Biolixiviação de minérios

1987- Estudos em Biohidrometalurgia
Prof. Dr. Oswaldo Garcia Júnior
Oswaldo Garcia Júnior
-Gerente do Laboratório de Biometalurgia da Empresas Nucleares Brasileiras-NUCLEBRAS Poços de Caldas-MG (Abril/1979 a Maio/1986)
-1979- IPT(SP) – Silvia Vaisbich – Lixiviação bacteriana de cobre, Walter Borzani
-1982 – Primeira planta piloto de biolixiviação de minério de urânio – Figueira/PR
- Patente- Garcia, Jr. O. 1984. Processo combinado bacteriano/químico de lixiviação estática de
minério contendo sulfetos e valores recuperáveis de elementos metálicos. Patente de Invenção,
INPI do Ministério da Industria e Comércio, nº 8402983.
-1986 – Instituto de Química de Araraquara
40 participantes
16 pesquisadores internacionais
Scientific commitee
Ana Teresa Lombardi
Antonio Ballester
Assis Vicente Benedetti
Blanca Escobar Miguel
Denise Bevilaqua
Domingo Cantero Moreno
Edgardo Donati
Fernando Acevedo
Jesús Muñoz
José Manuel Gómez Monte de Oca
Juan Carlos Gentina
Laura Maria Mariscal Ottoboni
Monica Cristina Teixeira
Orquídea Coto Pérez
Wolfgang Sand
Luis Gonzaga Santos Sobral
Sylvie Le Borgne Le Gall
Tomas Vargas
Olli Tuovinen
Histórico da Biohidrometalurgia
Quanto aos microorganismos:
• ~ 1900: Winogradsk, Nathanson e Beijerinck definem
o modo quimilitotrófico de vida – “fonte de energia de
substratos inorgânicos”: Thiobacillus thioparus.
5 Na2S203 + H20 + 4 02 → 5 Na2SO4 + H2SO4 + 4 S
~ 1920: Waksman e Joffe isolaram e purificaram:
Thiobacillus thioox idans :
S0 → H2SO4 + e• ~ 1950: Temple, Colmer e Hinckle isolaram Thiobacillus ferroox idans
de minas de carvão:
Fe2+ → Fe3+ + e• 2001: Kelly propõe um novo gênero:
A. ferroox idans, A. thioox idans, A. caldus, A. albertensis
Histórico da Biohidrometalurgia
Quanto ao processo:
• Fenícios e gregos (A.C. – lixiviação natural de cobre)
• Espanha: romanos (Plinio, 20 DC, N aturalis Historia )
• Chipre: 166 DC, “chalcantos” (sulfato de cobre)
• Registros: Hungria, Alemanha (1.500)
• Espanha (Rio Tinto): 1752, registro oficial (cobre)
• Rússia, EUA e Bulgária: (~ 1800 - cobre)
• Canadá, Portugal, Espanha (~60-70 – urânio)
• Chile (cobre), África do Sul, Austrália, EUA (ouro) – anos 80
• Brasil (ouro) – anos 90; Austrália (niquel) anos 2000
•Finlândia (níquel) 2008
Drenagem ácida de minas
MINAS DE
CARVÃO
MINAS DE
COBRE
ÁGUA ÁCIDA DE MINA
(H2SO4 e metais)
~1950
Acidithiobacillus
ferrooxidans
MINAS
DE URÂNIO
Drenagem ácida de minas
 Acidofílica (pH 1-4)
 Quimiolitotrófica
(fixa CO2 via Ciclo de Calvin)
 Fontes de energia: Fe2+ e
compostos reduzidos de enxofre
(incluindo os sulfetos metálicos)
 Ambiente natural – drenagem ácida de minas
4FeSO4 + O2 + 2H2SO4
2S0 + 3O2 + 2H2O
MeS + 2O2
2Fe2(SO4)3 + 2H2O
2H2SO4
MeSO4
Outras espécies:
Espécie
Fe2+
S0
Temp.
pH
Acidithiobacillus thiooxidans
Não
Sim
28°
2.0
Leptospirillum ferrooxidans
Sim
Não
28°
2.0
Acidithiobacillus caldus
Não
Sim
45°
2.0-2.5
Sulfobacillus acidophilus
Sim
Sim
45-50°
2.0
Acidimicrobium ferrooxidans
Sim
Não
45-50°
2.0
Sulfobacillus thermosulfidooxidans
Sim
Sim
50°
2.0
Sulfolobus metallicus
Sim
Sim
65°
2.0
Metallosphera sedula
Sim
Sim
65°
2.0
Acidianus brierleyi
Sim
Sim
70°
1.5-2.0
Metallosphera prunae
Não
Sim
75°
2.0
Fe3+
(a)
bactéria
Fe2+
(b)
Fe3+
Fe2+
(c)
CRUNDWELL, F. K. How do bacteria interact with minerals. In: CIMINELLI, V. S. T.; GARCIA JR.,
O. (Eds.) Biohydrometallurgy: fundamental, tecnology and sustainable development, part A:
bioleaching, microbiology and molecular biology. Amsterdam: Elsevier, 2001. p. 149-157.
