Biohidrometalurgija

Biohidrometalurgija predstavlja oblast inženjerstva i nauke koja se bavi primenom biotehnologije u metalurgiji. Obuhvata procese koji koriste mikroorganizme za ekstrakciju metala iz ruda, koncentrata ili otpada. Smatra se jednom od najperspektivnijih biotehnoloških otkrića u oblasti prerade minerala i metalurgije. U biohidrometalurškim procesima se koriste mikroorganizmi koji žive isključivo u kiseloj sredini (acidofilni mikroorganizmi). Ovi organizmi obezbeđuju metaboličku energiju oksidacijom neorganskih supstrata, najčešće gvožđa i sumpora, što dovodi do nastanka sumporne kiseline i mobilizacije metala iz kristalne rešetke. Prisustvo ovih mikroorganizama u rudnicima i na jalovištima dovodi do nastanka kiselih rudničkih voda koje odlikuje velika koncentracija rastvorenih metala. U kontrolisanim uslovima, u tehnološkom postupku poznatom kao bioluženje, to jest ekstrakcija metala iz ruda upotrebom mikroorganizama, mogu se ekstrahovati različiti metali (cink, bakar, nikl) iz primarnih i sekundarnih mineralnih sirovina.

Potražnja i zavisnost od metala se iz godine u godinu povećava zbog rasta broja stanovništva, globalne urbanizacije, kao velike potražnje elektronskih prenosivih uređaja. Prema podacima Svetske organizacije za čelik (engl. World Steel Association) proizvodnja čelika se u periodu između 2000. i 2013. gotovo udvostručila uz sve veći porast iz godine u godinu. Takođe proizvodnja bakra i retkih metala beleži značajan rast. Nasuprot sve većom potražnjom resursi primarnih mineralnih sirovina koji se mogu iskoristiti su sve ređi i potreba za pronalaskom alternativnih metoda za dobijanje različitih mineralnih sirovina postaje sve veća.

Acidofilni mikroorganizmi

Acidofilni mikroorganizmi žive isključivo u kiseloj sredini i njihov rast je optimalan u pH opsegu 1,5-2,5. Kisela staništa mogu biti prirodnog i antropogenog porekla.

• Prirodna kisela staništa su najčešće geotermalni izvori bogati sumporom, nastali intezivnom vulkanskom aktivnošću. Najpoznatiji geotermalni izvori se nalaze u Sjedinjnim Američkim Državama (nacionalni park Jeloustoun), zatim na Islandu, Novom Zelandu,u Rusiji (Kamčatka) i drugi.
• Antropogena kisela staništa su mnogo rasprostranjenija i uglavnom nastaju usled intezivnih rudarskih aktivnosti. Najpoznatiji su: Ajron planina (engl. Iron Mountain) u Sjedinjnim Američkim državama, Sao Domingos u Portugalu, Rio Tinto u Španiji, jezero Robule u Srbiji i drugi.

Podela acidofilnih mikroorganizama

Prema izvoru energije i ugljenika, acidofilni mikroorganizmi mogu da se podele u 5 grupa:

• Hemolitoautotrofni mikroorganizmi - kao izvor ugljenika za sintezu organskih jedinjenja koriste ugljen-dioksid, dok energiju obezbeđuju oksidacijom neorganskih supstrata (sumpor ili gvožđe)
• Fotoautotrofni mikroorganizmi - kao izvor ugljenika koriste ugljen-dioksid, dok energiju obezbeđuju iz energije sunčeve svetlosti
• Hemolitoheterotrofni mikroorganizmi - energiju dobijaju oksidacijom Fe²⁺ jona, dok organski molekuli čine izvor ugljenika
• Hemoorganoheterotrofni mikroorganizmi - kao izvor energije i ugljenika koriste organske molekule
• Fakultativni autotrofi - primarno su hemoorganoheterotrofi, ali u nedostatku organskih supstrata mogu u potpunosti preći na hemolitoautotrofan metabolizam

Prema optimalnoj temperaturi za rast mikroorganizmi se mogu podeliti na:

• Mezofile (optimalna temperatura za rast 20 °C-40 °C) - pripadaju rodu Acidithiobacillus, uspevaju zahvaljujući oksidaciji redukovanih jedinjenja sumpora i pored toga mogu da oksiduju Fe²⁺ jone. Anaerobni rast je moguć oksidacijom sumpornih jedinjenja ili vodonik-sulfida u kombinaciji sa redukcijom Fe³⁺ jona. U mezofile spadaju At. ferrooxidans, At. thiooxidans, L. ferrooxidans i L. ferriphilum.
• Umerene termofile (optimalna temperatura za rast 40 °C-60 °C) - pripadaju rodovima Acidimicrobium, Ferromicrobium i Sulfobacillus
• Ekstremni termofile (optimalna temperatura za rast 60 °C-80 °C) - arheje i bakterije koje pripadaju rodovima Sulfolobus, Acidianus, Metallosphaera i Sulfurisphaera

Tehnike bioluženja metala

Rudarstvo predstavlja ekstrakciju metala iz sirovina fizičkim i hemijskim procesima. Prvi korak je odvajanje nepotrebnih minerala iz rude, nakon čega sledi prerada rude koja uključuje razbijanje rude na manje veličine i odvajanje različitih vrsta minerala. Tehnike koje se najviše primenjuje za ekstrakciju metala iz primarnih i sekundarnih mineralnih sirovina su: pirometalurgija, hidrometalurgija i biohidrometlurgija.

