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Capítulo 3
BIOLIXIVIACIÓN DE MINERALES DE COBRE
Fernando Acevedo y Juan Carlos Gentina Escuela de Ingeniería Bioquímica
P. Universidad Católica de Valparaíso
Minería del cobre
El cobre es un elemento metálico que se presenta en forma bastante abundante en la naturaleza.
Este metal ha sido utilizado por el hombre desde tiempos remotos. Ya en la Edad de Piedra, hace
90.000 y más años, el cobre era utilizado intensamente para fines domésticos, de caza y de
guerra. En esa época era posible encontrar oro y cobre metálicos en diversos depósitos, pero el
cobre era más apreciado por su utilidad. Alrededor de 5.300 años AC se empezaron a usar los
primeros hornos para reducir minerales a cobre metálico. Desde entonces la producción y uso del
cobre ha ido en permanente aumento, alcanzando hoy esta industria un alto nivel de sofisticación
tecnológica (Sutulov et al., 1978).
En la actualidad, como se muestra en la Tabla 3.1, los principales países productores son Chile,
que ocupa el primer lugar, seguido a considerable distancia por Indonesia, E.U.A., Australia,
Perú y Rusia. En la Tabla 3.1 se aprecia el notable incremento de la producción en Chile en las
últimas décadas, aumentando su participación en la producción mundial desde un 16,9% en 1981
a un 35,0% en 2003. Por otro lado el segundo productor mundial, EUA, perdió su lugar frente a
Indonesia en 2003, disminuyendo su participación desde un 15,4% en 1998 a un 8,1% en 2003.
Tabla 3.1. Producción mundial de cobre en toneladasa
Año Chile Indonesia EUA Australia Perú Rusia Mundo
1981 1.100.006 - - - - - 6.500.000
1998 3.686.800 780.780 1.860.000 607.000 483.338 500.000 12.100.000
1999 4.391.200 766.027 1.600.000 739.000 536.387 530.000 12.800.000
2000 4.602.400 1.012.054 1.440.000 829.000 553.924 570.000 13.200.000
2001 4.739.000 1.081.040 1.340.000 869.000 722.035 600.000 13.700.000
2002 4.581.000 1.160.000 1.140.000 883.000 843.213 695.000 13.600.000
2003 4.860.000 1.170.000 1.120.000 870.000 850.000 700.000 13.900.000
a Datos de US Geological Survey– http://minerals.usgs.gov
Tabla 3.2. Reservas mundiales de cobrea
País Reservasb (ton) % reserva mundial
Chile 360.000.000 38,3
EUA 70.000.000 7,4
China 63.000.000 6,7
Perú 60.000.000 6,4
Polonia 48.000.000 5,1
Australia 43.000.000 4,6
Otros países 296.000.000 31,5
Total mundial 940.000.000 100,0 a Datos de US Geological Survey– http://minerals.usgs.gov
La reservas mundiales explotables de cobre son de 940 millones de toneladas (Tabla 3.2), de las
cuales Chile posee el 38,3%, no existiendo ningún otro país que se aproxime a esa situación.
En la naturaleza, el cobre se presenta combinado formando dos grandes grupos: los minerales
oxidados y los sulfurados. Como regla general, los minerales oxidados son fácilmente solubles,
por lo que su beneficio se realiza a través de lixiviación ácida. Por su parte, los minerales
sulfurados son insolubles aún en ácidos concentrados, por lo que para extraer el cobre de ellos se
debe previamente oxidar los sulfuros. La tecnología convencional para ello consulta molienda
fina, concentración selectiva por flotación y obtención del metal por pirometalurgia, esto es, la
oxidación de los sulfuros a SO2 y la reducción del cobre cuproso y cúprico a cobre elemental en
hornos a elevadas temperaturas. La lixiviación bacteriana de los sulfuros de cobre constituye hoy
una importante alternativa viable. Las principales especies mineralógicas de cobre sulfurado se
muestran en la Tabla 3.3. En Chile la mayor proporción de las reservas de cobre sulfurado están
constituidas por calcopirita, calcosina y covelina. De estas tres especies, la calcopirita es
especialmente recalcitrante al ataque bacteriano, no existiendo a la fecha explotación comercial
de esta especie por esa vía, aunque sí es posible su recuperación parcial en botaderos. Sin
embargo, se espera que en un futuro muy próximo se logre este objetivo con la utilización de
microorganismos termófilos para biolixiviar concentrados de cobre.
