OXIDACIÓN MICROBIANA DE MINERALES DE ORO Y BIOLIXIVIACIÓN DE ORO Resumen: Mucho trabajo reciente en el campo de la biohidrometalurgia se ha dirigido al estudio de la biooxidación de minerales de oro por hierro acidófilo y microorganismos oxidantes de azufre. Este trabajo se ha llevado a cabo en todo el mundo y ha resultado en varias operaciones piloto a escala comercial y de planta para la biooxidación del mineral de oro. La biolixiviación de oro por productos metabólicos de microorganismos ha recibido menos atención, pero también ofrece oportunidades para la aplicación industrial, especialmente si las regulaciones futuras restringen el uso de cianuro. Este artículo revisa el progreso reciente en el uso de microorganismos para oxidar la matriz sulfúdica en minerales de oro refractarios (biooxidación) y para solubilizar el oro elemental (biolixiviación). (biolixiviación). Introducción
En los últimos años ha surgido un interés considerable en el desarrollo de procesos microbianos para ayudar en la recuperación comercial de oro de minerales refractarios. Las bacterias acidófilas oxidantes de hierro y azufre pueden oxidar ciertos minerales sulfurosos que contienen partículas encapsuladas de oro elemental, lo que resulta en un acceso mejorado del oro a la complejación por agentes agent es de lixiviación como el cianuro. La biooxidación de los minerales de oro puede ser una alternativa menos costosa y menos contaminante a otros pretratamientos oxidativos como el tostado y la oxidación a presión. Recientemente, la biooxidación de minerales de oro se ha implementado como un proceso comercial, y se está estudiando en todo el mundo para su posterior aplicación a minerales de oro refractarios. Las bacterias que oxidan sulfuro degradan la matriz de sulfuro que rodea al oro, pero no lixivian el oro en sí. Sin embargo, otros microorganismos solubilizan el oro elemental mediante la formación de productos metabólicos complementarios de oro, como el cianuro y ciertos aminoácidos. La biolixiviación de oro por microorganismos cianogénicos o excretores de aminoácidos no ha progresado más allá de las demostraciones a escala de laboratorio. BIOOXIDACIÓN DE MINERALES DE ORO
A plic aciones aci ones comer ci ales ales El oro a menudo se recupera de los cuerpos de mineral por lixiviación con cianuro, formando complejos solubles de oro y cianuro. La recuperación de oro de minerales refractarios es cada vez más importante a medida que se agotan los minerales de mayor ley y fácilmente extraídos. Los minerales de oro refractarios son aquellos que contienen oro que no se puede recuperar satisfactoriamente por concentración de gravedad básica o cianuración y producen recuperaciones de oro de menos del 80%. Aunque hay hay muchas muchas causas causas de una recuperación recuperación pobre de oro durante durante la lixiviación lixiviación con cianuro, una causa importante de refractariedad en muchos minerales es la presencia de partículas finas de oro que están físicamente encapsuladas por pirita y arsenopirita, lo que impide el acceso de agentes de lixiviación química. Dichos minerales se procesan mediante técnicas oxidativas oxidativas tales como el tostado, t ostado, en el cual el mineral se calienta con oxígeno para oxidar los sulfuros minerales, o por oxidación a presión (autoclave) de suspensiones acuosas de mineral. Otro método para oxidar los minerales de oro antes de la extracción del cianuro es usar bacterias acidófilas que oxidan el hierro y el azufre para oxidar la matriz sulfúdica.
La biooxidación del mineral de oro se ha estudiado en el laboratorio y en la etapa de planta piloto, y ahora se aplica comercialmente en Fairview Mine en Sudáfrica, Harbour Lights Mine en Australia y en Sao Bento, Brasil. En los Estados Unidos, Newmont Gold Company ha llevado a cabo pruebas de biooxidación de mineral de oro en montones que varían en tamaño de 500 a 27000 toneladas. La compañía planea usar bacterias para ayudar a oxidar 6-8 millones de toneladas de mineral de oro por año en Nevada en 1995.