Mecanismo galvânico
OXIDAÇÃO DA CALCOPIRITA
H2SO4
H+
A. ferrooxidans
O2
H 2O
e-
S0
Fe2+
CuFeS2
FeS2
Fe3+
CuSO4
Oxidação da calcopirita
CO2
CuFeS2
eletrons
Fe3+
CuSO4
2CuFeS2 + 8½O2 + H2SO4
CuFeS2 + Fe2(SO4)3
ATP
NADPH+
A. ferrooxidans
biomassa
crescimento
2CuSO4 + Fe2(SO4)3 + H2O
2CuSO4 + FeSO4 + 2S0
Oxidação da arsenopirita
(recuperação de ouro)
A. ferrooxidans
FeAsS
CN-
Au
Au
Fe3+
AuCN-
CN-
Carvão
ativado
Fe3+
Au
AsSO43-
FeAsS + 3½O2 + H2O
FeAsO4 + H2SO4
Oxidação da uraninita
(oxidação indireta)
FeS2
A. ferroox idans
eletrons
Fe3+
H2SO4
Fe3
UO2
+
FeS2 + 3½O2 + H2O
4FeSO4 + O2 + 2H2SO4
FeS2 + Fe2(SO4)3
Fe2+
UO2SO4
(solúvel)
FeSO4 + H2SO4
2Fe2(SO4)3 + 2H2O
3FeSO4 +2S0
Mecanismo direto: a controvérsia
Silverman y Ehrlich (1964)
MS + 2O2
M2+ + SO4-2
- Adesão das bactérias biolixiviantes na superficie dos minerais
(Condição necessária mas não suficiente)
- Ação bacteriana sobre a superfície do mineral
- Identificação do agente biológico de lixiviação
- Comparação das cinéticas de lixiviação com ou sem bactérias
Como se dá a transferência eletrônica?
Quatrini et al. BMC Genomics 2009 10:394 doi:10.1186/1471-2164-10-394
Physiological studies
-
respirometric assays (3 mL)
shake flasks (150 mL)
reactors (5L)
columns (1.5 m)
Electrochemical studies
-
CV
EIS
ENA
microcell
Surface analysis
-
FEG
EDS
TEM
AFM
Molecular biology studies
-identification of genes
-proteins expressions
-transformations of bacteria (“gene gun”)
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BIOPROCESSOS APLICADOS À MINERAÇÃO E AO MEIO AMBIENTE
Biolixiviação de minérios
Projetos em andamento:
*Biolixiviação da calcopirita (CuFeS2): mecanismos e interações da superfície bactéria/mineral
*Análise das bases moleculares da tolerância ao sal em Thiobacillus prosperus
e sua aplicação biotecnológica na biolixiviação de minérios sulfetados de cobre
em ambientes com alta salinidade
*Avaliação da biodiversidade de bactérias associadas a ambientes de mina
*Efeito do potencial de óxido-redução na biolixiviação de minérios de cobre
*Obtenção e avaliação de mutantes de Acidithiobacillus ferrooxidans quanto à capacidade
de lixiviar minérios de cobre
Remoção de metais de lodo de esgoto por biolixiviação
Avaliação da biodegradação de biossólidos para cultivo de alface
Descontaminação de gases industriais
Tratamento de odores e compostos orgânicos voláteis utilizando biofiltros percoladores
Adesão bacteriana
• Características físico-químicas da superfície
e do envelope celular
• Força iônica do meio
• Forças atrativas ou repulsivas entre as duas
composição da amostra,
influências ambientais,
disponibilidade e natureza
do substrato, etc...
superfícies
•bactérias possuem carga negativa
•forças repulsivas diminuem com o
aumento da força iônica
• Água adsorvida sobre a superfície
• Condições de crescimento
• Proteínas (aporusticianina)
• EPS (exopolimeric substances)
• Grupo tiol presente na cisteína
IRRIGAÇÃO
PILHAS
AERAÇÃO
LIXIVIA