Tabla 3.3. Principales minerales sulfurados de cobre
Bornita Cu5FeS4
Calcopirita CuFeS2
Calcosina Cu2S
Covelina CuS
Enargita Cu3AsS4
Lixiviación en pilas y botaderos.
La modalidad de operación más adecuada para la lixiviación bacteriana depende del tipo y
volumen de mineral a tratar y de las facilidades que puedan existir en la mina y zona de proceso.
Una de ellas es la biolixiviación de cobre en pilas, que se utiliza ya sea cuando la baja ley de
mineral no lo hace apto para ser concentrado por flotación y tratado por técnicas pirometalúrgicas
o como alternativa al tratamiento convencional. El material molido a tamaños entre 1/4" a 4" se
distribuye en patios y canchas acondicionados de forma de que tengan una superficie
impermeable que permita recoger y circular a las pilas el licor ácido. Los tamaños usuales de las
pilas son unos 100 a 300 m de largo y 3 a 6 m de alto (Zárate, 1994). El proceso se esquematiza
en las Figuras 3.1 y 3.2. La recuperación del metal del licor lixiviado se puede efectuar mediante
cementación con chatarra de hierro (Figura 3.1) o más modernamente por extracción por solvente
y electrodeposición (Figura 3.2). Este proceso es hoy ampliamente usado a gran escala, en
contraste con lo que sucedía hace unas pocas décadas atrás en que sólo existían unas pocas
operaciones pequeñas preferentemente en botaderos (Gentina y Acevedo, 1985).
Los porcentajes de recuperación en pilas y botaderos son muy variables y fuertemente
dependientes de las características del mineral y de los tiempos de operación. Las cifras usuales
cubren el rango de 30 a 90% de recuperación. En los tramos finales de la operación, la velocidad
de extracción se hace muy baja, por lo que en ocasiones no resulta rentable continuar la
lixiviación. Las concentraciones que se logran en el caso de cobre oscilan entre 1 a 8 g/l, pero
pueden alcanzar 30 g/l o más en el caso de lixiviación bacteriana de concentrados en tanques
agitados.
Evaporación
Cementado
Cementación con Fe
H2SO4
Pila
Figura 3.1. Esquema de una faena de lixiviación bacteriana en pilas (Murr, 1980).
Lixiviación en pilas
Extracción solvente
Electrodeposición
|Mineral
Molienda
primaria
Molienda
secundaria
Molienda
terciaria
Aglomeración
Cátodos
de cobre
agua
ácido sulfúrico
rafinado
Figura 3.2. Diagrama de bloques de una faena de lixiviación bacteriana en pilas (Acevedo et al., 1993).
Un desarrollo importante en biolixviación fue realizado por la Sociedad Minera Pudahuel de
Chile. A comienzos de la década de 1980 esa compañía inició la explotación de la mina Lo
Aguirre por lixiviación ácida mediante el proceso de capa fina, Thin Layer, patentado por ellos.
Al principio de la operación el mineral era mayoritariamente oxidado, pero a medida que avanzó
la explotación fue aumentando la proporción de sulfuros. En 1986 se instaló una etapa secundaria
de lixiviación bacteriana y a partir de enero de 1989 la mina operó completamente bajo el
proceso bacteriano patentado como BTL (Bacterial Thin Layer), procesando 3.000 toneladas
diarias de mineral y obteniéndose un 80% de recuperación en tiempos comprendidos entre 6 a 12
meses de lixiviación. La mina produjo anualmente de 14.000 ton de cátodos de cobre de alta
pureza (Acevedo et al., 1993), hasta la fecha de su cierre por agotamiento del yacimiento
económicamente explotable en Septiembre de 2000.
