Escuela Profesional de Ingeniería Ambiental

1 10 DE ENERO

TRABAJO INDIVIDUAL N° 2: ELABORACIÓN DE MAQUETAS AMBIENTALES UTILIZANDO MATERIALES RECICLADOS.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE MOQUEGUA

Escuela Profesional de Ingeniería Ambiental

PRESENTADO POR: MAMANI RAMOS TANIA

DOCENTE: Blgo. SOTO GONZALES, HEBERT HERNAN

MATERIA: BIOTECNOLOGIA MOQUEGUA – PERÚ

2 INDICE 1. FUNDAMENTO CIENTIFICO ... 3 1.1. La Biominería ... 3 1.2. Biominería de metales ... 3 1.3. La Biolixiviación ... 4 1.4. La Biooxidación ... 4 1.5. La Biomineralización ... 4 1.6. Bacteria de Acidithiobacillus ... 4

2. PROCESO DE OBTENCION DEL COBRE ... 5

2.1. Exploración ... 5

2.2. Extracción ... 5

2.3. Chancado ... 6

2.4. Biolixiviación ... 6

2.4.1. Mecanismo de Lixiviación Bacteriana ... 6

2.5. Electroobtención ... 7

3. METODOLOGIA ... 7

3.1. Materiales y Equipos ... 8

3.2. Procedimiento ... 9

4. RESULTADOS ... 9

4.1. Elaboración de la mina a tajo abierto ... 9

4.2. Elaboración de maquinaria de transporte ... 10

4.3. Elaboración del área de chancado ... 10

4.4. Elaboración de fajas, complementos y área de descarga del material ... 11

4.5. Elaboración de la bacteria- Thiobacillus ferrooxidans ... 11

4.6. Elaboración de la cancha o pila de lixiviación bacteriana ... 13

4.7. Elaboración del pozo PLS (Solución de lixiviación cargada) ... 14

4.8. Elaboración del área de Electroobtención ... 16

4.9. Producto final ... 17

5. CONCLUSIONES ... 18

6. ANALISIS DE LA BIOMINERIA DEL COBRE ... 18

7. BIBLIOGRAFIA ... 20

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“MAQUETA DEL SISTEMA DE LA BIOMINERIA DEL COBRE”

1. FUNDAMENTO CIENTIFICO 1.1. La Biominería

De acuerdo con Bernardelli, Plaza, Urbieta, y Donati (2017) “La biominería comprende una serie de procesos microbiológicos que pueden ser utilizados para la recuperación de metales a partir de los minerales”. Esta alternativa, de menor impacto ambiental y que requiere menor infraestructura y recursos que las tecnologías tradicionales, puede ser incluso usada con éxito para minerales de muy baja ley. En los procesos extractivos de biolixiviación y biooxidación, los microorganismos solubilizan los metales esencialmente a través de ataques oxidantes y/o ácidos.

Por otro lado, el impacto ambiental minero, focalizado en la generación de drenajes ácidos con altos contenidos de metales pesados, puede ser mitigado a través de procesos microbiológicos que inmovilizan los metales presentes; entre ellos, se destacan la biosorción, concentración de metales en la superficie o en el interior de las células y la bioprecipitación donde microorganismos específicos reducen sulfatos a sulfuros precipitando los metales que pueden aplicarse en forma conjunta a otros procesos biológicos y fisicoquímicos en los llamados humedales.

1.2. Biominería de metales

La biotecnología resulta una alternativa que a nivel administrativo, económico y biológico; resulta sustentable y viable como estrategia de mejoramiento para este sector. Implementa organismos vivos y unos pocos sustratos para generar dos líneas principales, la remediación de los daños ambientales y la explotación de productos como metales preciosos o productos mineros de alto impacto para la economía de un país. La primera definición aplicada es la biominería, que se reconoce como la disciplina en torno al estudio y aplicación del uso de microorganismos para facilitar la extracción y recuperación de metales desde diferentes fuentes como yacimientos minerales, concentrados de pilas y biorreactores, centros de desecho y aguas contaminadas con metales. Aplica como principio básico la extracción y recuperación de metales o sustratos mineros desde yacimientos contenedores, junto con la recuperación y restauración de sistemas naturales alterados por procesos mineros ; en este sentido se aplica la biotecnología a la industria minero-metalúrgica en tres bioprocesos fundamentales, la biolixiviación, la biooxidación y biomineralización; la cual pretende

