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• Marco Antonio Salcedo

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Lixiviación Bacteriana de Minerales y Concentrados Sulfurados Desde la Antigüedad, el hombre se sintió intrigado del por qué en ciertas ocasiones surgían de determinados lugares, vinculados con minerales de cobre y de fierro, aguas ácidas que contenían estos metales, y que incluso le permitieron recuperar cobre por la vía de su precipitación con fierro. Tal como se revisara en el Capítulo 2 de esta obra, en la antigua China, por ejemplo, existe evidencia documentada del aprovechamiento práctico de estos fenómenos desde épocas muy antiguas; asimismo, lo registran también los documentos de las explotaciones de cobre realizadas en la península Ibérica, en Río Tinto, incluso desde el tiempo de los romanos. Esta aparente transmutación del fierro en cobre dio origen también a la ilusión de los alquimistas, que seguían la misma idea, pero esta vez tratando de obtener oro. Sin embargo, en tiempos más modernos, este tipo de aguas ácidas comenzaron a causar algunos serios problemas de carácter ambiental, sobre todo en acopios de carbón que contenían piritas y también en los grandes botaderos de las minas de cobre del Sur-Oeste de los EE.UU. Fue allí donde, en 1947, finalmente se logró obtener una explicación satisfactoria frente a estos fenómenos, al descubrir la existencia de microscópicas bacterias responsables de la oxidación de las especies sulfuradas residuales en dichos materiales de botadero. Desde entonces, se inició un extraordinario esfuerzo de investigación científico-técnica destinado a comprender todo lo posible de estos seres vivos y a lograr de ellos los máximos rendimientos de tipo económico. Paralelamente, en la práctica, se incentivó y estimuló la acción bacterial a nivel industrial, desarrollando una exitosa y sumamente económica explotación de estos materiales mineralizados marginales. Inicialmente, los valores de cobre se recuperaban sólo mediante precipitación por cementación con chatarra de fierro, pero - estimulado por los conocimientos logrados en la industria del uranio durante la 2a Guerra Mundial - se desarrollaron en breve los reactivos adecuados para la recuperación de cátodos de cobre vía extracción por solventes y electrodepositación (SX-EW). Como se puede apreciar, la lixiviación bacteriana de minerales sub-marginales ha estimulado el desarrollo de otros procesos y, en conjunto, ha obtenido un exitoso resultado. En el presente Capítulo se verá lo que se ha recorrido hasta hoy en relación al aprendizaje de la lixiviación de sulfuros propiamente tal, lo que ha permitido su aplicación a minerales y concentrados sulfurados de mucho mayor valor. En este momento corresponde también recordar que la actividad de seres vivos, sea bacteriana, de hongos o de algas, en aplicaciones relacionadas con la Minería, tiene otras múltiples posibles aplicaciones, las que en muchos casos recién comienzan a visualizarse. Ejemplos de esto son el biotratamiento de los desagües de mina, para la captura y limpieza de los metales pesados, la destrucción bacterial del cianuro residual en efluentes de tratamiento de oro y muchas otras aplicaciones cuya investigación y desarrollo está recién en sus inicios.

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6.1 Las Bacterias y su Acción Sobre los Sulfuros La lixiviación bacteriana de minerales sulfurados envuelve el uso de microorganismos que ayudan en la extracción del metal de valor. La disolución de metales por la acción de bacterias, desde minerales escasamente solubles, puede ocurrir sea:  directamente por el metabolismo del propio microorganismo, o bien  indirectamente por algún producto de su metabolismo. En un contexto histórico y práctico, el cobre, el zinc, el oro y el uranio son los metales sobre los cuales más se ha desarrollado comercialmente el proceso de lixiviación bacteriana En general, la extracción de metales desde estos minerales metálicos ha sido alcanzada principalmente a través del uso de la oxidación de súlfuros por el género Thiobacillus ferrooxidans (TF) y Thiobacillus thiooxidans (TT) que son las bacterias más comúnmente presentes en los procesos industriales y en las aguas de mina. Sin embargo, el reciente uso de otras cepas bacterianas -recogidas desde vertientes de aguas termales sulfurosas - que operan en un óptimo de temperatura bastante superior a la del ambiente (típicamente entre 60 y 80°C), ha permitido la operación exitosa de la disolución de concentrados anteriormente considerados más refractarios ante la lixiviación como son, por ejemplo, los de calcopirita. CuFeS2, y los de enargita, Cu3AsS4. Es importante también tener presente que el metal de interés puede no estar necesariamente en la forma de sulfuro y, como ocurre en el caso del oro, puede encontrarse encapsulado en especies sulfuradas o arsenicales, del tipo de la pirita, FeS2, o de la arsenopirita, FeAsS. En estos casos, la acción bacteriana es requerida para lograr la oxidación, aunque sea sólo parcial, de los concentrados de flotación de estos compuestos encapsulantes, para facilitar así la posterior penetración del reactivo de lixiviación del oro (típicamente cianuro de sodio en medio alcalino) en el momento que éste se aplique Las bacterias son organismos unicelulares, con un tamaño del orden de 1 micrón (0,001 mm), que constituyen una de las formas de vida más arcaicas y primarias. Estos microorganismos, inferiores a los animales y a las plantas, se denominan genéricamente como procariotes. En el caso de las bacterias, ellas están constituidas por elementos subcelulares de morfología y estructura bien definida Entre estos elementos o partes de los microorganismos, se distinguen: la pared celular, la membrana citoplasmática, a veces un proto-núcleo y algunas estructuras membranosas que cumplen funciones respiratorias o mesosoma, el que se encuentran comúnmente en el citoplasma. Un esquema indicando la ubicación de estos elementos principales de la estructura celular de una bacteria del género Thiobacillus se presenta en la Figura 1. La pared celular consiste de un material envolvente compuesto de una sustancia polimérica, la mureína, que corresponde a un péptidoglicano. Puede estar compuesta por una o por numerosas capas que constituyen la protección exterior que defiende a la célula de los fenómenos externos, como es, por ejemplo, la abrasión provocada por parte de minerales en un lecho agitado.