En los últimos años, varias minas han iniciado en Chile su operación mediante el proceso
bacteriano, como de muestra en la Tabla 3.4. Entre ellas se pueden destacar Quebrada Blanca,
con reservas de 75 millones de toneladas de mineral de 1,5% cobre y una capacidad de 75.000
ton anuales (Jo et al., 1991) y Cerro Colorado, con 80 millones de mineral de 1,4% Cu total y
una capacidad de producción de 45.000 ton de metal fino al año. El mineral es en un 96,7%
covelina
Tabla 3.4. Algunas operaciones de biolixiviación de minerales de cobre en Chile
Mina Producción anual (ton)
Lixiviación en pilas
Lo Aguirre1 14.000
Quebrada Blanca 75.000
Cerro Colorado 130.000
Zaldivar 150.000
Iván-Zar 12.000
Andacollo-Cobre 21.000
Lixiviación en botaderos
Chuquicamata 30.000
Los Bronces sin datos
Zaldívar sin datos a Cerró sus operaciones en 2000
y contiene 1,33% de cobre sulfurado. Las pruebas piloto, realizadas en 1989 y 1990, entregaron
un 90% de recuperación en 7-11 meses. El efluente de las pilas contenía 2-3 g Cu/l y 106
células/ml. La temperatura en el interior de las pilas variaba, según la ubicación y tiempo, entre
12 y 27ºC (Acevedo et al., 1993).
Otras importantes operaciones de biolixiviación son la recuperación de cobre de botaderos en la
mina Chuquicamata, con una capacidad potencial de 70.000 ton de cobre/año (Zárate, 1994) y las
faenas in-place en El Cráter, mina El Teniente, con una ley de <0,7% Cu y una capacidad anual
de hasta 30.000 ton Cu (Montoya, 1990).
En la actualidad se desarrollan proyectos de biolixiviación de cobre en diversos países en
desarrollo (Acevedo, 2002). En Chile, por su magnitud e importancia tecnológica, destaca el
proyecto de biolixiviación de concentrados de cobre con cepas termófilas en reactores en la
División Norte de Codelco. Una planta demostrativa a gran escala se puso en operación en
Septiembre de 2003 y se espera que alcance plena capacidad en 2004. Se trata de un proyecto de
Alliance Copper Limited, una empresa conjunta de Codelco-Chile y BHP Billiton. En plena
operación la planta procesará 77.200 ton/año de concentrado, produciendo anualmente 20.000
ton Cu. De acuerdo a la evaluación de esta operación, la planta podrá ampliarse en el futuro
(Anónimo, 2003a).
Un segundo proyecto de alto interés es el de la minera La Escondida perteneciente
mayoritariamente a BHP Billiton. Se trata de una gran operación de biolixiviación en pilas de
minerales marginales de cobre. La operación está planeada para iniciarse en 2007 con una
producción anual de 180.000 ton de cobre (Anónimo, 2004a). Otro proyecto en desarrollo es el
de la División El Teniente de Codelco en relación a la lixiviación del tranque de relaves
Barahona (Anónomo, 2004).
En una etapa avanzada de proyecto se encuentra la faena de Spence en la II Región de Chile. La
mina es propiedad de BHP Billiton y Compañía Minera Riochilex y la explotación contempla la
lixiviación bacteriana tanto en pilas de sulfuros secundarios como en botaderos de mineral
marginal. En total serán tratados 50.000 ton/día de sulfuros vía bacteriana y 10.000 ton/día de
óxidos por lixiviación ácida (Anónimo, 2003b).
El futuro de la biominería del cobre se ve auspicioso en Chile tanto por el gran empuje del sector
productivo, que ha ido ganando en confianza respecto a los benéficos de esta biotecnología,
como por el decidido apoyo brindado por las más altas autoridades gubernamentales del país
(Anónimo2003c; Gobierno de Chile, 2003)
Biolixiviación en reactores
La biolixiviación en reactores con agitación mecánica o neumática presenta atractivas ventajas
potenciales sobre las pilas y botaderos en lo referente a control sobre las variables de operación y
la posibilidad de optimizar el proceso (Adamov et al., 1990; Acevedo, 2000).
A su vez, la lixiviación bacteriana de concentrados de cobre presenta algunas importantes
ventajas sobre el método pirometalúrgico, en especial en lo referente a la baja inversión de capital
y a la eliminación del problema de contaminación atmosférica por SO2 (McElroy y Bruynesteyn,
1978; Grudev, 1986). Este punto es de gran importancia, ya que se ha estimado que debido a las
regulaciones ambientales los costos de producción deben recargarse US$ 4,90 por cada
kilogramo de gases azufrados liberados a la atmósfera (Lawrence y Poulin, 1995).