4 purificar los metales, facilitar la restauración de sistemas biológicos y el retiro de contaminantes resultado de explotaciones, empleando microorganismos específicos con variaciones en sustrato y productos para generar un incremento en la productividad de la Industria y un decremento en el impacto ambiental (Corton & Saavedra, 2014). 1.3. La Biolixiviación

La biolixiviación consiste en la disolución del metal acelerada por la acción de ciertos microorganismos. Este proceso suele hacerse regando “pilas” (acumulaciones de mineral previamente triturado) con soluciones de ácido sulfúrico. Las bacterias existentes en los minerales liberan al metal del mineral que finalmente es recuperado a partir de las soluciones que emergen de la parte inferior de la pila. El cobre es el metal que se recupera en mayor medida por esta metodología, pero además se utiliza para extraer cobalto, níquel, zinc, entre muchos otros. (Arena, 1998).

1.4. La Biooxidación

La biooxidación es aplicable a minerales refractarios de oro en los cuales éste se encuentra incluido dentro de una matriz mineral de sulfuros lo cual dificulta su posterior recuperación. La acción de las bacterias elimina esta matriz liberando al oro y haciendo así más eficaz su obtención. (Schippers 2007).

1.5. La Biomineralización

La biomineralización es un proceso mediante el que los organismos vivos son capaces de producir sólidos inorgánicos a través de dos vías: inducida de forma biológica y mediada por una matriz extracelular que organiza los cristales mineralizados. La capacidad de los microorganismos de formar polisacáridos extracelulares en los que se depositan ciertos compuestos es conocida desde hace mucho tiempo, pero poco implementada hasta ahora. (Pérez, Valverde & Jiménez, 2004).

1.6. La Bacteria de Thiobacillus Ferrooxidans

Los microorganismos involucrados en la biominería son bacterias oxidantes azufre (Acidithiobacillus thiooxidans, anteriormente conocido como Thiobacillus tiooxidans) y bacterias que oxidan hierro (Acidithiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans y Leptospirillum ferriphilum) (Kelly y Wood, 2000).

Es el acidófilo más estudiado entre aquellos que participan en estos procesos; se encuentra ampliamente distribuido en ambientes ácidos alrededor de todo el planeta. Es un organismo Gram negativo, acidófilo, mesófilo, autótrofo y que obtiene energía a partir de la oxidación de hierro ferroso, hidrógeno, azufre y compuestos reducidos de

5 azufre (tales como sulfuros metálicos, tetrationato y tiocianato, entre otros). Posee una temperatura de crecimiento óptima de 28-30 °C.

Algunas especies recientemente reclasificadas, como la especie Acidithiobacillus ferrivorans, son capaces de oxidar hierro ferroso a temperaturas tan bajas como 5 °C (Hallberg et al., 2010). También, se han reclasificado algunas cepas en la nueva especie Acidithiobacillus ferridurans, que, por lo general, son capaces de tolerar condiciones de mayor acidez que At. ferrooxidans y At. ferrivorans (Hedrich y Johnson, 2013). Todas estas especies fijan CO2 desde el ambiente como fuente de carbono (autótrofos) para la generación de biomasa, son capaces de fijar N desde el aire o usar, como fuentes de tal elemento, amonio o nitrato, y pueden crecer en condiciones anaeróbicas por medio de la oxidación de compuestos de azufre o hidrógeno y la reducción de compuestos tales como hierro férrico o nitrato (Bryan et al., 2012).

2. PROCESO DE OBTENCION DEL COBRE

2.1 Exploración

La primera etapa del proceso de producción del cobre se inicia con la entretenida y emocionante tarea de la Exploración Geológica. En esta fase se pueden verificar los tipos de rocas presentes en el subsuelo y saber a ciencia cierta si existen minerales o no. El cobre se encuentra diseminado en ciertos sectores de la corteza terrestre y su ubicación está determinada por los distintos procesos geológicos que han ocurrido en la historia del planeta

2.2 Extracción

Este es el procedimiento mediante el cual se extrae el cobre de la Tierra. El objetivo principal es, por tanto, sacar el mineral del macizo rocoso para llevarlo de forma segura a la planta donde será separado de otros minerales y se obtendrá el cobre más puro. El mismo que después se vende en el mercado internacional.