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Hacia el interior de la pared celular se encuentra un espacio periplásmico que da paso a la membrana citoplasmática. Ésta constituye la verdadera barrera que envuelve el citoplasma - el cual contiene las capacidades metabólicas y genéticas del organismo-y que lo separa del ambiente exterior. La membrana citoplasmática es una estructura compleja que comprende lípidos, fosfolípidos y proteínas. Corresponde a una barrera osmótica, que controla el transporte de sustancias hacia dentro y hacia fuera del citoplasma. Su estructura es de una doble capa de lípidos puenteados por moléculas de proteína que forman poros, a través de los cuales se transfieren los iones y las moléculas pequeñas en forma controlada.

Figura 1.- Esquema de la estructura celular de una bacteria del género Thiobacillus.

En la membrana citoplasmática de las bacterias con habilidades lixiviantes, se encuentran localizados los procesos enzimáticos que intervienen en el transporte de electrones, en la degradación oxidante de los nutrientes orgánicos, en la síntesis de compuestos de alto contenido energético y en los procesos oxidativos de la fosforilación - por ejemplo, el adenin-trifosfato (ATP) que, posteriormente, es fundamental para la fijación del C02- incluyendo los citocromos y las proteínas azufre-fierro, todos procesos que son vitales para el metabolismo de la célula. El citoplasma puede considerarse como todo lo que está contenido en el interior de la membrana citoplasmática. Se trata de un medio acuoso, de pH cercano a siete, con algunas estructuras particuladas. En las bacterias, como en cualquier célula viva, la información genética se encuentra en el núcleo, caracterizándose este por carecer de paredes -por lo que en este caso se le denomina proto-núcleo- y presentarse en forma de una maraña de fibrillas que flota casi libremente en el citoplasma. Existen también algunas estructuras membranosas que reciben el nombre de mesosoma. Entre ellas se incluyen: los ribosomas (que son sitios para la síntesis de proteínas), algunas enzimas solubles, el RNA (ácido ribonucleico), el DNA (ácido desoxi-ribonucleico), algunos gránulos de glicógeno y de polifosfato, inclusiones de azufre y de lípidos, y posiblemente plásmidos (trozos circulares de DNA que contienen, probablemente, los códigos genéticos para el mecanismo de resistencia a los metales tóxicos). Los gránulos e inclusiones son formas de almacenamiento interno de nutrientes. En cuanto a los plásmidos, es importante tener presente su participación en la

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extraordinaria resistencia que las bacterias acidofílicas han mostrado, prácticamente frente a todos los metales con los que se las ha ido poniendo en contacto, particularmente cuando este contacto se realiza en forma paulatina, de forma de ir generando un acostumbramiento a esas nuevas condiciones. Además de lo descrito, las bacterias suelen acumular algunos materiales en su superficie exterior, los que se conocen como cápsulas o envoltorios viscosos. Estos materiales se componen principalmente de polisacáridos, aunque en algunos casos se trata de polipéptidos. En ocasiones, los envoltorios se disuelven y su contenido es secretado hacia el medio exterior, formando una mucosa. Se cree que esta sustancia viscosa sería la responsable de los mecanismos de adhesión de la bacteria contra una superficie sólida, como son los cristales de mineral.

Figura 2. Representación esquemática de la oxidación, catalizada por la bacteria, de un cristal de pirita, FeS 2, en condiciones aeróbicas.

Las bacterias, en general, pueden clasificarse según su modo de nutrirse en:  autotróficas: son aquellas capaces de sintetizar todos sus nutrientes, como proteínas, lípidos y carbohidratos, a partir del dióxido de carbono, C02;  heterotróficas: son aquellas que requieren de carbohidratos como la glucosa para formar sus propios nutrientes; y  mixotróficas: son aquellas que tienen la habilidad de formar sus propios nutrientes, a partir del dióxido de carbono y de los carbohidratos. Las bacterias, también en general, pueden clasificarse según su modo de respirar en:  aeróbicas: requieren de oxígeno para su respiración;  anaeróbicas : se desarrollan en medios exentos de oxígeno; y  facultativas: tienen la habilidad de poder desarrollarse tanto en medios aeróbicos como anaeróbicos.

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Las bacterias que intervienen en los procesos de lixiviación son generalmente autotróficas y aeróbicas. Las bacterias que son capaces de catalizar reacciones de oxidación en sustancias inorgánicas, como son los minerales, son genéricamente clasificadas como quimio-lito-autotróficas, o bien quimiosintéticas. Es decir, tienen la facultad de obtener la energía necesaria para desarrollar su metabolismo energético a partir de la oxidación de compuestos inorgánicos - es decir, a partir del intercambio de electrones - fundamentalmente a partir de la oxidación de los sulfuros metálicos, de la oxidación del ion ferroso o bien, de la oxidación del azufre elemental. La reacción de oxidación del ion ferroso, de los sulfuros metálicos o de los compuestos del azufre es catalizada por la bacteria, mientras que el oxidante (o receptor terminal de los electrones) es normalmente el oxígeno molecular que, para estos efectos, penetra al interior de la membrana citoplasmática. En este caso, estaremos hablando de una oxidación en condiciones aeróbicas. El oxígeno es reducido a agua según la semireacción;

02 + 4H+ + 4e- —> 2H20 Aunque se ha observado azufre elemental en el citoplasma de algunas especies, en general se considera que la otra parte de la semireacción, que implica el retiro de los electrones (desde el ion ferroso, o bien desde los minerales) ocurre, posiblemente, en el espacio periplásmico, ubicado entre la pared celular (exterior) y la membrana citoplasmática. Un esquema de la oxidación de un cristal de pirita, catalizada por bacterias, se muestra en la Figura 2. Por otra parte, también se puede dar una oxidación, siempre catalizada por las bacterias, en condiciones anaeróbicas, es decir, sin oxígeno, o bien en condiciones mixtas, aeróbica y anaeróbica. En estos casos, el oxidante (o receptor terminal de los electrones), además del oxígeno, puede ser el ion férrico. Esta otra situación, siempre asumiendo el caso de la oxidación de un cristal de pirita, se observa en el esquema de la Figura 3.