El uso de tanques agitados en instalaciones comerciales es una realidad en la biooxidación de
minerales refractarios de oro (Brierley, 1995), pero a la fecha aún no resulta económico en el
caso del cobre. McElroy y Bruynesteyn (1978) realizaron un estudio de biolixiviación de
concentrado de calcopirita en tanque agitado de 30 l. Los resultados fueron tomados como base
para el diseño de una planta de 200 ton concentrado/día y su evaluación económica, la que
resultó atractiva, si bien el estudio tuvo un carácter más bien preliminar. Como una actividad
dentro del proyecto "Desarrollo de procesos biológicos y su aplicación industrial en la lixiviación
bacteriana del cobre de minerales chilenos" (Proyecto PNUD/ONUDI CHI/85/002), en 1988 se
determinó el costo de producción de cobre a partir de biolixiviación de concentrados. Los
resultados señalaron que el proceso no era rentable en ese momento, pero se debe considerar que
el precio del metal estaba especialmente deprimido en esos años. Por otra parte, Lawrence y
Poulin (1995) calcularon un costo directo de operación de US$ 0,25 a 0,30/lb de cobre para una
planta de biolixiviación de concentrado, lo que resulta muy elevado al agregar los costos
indirectos y de inversión.
Sin embargo está situación ha cambiado y se esperan grandes logros para los próximos años. De
hecho, como ya se mencionó, la División Norte de Codelco-Chile en conjunto con la empresa
BHP Billiton tienen muy avanzado el desarrollo de una tecnología a gran escala para la
bilolixiviación de concentrados de cobre en reactores empleando cepas termófilas (Anónimo,
2003a).
El tema de reactores en biominería es tratado más extensamente en el Capítulo 5.
Factores que afectan la biolixiviacion de minerales
Tanto la biolixiviación de minerales de cobre como la biooxidación de concentrados
refractarios de oro son procesos que han experimentado un fuerte desarrollo en los últimos 20
años, pasando a constituir en la actualidad una alternativa válida a los procesos
convencionales, compitiendo fuertemente en términos económicos y de protección al medio
ambiente. En menos de 50 años de desarrollo, la biolixiviación de minerales de cobre pasó de
ser una tecnología considerada solo apta para el tratamiento de minerales marginales,
acumulados en botaderos, a una tecnología que compite ventajosamente, en el caso del
procesamiento de sulfuros secundarios, con los procesos convencionales de pirometalurgia e
hidrometalurgia. Chile es un buen ejemplo de este creciente desarrollo, como se muestra en
otra sección más adelante, en donde se han instalado un número importante de faenas mineras
para la explotación de sulfuros secundarios realizando la biolixiviación en pilas, acoplada a
operaciones de extracción por solvente y electro deposición del cobre en solución. La acción
microbiana se centra en la etapa de biolixiviación, en donde los microorganismos se ubican
tanto en la superficie de las partículas de mineral como en la solución lixiviante que es
recirculada y percolada a través de la pila. Dado los mecanismos de solubilización de sulfuros
metálicos aceptados actualmente, se puede inferir que en el caso de la extracción de cobre, los
microorganismos adheridos a la superficie del mineral juegan un rol fundamental acelerando
la extracción del metal. La mayor o menor actividad que presenten los microorganismos en el
proceso dependerá en gran medida de las condiciones ambientales que encuentre en la pila o
en la configuración específica donde se realiza la biolixiviación, condiciones que en ningún
momento es aconsejable descuidar. En esta sección se revisan los principales factores que
afectan la biolixiviación de minerales de cobre.
Microorganismos lixiviantes
Pese a que la actividad bacteriana sobre diversos tipos de minerales ha tenido lugar en la
naturaleza desde tiempos remotos, el principal microorganismo responsable de esa acción, el
Acidithiobacillus ferrooxidans, fue aislado y descrito por primera vez sólo en 1947. Esta bacteria
tiene forma bacilar, es Gram negativa y mide aproximadamente 0,5 µm de diámetro y 2 µm de
longitud. Se trata de una bacteria quimiolitoautotrófica acidófila, lo que implica que obtiene la
energía necesaria para su funcionamiento mediante la oxidación de compuestos inorgánicos,
utiliza CO2 como única fuente de carbono para todas sus necesidades metabólicas, no requiere de
nutrientes orgánicos y es capaz de desarrollarse a valores de pH muy bajos, en el rango de 1 a 3.