▪ Extracción Subterránea: “Se realiza cuando el yacimiento de cobre tiene una cubierta estéril muy espesa, como sería, por ejemplo, al interior de un cerro. En estos casos, se hace muy poco rentable quitar todas las capas de tierra antes de llegar a la roca mineralizada.” (Manuel, 2016) Es necesario, por tanto, hacer labores

6 subterráneas como túneles, galerías, rampas, etc. para así acceder al mineral y llegar a lo más profundo.

▪ Extracción a Rajo Abierto: Se realiza cuando la zona en la que se encuentra el yacimiento sí presenta las condiciones necesarias para extraer el mineral desde la superficie. En estos casos, sí es rentable quitar la capa estéril que cubre el macizo rocoso mineralizado, pues su espesor es de menor magnitud. Como no se requiere construir túneles y galerías bajo tierra, el espacio en las minas a rajo abierto no es restringido, al contrario, el trabajo se desarrolla en amplias superficies "a cielo abierto", por lo que no es extraño encontrar camiones y máquinas gigantes.

2.3. Chancado

El principal propósito del chancado reducir el tamaño de las rocas hasta obtener un producto de una granulometría adecuada que permita el desarrollo de la lixiviación en pilas o depósitos en forma eficiente.

“En general, se recomienda no moverse en los extremos límites de trituración (máxima razón de reducción) sino considerar los valores medios propuestos por las tablas de los fabricantes de equipos. Para lixiviación en pilas, el mineral se suele triturar a tamaños entre 100 y 250 mm, para lixiviación en depósitos o tanques, entre 50 y 1 mm, para lixiviación dinámica, chancado y molienda a tamaños inferiores a 1 mm” (CODELCO, 2018).

2.4. Biolixiviación

“La Biolixiviación es un proceso de recuperación de metales a partir de la acción de bacterias que permite el aprovechamiento de mineral sulfurado de baja ley” (CODELCO, 2018). En el sector minero-metalúrgico, la biotecnología se utiliza como una herramienta en la disolución y recuperación de los valores metálicos contenidos en los minerales. La mayoría de los procesos microbianos se emplean en la lixiviación de cobre y uranio, en el mejoramiento de la extracción de los metales preciosos contenidos en sulfuros refractarios y en el tratamiento de aguas residuales.

2.4.1. Mecanismo de lixiviación bacteriana

▪ PH: En general, los T. ferrooxidans se desarrollan bien en medios ácidos, siendo incapaces de desarrollarse sobre Fe+2 a un pH mayor de 3.0. Los Thiobacillus se desarrollan normalmente sobre valores que se ubican dentro del rango de pH 1.5 a 2.5.

7 ▪ Oxígeno y CO2: La disponibilidad de oxígeno es un factor que controla la extracción de metales por bacterias. No se conoce otro oxidante que pueda ser utilizado por los microorganismos en ambientes de lixiviación. El dióxido de carbono es utilizado como fuente de carbono para la fabricación de su arquitectura celular.

▪ Nutrientes: Los T. ferrooxidans requieren de fuentes nutricionales para su óptimo desarrollo. Estos son amonio, fosfato, azufre, iones metálicos (como Mg+), etc. El magnesio, es necesario para la fijación de CO2 y el fósforo es requerido para el metabolismo energético.

▪ Fuente de energía: Los T. ferrooxidans utilizan como fuente primaria de energía los iones ferrosos y azufre inorgánico.

▪ Luz: La luz visible y la no filtrada tienen un efecto inhibitorio sobre algunas especies de Luz Thiobacillus, pero el fierro ofrece alguna protección a los rayos visibles.

▪ Temperatura: El rango sobre el cual se desarrollan se encuentra entre los 25 ºC y 35 ºC.

