libro final biolixiviacion final rv

FIDEL SERGIO MISARI CHUQUIPOMA

TECNOLOGA DE LA LIXIVIACIN BACTERIANA DE MINERALES

Fidel Sergio Misari Chuquipoma

BIOLIXIVIACINTecnologa de la Lixiviacin Bacteriana de Minerales

BIOLIXIVIACIONFidel Sergio Misari Chuquipoma

Primera edicin 2014Prohibida su reproduccin total o parcial de este libro,sin la autorizacin escrita del autor.

Hecho el depsito legal

Asesora: Dra. Raquel Rosario Misari Beizaga

Diagramacin y Diseo: Ing. Ruth Patricia Misari Beizaga

Organismo Supervisor de la Inversin en Energa y Minera OsinergminBernardo Monteagudo N222Magdalena del MarLima 17 Per Fax: [email protected]

Foto de portada: Partcula de oro encapsulada en arsenopirita y pirita antes y despus del ataque bacterial. Biox Process

Osinergmin no se identifica, necesariamente, ni se hace responsable de las opiniones vertidas en el presente documento por el autor. Las ideas expuestas en el presente libro o documento de trabajo pertenecen a su autor y no implican necesariamente una posicin institucional de Osinergmin. La informacin contenida en el presente documento se considera proveniente de fuentes confiables, pero Osinergmin no garantiza su completitud ni su exactitud. Las opiniones y estimaciones representan el juicio del autor dada la informacin disponible y estn sujetos a modificacin sin previo aviso.

Impreso en Per

En memoria de mi esposa Martha, gran compaera, amiga y consejera,

que con su nobleza y paciencia en vida dio todo por mi.

INDICE

CAPITULO ILIXIVIACIN BACTERIANA

CAPITULO IILIXIVIACIN A NIVEL DE LABORATORIO

1. CINTICA Y TERMODINMICA DE LA LIXIVIACIN BACTERIANA 1.1. VELOCIDAD DE REACCIONES1.2. ORDEN DE uNA REACCIN 1.3. CONSTANTE DE VELOCIDAD 1.4. ANLISIS DE RESuLTADOS CINTICOS

1.4.1. Mtodo de integracin 1.4.2. Mtodo diferencial

1.5. MTODO DE INTEgRACIN 1.5.1. Cintica de primer orden 1.5.2. Cintica de segundo orden

1.6. VIDA MEDIA DE uNA REACCIN 1.7. MTODO DE AISLAMIENTO 1.8. REACCIONES quE NO TIENEN ORDEN SIMPLE 1.9. MOLECuLARIDAD y ORDEN 1.10. LEy DE ARRHENIuS 1.11. ENERgA DE ACTIVACIN 1.12. FACTOR DE FRECuENCIA

2. ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LA LIXIVIACIN BACTERIANA 2.1. gNEROS DE BACTERIAS IMPORTANTES 2.2. PRINCIPIOS BSICOS DEL FuNCIONAMIENTO CELuLAR 2.3. MORFOLOgA DEL THIOBACILLuS FERROOXIDANS 2.4. IDENTIFICACIN DE BACTERIAS 2.5. MECANISMO DE LA ACCIN BACTERIAL

2.5.1. Oxidacin de sulfuros 2.5.2. Oxidacin de fierro ferroso

2.6. CuLTIVOS BACTERIALES EN LABORATORIO 2.6.1. Procedimiento de aislamiento de cultivos 2.6.2. Aislamiento de cultivos puros 2.6.3. Cultivo continuo de bacterias

2.7. POBLACIN BACTERIAL 2.7.1. Numero mas probable 2.7.2. Contraste de fases para el microscopio 2.7.3. Poder resolutivo y aumento

2.8. TRANSFERENCIA DE ENERgA EN SISTEMAS BIOLgICOS 2.9. ADAPTACIN DE BACTERIAS 2.10. FASE EXPONENCIAL 2.11. FASE MuERTA 2.12. FACTORES quE TIENEN INFLuENCIA EN LA ACTIVIDAD BACTERIAL