Otras importantes bacterias lixiviantes son Acidithiobacillus thiooxidans y Leptospirillum
ferrooxidans. Estas tres especies son las más frecuentemente encontradas en operaciones mineras
y tienen un papel directo en las reacciones de biolixiviación. Junto a ellas se encuentran una
variedad de bacterias y hongos que probablemente tienen un rol indirecto a través de diversas
relaciones de comensalismo. Leptospirillum ferrooxidans y la mayoría de las especies de
Acidithiobacillus son mesófilas, teniendo temperaturas óptimas de crecimiento en el rango de 25
a 35ºC. Algunas especies y variedades son termófilas moderadas (40-50ºC), como son los casos
de A. caldus, y de Leptospirillum ferriphilum (Coram y Rawlings, 2002; Rawlings et.al., 2003).
La Tabla 3.5 muestra algunos microorganismos que han sido aislados de minerales sulfurados.
Tabla 3.5. Bacterias asociadas a minerales sulfurados
Microorganismo
Sustrato
T (°C)
Leptospirillum ferrooxidans Fe+2 30-35 Leptospirillum ferriphilum Fe+2 40-45 Acidithiobacillus acidophilus S2-, S0 - Acidithiobacillus ferrooxidans Fe2+, S2-, S0, S2O3
2- 20-35 Acidithiobacillus intermedios S0, S2O3
2-, S2- 30 Acidithiobacillus neapolitanus S0, S2O3
2-, S2- 30 Acidithiobacillus novellus S0, S2O3
2-, S2- - Acidithiobacillus organoporus S0, S2- 30 Acidithiobacillus perometabolis S0, S2O3
2-, S2- 30 Acidithiobacillus thermosulfidoxidans Fe2+ , S2- 50 Acidithiobacillus thiooxidans S0, S2O3
2-, S2- 30-35 Acidithiobacillus caldus S0, S2O3
2-, S2- 30-45
En los últimos años han despertado gran interés microorganismos termófilos extremos, capaces
de crecer a temperaturas de 65 a 80ºC, que presentan buenas características lixiviantes sobre
sulfuros reconocidamente recalcitrantes. Estos organismos no son propiamente bacterias, sino
que han sido clasificados como pertenecientes al dominio de las arqueas, las que difieren de las
bacterias principalmente por la composición de su membrana y pared celulares (Kandler y
König, 1998; Sleytr y Beveridge, 1999). Las arqueas han sido mayoritariamente aisladas de
aguas termales y géisers y por lo tanto su hábitat natural no son los minerales. Este hecho puede
ser significativo con relación a algunos problemas que presenta su aplicación minera. La Tabla
3.6 muestra algunas arqueas de interés.
Tabla 3.6. Arqueas termófilas con capacidad lixiviante
Microorganismo Fuente de Energía
Rango de temperatura
Acidianus brierleyi Fe2+, S0, S2O32- Extremo
Metallosphaera sedula S2-, S0 Extremo
Sulfolobus acidocaldarius S0 Extremo
Sulfolobus acidophillus S2-, S0 Moderado
Sulfolobus metallicus S2-, S0, (Fe2+) Extremo
Sulfolobus thermosulfidooxidans Fe2+, S2-, S0 Moderado
Ferroplasma acidiphilum Fe2+ Moderado
Minerales y tamaño de partícula
La velocidad de biolixiviación de minerales sulfurados de cobre es altamente variable.
Mientras la covelina puede ser lixiviada fácilmente, en el otro extremo se ubican minerales
como la calcopirita y la enargita que son recalcitrantes al ataque químico y ofrecen gran
resistencia a la oxidación microbiana. Actualmente los procesos de biolixiviación en pilas
corresponden mayoritariamente a minerales del tipo sulfuros secundarios.
El tamaño de partícula es también un parámetro crítico en biolixiviación, principalmente por
su influencia en la velocidad del proceso y por los costos asociados a su molienda. Cada
configuración de la operación de biolixiviación presenta sus propios requerimientos de tamaño
de partícula. En el caso de sistemas basados en percolación, el tamaño de partícula ha de ser lo
suficientemente grande como para permitir fácilmente la circulación de aire y licor lixiviante.
Partículas demasiado pequeñas, crean problemas de circulación de fluidos y eventualmente
podría inundarse el sistema. Operaciones a gran escala en pilas y botaderos utilizan tamaños
de partícula en el rango de 13 a 200 mm o mayores.
En sistemas agitados, que aún no son usados comercialmente en la biolixiviación de minerales
de cobre, se requieren tamaños de partícula normalmente inferiores a 100 µm, facilitando la
suspensión y la homogeneidad del contenido.