▪

Este proceso consiste en recuperar el metal desde una solución de lixiviación debidamente acondicionada (solución electrolito) y depositarlo en un cátodo, utilizando un proceso de electrólisis. Para ello se hace circular a través de la solución electrolito, una corriente eléctrica continua de baja intensidad entre un ánodo (la solución misma) y un cátodo.

3. METODOLOGIA

La investigación será una parte inicial del proceso de planificación de la construcción de la maqueta todo esto con la aplicación de material reciclado. Tener las piezas de una maqueta en nuestras manos nos ayuda a focalizar todo nuestro interés en una sola tarea: unir las piezas para lograr construir el modelo final. Pieza a pieza vamos dándole forma al sistema e biominería del cobre.

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1.1. Materiales y equipos

Materiales Herramientas

Tecnopor Cortador de Tecnopor

Cartón reciclado Pistola de silicona Plástico negro y blanco Tijeras

Sorbetes Regla

Palitos de helado Pinceles

Botellas descartables Lapiceros y colores Cables delgados Cuaderno de apuntes Chapitas de botellas Recipientes

Temperas Silicona liquida Silicona en barra Arcilla Arena fina Piedras Alambre delgado

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1.2. Procedimiento

4. RESULTADOS

4.1. Elaboración de la mina a tajo abierto -Extracción

➔ Primero se procedió al corte de modelo de tajo abierto de la mina a base de restos de Tecnopor reciclado, con ayuda del cortador de Tecnopor, posteriormente las piezas se pegaron para finalmente embarrarlas con la mezcla de arcilla en el armado final de la maqueta.

1. Búsqueda de información del sistema de biominería del cobre: comprende una serie de procesos microbiológicos que pueden ser utilizados para la recuperación de metales a partir de los minerales.

2. Planificación de la construcción del sistema de biominería del cobre, posteriormente se recolectará los materiales reciclados para la elaboración de los distintos componentes del proceso.

3. Dibujo, corte, pintado y pegado de los moldes para la elaboración de los componentes del sistema como; La bacteria Thiobacillus ferrooxidans, proceso de extracción, molienda, biolixiviación y área de Electroobtención del cobre.

4. Después de tener todos los componentes del proceso de biominería del cobre se procede al armado final, colocando los carteles que diferencien cada etapa del proceso.

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4.2. Elaboración de maquinaria de transporte

➔ Primero se procedió al corte de modelo de la maquinaria a partir de cartón reciclado, para continuar con el corte, pegado y pintado de las piezas, así mismo se emplearon los chapitas de botella para las ruedas del vehículo de carga pesada.

4.3. Elaboración del área de chancado

➔ Para este caso primero se procedió al corte del modelo de los componentes de la chancadora para ello se tomó botellas descartables, cartón y palitos de helado, posteriormente las piezas se pegaron con silicona en barra y finalmente se pintaron los componentes para el armado final de la maqueta.

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4.4. Elaboración de fajas, complementos y área de descarga del material

➔ En este caso se procedieron a cortar los moldes de las piezas requeridas, así como las fajas importantes para el transporte del material después del proceso de chancado hacia el área de descarga para que los vehículos de carga pesada lo trasladen al área de biolixiviación.

4.5. Elaboración de la bacteria- Thiobacillus ferrooxidans

➔ La elaboración de este microrganismo es parte fundamental de lo que concierne el proceso de biominería del cobre, puesto que reemplaza al ácido sulfúrico (H₂SO₄)con soluciones de esta bacteria y agua para posteriormente regar las pilas de mineral, estas bacterias son capaces de disolver el hierro y el azufre liberando cobre y dejándolo en forma soluble.

12 ➔ Datos interesantes:

▪ Todas estas especies fijan CO2 desde el ambiente como fuente de carbono (autótrofos) para la generación de biomasa, son capaces de fijar N desde el aire o usar, como fuentes de tal elemento, amonio o nitrato, y pueden crecer en condiciones anaeróbicas por medio de la oxidación de compuestos de azufre o hidrógeno y la reducción de compuestos tales como hierro férrico o nitrato (Bryan et al., 2012).

