8/3/2019 El uso de reactores en los procesos de biominería

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El uso de reactores en los procesos de biominería Fernando Acevedo 

Escuela de Ingeniería Bioquímica

Universidad Católica de Valparaíso

Apoyo financiero: Becas FONDECYT 1980338 y Proyectos UCV 1000284 203.703/98 y 203.715/00. En los últimos años, los procesos microbianos han ganado una creciente atención en la

industria minera. La biolixiviación de metales pesados, la biooxidación de menas de oro, ladesulfurización de carbón y de petróleo, la recuperación terciaria de petróleo y la bioabsorciónde iones de metal son ejemplos de la amplia variedad de aplicaciones actuales y potencialesde los microorganismos en minería y en campos relacionados.

El término biominería abarca dos procesos microbianos relacionados que son útiles en la

metalurgia extractiva de metales pesados: la lixiviación bacteriana y la biooxidación. Lalixiviación bacteriana es un proceso en el cual un metal se solubiliza desde una mena por laacción oxidativa de una bacteria, como en el caso de la lixiviación bacteriana del cobre. Porotra parte, la biooxidación implica la oxidación bacteriana de especies reducidas en sulfuroque acompañan el metal de interés, como en la biooxidación de minerales refractarios de oro.

Hoy en día, la biolixiviación se usa no sólo para la recuperación de metales de menaspobres, de relaves de flotación o de material de desecho, sino que también se usa como elproceso principal en operaciones de extracción de cobre a gran escala y como una etapa depre-tratamiento importante en el procesamiento de menas refractarias de oro.

Las principales ventajas de la lixiviación bacteriana del cobre y de otros metales pesados

en comparación con las tecnologías pirometalúrgicas tradicionales yacen en su simplicidad,en sus fáciles condiciones de operación, en sus bajos costos capitales, en su bajo consumode energía y en su capacidad de ser amigable con el medioambiente. La biooxidación demenas refractarias de oro presenta características similares cuando se compara con procesosalternativos como tostación y la oxidación a presión.

La lixiviación bacteriana del cobre se lleva a cabo, generalmente, en pilas de mineralesmolidos o en vertederos de materiales desechados u ocupados. Las pilas y los vertederos seirrigan en circuito cerrado con un líquido acídico que contiene parte de la poblaciónbacteriana, siendo el resto adherido al mineral. Cuando se alcanza la concentración de metaldeseado, el líquido se bombea a una sección de recuperación. Las pilas y los vertederospresentan un número de ventajas como equipamiento y operación simples, inversión y costos

de operación bajos y resultados aceptables. Sin embargo, debe tomarse en cuenta que suoperación presenta muchas limitaciones. El material apilado es muy heterogéneo y,prácticamente, el proceso no puede controlarse de cerca. Es más, los índices de transferenciade oxígeno y de dióxido de carbono que puede obtenerse son limitados y los índices delixiviación son bajos, de manera que se requiere extender los periodos de operación parapoder alcanzar las conversiones deseadas.

Bajo el punto de vista del proceso de ingeniería, la biolixiviación sería llevada a cabo demejor forma en reactores. El uso de reactores tendría en cuenta un control más cercano delas variables pertinentes, resultando en un mejor funcionamiento. Los parámetros, tales comola productividad volumétrica y el grado de extracción, podrían incrementar considerablemente.La principal limitación del uso de reactores en la biominería radica en las grandes cantidades

de mineral en bruto que, en la mayoría de los casos, va a ser tratado. Esto limita sus

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aplicaciones en el tratamiento de concentrados de mineral o cuando volúmenes moderadosde minerales van a ser procesados. Por ejemplo, más de 11.000 toneladas de concentradosde oro se biooxidan en reactores cada año.

La elección del tipo de reactor más adecuado para un proceso de biominería y su diseñodeben estar basados en las características físicas, químicas y biológicas del sistema. Se debeprestar la atención adecuada a la naturaleza compleja de los sedimentos que reaccionan,compuestos por líquido, células suspendidas y adheridas, sólidos suspendidos y burbujas deaire. La mayoría de las fermentaciones industriales se llevan a cabo en reactores de tanquecon agitación operado en series o continuamente. Debido a los grandes volúmenes aprocesar, la biolexiviación y la biooxidación son llevadas a cabo de mejor forma en un modocontinuo de operación en el que la productividad volumétrica es alta y los volúmenes delreactor pueden mantenerse bajos. Una importante característica a considerar es la naturalezaauto catalítica del crecimiento microbiano y el hecho de que la afinidad de la poblaciónmicrobiana con las especies minerales involucradas es muy baja. Si se desea un alto gradode conversión, un solo tanque con agitación requeriría un enorme volumen, de manera que un

arreglo de reactores es más adecuado. Puede demostrarse que un reactor de tanque conagitación continua (CSTR) seguido de un reactor de flujo pistón (PFR) dará el mínimovolumen de reacción para alcanzar una cierta conversión. Ya que la necesidad de aireación yla presencia de partículas sólidas hacen las FPR poco prácticas, su funcionamiento puedeaproximarse por una serie de CSTR. Otros tipos de reactores que han sido estudiados para suaplicación en la biominería son la columna de percolación, el tanque "Pachuca", la columnaelevadora por aire comprimido y el reactor rotatorio.