Otro importante aspecto que depende del tamaño de partícula es la velocidad de extracción.
Los sulfuros están distribuidos en todo la masa de la partícula y mientras mayor es ésta, mayor
es el contenido de sulfuros contenidos en el interior, lo que redunda en que la velocidad de
transferencia de masa pasa a controlar la cinética de oxidación de los sulfuros.
Nutrientes e inhibidores
Se puede decir que la mayoría de los microorganismos que participan en la lixiviación son
quimioautotróficas, es decir, obtienen el carbono necesario para su desarrollo del CO2 y la
energía de la oxidación de un compuesto inorgánico (Fe2+ ó S2-). Los otros elementos básicos
para la nutrición de estos microorganismos deben estar contenidos en cantidades
proporcionales a su composición celular en el medio de cultivo en forma de sales. Los más
importantes cuantitativamente, son el nitrógeno, generalmente como sal de amonio, el
magnesio (sulfato de Mg), el fósforo (fosfato ácido de K) e iones metálicos pesados en
cantidades menores.
El medio de cultivo más utilizado es el conocido como medio 9K que fue desarrollado por
Silverman y Lundgren (1959). Jones y Kelly (1983) posteriormente modificaron el medio 9K
para minimizar la formación de jarosita mediante la disminución en los contenidos de potasio
y de amonio. Ambos medios aparecen en la Tabla 3.7, junto al medio usado por Bryner y
Anderson (1957).
Tabla 3.7. Ejemplos de medios de cultivo para bacterias lixiviantes
Composición (g/l)
9 Ka Jones y Kellyb Bryner y Andersonc
(NH4)2SO4 3,0 0,36 1,0
KH2PO4 - 0,054 -
K2HPO4 0,5 - 0,1
KCl 0,1 - 0,05
MgSO4·7H2O 0,5 0,15 3,0
Ca(NO3)2 0,01 - 0,1
H2SO4 (10 N) 1 mL/L pH 1,6 pH 2,65
FeSO4·7H2O 44,2 3-13 10
Al2(SO4)3·18H2O - - 4,0 a Silverman y Lundgren, 1959, bJones y Kelly, 1983, c Bryner y Anderson, 1957
El nutriente limitante en estos medios es la fuente de energía, es decir, el sulfato ferroso
heptahidratado. Si se considera un rendimiento célula/sustrato promedio de 1,2 mg peso seco
de célula por g de FeSO4·7H2O oxidado (Jones y Kelly, 1983; Acevedo et al., 1995) y en base
a él se calcula la máxima concentración posible de células, obtendremos 53 mg/l, 16 mg/l y 12
mg/l respectivamente. En principio, si se aumenta la concentración del nutriente limitante se
podría elevar el nivel de concentración celular; sin embargo se ha podido demostrar que sobre
los niveles utilizados se produce inhibición del crecimiento debido a las altas concentraciones
de Fe3+ (Kelly y Jones, 1978; Acevedo et al., 1991; Nikolov y Karamanev, 1992).
La situación es más compleja cuando se utiliza minerales, situación en la cual normalmente
coexisten más de una fuente de energía. En este caso podrían activarse controles metabólicos
en el microorganismo que regulan el consumo de las diferentes fuentes, mecanismos que hasta
el momento no se conocen en detalle.
Si un nutriente está presente en bajas cantidades o si es suministrado a bajas velocidades, el
crecimiento celular ocurrirá a velocidades reducidas. Esta situación es muy probable que
ocurra al utilizar minerales como fuente de nutrientes, ya sea en escala laboratorio, piloto o en
operaciones a gran escala. En estos casos es altamente recomendable el análisis químico y
mineralógico de la muestra y la realización de ensayos de biolixiviabilidad. Aquellos
elementos que podrían estar ausentes o en cantidades deficientes, deberían agregarse en la
forma de sales minerales.
La presencia de compuestos tóxicos o inhibitorios en los minerales puede causar serios
problemas a la biolixiviación. En las Tablas 3.8 y 3.9 se muestran algunos niveles de toxicidad
por cationes y aniones respectivamente. Una solución atractiva a este problema es la selección
de cepas con cierta resistencia a estos iones, aisladas en los sitios donde se extrae el mineral a
tratar, o bien la construcción artificial de cepas con estas características mediante técnicas de
ingeniería genética.