Micr obiolog ía Los sulfuros de metal son oxidados por ciertas bacterias, formando sulfatos metálicos solubles y ácido sulfúrico. La pirita y la arsenopirita son minerales prominentes en depósitos de oro sulfurosos refractarios y se bio-oxidan fácilmente. Las bacterias pirita oxidantes más comúnmente estudiadas son el mesófilo Thiobacillus ferrooxidans, que oxida el hierro ferroso o los compuestos reducidos de azufre, y el Leptospirillum ferrooxidans que oxida el hierro ferroso pero no el azufre. Estos organismos son componentes prominentes de comunidades microbianas que se desarrollan en ambientes donde los sulfuros metálicos están expuestos al aire y al agua, a menudo como resultado de la minería. Es bien conocida la participación de estas bacterias oxidantes de hierro y azufre en la extracción de cobre y uranio a escala comercial. Durante los últimos 10 años, se han realizado estudios de biooxidación de minerales sulfurosos en laboratorio y en planta piloto con cultivos puros de bacterias oxidantes de pirita, mezclas de cultivos de laboratorio y consorcios de microorganismos cultivados en ambientes donde la pirita está siendo oxidada. En la mayoría de los casos, se ha realizado poca caracterización de las culturas. Sin embargo, dado que las muestras de mineral a menudo contienen bacterias autóctonas que oxidan hierro y azufre, es probable que se desarrollen consorcios de microorganismos que se adapten mejor a las condiciones particulares de oxidación del mineral. Además, los cultivos pre-creados en el mineral de prueba se usan generalmente para eliminar o minimizar los tiempos de retraso en los estudios de biooxidación. Las bacterias pirita oxidantes moderadamente termófilas (45-55 °C) también se encuentran en los desechos mineros que contienen materiales piríticos que se están deteriorando. Estos organismos oxidan los minerales de oro en reactores de tanque de agitación continua de escala de laboratorio. Una cultura propietaria no identificada de bacterias moderadamente termófilas oxida los minerales de oro que contienen pirita y arsenopirita y es adaptable a los altos niveles de sales disueltas que a veces se encuentran en las aguas de las minas. Como Archaea termófilas de aguas termales, Acidianus brierleyi, Sulfolobus acidocaldarius y Metallosphaera sedula, oxidan la pirita fácilmente a 70 ° C o más. Los estudios de laboratorio han demostrado que estos organismos pueden oxidar la pirita más rápidamente que T. ferrooxidans y, a temperaturas elevadas, las reacciones abióticas entre la pirita y el agua, el oxígeno y los iones férricos también son significativamente más rápidos. Una cepa de Sulfolobus oxidó con éxito un concentrado de flotación de arsenopiritapirita que contenía 27 gr/ton de oro en experimentos de oxidación semi-continua y de lotes de laboratorio. La velocidad de lixiviación del concentrado se redujo por encima de una densidad de pulpa de 1.5% p/v. Esta disminución se atribuyó a niveles elevados de arsénico soluble.
Sin embargo, a las densidades de pulpa más altas, el organismo puede haber sido sometido a daño abrasivo. Las arqueas parecen menos robustas que las bacterias, que contienen una pared celular rígida, a las cargas de sólidos más altas necesarias para la oxidación económica de minerales de oro en reactores de tanques agitados. Sin embargo, hay indicios de que incluso algunas cepas de las arqueas termoacidófilas que promueven la rápida disolución mineral también pueden poseer una tolerancia adecuada a la agitación y las concentraciones minerales para la aplicación. La cuestión del daño abrasivo a diferentes organismos a densidades de pulpa elevadas aún no se ha resuelto por completo.
