigadores en años recientes. Esto, porque su dilucidación ayudaría a orientar las manipulaciones genéticas conducentes a mejorar las características que hacen esta bacteria útil en minería y también porque el estudio de estos mecanismos resulta interesante dado que el número de mediadores -unos cinco o seis- es pequeño y se encuentran en concentraciones relativamente altas en la célula, lo que hace a esta bacteria un buen modelo de estudio de estos procesos.

Factores que afectan la lixiviación bacteriana.La LB por T. ferrooxidans de SMBL depende de la concentración del ión ferroso y del hierro soluble que afecta el sistema de transporte de electrones en la membrana, cuando oxida azufre. El pH es un factor critico T. ferrooxidans requiere acidez para que el metal del mineral facilite la oxidación del azufre y síntesis de energía con calcopirita. Depende del sulfuro de zinc de calcocita y covelita que necesitan hierro soluble. 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.

1. Temperatura optima de lixiviación bacteriana.Dos factores críticos afectan la LB de Thiobacillus, el primero el aumento de temperatura por la bacteria al oxidar el azufre, lo que genera calor durante su crecimiento. El intervalo de temperatura óptimo para Thiobacillus está entre 25 y 35°C, para máxima oxidación de ión ferroso a temperatura no mayor de 35 °C y disminuye a 45 oC Thiobacillus luego muere, se propone usar. Archaeabacteria hipertermofilica acidofilica usan como fuente de energía, SMBL a temperatura mayor de 80oC, estas bacterias viven en la naturaleza en ambientes extremos. Por ello se le asocia con la oxidación de compuestos inorgánicos de S en zonas volcánicas terrestres y marinas. Estas bacterias representan una nueva posibilidad para la explotación de SMBL.

2 .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 se área de contacto facilita la oxidación lenta o rápida, los que tienen dimensión cercanas bacterias son ideales para su lixiviación. Investigación al respecto sugiere que el MPS que la bacteria es necesario para su adhesión al mineral, con relación inversamente proporcional entre la actividad lixiviante de Thiobacillus sobre SMBL y el tamaño de la partícula a medida de que está es menor la velocidad de oxidación del azufre es mayor en consecuencia la extracción del metal es rápida lo anterior se reporta para mineral de sulfurado de plata.

Cuadro 1. Condiciones de crecimiento para el cultivo de Thiobacillus ferrooxidans.

Variable Valor recomendado

Temperatura

Potencial de hidrógeno (pH)

Eh

Concentración del ión ferroso (Fe2+)

Concentración sulfuro metálico (%)

Densidad de inóculo bacteriano

Fuente de Nitrógeno (N)

Fuente de Carbono (C)

Fuente de Oxígeno

Fuente de energía y/ó azufre

35o C, 100° C*

2.3

-500 mV

10 g-1

10-25

5-7 % (v/v)

(NH4)2SO4 3.0 g-1 (p/v), inclusive N2 (molecular)

CO2 0.2% (v/v), inclusive carbonatos.

O2 intensivo.

Azufre mineral, con tamaño menor que 32 micras

Minería microbiana

La minería es una de las actividades más contaminantes y perjudiciales tanto para el medio ambiente como para el hombre. Sin embargo, gracias a los avances más recientes en biotecnología, se pueden extraer metales por medio de un proceso alternativo que presenta ventajas desde el punto de vista ambiental y económico, consiste en el ataque y la solubilización de un mineral a través de la acción directa o indirecta de distintos microorganismos.El microorganismo utiliza el mineral como combustible, para sus propios propósitos de supervivencia, liberando los metales de interés, sin necesidad de una aplicación externa de energía. Durante el proceso lo que ocurre es que un metal insoluble (normalmente, en forma de sulfuro) se convierte en una forma soluble (sulfato), y el metal se extrae en agua. Por ello, a veces se utiliza como sinónimo de hidrometalurgia.

El uso de materiales metálicos es necesario en el proceso de civilización para mejorar el bienestar social. Sin embargo, la metalurgia tuvo una gran crisis en la década de los sesenta debido al incremento de los costes de la energía y al agotamiento de las reservas. Por eso, fue necesario buscar materias primas alternativas, como los sulfuros metálicos. Los sulfuros metálicos se pueden extraer por métodos pirometalúrgicos, ya que son fácilmente concentrables y el azufre suministra parte de la energía. Sin embargo, estos procesos son altamente contaminantes por las emisiones de SO2 que producen, incrementando problemas como el de la lluvia ácida. Como alternativa, surgió la hidrometalurgia, que extraía el metal en reacciones en un medio acuoso. Pero también presentaba problemas por su alto coste y por sus elevadas temperaturas y presiones requeridas.

Pero la biolixiviación no es un proceso nuevo. Ya se utilizaba en China para la extracción de cobre, antes del descubrimiento de las bacterias, de una forma totalmente empírica. En 1947, Colmer y Hinkle aislaron por primera vez la bacteria Thiobacillus ferrooxidans, y se observó que era capaz de oxidar el hierro. Durante los años 60 y 70, hubo una gran investigación de todos estos procesos, identificándose diferentes especies bacterianas implicadas y llevándose a cabo procesos a gran escala.Actualmente, se han realizado grandes avances, tanto en el conocimiento de los mecanismos biológicos de los microorganismos implicados como en el desarrollo ingenieril.

La principal característica de los microorganismos que llevan a cabo el proceso es su capacidad para evolucionar en ambientes con temperaturas, pH y condiciones muy agresivas. Todos son acidófilos estrictos, es decir, son capaces de crecer a pH cercanos a 2. Su acción es la oxidación directa o indirecta de los metales contenidos en los minerales. Esto aporta a las células la energía necesaria para su metabolismo.