Torma y Izkovitch (1976) informaron que los solventes de extracción del cobre desde los
líquidos de lixiviación disminuyen la habilidad de oxidación de la calcopirita del A.
ferrooxidans. También se ha podido demostrar (Tuovinen, 1978) que muchos agentes de
flotación son inhibitorios para el T. ferrooxidans. En nuestros laboratorios se encontró que los
compuestos orgánicos de extracción que se utilizan en el país no interfieren significativamente
ni con el crecimiento de las bacterias ni con la solubilización de cobre sulfurado. Sin embargo,
los agentes de flotación afectaron notoriamente tanto el crecimiento como la solubilización,
como se aprecia en la Tabla 3.10 (Gentina et al., 1987).
Tabla 3.8. Toxicidad de metales en A. ferrooxidans
Metal
Nivel inhibitorio (mg/l)
Tolerancias reportadas
Zn2+ > 10.000 15 - 72 g/L
Ni2+ > 10.000 12 - 50 g/L
Cu2+ > 10.000 15 g/L Mn2+ > 10.000 -
Co2+ > 10.000 3 g/L
Al3+ > 10.000 6 g/L Ag+ < 50 1 ppb
UO22- < 700 200-500 mg/L
AsO43- < 200 -
MoO42- < 5 90 mg/L
SeO2 < 100 -
Tabla 3.9. Inhibición por aniones en la oxidación de Fe2+
Anión % Inhibición oxidación Fe2+
Concentración (M)
F- 100 2,5 x 10-4
CN- 99 2,4 x 10-4
NO3- 100 9,4 x 10-2
NaCl 50 8,6 x 10-2
KCl 90 2,6 x 10-1
Tabla 3.10. Efecto de agentes de flotación en el crecimiento y solubilización de Cua
µµµµM (h-1) vFe3+ (h-1) XM (g/l) Cu2+ (g/l) % recup.
Sin adición 0,12 0,099 0,072 1,2 65
SF-113+DW-1012 0,051 0,096 0,032 1,0 15
SF-113+DW-250 0,055 0,074 0,030 1,0 15
SF-113+MIBC 0,062 0,063 0.040 0,9 12,5 a Gentina et al., 1987
Oxígeno y dióxido de carbono
Para el crecimiento de A. ferrooxidans se debe también considerar dos importantes componentes
gaseosos: el oxígeno y el dióxido de carbono.
El oxígeno molecular actúa como aceptor final de electrones en las reacciones del metabolismo
energético que tienen lugar en la lixiviación bacteriana, como son la oxidación del ion ferroso,
azufre reducido y azufre elemental. El dióxido de carbono es la fuente de este último elemento
para el crecimiento de la población microbiana autotrófica.
La demanda de oxígeno de la población microbiana se relaciona con la velocidad específica de
crecimiento µ y la concentración celular a través de la expresión:
NX
YA
O
= µ
2 (1)
donde el rendimiento de oxígeno,YO2 , se define como
Ymasa celular producida
O2=
oxígeno consumido (2)
Los valores de YO2 pueden determinarse experimentalmente o pueden ser estimados a partir de
balances de masa (Mateles, 1971). En este caso, la ecuación estequiométrica que sirve de base
para este cálculo es:
lCO mNH p Fe H nO C H O N pFe tH Od e f g2 3
2
2
3
2+ + + + → + ++ + +( ) (3)
De estos resultados se puede derivar una expresión para YO2 (Acevedo y Gentina, 1989).
1 014340 01 0 0267 0 01714 008
2Y
f d g eO
= + − + −.. ' . ' . ' '
Y
X/Fe (4)
El oxígeno debe ser suministrado a los microorganismos a una velocidad a lo menos igual a su
demanda. De no ser así, las células crecerán bajo limitación de oxígeno, el crecimiento será lineal
en vez de exponencial y podrán dañarse sus sistemas de transporte de electrones y fosforilación
oxidativa.
Las relaciones (3) son también útiles para predecir los rendimientos celulares teóricos de CO2 y
NH3 (Acevedo, 1987) y para calcular la razón O2/CO2 necesaria. Al comparar el valor obtenido
con la relación O2/CO2 del aire, que es 700, queda en evidencia la profunda limitación por CO2.