Figura 3.- Representación esquemática de la oxidación, catalizada por la bacteria, de un cristal de pirita, FeS2, en condiciones mixtas aeróbicas y anaeróbicas.

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Sin embargo, es importante tener presente que se ha demostrado que distintas bacterias intervienen prácticamente en todas las fases del proceso geológico de transformación de los yacimientos. Así, la mayor parte de los fenómenos de oxidación correspondientes al enriquecimiento geológico secundario - que, a partir de la transformación de las piritas en ácido sulfúrico y sulfato férrico, producen la lixiviación de los minerales de sulfuros primarios y su posterior reprecipitación, sea como sulfuros secundarios o bien como óxidos, según se describió al inicio del Capítulo 7 - pueden ser explicados a través de la acción de distintos microorganismos oxidantes, similares a los que se plantean para los procesos metalúrgicos actuales. De igual manera, existen otros microorganismos que cumplen funciones de carácter reductor, que son capaces de reducir sulfatos y producir sulfuros, a los que se les atribuyen otros fenómenos de singular importancia geológica y económica. En síntesis, se trata de un campo de estudios inmenso, en que la magnitud de las edades geológicas permite que aún la más lenta acción de las bacterias se pueda traducir en fenómenos significativamente perceptibles y de importancia económica actual. Las bacterias acidofilicas son las que son capaces de vivir en ambiente ácido, siendo este tipo de bacterias nativas de algunos yacimientos. Las principales bacterias encontradas en las aguas acidas de mina son las bacterias autotróficas: Thiobacillus ferrooxidans y Thiobacillus thiooxidans. En el cuadro de la Tabla 1 se muestra una lista de algunos microorganismos identificados como los más relevantes para los fenómenos de lixiviación de minerales. Se incluyen también algunos de sus requerimientos de pH y temperatura individuales, que establecen el ambiente más adecuado en que se desarrollan. Tabla 1.- Algunas bacterias asociadas a la oxidación de minerales sulfurados y rango de temperatura y acidez más ventajosas para su desarrollo Microorganismo Crece por oxidación de: Fuente de carbono Temperatura Acidez Fe2+

S2-

S°

S2032-

Thiobacillus ferrooxidans

+

+

+

+

Thiobacillus thiooxidans

+

+

+

Leptospirillum ferrooxidans

+

+

Sulfobacillus

+

Sulfobacillus thermotolerans Leptospirillum

C02 Levadura

°C

PH

+

20 a 35

1.5 a 2,5

+

+

20 a 35

1,5 a 2,5

-

-

+

30

1,2 a 2,0

+

+

-

++

45 a 60

3,0

+

+

-

-

++

45 a 60

3,0

+

+

-

-

+

45 a 60

3,0

Sulfolobus acidocaldarius

+

+

+

+

++

60 a 80

3,0

Acidianus archae

+

+

+

+

++

60 a 80

2,5

Metallosphaera archae

+

+

+

+

++

60 a 80

2,5

Sulfurococcus archae

+

+

+

+

++

60 a 80

2.5

thermosulfidooxidans

thermoferrooxidans

Nota: + señala que esa reacción procede habitualmente en términos positivos - indica que esa reacción normalmente no ocurre

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Como se puede apreciar, se puede distinguir tres rangos de temperatura, principales, en que se desarrollan las bacterias que presentan afinidad con los minerales sulfurados. Estos rangos de temperatura permiten, a su vez. Clasificar las bacterias como:  mesófilas: son las que se desarrollan bien a temperaturas próximas al ambiente, entre 20 y 35°C, y son las más habituales en las lixiviaciones desde minerales, sea en pilas, lixiviación TL bacterial, en botaderos o in-situ; han sido aisladas en las zonas húmedas de los propios yacimientos y, normalmente, están totalmente adaptadas a ese mineral específico; consiguen con cierta rapidez adaptarse a otros eventuales elementos tóxicos: arsénico, mercurio, concentraciones altas de cobre y de fierro, etc.; pertenecen a los géneros Thiobacillus y Leptospirillum;  moderadamente termófilas: son aquellas cuyo mejor comportamiento se da entre 45 a 60°C; sólo ocasionalmente se las encuentra en botaderos y lixiviaciones in-situ, cuando las temperaturas han subido a causa de las reacciones exotérmicas de los sulfuros: son más frecuentes en zonas de aguas termales azufrosas, geyseres y volcanismos recientes; han sido propuestas y se usan más bien en la lixiviación de concentrados, en reactores de temperatura controlada, pertenecen, en general, a los géneros Sulfobacillus y Leptospirillum, y

 extremadamente termófilas: que tienen su rango de trabajo óptimo entre 60 y 80°C; raramente se dan en operaciones de lixiviación natural; se las ha aislado a partir de aguas termales azufrosas, geyseres y zonas de volcanismo reciente; pertenecen, en general, a los géneros Sulfolobus, Acidianus, Metallosphera y Sulfurococcus: han sido muy exitosas en la lixiviación de concentrados de flotación en reactores de temperatura controlada, particularmente interesantes son sus resultados con concentrados de calcopirita y de enargita. El metabolismo energético de las bacterias cumple tres funciones básicas: i. producir enlaces de alta energía, como es el caso de la fosforilación, capaz de oxidar compuestos inorgánicos, como por ejemplo: -

reacción de oxidación: 2Fe2+

2Fe3+ + 2 e-

-

ii. iii.

reacción de reducción: 2e- + 1/2 02 + 2 H+ H20 almacenar enlaces de fosfato de alta energía, como el adenin-trifosfato (ATP); utilizar los compuestos de alto poder energético (ATP) en las reacciones de biosíntesis en procesos como el osmótico y en la fijación del dióxido de carbono.