2.12.1 Efecto del medio ambiente

PRLOgO INTRODuCCIN

1113

2.12.2 Sistema de energa rH2 2.12.3 Fundamento terico sobre reacciones redox 2.12.4 Energa libre estndar y la constante de equilibrio 2.12.5 Electrodo de hidrogeno 2.12.6 Energa libre de reacciones y mediciones de voltaje 2.12.7 Diagrama Eh pH 2.12.8. Efecto de la temperatura 2.12.9 Efecto del substrato 2.12.10 Efecto del pH 2.12.11 Efectos de los nutrientes 2.12.12 Efecto del in frrico 2.12.13 Efecto del tamao de partcula de mineral

2.13. OXIDACIN BACTERIAL DE MINERALES 2.13.1 Lixiviacin de pirita, marcasita y pirrotita 2.13.2 Lixiviacin de minerales sulfurados de cobre 2.13.3 Lixiviacion de sulfuros de nquel y cobalto 2.13.4 Lixiviacin de sulfuros de zinc 1262.13.5 Lixiviacin de sulfuros de plomo, antimonio, molibdeno y arsnico 2.13.6 Lixiviacin de minerales de uranio 2.13.7 Compuestos de arsnico 2.13.8 Solubilizacin de la silice y del silicato 2.13.9 Microorganismos y el manganeso 2.13.10 Ndulos marinos de ferromanganeso

1. CONSIDERACIONES PRELIMINARES 2. LIXIVIACIN EN MATRICES ERLENMEYER SOMETIDOS A AGITACIN

2.1. Pruebas de lixiviacin qumica 2.2. Pruebas de lixiviacin bacteriana 2.3 Curvas tpicas de lixiviacin 2.4. Lixiviacin de minerales esterilizados

3. LIXIVIACIN EN REACTOR ESTACIONARIO 4. LIXIVIACIN EN REACTOR CONTINUO

4.1. Balance de clulas 4.2 Balance de materia sobre nutriente 4.3 Modelo para crecimiento 4.4 Productividad

5. LIXIVIACIN EN COLUMNA

151515181818192020222428293031363943434445464747484949515355555859596161636464

107108108109111112113114115116117119120

6567707171748286919193939494959596969898

100103105

BIBLIOGRAFA

CAPITULO IIILIXIVIACIN A NIVEL PILOTO E INDuSTRIAL

CAPITULO IVRECuPERACIN DE COBRE DE LA SOLuCION IMPREgNADA PROVENIENTE DE BIOLIXIVIACION

CAPITULO VLA BIOOXIDACIN COMO PRETRATAMIENTO PARA LA RECuPERACIN DE ORO y PLATA

CAPITULO VIBIORREMEDIACIN DE EFLuENTES LquIDOS MINERO METALRgICOS

1. TCNICAS DE LIXIVIACIN1.1. LIXIVIACIN IN SITu, EN BOTADERO y EN PILA

1.1.1. Lixiviacin in situ 1.1.2. Lixiviacin en botadero (Dump) 1.1.3. Lixiviacin en pila (Heap)

1.2. LIXIVIACIN POR PERCOLACIN 1.3. LIXIVIACIN POR AgITACIN 1.4. LixiviACin En EstAnquE (vAt LEAChing) 1.5. LIXIVIACIN A PRESIN

2. OPTIMIZACIN DEL SISTEMA DE LIXIVIACIN 2.1. EVALuACIN gEOLgICA 2.2. EVALuACIN DE LA LIXIVIABILIDAD DEL MINERAL 2.3 MANEjO DE SOLuCIONES 2.4 OPTIMIzACIN DEL DISEO 2.5 POBLACIN BACTERIAL