Mineralogía Las características mineralógicas de los minerales de oro afectan la tasa de oxidación microbiológica y la medida en que un mineral debe ser oxidado para producir aumentos significativos en la recuperación de oro por lixiviación con cianuro. En algunos casos, el oro puede aparecer asociado principalmente con uno de los minerales de sulfuro en un mineral. La arsenopirita generalmente se oxida en sistemas de arsenopirita-pirita. En consecuencia, cuando el oro se produce principalmente en arsenopirita, solo una fracción del contenido total de sulfuro del mineral debe ser oxidado para liberar el oro. En otros minerales, donde el oro está asociado tanto con pirita como arsenopirita, un alto grado de oxidación de arsenopirita no es suficiente para obtener una alta liberación de oro; la pirita debe oxidarse también. Incluso entre las arsenopiritas, se producen diferentes tasas de biooxidación, que reflejan defectos en la estructura cristalina del mineral. En ciertos minerales, los canales de disolución y los pozos se forman primero en áreas de desviaciones mecánicas y de composición en los minerales de sulfuro expuestos a soluciones de biolixiviación. En estos minerales, el oro se encuentra principalmente en las áreas ricas en arsénico y en los contactos entre las diferentes zonas de composición, en áreas preferentemente oxidadas por soluciones de lixiviación. En otros minerales y concentrados de pirita-arsenopirita, la biooxidación de la pirita parece ser preferencial en las regiones ricas en oro. La consecuencia importante para el procesamiento es que solo una parte de los minerales de sulfuro de ciertos minerales puede necesitar ser bio-oxidada para exponer una porción significativa de soluciones de lixiviación de oro a cianuro. Una clase única de minerales refractarios es el tipo de mineral de oro carbonoso-sulfúrico. Incluso si el oro se libera por la oxidación de los minerales de sulfuro, la materia orgánica en dichos minerales puede adsorber el complejo de oro-cianuro, lo que lo hace no disponible para la recuperación. Este fenóm eno se conoce como “ preg-robbing ”. La oxidación microbiana no parece afectar sustancialmente las características de preg-robbing de los minerales de oro carbonoso y sulfuroso. Sin embargo, la recuperación de oro sustancialmente mejorada de algunos de estos minerales es posible mediante la combinación de pre-oxidación microbiana y posterior lixiviación de cianuro con soluciones que contienen carbón activado. El oro puede recuperarse del carbón activado. Trabajos recientes han demostrado que un consorcio de bacterias heterotróficas, incluyendo especies de Pseudomonas, Achromobacter y Arthrobacter, es capaz de bloquear parcialmente las características de preg-robbing de ciertos minerales de oro. Aunque el mecanismo de bloqueo es incierto, parece que los organismos no metabolizan el carbón mineral. Las células pueden bloquear pasivamente la unión del complejo de oro y cianuro al componente carbonoso del mineral formando una biopelícula y/o excretando productos orgánicos extracelulares que se adsorben a las superficies del mineral.
E s tudios de bioing eniería En la mayoría de los casos, los minerales o concentrados que son candidatos para la biooxidación se evalúan inicialmente en pruebas a escala de laboratorio con matraces agitados o en pequeños reactores, tanque agitados o columnas de lixiviación para determinar de forma preliminar si el mineral es oxidable por la prueba con microorganismos, si los microorganismos generan suficiente ácido para superar cualquier efecto de amortiguación del mineral, y la cantidad de sulfuro que se debe oxidar para alcanzar los rendimientos de oro objetivo para cianuración. Posteriormente, los estudios se llevan a cabo en una gran escala de laboratorio y planta piloto para abordar problemas de viabilidad y diseño y operación del proceso. Los concentrados de mineral a menudo se prueban en reactores de tanque agitado donde las velocidades de reacción se maximizan (horas a días), mientras que los minerales de bajo grado se prueban en columnas o montones donde los tiempos de procesamiento son de semanas a meses.
E s tudios de reactor de tanque ag itado: el trabajo pionero fue realizado por Lawrence y Bruynesteyn [14], y van Aswegen y colegas [15]. Este último grupo desarrolló un proceso de biooxidación de mineral de oro comercialmente exitoso. El desarrollo continuo del proceso en una planta de 100 kg/día ha logrado mejoras impresionantes al acortar los tiempos de residencia y aumentar las cargas de sólidos. El éxito de estos esfuerzos iniciales ha alentado varios estudios recientes que evaluaron la oxidación microbiana de minerales y concentrados en reactores de tanques con agitación, que varían en tamaño desde la báscula hasta la planta piloto. Los reactores de tanque agitado proporcionan una transferencia de masa de gases eficiente (es decir, oxígeno y dióxido de carbono) a la fase líquida. El mantenimiento del oxígeno disuelto y el dióxido de carbono adecuados es uno de los factores más importantes para lograr una biooxidación rápida de los sulfuros. Las concentraciones críticas de oxígeno de 0.71.1 ppm y 0.5-0.7 ppm se encontraron suficientes para mantener la oxidación química y la actividad bacteriana, respectivamente, con un concentrado de flotación de piritaarsenopirita que contiene oro. Se encontró que una concentración de dióxido de carbono en fase acuosa de 3 a 7 mg/L era óptima para la oxidación bacteriana de otro concentrado de pirita-arsenopirita que contiene oro. Un concentrado de flotación (16.5 g/ton de oro) de un mineral refractario de Chile que produce un 13% de extracción de oro por cianuración, fue bio-oxidado por lotes en un reactor 2-1 agitado con 10% de sólidos (p/v). La lixiviación con cianuro del material biooxidado mostró un rendimiento del 95% de oro después de 3 días de oxidación bacteriana. Después de 13 días de lixiviación ácida solamente (sin inocular), los rendimientos de oro fueron del 34%. La lixiviación en pilas del mineral matriz requeriría la adición de ácido sulfúrico debido a las bajas concentraciones de sulfuro en el mineral. Un concentrado de flotación refractario (4 g/ton de oro) de relaves residuales de un mineral de oro de Nueva Guinea fue bio-oxidado en reactores de tanque agitado continuo y semicontinuo. La biooxidación del 50% de la pirita dio como resultado un aumento en los rendimientos de oro del 49% al 78% y el consumo de cianuro disminuyó de 8 kg/ton a < 2 kg/ton. La lixiviación continua a gran escala se realizó en un tanque de alimentación 500-1, tres reactores de bioreacción 400-1 y un tanque de recolección de residuos. Los datos de operación sugirieron que a una velocidad de alimentación de 260000 t/año y a un nivel de oxidación objetivo del 50%, se requeriría un volumen tot al del reactor de casi 20000 m 3 con una densidad de pulpa del 20%. Solo se requirió carbono (CO2) y nitrógeno como nutrientes suplementarios.