El ciclo de vida de una colonia de bacterias inoculada en un medio de cultivo adecuado, puede representarse mediante el esquema de la Figura 4. En este esquema se observa, en primer lugar, un período inicial de crecimiento lento o "etapa de acostumbramiento" al nuevo medio (conocido en inglés como "lag time" o periodo de rezago), que se caracteriza por muy poca actividad bacteriana (medible. por ejemplo, por la solubilización de un determinado producto, o bien por el número de individuos por unidad de volumen, etc.) mientras la bacteria se acostumbra y desarrolla los niveles

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de sus moléculas internas enzimas, RNA, ribosomas, etc., al nivel requerido para su mantenimiento y posterior división celular. La segunda fase es la "etapa de crecimiento exponencial", en la que la bacteria se multiplica exponencialmente por división binaria. En esta fase de la vida de una colonia, se puede medir experimentalmente una importante característica - que es particular de cada especie de bacterias y que la distingue de las demás especies - que es el "período de duplicación" y que corresponde al tiempo que demora en duplicarse la población bacteriana, bajo ciertas condiciones estandarizadas. La tercera fase corresponde a la limitación de la velocidad de solubilización, o de crecimiento de la población, debido al repentino agotamiento de uno o más de los nutrientes esenciales, o de la consunción del material de sustrato, y se denomina "etapa estacionaria". La población bacterial en esta etapa consiste, en su totalidad, de células completamente viables pero su crecimiento está limitado. En cambio, al entrar en la cuarta fase, comienza a disminuir la población de bacterias viables y se entra de lleno en un decaimiento de la actividad medible (o del número de individuos por unidad de volumen, etc.) motivo por el cual, esta etapa de decaimiento se conoce como "fase de muerte".

Figura 11.4.- Representación esquemática de las cuatro fases de un ciclo de la existencia de una colonia de bacterias.

Las bacterias usadas en la oxidación de minerales tienen un periodo de duplicación del orden de 20 a 70 horas. Resulta entonces sumamente importante considerar que, al planear una nueva operación continua en un bio-reactor, se le asigne a éste, desde los inicios del respectivo diseño, un tiempo de residencia para el sustrato mineral - que es el que se va a oxidar - que sea menor que el período de duplicación del cultivo bacteriano que se pretende usar De lo contrario, la bacteria se verá reducida en su eficiencia y habrá una eventual pérdida de capacidad oxidativa. En un bio-reactor operado eficientemente, se deberá tener las condiciones de tiempo de residencia optimizadas para lograr

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que el cultivo bacteriano esté, en todo momento, operando en su fase de crecimiento exponencial. En su etapa estacionaria las bacterias pueden alcanzar poblaciones del orden de más de 108 (unos cuantos cientos de millones) individuos por centímetro cúbico. Los mecanismos de reacción generalmente utilizados en el proceso biogénico de minerales sulfurados son de dos tipos: i.

mecanismo directo: que implica la adhesión de la bacteria directamente sobre los cristales del sólido, actuando ella como puente para el traspaso de electrones, en una sucesión de dos reacciones aeróbicas secuenciales: MeS + 1/2 02 + 2 H+

bacteria

S° + 1 1/2 02 + H20 ii.

Me2+ + S°+ H20

bacteria

H2S04

mecanismo indirecto: que requiere de la presencia de fierro disuelto en las soluciones:

Reacción aeróbica 1: 2Fe+2 + 2H++ 1/2 02 bacteria 2 Fe+3 + H20 Reacción anaeróbica: MeS + Fe2(S04)3

reducción abiótica

MeS04 + 2 FeS04 + S°

Reacción aeróbica 2; S° + 1 ½ O2 + H20

bacteria

H2S04

Como se puede apreciar, en ambos tipos de reacción, la bacteria finalmente se encuentra de algún modo enfrentada a la oxidación de azufre elemental producido por la reacción sobre el sulfuro, sea éste producto de una reacción de mecanismo directo o bien indirecto. El ion férrico, Fe3+, solo o combinado, es la especie química más importante involucrada en el proceso de lixiviación bacteriana. En presencia de bacterias oxidantes de fierro, el fierro ferroso, Fe2+, producido por las reacciones de oxidación, puede ser vuelto a oxidar a ion férrico, estableciéndose un proceso cíclico. La velocidad normal de oxidación del ion ferroso (de valencia más dos) a ion férrico (de valencia más tres) es bastante lenta y experimenta un incremento del orden de 500 mil a 1 millón de veces en presencia de las bacterias oxidantes de fierro, tales como son las del género Thiobacillus, Sulfolobus o Archae. En todo caso, en términos cinéticos, queda claro que los microorganismos son eficaces acelerantes de la oxidación de los minerales sulfurados, de prácticamente cualquier tipo de metales, la mayoría de los cuales en condiciones normales resultan tóxicos para el común de los demás seres vivos