3. TCNICA DE CONSTRUCCIN DE PILAS 3.1 PREPARACIN DEL TERRENO 3.2 MTODO DE FORMACIN DE uN BOTADERO

4. CONDICIONES DE OPERACIN 4.1 CONTROLES A EFECTuARSE 4.2 DESCRIPCIN DE LAS OPERACIONES

5. SOLUCIN LIXIVIANTE 5.1 MTODOS DE ALIMENTACIN DE SOLuCIN LIXIVIANTE

5.1.1 Mtodos de rociamiento o sprays 5.1.2 Inundacin 5.1.3 inyeccin con tubos verticales

6. SOLUCIN IMPREGNADA 7. LIXIVIACIN BACTERIAL DE MINERALES SULFURADOS DE COBRE DE BAJA LEY

1. CEMENTACIN CON CHATARRA DE FIERRO 1.1. quMICA DE LA CEMENTACIN 1.2. CINTICA DE CEMENTACIN 1.3. CEMENTACIN A NIVEL DE LABORATORIO

1.3.1. Cementacin continua en Laboratorio

1.4. CEMENTACIN A NIVEL DE PLANTA PILOTO 1.4.1. Pretratamiento de la chatarra de fierro 1.4.2. Consumo de Fierro en el Proceso 1.4.3. Tratamiento posterior del cemento de cobre

1.5. TIPOS DE EquIPOS PARA LA CEMENTACIN 2. EXTRACCIN POR SOLVENTES

2.1 FuNDAMENTO DE LA EXTRACCIN POR SOLVENTES 2.2. BASES quMICAS y TCNICAS DEL PROCESO 2.3. APLICACIONES METALRgICAS 2.4. OBjETIVOS DEL PROCESO 2.5. PARMETROS quE CONTROLAN EL PROCESO

2.5.1. Funcionalidad con respecto al pH 2.5.2 selectividad en la Extraccin

2.5.3 Isotermas de Extraccin y Reextraccin 2.5.4 Eficiencia por Etapa 2.5.5 Cintica de Extraccin 2.5.6 Capacidad de Carga 2392.5.7 Estabilidad del Extractante

3. ELECTRODEPOSICIN 3.1. VOLTAjE DE CELDA y CONSuMO DE ENERgA 3.2. EFICIENCIA DE CORRIENTE CATODICA: INTERFERENCIA DE LAS REACCIONES DE FIERRO3.3. PuREzA DEL CATODO: COMPORTAMIENTO DE LAS IMPuREzAS EN EL ELECTROLITO 3.4. PRACTICA DE LA ELECTRODEPOSICIN EN CASA TANquE 3.5. PROBLEMAS ESPECIALES DE LOS ELECTROLITOS DE EXTRACCIN POR SOLVENTES 3.6. MEjORAS RECIENTES EN LA PRACTICA DE LELECTRODEPOSICIN 3.7. DISEO DE uNA PLANTA ELECTRODEPOSICIN 3.8. CTODO, NODO, PLACA MADRE

1. PRETRATAMIENTO BIOLGICO PARA INCREMENTAR LA RECUPERACIN DE PLATA DE MINERALES Y CONCENTRADOS REFRACTARIOS

2. PRE OXIDACIN BIOLGICA PARA AUMENTAR LA RECUPERACIN DE ORO Y PLATA A PARTIR DE MINERALES Y CONCENTRADOS PIRTICOS REFRACTARIOS

3. INCREMENTO DE RECUPERACIN DE ORO MEDIANTE OXIDACIN BACTERIANA 4. BIOOXIDACIN DE RESIDUOS DE PIRITA DE ORO CON BACTERIAS ADAPTADAS 5. DISEO DEL DIAGRAMA DE FLUJO, CONTROL DEL PROCESO Y ESTRATEGIAS DE OPERACIN EN LA

BIOOXIDACIN DE MINERALES REFRACTARIOS DE ORO 6. MEJORA DE LA RECUPERACIN DE ORO MEDIANTE PRETRATAMIENTO MICROBIOLGICO DE SULFUROS Y

MINERALES CARBONACEOS REFRACTARIOS. 7. EL ROL DE LA PIRROTITA Y PIRITA EN LA LIXIVIACION BACTERIANA DE LA CHALCOPIRITA

1. TRATAMIENTO DE FLUENTES CIDOS 1.1. Mecanismo de ocurrencia de la polucin 1.2. tratamiento de efluentes contaminantes mediante oxidacin bacterial y neutralizacin 1.3. Experimentacin en laboratorio

