Biodegradación del cianuro.pdf

I Curso Integral de Metalurgia del OroUNI-Diciembre 2002.

Bióloga Martha E. Ly

Recuperación de oro por Biooxidación.

Biodegradación del cianuro.

Que es la Biotecnología?

Es la tecnología que hace uso de organismos vivos o de sus subproductos con el fin de obtener de bienes y servicios.Todas las líneas de trabajo por las cuales se producen bienes y servicios usando organismos vivos, sistemas y procesos biológicos.

Que es la Biominería?Es la rama de la biotecnología aplicada a la industria minero - metalúrgica para buscar la solución de sus diferentes problemas productivos y ambientales.Considerable aumento de I&D. Hacia el siglo XXI compite con las tecnologías convencionales. Atractiva comercialmente.Desarrollos a nivel laboratorio, piloto, industrial. Gran potencial de éxito en las áreas de extracción y recuperación de metales, control ambiental y remediación.

Aspectos de la Biominería

MicroorganismosBiolixiviación / BiooxidaciónMecanismos bacterianosDesarrollo de procesos Biosorción de metales (Cr, Cd, Cu, Zn, As, Pt, Au)BioremediaciónBiodegradaciónBiosensores

Aspectos de la Biominería

Diseño de bioreactores e Ingeniería ecológicaTratamiento biológico de efluentes y desechos: drenajes ácidos, efluentes cianurados.Mejoramiento genéticoModelamientoDesarrollo comercial. Patentes.

BiomineríaReducción activa de sulfatosReducción pasiva de sulfatosPantanales modificados con ingenieríaBiocidas en pilas de roca estérilesIngeniería ecológica para purificación de solucionesProceso Biosulfide Tapones biológicos impermeabilizar superficie de botaderos. Fosfato de origen biológico para estabilizar residuos.

Biotecnología ambientalBiodesulfuración de combustiblesFitoremediaciónMétodos biológicos para el manejos de residuos líquidos, sólidos y gaseosos.Tratamiento biológicos de aguas residuales.Bioremediación de suelosBiosurfactantesBiocatálisis de hidrocarburos polinucleoaromáticosBiomonitores genéticos del ambiente

Biotecnología ambiental: Principales áreas de aplicación

Reducción/Eliminación de materiales contaminantes y /o tóxicos del agua, suelo, aireSustitución/Complementación de procesos químicos por BIOPROCESOS generando menos contaminación y materiales más fáciles de degradar: extracción enzimática/conversión enzimáticaIntroducción de nuevos productos y/o procesos eliminando productos y procesos tóxicosConservación y explotación sustentable de la biodiversidad

MICROORGANISMOS

Microorganismos de importancia en la

biohidrometalurgia:a) Mesófilos: Acidithiobacillus ferrooxidans,

A.thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans.b) Termófilos moderados: Sulfobacillus

thermosulfidooxidans, TH-1,TH-2,TH-3 y M4.c) Termófilos obligados: Sulfolobus, Acidanus,

Metallosphaera y Sulfurococcus.d) Heterótrofos: algas, hongos

Thiobacillus ferrooxidans(Acidithiobacillus ferrooxidans)

Thiobacillus ferrooxidans(Acidithiobacillus ferrooxidans)

Importantes en los ciclos de S y Fe .Mesófilos. Flagelo polar, piliAlta resistencia a los iones metálicosAeróbicos estrictos Quimiolitotróficosobligados.

Género LeptospirillumFamilia SpirillaceaL.ferrooxidans: mesofílico, pH 2.5-3L.thermoferrooxidans: termófilo moderado, pH1.65-1.9Aeróbicos estrictosAutótrofos obligados: Oxidantes estrictos de fierro

Bacterias termofílicas moderadas

Género Sulfobacillus: S. thermosulfidooxidans(thermotolerans, asporogenes)Aeróbicas estrictasExtremadamente acidofílicasGram positivasAutotróficas facultativas, mixotrofasAmplia distribución

T. m. no clasificadas: TH1, TH2, TH3, M4 Bacilos 0.5X 1.6-3.2Temp. óptima 50 CNo oxidan S elementalAutotróficas facultativasCepas:ALV, BC, K, LM2M4 (cultivo mixto)

Arqueobacteriastermoacidofílicas

4 Géneros: Sulfolobus, Acidanus, Metallosphaeray SulfurococcusAeróbicasTermóficas y acidófilas extremasCocoides, diám. 1micraQuimiolitotróficas facultativas

S. acidocaldarius: pH 1-5.9, 55-80 CA. brierleyi: pH 1.5-2, 45-70 CHábitat: aguas termales sulfurosas, géiseres.Rápido desarrollo bajo condiciones mixotróficas.