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Un aspecto interesante, que puede significar adelantos gigantescos y nuevas aplicaciones para el uso de bacterias en la lixiviación de minerales, lo constituye el reciente trabajo de decodificación del genoma de los seres vivos El nacimiento de esta tecnología de manipulación genética abre insospechadas posibilidades para alterar las capacidades inhibitorias y/o de oxidación de determinadas bacterias, así como, su resistencia frente a concentraciones mayores de metales tóxicos, o la combinación de características positivas de dos tipos de bacteria, como serían, por ejemplo, resistencia al pH de una cierta cepa con la resistencia a la temperatura de otra del mismo género, etc. 6.2. Características Principales de las Bacterias Mesófilas Como ya se dijo, las bacterias mesófilas -que son las que operan a temperaturas más moderadas y cercanas al ambiente - han sido tradicionalmente las responsables de la actividad bacteriana relacionada con las aplicaciones prácticas en minería. Entre éstas se pueden destacar tres bacterias que usualmente coexisten, en proporciones diversas, en las operaciones de lixiviación de minerales, tanto espontáneas como controladas:  Thiobacillus ferrooxidans,  Thiobacillus thiooxidans, y  Leptospirillum ferrooxidans. Aunque la Thiobacillus ferrooxidans es la bacteria más ampliamente estudiada desde el punto de vista minero-metalúrgico, numerosos otros microorganismos pueden participar en la lixiviación de metales, tal como se mostró en la Tabla 1. A continuación se analizarán algunas de las características propias de las bacterias mesófilas ya mencionadas. 6.2.1. Thiobacillus Ferrooxidan Esta es una bacteria Gram negativa (el método de Gram permite, mediante una tintura especial, el reconocimiento de ciertos grupos de bacterias), con LPS (lipo-poli-sacándos) en su pared más externa: tiene forma de bastón; sus dimensiones son desde 0.9 a 2,0 micrones de largo y 0,5 a 0,8 micrones de ancho; posee un flagelo polar, el cual le permite cierta movilidad direccionada en medios líquidos. Su forma de reproducción es por fisión binaria, encontrándose normalmente aislada o en pares, creciendo en medios ácidos donde existen iones ferrosos, azufre o minerales sulfurados, adhiriéndose a ellos por la formación de cápsulas de mucosas. Este microorganismo es un quimiolitoautótrofo obligado o autótrofo facultativo, es decir, obtiene su energía a partir de la oxidación de especies inorgánicas reducidas y, además, utiliza el C02 del aire que se encuentra disuelto en el líquido - como fuente de carbono, para así poder realizar todos sus procesos de biosíntesis.

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Entre las diversas especies minerales que este microorganismo utiliza para obtener su energía están: -

el azufre elemental, S°;

-

el anión tiosulfato, (S203)2-

-

los cristales de sulfuro por adhesión directa a los minerales sulfurados,

-

el nitrógeno, N2, y el dióxido de carbono, C02, del aire,

-

iones ferrosos, Fe2+, y

-

los diferentes estados de oxidación del azufre, desde el anión sulfuro, S2-, hasta el anión sulfito, (S03)2-

El rango de temperatura para su crecimiento y desarrollo es muy amplio, desde 2° a 40°C, siendo la temperatura óptima de 30° a 35°C. Experimentalmente se ha determinado que su velocidad de crecimiento se reduce a la mitad, por cada 6°C que disminuye la temperatura, debajo de un crecimiento referencial de 25°C y hasta -2°C Para las variedades acidofílicas, el rango de pH para el crecimiento de este microorganismo es desde algo menos de pH 1,5 hasta 3,5, siendo el óptimo pH 2,3. Sin embargo, coexisten con otras variedades de Thiobacillus que, en presencia de minerales sulfurados, pueden desarrollarse a valores de pH superiores, hasta incluso pH 7, y así permiten paulatinamente ir bajando el pH hasta alcanzar los rangos más ácidos, acomodando de esta manera un ambiente adecuado para la lixiviación del mineral y el desarrollo de las Thiobacillus ferrooxidans. La aireación del mineral y de las soluciones debe ser adecuada, de manera que no les falten C02 para su metabolismo y el 02 disueltos para que se produzcan las reacciones. Para esto es fundamental que la fuerza iónica (suma de la concentración de todas las sales disueltas) de la solución no sea muy elevada, ya que inmediatamente se va reduciendo la capacidad de disolución de los gases en ella, principalmente del oxígeno. Por ejemplo, concentraciones de sales en solución, caracterizadas por el anión sulfato, S042- (común a la mayor parte de ellas) por sobre 80 g/l, ya inhiben fuertemente la solubilidad del oxígeno y, con ello, las posibilidades de crecimiento de las bacterias. En consecuencia, se ha recomendado en la práctica no exceder los 60 a 70 g/l de S042-, usado como medida de las sales totales. El oxígeno que asimilan las bacterias participa como receptor final de electrones formando agua: Reacción de oxidación: 2 Fe2+

2 Fe3+ + 2 e-

Reacción de reducción: 2 e- + ½ O2 +2H+ y sumando, se tiene la reacción global: 2Fe2+ + 2H+ + ½ O2

H2O 2Fe3+ + H2O

Se necesita oxidar dos moles de ion ferroso para poder formar un mol de moléculas de adenin-trifosfato (ATP). El metabolismo del carbono, esto es la fijación de dióxido de carbono por los microorganismos, se realiza a través del ciclo Calvin (en el cual participa la enzima rubisco y los

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compuestos de fosfato ligados al ATP, y según el cual se requieren 3 moles de ATP para fijar un mol de C02), siendo la reacción global de fijación: CO2