1.3.1. Caracterizacin del efluente 1.3.2. Metodologa de tratamiento

2. BIODEGRADACIN DE CIANURO

125125125127127129130132133133134134134135135135136136138138138140141141141142142143

181

191

197200207

218

227

235235237240240241244

249

147148149150150152152152154154158158158160161161161163

164167169171172173174175176176177177178179

PRLOGO

Actualmente, las entidades gubernamentales, a nivel mundial, han tomado mayor inters respecto a la contaminacin ambiental, debido a las influencias negativas de la polucin en la agricultura y en la salud humana.

Dentro de los diferentes tipos de contaminacin ambiental, se encuentran las derivadas de las actividades minero metalrgicas, que como resultado de sus diversas operaciones, generan contaminantes, ya sea como efluentes lquidos, slidos y/o gaseosos, y que necesariamente requieren de la aplicacin de tcnicas de tratamiento antes de ser devueltas a la naturaleza.

Asimismo, es importante mencionar que dentro de los procesos mineros metalrgicos, las principales fuentes de contaminacin ambiental son las aguas de mina, los efluentes de los procesos metalrgicos, los drenajes de los depsitos de relaves y de los depsitos de desmonte.

De acuerdo a lo sealado, para proteger nuestra salud y medio ambiente, es necesario tomar medidas adecuadas para controlar la contaminacin. Existen diferentes mtodos para lograr este objetivo, uno de los mtodos que est siendo utilizado con xito para procesar los efluentes contaminados son los tratamientos biolgicos, seguidos de una neutralizacin. Esta tecnologa ha demostrado tener costos ms baratos que otros procesos. En Japn se est aplicando con xito la oxidacin bacteriana para tratar las aguas contaminadas provenientes de la mina Matsuo (7,400 gal/min).

La lixiviacin bacteriana de minerales sulfurados, ha estado ocurriendo en forma natural durante siglos, hasta que se descubri que la bacteria del tipo thiobacillus Ferrooxidans era la responsable de la generacin de aguas cidas y de la disolucin de elementos metlicos a partir de sulfuros, pues representa una solucin potencial al problema que afrontan diferentes minas en el mundo, donde se aprecia el agotamiento de los depsitos de minerales de alto grado, lo que obliga a desarrollar mtodos efectivos para la recuperacin de metales desde minerales sulfurados de bajo grado.

El presente trabajo denominado Biolixiviacin, es un estudio que contempla los aspectos fundamentales del empleo de microorganismos, para la extraccin de metales, a partir de minerales sulfurados de baja ley, para la recuperacin de oro de minerales refractarios y para el tratamiento de efluentes contaminantes que se generan en las de actividades minero metalrgicas. El estudio trata aspectos de cintica y termodinmica de la lixiviacin bacteriana, as como tambin principios relacionados a las interacciones de factores fsicos y qumicos que tienen que ver con el crecimiento de la bacteria Thiobacillus Ferrooxidans. El autor aporta valiosos puntos de vista referentes al manejo de la tecnologa bacteriana desde la etapa de laboratorio, hasta su aplicacin industrial.

El ingeniero Fidel Misari es funcionario del rea de minera del Osinergmin y tiene una amplia experiencia, especialmente en investigacin y desarrollo de operaciones metalrgicas. El ingeniero Misari ha realizado las siguientes publicaciones: Principios Bsicos de Metalurgia Extractiva, Manual de Lixiviacin Bacteriana, Biohidrometalurgia y Metalurgia del Oro.

Jess Tamayo PachecoPresidente del Consejo Directivo

Osinergmin

Biolixiviacin, Tecnologa de la Lixiviacin Bacteriana de Minerales 13

INTRODUCCIN

En la recuperacin de valores metlicos, un nuevo campo de la Metalurgia Extractiva llamado Biolixiviacin est siendo desarrollado. Esta tecnologa se refiere a la extraccin acuosa de metales a partir de minerales de desecho, mediante el empleo de microorganismos que actan como catalizadores en las reacciones de disolucin.