Actividad catalítica de la bacteria

Fin: Oxidación del Fe(II) acuoso, Fe(II) y S (estados de oxid. -1 y/o -2) en los mineralesInteracción de la bacteria con la superficie

(adsorción)Factores que influencian en la velocidad de la reacciónCaracterísticas del crecimiento bacteriano

Estado fisiológico de la bacteria

La resistencia a los iones metálicos depende del grado de adaptación y del hábitat de las cepas silvestres.Mecanismos de resistencia debida a los plásmidos (ej. al Hg 2+, UO2

2+).Construir tolerancia creciente por subcultivos continuos

Cultivos mixtosContribución beneficiosa a nivel industrial.Distribución de los microorganismos en los minerales depende del tipo de microorganismo y condiciones ambientales.Mecanismos de interacción entre los microorganismos: a) entre dos quimiolitotróficosb) un quimiolitótrofo y un heterótrofo .

Aislamiento de cultivos bacterianos

Principales fuentes de cultivos bacterianos: drenaje ácido de mina, mineral, agua y pulpas de fuentes volcánicas.Procedimiento de subcultivos. Medio 9K.Aislamiento de cultivos puros.Mantenimiento, guardado y reserva de los cultivos.

Clasificación de las reacciones de oxidación bacteriana

Clase I: Liberación del metal. Minerales refractarios de oro y plata. El valor metálico permanece en el sólido.Clase II: Oxidación primaria del mineral. Minerales sulfurados son oxidados y solubilizados (Cu, Zn); o como sulfatos insolubles para recuperar su contenido metálico de la solución.Clase III: Oxidación secundaria del mineral. Oxidos y carbonatos (Co, U, Ni, Mo) son solubilizados usando Fe(III) y ácido sulfúrico pues no contienen Fe(II) ni azufre reducido.

BIOOXIDACIÓNBIOLIXIVIACIÓN

Biolixiviación y Biooxidación

Biolixiviación se refiere al uso de bacterias para solubilizar el valor metálico (Cu, Zn, U, Ni, Co) de un mineral o concentrado sulfurado. Estos metales pasan a la fase soluble, son recuperados por otros procesos metalúrgicos (SX/EW), y el residuo sólido es descartado.

Biooxidación se refiere al pretratamiento que realizan las bacterias a minerales/concentrados refractarios de oro (arsenopirita, pirita). El valor metálico permanece en la fase sólida para ser recuperado a través de la cianuración y la solución es descartada previo tratamiento (neutralización).

ANTES DEL PROCESO DE BIOOXIDACION

DESPUES DEL PROCESO DE BIOOXIDACION

Biooxidación del ión ferroso

2 Fe++ --------------------> 2 Fe+++ + 2 e-

2 H+ +1/2O2 + 2e- ------> H2O2 Fe++ + 1/2O2 +2H+--->2 Fe++++H2O

Reacción global del proceso de lixiviación bacteriana

MeS + 2.5O2 + 2H+ ----> MeSO4 + H2O

Reacciones químicas del mecanismo directo

2FeAsS + 7O2 + 2H2O + H2SO4 --->Fe2(SO4)3+2H3AsO4

4FeS2 + 15O2 + 2H2O ---->2 Fe2(SO4)3 + 2H2SO4

Reacciones químicas del mecanismo indirecto

FeAsS + Fe2(SO4)3+H2O+1.5O2→H2AsO4 + 3FeSO4 + S0

FeS2 + Fe2(SO4)3→3FeSO4 + 2S0 (ataque férrico)

4FeSO4 + 2H2SO4 + O2→2Fe2(SO4)3 + 2H2O(Generación ión férrico)

S0 + H2O + 1.5O2 →H2SO4 (Generación de ác. sulfúrico)

05

101520253035404550

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9DAYS

g/lFe2+Fe3+

05

101520253035404550

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9DAYS

g/lFe2+Fe3+

Figure 1. Iron oxidation in 10 litres bioreactor

Figure 2. Iron oxidation in 100 litres bioreactor

05

101520253035404550

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10DAYS

g/lFe2+Fe3+

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100Sulphur breakdown (%)

Gold

disso

lution

(%)

Figure 4. Gold dissolution vs. Sulphurbreakdown in 1000 litres bioreactor

Figure 3. Iron oxidation in 1000 litres bioreactor

Condiciones de operación Proceso BIOX

El pH debe mantenerse en rango de 1.2-1.8La aireación mínima 2ppm de oxígeno disuelto en la pulpaLa dilución de pulpa es 4:1Tiempo de residencia de 4 a 5 díasLa temperatura de la pulpa debe estar en el rango de 40-450C.

Ventajas del Proceso BIOXR

Reducción del costo de capital Proceso flexible y fácil de controlarOptimización de las recuperaciones Proceso que no afecta el control del medio ambienteIdeal para instalarse en áreas remotas.

Proceso BioCOPTM

Biolixiviación/Biooxidación

En Pilas: Para el pretratamiento de minerales refractarios de oro de baja ley y para lixiviar el cobre de minerales/concentrados.Biolixiviación in situ Utilizada para extraer uranio y cobre de minas subterráneas en depleción. Luego de una voladura, el mineral sobre geoemembranas se riega con las soluciones acidificadas con bacterias lixiviantes que percolan a través del mineral fragmentado.