enzima rubisco + ATP

glucosa

6.2.2. Thiobacillus Thiooxidans Esta también es una bacteria Gram negativa que se encuentra comúnmente en depósitos de minerales sulfurados y en constante compañía de la Thiobacillus ferrooxidans. Es un microorganismo incapaz de oxidar fierro o sulfuros metálicos bajo variadas condiciones Sin embargo, es hábil en oxidar azufre elemental a temperaturas de 2 a 45°C, siendo su óptimo 28 - 30°C, y tolera pH desde 0,5 a 5,0, siendo su óptimo en torno a pH 2,0. El Thiobacillus thiooxidans es importante en la lixiviación porque mejora y complementa la actividad de la bacteria Thiobacillus ferrooxidans. En efecto, si bien la Thiobacillus thiooxidans no puede oxidar directamente a los sulfuros metálicos, tiene una singular habilidad para oxidar el azufre elemental y producir fácilmente ácido sulfúrico, el cual, en presencia de oxígeno, es rápidamente usado por la segunda bacteria (Thiobacillus ferrooxidans) para oxidar el ion ferroso y, a su vez, producir sulfato férrico, iniciando el ciclo de la corrosión de los sulfuros metálicos. Por otra parte, juega un rol determinante y fundamental en la mantención regulada del pH, lo suficientemente bajo como para que no precipite el ion férrico por hidrólisis. 6.2.3. Leptospirillum Ferrooxidans Esta bacteria se encuentra normalmente coexistiendo con las dos anteriores. Presenta características morfológicas vitales y de DNA, que la clasifican en un género diferente de las Thiobacillus. En efecto, las bacterias del género Leptospirillum son bastante más delgadas y alargadas que las Thiobacillus. Entre sus características más relevantes está el ser estrictamente aeróbicas. Por otra parte, las bacterias Leptospirillum cuentan con características de temperatura preferente algo diferentes a las anteriores; su temperatura de trabajo óptima es de 30°C y son mucho más sensibles a los cambios de temperatura hacia abajo, con un límite operacional de 20°C. Por el contrario, son más tolerantes a las temperaturas superiores, resistiendo bien hasta cerca de 45°C. Su capacidad oxidativa está limitada a las especies de fierro (2+), sea como ion ferroso en solución, o bien como parte de los minerales sulfurados, caso en el que también oxida el anión sulfuro, S26.2.4. Nutrientes y Tolerancia a la Acumulación de Iones En general, para mantener su viabilidad los microorganismos mesófilos necesitan energía externa y contar con fuentes de elementos vitales como son el carbono, nitrógeno, fósforo, magnesio, azufre, etc. El agua se necesita como medio solvente y además para el transporte de los nutrientes. Las concentraciones necesarias aproximadas de algunos de estos nutrientes vitales se indican en la Tabla 2.

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Estos microorganismos mesófilos, en general, presentan una alta tolerancia a diversos iones metálicos. En la Tabla 3 se entregan los valores máximos de concentración de diversos iones, superados los cuales se inhibe fuertemente o simplemente se detiene la actividad bacteriana. También se ha reportado que existe una inhibición de la actividad bacterial con el aumento de la concentración de iones férricos en la solución. El exceso de iones férricos suprime la oxidación del ion ferroso. Se determinó que el óptimo crecimiento se logra con una concentración de iones ferrosos entre 1,5 y 3 g/l. Tabla 2.- Concentración de algunos elementos críticos para mantener la viabilidad vital de las bacterias mesófilas. Sustancia Concentración (kg/ton) + nitrógeno como amonio: (NH4) 2-3 fósforo como fosfato: (P04)3~ 0,6-1.0 sales de potasio 0.8-2,0 sales de magnesio 0,4-0.8 dióxido de carbono como gas disuelto 40-80

Tabla 3.- Concentraciones máximas que inhiben la actividad bacteriana mesófila. Catión Conc. máxima Catión Conc. máxima Aniones Conc. máxima (g/l) metálico (g/l) metálico (g/l) Fe 160 Co 30 Sulfato 80 a 100 Zn 119 As 17 Cloruros 2a6 Ni 72 U3O8 12 Nitratos 2a6 Cu 55 Al 10 Cianuros 2.5 x 10"5 Molar Mn 33 Mo 2.9 Fluoruros 2.5 x 10"5 Molar Cr 0.8 Ag rnÍta previa proceso TL de SMP seguido de expandido 50% en 1995 y en Iquique, Tarapacá. Chile después 24.000 Ion/día i 95| y SX-eW: el 93: 40.000 Ion/año Cu"; casi 100% en 1998. + 10% el el'9.5 60.000; el'96 100.000 y el'00 2000; hoy en operación ahora JH.000 ton/día f 98) 110.000 Quebrada Hlanca, unos 17.500 ton/día mineral lixiviación en pilas con aglomeración puesto en marcha en 1994 1 'JO km Sureste de Iquique 1,3% Cu: calcosina/covelita previa proceso TL de SMP seguido de actualmente en operación en Altiplano de Tarapacá, SX-EW: 7.5.000 ton/año cátodos Chile Iván - Zar, unos 1.800 ton/día mineral lixiviación en pilas con aglomeración puesto en marcha en 1994 30 km al Norte de – 1,5°/. Cu: calcosina previa proceso similar TL de SMP actualmente en operación Vituíagasta, Región seguido SX-EW; 12.000 ton/año Cu' Antofagasta, Chile Bior.obre. Punta del Cobre.. 1 unos 1.200 lon/dia mineral 2,0% lixiviación en pilas con aglomeración puesto en marcha en 1994 5 km al Oeste de Copiapó, 3' Cu: calcosina previa proceso TL de SMP seguido de actualmente en operación Región Atacama, Chile SX-EW 7.000 ion/año Cu° Ashanli's Sansu Chana. Africa 1.000 1un/día concentrados de lixiviación agitada y aireada, proceso pueslo en marcha en 1994 dotación de oro Gencor expandida en 1993. en operación You.inmi, 120 lonAlía concentrados de lixiviación agitada y aireada, proceso puesto en marcha en 1994 Western Australia dotación de oro BacTech actualmente en operación Newmonl - Carlin. Nevada, unos 10.000 ton/día mineral 1,0 lixiviación en pilas seguido de cianu- puesto en marcha en 1995 EEUU gr Au/ton; oro en piritas ración en pilas o thiosulfalo en pilas actualmente en operación procesa desarrollado por Newmonl Dos Amigos. CEMIN unos 1.200 ton/día mineral 1,5% lixiviación en pilas con aglomeración puerto en marcha en 1996 RA 3 km al Sur de Domeykn. 3 Cu: calcosina previa proceso TL de SMP seguido de expandido + 30% en 1997 Región Atacama., Chile SX-EW 7 y 10.000 ton/año Cu" actualmente en operación Morenci Saííord. 15O.00O ion/día mineral 0,7% lixiviación en pilas < un puesto en marcha en 2001 Arizona, EEUU Cu: calcosina aglomeración previa (similar proceso actualmente en operación TL: seguido de SX-EW y ron 250.000 ton/año Cu°