Pirometalurgija

Predstavlja proces proizvodnje metala (bakra) topljenjem mineralnog koncetrata u topionicama. Ruda se prvo prži da bi se odstranio sumpor, nakon čega se drobi i melje. Posle mlevenja, ruda se koncentriše u pogonima flotacije radi dobijanja mineralnog koncentrata (sadrži 20-30% bakra). Koncentrat se topi na visokim temperaturama, a potom se izdvaja čist metal metodama katodne i anodne rafinacije. Prednost ove metode je relativno lako dobijanje metala iz primarne rude, dok su mane velike količine štetnih gasova i prašine. Na primer, prilikom prerade sulfidne rude nastaje pre svega SO₂. U koliko je SO₂ u višku može se upotrebiti za dobijanje sumporne kiseline, međutim u koliko je njegova koncentracija nedovoljna ovaj gas se emituje u atmosferu i može uzorkovati nastanak kiselih kiša.

Hidrometalurgija

Predstavlja znatno čistiji proces od pirometalurgije. Izodi se pri atmosferskom pritisky i niskim temperaturama. Ruda se otapa korišćenjem neorganskih kiselina, baza ili rastopa soli, a daljom preradom dobijamo visoku čistoću metala. Proces je u odnosu na pirometalurgiju znatno sporiji, ali mnogo prihvatljiviji za životnu sredinu.

Biohidrometalurgija

Biohidrometalurške tehnike se konstantno usavršavaju da bi se dobili veći prinosi i da bi se sam proces bioluženja ubrzao. Tako je za bakar razvijena tehnologija bioluženja na uređenim nasipima. Ruda se melje i drobi da bi se povećala dodirna površina koja je u dodiru sa mikroorganizmima i oksidacionim agensima. Nakon toga ruda se meša sa kiselim rastvorom da bi se dobili čvrsti i porozni aglomerati koji se potom nasipaju na gomile u obliku zarubljene piramide. Acidofilni mikroorganizmi se gaje u posebno izgrađenim bazenima koji sadrže hranljivi medijum sa velikom koncentracijm gvožđe (II) sulfata. Nasip se zaliva ovim rastvorom pomoću sistema prskalica, a ispod nasipa se nalazi vodonepropusni sloj koji sprečava oticanje ovog rastvora u zemljište. Takođe, postavljaju se i cevi kojima se u nasip uduvava vazduh da bi se pospešio rast acidofilnih mikroorganizama. Dobijeni lužni rastvor se sakuplja u bazenu, odakle se dalje usmerava u pogon sa solventnu ekstrakciju, a zatim na katodu gde se elektrolitički proizvodi čist bakar. Ovaj proces obično traje od nekoliko meseci do godinu dana što predstavlja jednu od najvećih mana ovog procesa.

Literatura

• Brierley, J.A. (2008). „A perspective on developments in biohydrometallurgy“, Hydrometallurgy, 94(1–4), str. 2–7. doi:10.1016/j.hydromet.2008.05.014.
• Brierley, J.A. and Brierley, C.L. (2001). „Present and future commercial applications of biohydrometallurgy“, Hydrometallurgy, 59(2–3), str. 233–239. doi:10.1016/s0304-386x(00)00162-6.
• Free, M.L. (2014). „Biohydrometallurgy“, Treatise on Process Metallurgy, str. 983–993. doi:10.1016/b978-0-08-096988-6.00020-1.
• Sethurajan, M., van Hullebusch, E.D.,Nancharaiah, Y.V. (2018). „Biotechnology in the management and resource recovery from metal bearing solid wastes: Recent advances“, Journal of Environmental Management, 211, str. 138–153.doi:10.1016/j.jenvman.2018.01.035
• García-Moyano, A. et al. (2008). „Evaluation of leptospirillum spp. in the Río Tinto, a model of interest to biohydrometallurgy“, Hydrometallurgy, 94(1–4), str. 155–161. doi:10.1016/j.hydromet.2008.05.046.
• Malki, M. et al. (2006). „Importance of the iron cycle in biohydrometallurgy“, Hydrometallurgy, 83(1–4), str. 223–228. doi:10.1016/j.hydromet.2006.03.053.53
• Brierley, J.A. (2008a). „A perspective on developments in biohydrometallurgy“, Hydrometallurgy, 94(1–4), str. 2–7. doi:10.1016/j.hydromet.2008.05.014.