▪ El Thiobacillus ferrooxidans es eficaz en ambiente ácido, aeróbico, móvil y quimioautotrófico, presentándose en forma de bastoncitos de 1-2 micrones de largo por 0.5-1.0 micrones de ancho.

ADN Mesosomas Ribosomas Membrana Interna Pared Celular Fibras Flagelo

Fig. 4: Estructura de la bacteria Thiobacillus ferrooxidans

Fuente: Elaboración propia

https://es.slideshare.net/Prymer/gram-positivos-y-negativos Inclusiones

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4.6. Elaboración de la cancha o pila de lixiviación bacteriana

➔ La pila de biolixiviación son terrenos totalmente impermeabilizados para lo cual primero se procede a cortar las piezas para el armado de la cancha esta área está conformado de:

▪ Geomembrana de polietileno de alta densidad ▪ Tuberías impermeabilizadas

▪ Aspersores

Se forman pilas de 5 metros de altura y se riegan con una solución la bacteria con agua que disolverá el cobre contenido en los minerales oxidados, formando una solución de sulfato de cobre y dejándolo de forma soluble para acopiarse posteriormente en piscinas especiales.

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4.7. Elaboración del pozo PLS (Solución de lixiviación cargada)

➔ El líquido azul-verdoso, (color del cobre) que resulta del proceso es el PLS, rico en cobre, que se recoge en la parte inferior de las pilas y se acopia en piscinas especiales. Posterior a todo lo mencionado el PLS pasa a las plantas tradicionales de extracción por solventes y Electroobtención donde se obtiene cátodos de alta pureza.

Para la elaboración de este punto se procedieron a cortar las piezas necesarias forrando el área de un plástico blanco (reciclado) impermeable que evite las filtraciones del PLS, para el sistema de tuberías se utilizaron sorbetes que simulan la función.

Fig. 5: Estructura de la Pila de Biolixiviación

Solución de Thiobacillus ferrooxidans

Sistema de riego por tubería, aspersores y por

goteo en el proceso de biolixiviación.

Líquido que resulta del proceso es el PLS y se acopia en piscinas

especiales.

Tuberías Mineral chancado

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Fig. 6: Estructura del pozo PLS (Solución de lixiviación cargada) Área de biolixiviación Concentrado de PLS _{Tuberías de} transporte Área de Electroobtención del cobre

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4.8. Elaboración del área de Electroobtención

➔ La planta de Electroobtención sufre un proceso de electrolisis mediante el cual se recupera el cobre de la solución, obteniéndose cátodos de alta pureza. Los cátodos obtenidos son examinados y seleccionados. Su despacho se realiza mediante trenes y camiones a los puertos de embarque.

Para la elaboración de este punto se emplearon materiales como cartón, Tecnopor, palitos de helado y plástico reciclado los cuales fueron cortados, pegado y pintados simulando finalmente una planta de Electroobtención del cobre.

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4.9. Producto final

Fig. 7: Proceso de Electroobtención del cobre

Planta de Electroobtención Cátodo de cobre

Fig. 8: Productos obtenidos

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5. CONCLUSIONES

▪ La elaboración de la maqueta es un modo practico de aprendizaje para el alumno, ya que este proceso de elaboración implica una etapa de investigación del tema en cuestión y proyecta el resultado final mediante la visualización y funcionalidad, por otro lado, el hecho de que implique la aplicación de materiales reciclados es un aspecto de interés ambiental.

▪ El sistema de biominería comprende etapas como; la extracción del mineral, chancado, biolixiviación de sulfuros como proceso biohidrometalúrgico involucra un conjunto de reacciones químicas, metabólicas, enzimáticas y no enzimáticas, en las cuales el mineral insoluble es oxidado y otros metales de interés son liberados en solución y finalmente el producto es obtenido mediante le proceso de Electroobtención.

▪ El mayor beneficio de esta nueva tecnología es que evita la producción de relaves, que son los desechos tóxicos de los procesos mineros. Asimismo, evita la emisión de vapor de azufre y arsénico a la atmósfera desde los hornos de fundición, ya que la bacteria consume estas impurezas.

6. ANALISIS DE LA BIOMINERIA DEL COBRE

¿Cuál es la aplicación de la MAQUETA en Ing. Ambiental y que problemas regionales, nacionales y globales podría solucionar?