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6.5. Lixiviación Bacterial Aplicada Directamente a Minerales Sulfurados Desde los inicios de la lixiviación bacteriana de cobre, tanto en tiempos remotos (antigua China, época de los romanos y explotaciones de Río Tinto, en España) como en los actuales (lixiviación de botaderos e in-situ en el Sur-Oeste de los EEUU, desde las décadas de los '50 y 60), siempre ésta se aplicó directamente a los minerales en bruto, es decir, sin realizar una concentración o acondicionamiento previo del mineral. Sin embargo, en el caso del Proceso TL Bacteriano - desarrollado por Minera Pudahuel, a mediados de los años 70, e implementado comercialmente, en un inicio enfocado sólo para óxidos, en la Mina de Lo Aguirre, en 1980 - el mineral es sometido a un chancado fino y, previo acondicionamiento mediante aglomeración de los finos y curado ácido, es sometido a una lixiviación en pilas con soluciones acidas diluidas Dado que estos minerales contenían, desde la puesta en marcha de la operación de Lo Aguirre, proporciones variables de especies minerales sulfuradas, junto a los óxidos lixiviables que justificaban el proyecto, resultó muy natural que se incorporaran en la Planta los controles microbiológicos necesarios para estimular en las pilas el desarrollo de una eficiente flora bacteriana. El éxito obtenido permitió en breve plazo el tratamiento de minerales exclusivamente de sulfuras, consolidando la experiencia obtenida y permitiendo desarrollar un valiosísimo conocimiento de las variables operativas (o "knowhow" operacional). En años posteriores, el mismo proceso se fue implementando en otras operaciones mineras, lo que permitió ampliar el espectro de variables operativas para llegar a dominar situaciones nuevas, como son el uso de aguas de salares, la operación en condiciones climáticas extremas, el trabajo bajo presiones de oxígeno disminuidas por la altura geográfica, el uso de diversas configuraciones de pilas, con y sin membranas intermedias, el uso de sopladores para oxigenar las pilas desde abajo, la calefacción de las soluciones, etc. Gran parte de la experiencia acumulada se fue reuniendo en las primeras aplicaciones, de Lo Aguirre y de Quebrada Blanca, motivo por el cual en esta obra se han incluido las monografías descriptivas de ambas operaciones, como Capitulo 19 y 20, respectivamente. Pronto surgieron interesados en aplicar el Proceso TL Bacteriano en muchas otras partes, como por ejemplo en Perú, a partir de 1994, donde se inició su aplicación en la mina de Cerro Verde, por parte Cyprus Copper. Gracias a este cambio, se ha alcanzado en la actualidad una producción de cobre cuatro veces superior a la que se tenía históricamente antes. Asimismo, en Australia el proceso ha tenido singular éxito aplicado a minerales de cobre de tipo secundario, tanto en las operaciones de Girilambone, como en Gunpowder, entre otros. De igual manera, en los EEUU, el proceso se ha aplicado en varias operaciones de cobre, siendo la más impresionante por su volumen y trascendencia, la reciente conversión total a LX-SX-EW - con el consiguiente cierre de la concentradora tradicional de flotación - de la www.intermetperu.com

operación de cobre sulfurado de Morenci, de Phelps Dodge, en Arizona, conversión total que se completó en el primer semestre de 2001. Sin embargo, resulta digno de especial mención el desarrollo que, siempre a partir del concepto del Proceso TL, ha realizado la Newmont Gold Co. para minerales auríferos de baja ley, ocluidos en pirita y arsenopirita Para este proceso, el mineral es previamente chancado a menos de una pulgada. Luego, usando la misma técnica de acondicionamiento ácido previo del TL, se distribuye y aglomera los finos usando un inoculo bacteriano sumamente activo, que así queda distribuido de manera uniforme a todo el mineral, mientras se carga la pila Seguidamente, se realiza una lixiviación bacterial en pilas de las piritas y arsenopiritas, hasta lograr la oxidación parcial de las partículas que incluyen el oro, lo que normalmente ocurre después de varios meses, e incluso hasta un año. Basta una oxidación del orden de 40 a 50% de los sulfuras presentes, para garantizar un posterior acceso al oro, sea con cianuro, con tiourea, o con tiosulfato de amonio. En caso de requerir un cambio drástico de pH, como es el caso de la cianuración, se ha optado por descargar la pila de oxidación bacteriana, volver a aglomerar - ahora con cal y cemento - y reapilar para la recuperación del oro. Un proceso similar es el desarrollado por la empresa Geobiotics, cuyo concepto también comprende el uso de una misma pila de mineral de oro de baja ley, en carácter de bioreactor para la oxidación bacteriana de las piritas ocluyentes. 6.6. Lixiviación Bacterial de Concentrados en Bio-Reactores Agitados Los primeros bio-reactores agitados usados comercialmente han sido enfocados a la oxidación de concentrados de piritas auríferas, en las que el oro se encuentra, de alguna manera, físicamente ocluido en la matriz de la pirita. Por lo tanto, se requiere, por algún mecanismo, lograr el acceso de los lixiviantes adecuados para el oro, normalmente las soluciones diluidas de cianuro de sodio. Las alternativas tecnológicas disponibles han sido la tuesta oxidante, la oxidación a presión en autoclaves y, más recientemente, la biooxidación en reactores de alta capacidad. Desde el punto de vista de las bacterias utilizadas en esta aplicación, al inicio se han usado principalmente bacterias de tipo mesófilas. Sin embargo, gradualmente, se han ido introduciendo las del tipo moderadamente termófilas y, más recientemente, las extremadamente termófilas. De esta manera, ha sido posible lograr un incremento notable en la eficiencia de estos reactores, al disminuir paulatinamente los tiempos de residencia requeridos por las aplicaciones iniciales. De igual forma, por ejemplo, ha sido posible plantear la disolución de otras especies minerales, totalmente refractarias, o muy escasamente atacables, mediante las bacterias mesófilas convencionales. Es el caso de los concentrados de calcopirita, que en un sistema extremadamente termófilo pueden ser tratados eficientemente.