Las pruebas experimentales mostraron un diseño de reactor de tanque agitado con aire suministrado a través de burbujeadores porosos finos (aunque en la práctica, estos se encontraron bloqueados después de unas pocas horas) dieron la operación más eficiente. Los autores contemplaron volúmenes de reactor del orden de 1000 m 3. Curiosamente, las pruebas por lotes con 3300 y 3000 reactores mostraron tasas de lixiviación de pirita similares en las tres escalas, lo que indica que las pruebas de escala pueden predecir las tasas de lixiviación a gran escala. Sin embargo, las tasas de oxidación por lotes pueden ser la mitad de las tasas encontradas en condiciones continuas. Un concentrado de oro refractario de Grecia que contenía 23 g/ton de oro produjo solo alrededor del 16% de extracción de oro tras la cianuración. El oro se asoció con pirita y arsenopirita. El material se trató en reactores continuos que consistían en un tanque de alimentación 40-1 y una cascada de tres reactores de 10.5 y 5-1 volúmenes. Las variables examinadas incluyeron el tiempo de retención, la concentración de sólidos y el tamaño de partícula. En todas las pruebas, se encontró un alto grado de oxidación de arsenopirita (94-98%). Sin embargo, también fue necesario un alto grado de oxidación de pirita para lograr altos valores de extracción de oro. Las pruebas de escala de laboratorio con un cultivo oxidante de sulfuro moderadamente termófilo se usaron con éxito para predecir la operación de una planta piloto de oxidación bacteriana 32000-1 continua en Australia. Se mantuvieron condiciones moderadamente termófilas (45-55 °C) durante 6 meses de operación continua para oxidar un concentrado refractario, dando como resultado rendimientos de oro del 94%. El proceso comercial de biooxidación de oro en la Mina Fairview en Sudáfrica a menudo opera a temperaturas superiores a 40 ° C durante los meses de verano. Los estudios de plantas piloto mostraron que la biooxidación podría operarse continuamente a 45 ° C. Una compañía en Canadá ha desarrollado una planta piloto de biooxidación móvil que puede transportarse en dos camiones fiat a minas o sitios de prueba. La planta se ha operado con éxito con un concentrado de flotación de pirita-arsenopirita que contiene oro (18.5-26.1 gr/ton), produciendo hasta 562 kg/día de un concentrado oxidado. La extracción de oro aumentó del 5% en el concentrado no tratado a más del 90% después de la biooxidación.
Li xi viación en pilas . Cuando la molienda fina de grandes cantidades de minerales de oro de baja ley es antieconómica, la oxidación microbiana de minerales de oro refractarios en montones es una opción de procesamiento. Los minerales se pueden triturar hasta un tamaño (aproximadamente 20 mm) que permite una velocidad de reacción adecuada (área superficial máxima posible), pero no produce finos que impidan el flujo de gravedad de las soluciones de lixiviación e impidan el flujo de aire hacia el montón. Sin embargo, forzar el aire a través de un montón podría conducir a tasas de oxidación significativamente más altas donde la permeabilidad del aire es baja. Se realizaron pruebas en columna a escala de laboratorio (45 kg) con dos minerales de oro refractarios de Nevada con el fin de proporcionar datos para guiar el desarrollo de un proceso a escala completa. Las columnas que contienen mineral se inocularon con T. ferrooxidans y L. ferrooxidans. Después de 14 semanas de biooxidación, la extracción de oro de un mineral aumentó de 33 a 62% (tamaño de partícula <0,64 cm). La extracción de oro aumentó de 41 a 74% con otro mineral (<1,27 cm de tamaño) después de 26 semanas de biooxidación. Es de destacar que los niveles de arsénico en solución aumentaron a 8,5 g 1-1 sin efecto aparente sobre los microorganismos. Se planifica la biooxidación en montones a gran escala de minerales de oro en 2 años.