En general, durante las operaciones de minado se producen materiales de desbroce de baja ley, que no pueden ser tratados econmicamente mediante los mtodos convencionales; sin embargo, la aplicacin adecuada de la Lixiviacin Bacteriana permite el beneficio de dichos materiales. En consecuencia, la Biolixiviacin se presenta como una alternativa interesante en razn de ser, una tecnologa relativamente simple, econmica y que permite un control ms estricto de la contaminacin ambiental.

La publicacin de este libro, obedece a mi afn de contribuir con el conocimiento y difusin de esta tecnologa; he puesto especial cuidado en incluir en el contenido del presente, los aspectos ms relevantes de la Biolixiviacin, de modo que el lector se familiarice en primera instancia con los aspectos bsicos tericos para luego entrar al campo netamente prctico. Es mi intencin, incentivar a las empresas mineras a fin de que realicen investigaciones orientadas al beneficio de minerales de difcil tratamiento, as como a la eliminacin de elementos contaminantes de los efluentes provenientes de las actividades minero metalrgicas.

El libro contempla bsicamente los siguientes aspectos: Cintica, termodinmica, Aspectos fundamentales de la Lixiviacin Bacteriana, Lixiviacin a nivel de laboratorio, Lixiviacin a nivel piloto e industrial, Biolixiviacin de minerales sulfurados de cobre de baja ley, Biolixiviacin como pre tratamiento para la recuperacin de oro y plata y Biorremediacin de efluentes lquidos minero metalrgicos. Debido a la complejidad del proceso bacterial en s y a que muchos aspectos todava se encuentran en etapa de investigacin, no ha sido posible desarrollar algunos puntos con la amplitud debida, por lo que se recomienda consultar la bibliografa existente.

La publicacin de esta obra, ha sido posible gracias al apoyo del Ingeniero Vctor Carlos Estrella, gerente de Fiscalizacin Minera del Organismo supervisor de la inversin en Energa y Minera, por lo que manifiesto mi sincero agradecimiento, haciendo extensivo a la vez a la alta direccin del Osinergmin.

Al finalizar estas lneas, siento el deber de manifestar mi agradecimiento pstumo a Josefina y Fidel, mis padres, que no tuvieron la oportunidad de disfrutar de este momento especial de mi vida profesional, por haberme dado la luz de la vida y por haber impregnado en m los valores que hicieron posible este anhelo largamente esperado. Comentario aparte, merecen mis nietos nstor sergio, nstor tadeo, heward Joaqun, nstor Patricio y Martha Alessandra, nios que con sus acciones alegran mi existencia.

Fidel Sergio Misari Chuquipoma

BIOLIxIvIaCIN, Tecnologa de la Lixiviacin Bacteriana de Minerales 15

1. CINTICA Y TERMODINMICA DE LA LIXIVIACIN BACTERIANA

1.1. VELOCIDAD DE REACCIONES

La velocidad de una reaccin qumica generalmente se expresa como la velocidad de cambio de la concentracin de un reactante o producto. La Fig. 1, muestra para la reaccin hipottica:

Fig. 1. variaciones con el tiempo de las concentraciones de un reactante (A) curva i y de un producto (x) curva ii.

las variaciones en concentraciones del reactante A y del producto x, como una funcin del tiempo. A cualquier tiempo podemos trazar una tangente a la curva (i) para la desaparicin de A; la pendiente de esta tangente (con el signo omitido de manera que la velocidad sea siempre positiva) es la velocidad de desaparicin de A a ese tiempo. Como un caso especial, podemos trazar la tangente a t = 0, correspondiendo al comienzo de la cintica del experimento (velocidad inicial).

(1)

(X)

1LIXIVIACIN BACTERIANA

16 Biolixiviacin, Tecnologa de la Lixiviacin Bacteriana de MineralesBioLixiviacin, Tecnologa de la Lixiviacin Bacteriana de Minerales 17

Alternativamente, podemos tratar con la curva (ii), para la formacin de x y luego trazar las tangentes respectivas. En este caso, cada pendiente representar la velocidad de formacin de x al tiempo indicado.