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Lo mismo ocurre con los concentrados de enargita, Cu3AsS4, y arsenopirita, FeAsS, que han constituido siempre un problema para los procesos convencionales de fusión, por los altos contenidos de arsénico que se alcanza en algunos de ellos, lo que produce serios problemas de control ambiental. De esta manera alternativa, cuando se oxidan las especies de arsénico y de fierro, se generan también las condiciones para co-precipitar algunos compuestos sumamente estables del arsénico, como es, por ejemplo, la escorodita, FeAsO*2H20 (un arseniato férrico), a la vez que se aprovechan eficazmente los contenidos de metales económicamente valiosos, como son el propio cobre y los metales preciosos, que se recuperan desde los residuos. En la actualidad existen al menos dos tecnologías competitivas y comercialmente exitosas en la operación de numerosas plantas de lixiviación de concentrados de piritas auríferas, con bio-reactores agitados Una de ellas, que usa bacterias moderadamente termófilas, ha sido desarrollada en Australia y es conocida con el nombre de Proceso BacTech. La segunda tecnología, en cambio, que usa una combinación de bacterias mesófilas, se desarrolló en Sudáfrica, recibiendo el nombre de Proceso BIOX, aunque es también conocida por el nombre de la compañía que la puso en práctica, Gencor. Actualmente, esta última tecnología es también comercializada, pero para su aplicación a metales diferentes al oro, con el nombre de Proceso BioCOP, por Billiton. En base a este conocimiento de partida, Billiton logró establecer, a inicios de 2000. un acuerdo comercial de desarrollo tecnológico conjunto ("joint venture") con Codelco, para el pilotaje y eventual operación de una planta demostrativa de unas 20.000 ton/año de cátodos de cobre para el tratamiento de los concentrados de enargita de Mansa Mina, ubicada al lado de Chuquicamata. Para este caso, se prepara una pulpa con el concentrado, a pH cercano a 1.5 y con una dilución de 7,5 partes de líquido por cada parte de sólido (12 a 13%) Se usan bacterias mesófilas, pero a su temperatura óptima de trabajo, en reactores eficientemente aireados y con los nutrientes adecuados, de nitrógeno (sales de amonio), de fósforo (sales de fosfato) y de potasio. Se controla la acidez, los niveles de oxígeno disuelto y la temperatura, enfriando si es necesario. En la oxidación existen especies minerales de cobre que son consumidoras de ácido, como la calcosina y la calcopirita y, por otra parte, hay otras especies que son productoras netas de ácido, como la pirita y la arsenopirita. Se trata, por lo tanto, de establecer un balance muy cuidadoso entre estas especies, a objeto de no desequilibrar el balance neto de ácido del sistema y añadir los reactivos de control de pH que sean necesarios. -

reacciones de oxidación consumidoras de ácido, por ejemplo, calcosina y calcopirita;

Cu2S + 21/2 02 + H2S04 4CuFeS2 + 17 02 + 2 H2S04

2 CuS04 + H20 4 CuS04 + 2 Fe2(S04)3 + 2 H20

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-

reacciones de oxidación productoras de ácido, por ejemplo, pirita y arsenopirita:

4FeS2 + 15 02 + 2H20

2 Fe2(S04)3 + 2 H2S04 2

FeAsS + 7 02 + 2 H20

2 FeAs04 + 2 H2S04

En otra investigación paralela, que realiza el consorcio Billiton-Codelco, en Randburg, Sudáfrica, se están estudiando las mejores condiciones de operación para un cultivo de bacterias termófilas, usado en la lixiviación de concentrados solamente de calcopirita, aspirando a obtener razones de oxidación superiores al 90%. 6.7. Bibliografía Relevante de la Lixiviación Bacteriana de Sulfuras Para complementar y profundizar aspectos específicos relacionados con los procesos de lixiviación de minerales y concentrados sulfurados, a continuación se presenta una lista de referencias seleccionadas En carácter de orientación general, se puede recomendar alguno de los textos de recopilación - que tratan de brindar una imagen completa sobre los diferentes aspectos más relevantes del tema: fundamentos, microbiología, experimentación y aplicaciones - de más reciente aparición, como son los de D. E. Ftawlings (1997), de J. Barrett et al (1993), de H. L. Ehrlich y C. Brierley (1990). Algo más antiguos, pero igualmente vigentes son los textos de L.E. Murretal (1978y 1980), de G.I. Karavaiko et al (1977 y 1985) y de J. Zajic (1969). Además, en los años recientes se han ido realizando conferencias temáticas cuyos libros de recopilación de trabajos presentados ("proceedings”) constituyen valiosa información, tanto respecto de los aspectos fundamentales de microbiología y conocimiento celular de los microorganismos como de las aplicaciones prácticas a la minería. De igual manera, en las monografías del Capítulo 19 y 20 de este libro, se encuentran descritas dos de las operaciones más representativas de la aplicación del proceso de lixiviación de bacteriana en pilas de minerales sulfurados de cobre en Chile, las de la mina de Lo Aguirrey de Quebrada Blanca, respectivamente

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