La elaboración de la maqueta es un modo practico de aprendizaje puesto que implica una etapa de investigación y elaboración del producto final. Por otro lado, en cuanto al tema “Biominería del cobre”:

Perú es un país eminentemente minero, estamos colocados entre los principales países de producción de metales valiosos como cobre, oro y plata. Así mismo, las reservas minerales de alta ley están disminuyendo por lo que necesitamos con urgencia nuevas tecnologías que se adopten a nuestras realidades de bajo impacto ambiental como es la biotecnología minera.

En tal contexto La Biolixiviación es una alternativa al tratamiento del mineral sulfurado de baja ley que gasta menos recursos (agua y energía eléctrica) que las etapas tradicionales de procesamiento del cobre donde los impactos se ven reflejados en fenómenos como sequias, daños en los ecosistemas, extinción de especies vegetales, derrumbes, contaminación por mercurio a fuentes hídricas y acumulación de desechos tóxicos. El desarrollo de la

19 Biolixiviación representa un gran paso para reducir los costos asociados a la producción del cobre y, también, para continuar avanzando en la protección de nuestros recursos naturales y el desarrollo hacia una Minería sustentable.

No requiere del proceso de Molienda, e incluso, en algunos casos prescinde del Chancado, lo que implica un menor gasto energético. Reutiliza sobre el 95% del agua que utiliza, por lo que evita el consumo excesivo de este recurso natural. A diferencia de la Flotación, no genera relaves. No emite material particulado fino ni gases contaminantes de forma directa como sí lo hace el proceso de Fundición.

Requiere poca inversión de capital, ya que las bacterias pueden ser aisladas a partir de aguas ácidas de minas. Presenta bajos costos en las operaciones hidrometalúrgicas, en comparación con los procesos convencionales. Implica una menor polución o contaminación ambiental durante el proceso. Permite el tratamiento de creciente stock de minerales de baja ley que no pueden ser económicamente procesados por los métodos tradicionales. Es una alternativa, de menor impacto ambiental y que requiere menor infraestructura y recursos que las tecnologías tradicionales, puede ser incluso usada con éxito para minerales de muy baja ley. En los procesos extractivos de biolixiviación y biooxidación, los microorganismos solubilizan los metales esencialmente a través de ataques oxidantes o ácidos.

Por otro lado, el impacto ambiental minero, focalizado en la generación de drenajes ácidos con altos contenidos de metales pesados, puede ser mitigado a través de procesos microbiológicos que inmovilizan los metales presentes; entre ellos, se destacan la biosorción, concentración de metales en la superficie o en el interior de las células y la bioprecipitación donde microorganismos específicos reducen sulfatos a sulfuros precipitando los metales que pueden aplicarse en forma conjunta a otros procesos biológicos y fisicoquímicos en los llamados humedales.

En conclusión, la biotecnología es una alternativa que a nivel administrativo, económico y biológico; resulta sustentable y viable como estrategia de mejoramiento para el sector minero. Implementa organismos vivos y unos pocos sustratos para generar dos líneas principales, la remediación de los daños ambientales y la explotación de productos como metales preciosos o productos mineros de alto impacto para la economía de un país.

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7. BIBLIOGRAFIA

▪ Pairazamán, Quiroz; Neciosup, Quesñay; Valdez, Anco y otros. (2019). Resistencia extrema

al cobre por un consorcio bacteriano conformado por Sulfobacillus spp. y Acidithiobacillus ferrooxidans. Cajamarca.

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8. ANEXOS

➔ ¿Qué son las maquetas?

Es la reproducción física "a escala", en tres dimensiones, por lo general, en tamaño reducido, de algo real o ficticio. También pueden existir modelos de tamaño grande de algún objeto pequeño y hasta microscópico representados en alguna especie de maqueta. OBS. Una figura no es una maqueta, la maqueta es cuando tiene 3 dimensiones, o 3D.

Fig. 10: Etapa de exploración del cobre

Fig. 11: Etapa de extracción del cobre

Fig. 12: Etapa de molienda del material

Fig. 13: Etapa de Electroobtención del cobre

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