DISEÑO DE BIOREACTORESY ESCALAMIENTO

TRATAMIENTO DE EFLUENTES CIANURADOS

Bioremediación

Bioremediación es la utilización de métodos biotecnológicos para limpiar, detoxificar suelos, efluentes líquidos y emisiones atmosféricas.

Balasubramanian, D. Et al. Concepts in Biotechnology. 1996..

Toxicidad del cianuro

• KCN y NaCN se disocian a CN- y HCN a pH neutro. Metalocianuros se disocian poco por la fotólisis (luz natural)

• Toxicidad las especies de CN depende de su forma química, su estabilidad, y biodisponibilidad

• Es un potente inhibidor del crecimiento y metabolismo celular, respiración y metabolismo del nitrógeno y fosfato.

Toxicidad del cianuro• Altera la morfología de la célula, el tiempo de

generaciónde E. Coli, la motilidad de Spirillum volutans, causa mutación de Neurospora crassa.

• Inhibe la citocromo oxidasa mitocondrial, peroxidasa, tirosinasa, ácido ascórbico oxidasa, catalasa y fosfatasa.

• Es interesante notar que los microorganismos cianogénicos detoxifican el incremento intracelular de cianuro utilizando sus propias vías de metabolismo de cianuro

• Por su gran toxicidad la EPA ha propuesto como estándar para el agua potable un máx. 0.2 µg/ml.

Tecnologías de destrucción de cianuro• Químicos: clorinación alcalina (poco efectivo para

complejos de Fe-CN), descomposición electrolítica (inefectivo para altas concentraciones), ozonación(inefectivo para complejos con Co), incineración, precipitación con ferrocianuro, peróxido de hidrógeno usando Cu como catalizador y precipitación con azul de Prusia.

• Biológicos: Uso de microorganismos que poseen enzimas específicas en sus vías de metabolismo para degradar el cianuro.

Bioquímica de la degradación de cianuro• Cianuro monooxigenasa (Pseudomonas sp.)

HCN+O2+H++NADPH→HOCN + NADP++ H2O• Cianuro dioxigenasa (P. fluorescens, Bacillus

pumillus, P. cereus)HCN+ O2+2H++NADPH →CO2+NH3+NAP+

• Cianasa (E. coli)HOCN+ H2O →CO2+NH3

• Cianuro hidratasa (hongos patógenos)HCN+ H2O →HCONH2

Bioquímica de la degradación de cianuro• Nitrogenasa: CN- →CH3NH2 →CH4 +NH3• Cianidasa: Alcaligenes xylosooxidans denitrificans

HCN+2H2O→HCOOH + NH3• Nitrilasa (Klebsiella ozaenae, Nocardia sp.

Arthrobacter sp., P. aeruginosa)Bromoxilo (nitrilo) →3,5 dibromo, 4-ácido hidroxi benzoico

• Rodanasa: T. denitrificans, B. StearoghermophilusCianuro +Tiosulfato → Tiocianato+ Sulfito

• Cianocobalamina sintetasa (B. megaterium)Cianuro → β-cianocobalamina

Tratamiento biológico: Destrucción de cianuro

Homestake Mining Companyen Lead, South Dakota, USA. Planta operativa. Remoción mecanizada de CN (WAD y complejos de cianuro) y SCN del agua de mina y efluentes decantados de una laguna en dos etapas. Uso de Discos contactores rotatorios. El CN y SCN son convertidos a NH3 y CO2. Los metales incluyendo el ferrocianuro, son adsorbidos en un biofilmy recuperados posteriormente.

A nivel industrial: Homestake Mine• Cultivo de microorganismos propio adaptado a

las condiciones del lugar.• Proceso de dos pasos de oxidación bacteriana:• a)oxidación del cianuro y tiocianato hasta

amonio y la subsecuente adsorción/precipitación de los metales libres en el biofilmCN- + 3H2O + 1/2O2 -> CO2 + 2OH- + NH4+

• b)asimilación que convierte el amonio a nitratoNitrificación, convirtiendo el NH3 a NO2 y NO3.

Tratamiento biológico: Destrucción de cianuro

• 850m3/h con 62ppm SCN-, 4.1 CN-, 0.56 ppm, Cu+2, con un efluente final de <0.05ppm SCN-, 0.07ppm CN- y <0.07ppm Cu+2.

• Microorganismos que degradan el cianuro por varias vías metabólicas. Ej: hongos (Fusarium, Hasenula); bacterias (Pseudomonas, Citrobacter, E. coli, Bacillus).

Biotecnología de la destrucción de cianuro• Eficiencias en el tratamiento pueden ser igual o

mejores que los tratamientos químicos• Costos de construcción y operación

significativamente menores• Costos son relativamente fijos y al incrementar el

volumen de desechos, no necesariamente se incrementa el costo proporcionalmente.

• Mayor resistencia a shocks• Generalmente menor producción de lodos y sólidos

totales disueltos.