BIOLIXIVIACIÓN DE ORO
Aunque el oro es relativamente inerte, se solubiliza mediante la formación de complejos con ciertos productos biogénicos. La preocupación ambiental sobre el uso de grandes cantidades de cianuro para la lixiviación de oro de los minerales ha llevado a estudios de posibles agentes biogénicos para la disolución del oro. El cianuro es producido por una amplia gama de hongos, cepas de Chromobacterium violaceum y por varias especies de Pseudomonas. La biogénesis localizada de cianuro en depósitos de oro por microorganismos cianogénicos podría usarse para extraer oro con riesgos ambientales mínimos. Se ha demostrado que las bacterias cianogénicas solubilizan el oro en experimentos de laboratorio. Varias cepas de Chromobacterium violaceum solubilizaron oro a niveles de hasta 215 mg/L de medio de cultivo. La forma solubilizada de oro se identificó como [ () 2]− . La solubilización del oro se correlacionó con la producción de cianuro, siendo más pronunciada durante la fase estacionaria del crecimiento. Los aminoácidos serina, asparagina, histidina, ácido aspártico, glicina y alanina forman complejos solubles con oro, aparentemente formando enlaces Au-N en medios alcalinos. Las bacterias y los hongos que excretan estos aminoácidos solubilizan hasta unos mg de Au/L en pruebas de laboratorio. Los reactivos oxidantes en combinación con aminoácidos aumentan el rendimiento de oro en comparación con aquellos con aminoácidos solos. Una cepa mutante de Bacillus capaz de crecer a pH 8,5 a 9,0 y excretar peróxidos y aminoácidos extraídos alrededor del 20% del oro a partir de dos minerales. La extracción de oro aumentó a más del 80% cuando las soluciones de cultivo se suplementaron con tiosulfato de sodio y sulfato de cobre. Sin embargo, los aminoácidos en hidrolizados alcalinos de proteínas y en la industria alimentaria y los desechos farmacéuticos también solubilizan el oro, y son fuentes baratas de aminoácidos de lixiviación de oro. El oro también forma complejos de sulfuro y polisulfuro solubles, por lo que la biogénesis de los compuestos de azufre parcialmente oxidados puede ser un mecanismo de disolución del oro, aunque este ha recibido poco estudio. A pesar de los relativamente pocos estudios sobre la disolución biológica del oro, los metabolitos microbianos que solubilizan y quelan el oro puede ser importantes en el ciclo del oro en una escala geológica. La biogénesis en sedimentos de compuestos como cianuros, ácidos orgánicos y compuestos de azufre parcialmente oxidados puede haber sido responsable de la erosión inicial del oro que luego se precipitó para formar depósitos de oro tipo Witwatersrand (conglomerado de cuarzo pirítico) encontrados en Sudáfrica, norte. América, y en otros lugares. La industria minera en los EE. UU. Enfrenta crecientes restricciones al uso de cianuro en la recuperación de oro. Se buscan alternativas a la lixiviación con cianuro convencional que son menos objetables desde el punto de vista ambiental, pero dan como resultado una recuperación de oro aceptable. Las pruebas de detección con microorganismos podrían resultar en el descubrimiento de nuevos lixiviados de oro. Investigaciones adicionales para controlar la generación microbiológica de cianuro in situ en ambientes de lixiviación en pilas podrían conducir a procesos para la producción localizada de bajo nivel de cianuro para la extracción de oro de los minerales.
REFERENCIA Anonymous (1993) Refractory gold. Eng. Min. J. 194, 20-24. Brierley, J.A. and Luinstra, L. (1993) Biooxidation-heap concept for pretreatment of refractory gold ore. In: Biohydrometallurgical Technologies, Vol. 1 (A.E. Torma, J.E. Wey and V.L. Lakshmanan, Eds.), pp. 437-448. The Minerals, Metals and Materials Society, Warrendale, PA.