La lixiviación bacteriana ofrece una serie de ventajas respecto al cianuro y otros procesos de lixiviación, incluidos:

adecuación para menas de bajo grado y refractarios rentabilidad tecnología segura, sencilla y contrastada La oxidación bacteriana tiene lugar a presión ambiente y temperaturas a

partir de los 15 grados Celsius. Adecuación para las jurisdicciones donde el uso de cianuro está

restringido.

APLICACION DE LOS PROCESOS BIOTECNOLOGICOS

Biooxidación de Sulfuros

Muchos sulfuros metálicos pueden ser atacados por acción bacterial, dando lugar a la producción de los correspondientes sulfatos solubles. Para sulfuros refractarios de oro y metales del grupo del platino, el ataque bacterial resulta siendo un pretratamiento.

Oxidación de la Pirita: La pirita (FeS2) es un sulfuro ampliamente distribuido y se lo puede hallar en asociación con muchos metales como cobre, plomo, zinc, arsénico, plata, oro, entre otros. Su oxidación da lugar a la formación de sulfato férrico y ácido sulfúrico.

Sulfuros de Cobre: La oxidación biológica de sulfuros de cobre ha sido el proceso más estudiado. El cobre se disuelve transformándose en sulfato de cobre (CuSO4). La chalcopirita (CuFeS2) es el sulfuro de cobre más difícil de oxidar. A nivel industrial, la tecnología ha venido siendo aplicada en pilas (Chile, USA, Perú, etc.). Más recientemente, Billiton, de Sudáfrica, realiza investigaciones para recuperar el cobre contenido en minerales arsenicales, en un proceso que ha denominado BIOCOP.

Sulfuros de Metales Preciosos: La lixiviación bacteriana se emplea para romper la matriz del sulfuro (principalmente, pirita y/o arsenopirita) en la que se encuentra "atrapada" la partícula aurífera, permitiendo la posterior recuperación de la misma por cianuración convencional. Realmente, el proceso resulta siendo un pretratamiento antes que una disolución directa del metal.

Los procesos industriales han tenido enorme aplicación, entre los que destacan: el proceso BIOX, de Gencor, y que tiene plantas como la de Ashanti con capacidad para tratar hasta 1000 tpd de mineral. En el Perú la tecnología es aplicada en el Proyecto Tamboraque de Minera Lizandro Proaño, para recuperar oro contenido en arsenopirita. Mintek, también ha desarrollado el proceso MINBAC, y Bactech de Australia ha desarrollado un proceso que emplea bacterias moderadamente termófilas para el tratamiento de sulfuros preciosos y de metales base que se conoce como el proceso BACTECH. 

Cuadro 2. Minas que actualmente usan lixiviación bacteriana

Proyecto, Ubicación

Tipo & Tamaño Tecnología Aplicada Historia

Fairview, Sud Africa

Oro, 35 tm/ día GENMIN, tanque agitado Construido en 1986, en operación

Sao Bento, Brazil  Oro, 150 tm/día GENMIN, una fase de tanque agitado previo al autoclave 

Construido en 1990, en operación

Harbour Lights, Australia

Oro, 40 tm/día  GENMIN, tanque agitado Construido en 1992, paralizado en 1994

Wiluna Mine, Australia

Oro, 115 tm/día GENMIN, tanque agitado  Construido en 1993, en operación

Sansu, Ghana Oro, 1000 tm/día GENMIN, tanque agitado Construido en 1994, ampliado en 1995, en operación

Youanmi, Australia Oro, 120 tm/día BACTECH, tanque agitado Construido en 1994, en operación

Lo Aguirre, Chile Cu, lixiviacón en pilas

Soc. Minera Pudahuel, bio-pilas Iniciado en 1980, paralizado en 1996

Cerro Colorado, Chile

Cu, lixiviación en pilas

Soc. Minera Pudahuel, biopilas Construido en 1993, en operación

Quebrada Blanca, Chile

Cu, lixiviación en pilas

Soc. Minera Pudahuel, biopilas Construido en 1994, en operación

Ivan-Zar, Chile Cu, lixiviación en pilas

Soc. Minera Pudahuel, biopilas Construido en 1994, en operación

Mt, Leyshon, Australia

Cu/Au, lixiviación en pilas

Biopila de capa delgada más cianuración

Construido en 1992, en cierre

Girilambone, Australia

Cu, lixiviación en pilas

Biopila Construido en 1993, en operación

Newmont-Carlin, USA

Oro, lixiviación en pilas

Biopila y cianuración Construido en 1995, en operación

Toquepala, Perú Cu, lixiviación de botaderos

Dumps Iniciado en 1996, en operación

Tamboraque, Perú Oro, 60 tm/día BIOX, tanque agitado Construido en 1998, en operación y producción

Conclusiones

La extracción de metales de valor comercial con bacterias quimiolitotroficas, es

de interés en biohidrometalurgia para la explotación de menas que por la baja

concentración del metal no se tratan con métodos tradicionales. Aunque se

emplean con cualquier mineral con un alto contenido en azufre resistentes a los

métodos químicos establecidos, que requieren un elevado gasto de energía sin

que necesariamente el rendimiento sea proporcional a la inversión. El potencial

Thiobacillus y archeabacteria para lixiviar minerales incluso radiactivos "in situ"

o de reactor, abre prometedoras posibilidades para la optimización del recurso

minero en la industria de metalurgia extractiva en especial si se realizan

verdaderas acciones conjuntas entre la academia y la industria.