Muchas operaciones de transferencia de masa ocurren en los procesos de biomineríarelacionados al trasporte de nutrientes, a productos metabólicos y a especies solubilizadas.De especial importancia es el suministro de oxígeno y dióxido de carbono desde el aire a lascélulas. El dióxido de carbono es el recurso de carbono para el crecimiento microbiano,

mientras que el oxígeno actúa como el receptor final de electrones del total de la reacción dela oxidación. En los reactores, estos gases son suministrados, generalmente, al burbujear airedentro el líquido. Para ser utilizados por las células, el O2 y el CO2 deben disolverse en ellíquido, una operación de transferencia de masa que presenta una alta resistencia y puedevolverse limitante para el ritmo del proceso en total. A las densidades de masa usuales(término que se refiere a las concentraciones de sólidos expresadas en % peso/volumen) de10% a 18%, el suministro de oxígeno en un tanque con agitación o en una columna elevadorapor aire comprimido es, generalmente, suficiente para compensar la demanda de la poblacióncelular, la cual no es muy grande debido a los bajos índices de crecimiento y las bajasconcentraciones en la célula. Sin embargo, a una alta densidad de masa, las transferenciasde oxígeno pueden limitarse, llevando a bajos índices y baja productividad. El muy bajocontenido de CO2 en el aire (0,03%) y el bajo pH del líquido hacen el suministro de dióxido de

carbono una operación difícil que, en muchos casos, es limitante. Para poder aliviar estalimitación, se podría usar flujos de aire extremadamente altos, se podría enriquecer el aire conCO2 o se podría presurizar al reactor para incrementar la presión parcial de CO2. Estas tresalternativas pueden desarrollarse fácilmente en un laboratorio, pero, hasta ahora, no se hanpodido desarrollar económicamente a gran escala.

El CSTR es una concepción ideal que implica un contenido completamente mezclado, demanera que el flujo de salida tiene la misma composición que el fluido dentro del reactor. Lanaturaleza compleja de la pulpa hace que alcanzar la homogeneidad sea especialmente difícil.La agitación tiene el doble propósito de incrementar el índice transferencia de masa y de calory mezclar el contenido del reactor. Bajo las condiciones de agitación insuficiente, lasoperaciones de transferencia se vuelven limitantes y el funcionamiento del total de la reacción

declinará debido a la aparición de zonas del fluido con nutrientes y gases insuficientes o

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temperaturas y pH inadecuados. Las turbinas de discos se han usado por muchas décadas enlos reactores de tanque en la industria de la fermentación. Aunque este tipo de impulsor esmuy eficiente en proveer altos coeficientes de transferencias de masa, sus características demezclado son más bien pobres y su requerimiento de poder es alto. Es más, la alta tensión de

corte empleada por la turbina de discos en el fluido puede, además, producir fuerzametabólica e inhibición del crecimiento celular. Por eso es que nuevos tipos de impulsores sehan desarrollado y, hoy en día, los impulsores hidrodeslizadores son de uso común en losbioreactores usados en la extracción de oro. Este tipo de impulsor logra un mayor grado depulpa homogénea y requiere considerablemente menos poder.

El oro se obtiene, generalmente, de las menas mediante solubilización con una solución decianuro y mediante la recuperación del metal de la solución. En las menas refractarias,pequeñas partículas de oro se cubren por sulfuros insolubles impidiendo el contacto entrecianuro y oro. En este caso, una etapa de pre-tratamiento debe ser considerada, comooxidación a presión, oxidación química, tostación o biooxidación, siendo la última la alternativade elección actualmente. En el proceso de biooxidación, las bacterias oxidan la capa de

sulfuro que cubre las micropartículas de oro en las menas y en concentrados. De esta forma,la recuperación de oro de minerales refractarios puede incrementar de 15%-30% a 85%-90%.En los últimos 15 años, al menos diez unidades de procesamiento comercial de oro a granescala se han establecido en Sudáfrica, en Brasil, en Australia, en Ghana, en Perú y en losEE.UU., y ocho de ellos usan bioreactores.

El futuro de los bioreactores en la minería parece promisorio. Las operaciones debiooxidación de oro tienden a incrementar en número y en tamaño en muchos países en todoel mundo. El uso de reactores se extenderá probablemente a la biolexiviación de otrosmetales, como cobre. Actualmente, se están llevando a cabo estudios para el desarrollo deprocesos para la biolexiviación de concentrados de cobre. La experiencia ganada en lalixiviación en pilas de cobre y en la biooxidación de concentrados de oro se está usando en

estos estudios. La biolexiviación de concentrados de cobre calcopirítico en los siguientesaños constituirá un gran avance en la biominería. La aplicación de estas tecnologías para elprocesamiento de níquel, zinc y otros metales pesados puede, además, convertirse en unarealidad en un futuro próximo.