El mismo tipo de cálculo permite predecir que es necesario enriquecer el aire a un nivel de 0,2 a
2,0% de CO2 para aliviar la limitación, según sean los valores de YX/Fe, la eficiencia de
transferencia y la composición elemental de las células. Estas predicciones concuerdan con datos
experimentales como los presentados por diversos autores.
Si se realiza un balance de oxígeno por unidad de volumen en torno a un sistema microbiano
cualquiera, se tiene:
cambio = entradas - salidas - consumo
dC
dtk a C C NLL L A= − −∗( )
(5)
El primer término del miembro derecho de la ecuación (5) representa la velocidad de
transferencia de oxígeno desde el aire al líquido que contiene las bacterias. El potencial de
transferencia C* - CL está limitado por la baja solubilidad del oxígeno en medios acuosos. El
coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno, kLa, es función de la geometría del sistema,
la reología del fluido, parámetros ambientales y de las condiciones de operación
En condiciones estacionarias, se tiene que:
N k a C CA L L= −∗( ) (6)
Si se toma como ejemplo la oxidación de covelita, calcocita y calcopirita, se puede estimar los
valores de kLa requeridos, los que se entregan en la Tabla 3.11.
CuS O CuSO+ →2 2 4 (7)
Cu S O H SO CuSO H O2 2 2 4 4 22 5 2+ + → +. (8)
2 85 22 2 2 4 4 2 4 3 2CuFeS O H SO CuSO Fe H O+ + → +. (SO ) (9)
Tabla 3.11. Coeficientes de transferencia de oxígeno requeridosa
O2/Cu (g/g) kLa (h-1)
Novelita 1,01 10 – 101
Calcocita 0,63 6 - 63
Calcopirita 2,14 21 – 214
a Suponiendo (C* - CL) = 0,005 g/l y velocidades de lixiviación de 0,05 a 0,50 g de Cu/l.h.
Se puede apreciar la importante cantidad de O2 requerida por cada kg de cobre solubilizado, de
acuerdo a la estequiometría de cada reacción. Aparte de ser considerable la cantidad, la velocidad
a que se debe suministrar el oxígeno, dada por NA, es tal que no es fácil obtenerla en sistemas de
pilas y botadero si no se toman especiales providencias de diseño y operación.
Temperatura, pH y Eh
El efecto de la temperatura sobre la velocidad específica de crecimiento de A. ferrooxidans se
aprecia en la Figura 1 (Muzzio y Acevedo, 1985). Los microorganismos en general presentan un
comportamiento similar, independiente del rango de temperatura al cual crecen. La curva es
totalmente asimétrica mostrando el efecto más pronunciado de las temperaturas supraóptimas
sobre el crecimiento celular, las que llegar a afectar la viabilidad de las células. Los
microorganismos en general presentan en rango de 15 a 20ºC bajo la temperatura óptima en el
cual pueden mantener una actividad adecuada. Datos como los de la Figura 3.1, junto a la
ecuación de Arrhenius permiten calcular la energía de activación, que está comprendida entre 11
y 17 kcal/g mol.
Un efecto adicional de las temperaturas elevadas es disminuir la velocidad de transferencia de
oxígeno debido a que la solubilidad de los gases disminuye con la temperatura.
Los microorganismos participantes en la biolixiviación son acidófilos Así por ejemplo, el pH
óptimo en sistemas de lixiviación bacteriana con A. ferrooxidans está ubicado en el rango de 2,0
a 2,5. Se debe recordar que otras consideraciones pueden determinar que se prefiera operar a un
pH diferente al óptimo. Por ejemplo, se ha visto que a pH mayor que 2,0 se produce abundante
precipitación de jarosita [H(Fe(SO4)2.2Fe(OH)3], dificultando la oxidación de los sulfuros del
mineral. Una remolienda revertiría esta situación.
Figura 3.1. Efecto de la temperatura en la velocidad específica
de crecimiento de A. ferrooxidans MACS 100.
Tanto la oxidación del ion ferroso como la de los sulfuros reducidos tiende a hacer variar el pH
de la solución, tanto por consumo de protones como por generación de ellos. Una situación
adicional puede surgir cuando el mineral contiene ganga básica.
Una medida tan importante como el pH lo constituye el potencial redox del sistema, el que
condiciona tanto la actividad microbiana como la oxidación química de los sulfuros.
Normalmente la extracción de los sulfuros alcanza sus mayores velocidades una vez que el Eh de
la solución ácida ha superado los 400 – 450 mV.
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