En ambos casos, la velocidad ser la concentracin dividida por el tiempo y generalmente se expresa como mol dm-3s-1 o como Ms-1, el smbolo M representa mol dm-3. notar que el valor numrico para la velocidad puede ser diferente segn la sustancia al cual se refiere. Por ejemplo en la sntesis del amoniaco:

Asumiendo que la reaccin tiene un orden simple y que la ecuacin de la velocidad de reaccin es de la forma:

(2)

(3)

(4)

la velocidad de formacin del amoniaco es dos veces la velocidad de desaparicin del nitrgeno y la velocidad de desaparicin del hidrgeno, es tres veces la velocidad de desaparicin del nitrgeno. Por consiguiente, para evitar ambigedad el reactante o producto al cual la velocidad se refiere, deber ser especificado.

1.2. ORDEN DE UNA REACCIN La velocidad v, de una reaccin est relacionada a las concentraciones de los reactantes A, B, , por una ecuacin del tipo:

donde y , son constantes. Entonces, se dice que la reaccin es de orden con respecto a A, y de orden con respecto a B, y as sucesivamente. El orden total, n, es la suma de varias rdenes, , ,

notar que el orden de la reaccin es una cantidad experimental.

Ejemplo: Algunos resultados para la reaccin entre 2 sustancia A y B, son los siguientes:

determinar las ordenes x e y, y la constante de velocidad k.

Solucin:

una comparacin de las filas 2 y 3 muestran que manteniendo constante [B] y multiplicando [A] por un factor de 3 la velocidad aumenta por un factor de 3. La velocidad luego es proporcional a [A]; es decir, el orden con respecto a [A] es la unidad. una comparacin de las filas 1 y 2 muestran que duplicando ambos, [A] y [B], aumenta v por un factor de 4. Dado que x = 1, al duplicar [A] solo se duplicara la velocidad; un incremento adicional es causado por duplicacin de [B], de manera que y = 1. La ley de la velocidad luego ser:

(5)

(6)

(7)

(8)

El valor de k se encuentra reemplazando cualquier conjunto de valores de v, [A] y [B] en esta ecuacin, por ejemplo:

Este ejemplo es til a modo de ilustracin, pero las rdenes y las constantes de velocidad en la prctica generalmente son determinadas de un modo ms sistemtico.

no todas las reacciones pueden ser caracterizadas con el orden de reaccin; por ejemplo, las reacciones catalizadas por enzimas o por microorganismos frecuentemente siguen la ecuacin de Michaelis Menten o la ecuacin Mondica.

donde Vm y K son constantes y S es la concentracin del substrato. Esta ecuacin no corresponde a un orden simple; sin embargo, bajo 2 condiciones limitantes un orden puede ser asignado. As, si la concentracin del substrato s, es mucho menor que K, ([s] > K), la ecuacin Mondica se reduce a:

La velocidad luego es independiente de [s], es decir, es proporcional a [s] y se dice que es de orden cero.


(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

1.3. CONSTANTE DE VELOCIDAD

La constante k que aparece en las ecuaciones de velocidad es conocida como la CONSTANTE DE VELOCIDAD, el COEFiCiEntE DE vELOCiDAD o la vELOCiDAD EsPECiFiCA; la primera expresin es la denominacin comn de k. La unidad de la constante de velocidad vara con el orden de la reaccin.

Suponer por ejemplo, que la reaccin es de primer orden:

si v est en mol en mol , la constante de velocidad k estar dado en:

Para una reaccin de segundo orden:

Las unidades de k sern:

Puesto que la velocidad en general depende del reactante o producto con el cual ha sido expresado, la constante de velocidad tambin reflejar esta dependencia.

1.4. ANLISIS DE RESULTADOS CINTICOS

La primera tarea en la investigacin de la cintica de una reaccin qumica es medir velocidades bajo una variedad de condiciones experimentales y determinar como las velocidades son afectadas por las concentraciones de reactantes, productos de la reaccin y otras sustancias (por ejemplo, los inhibidores) que pueden afectar la velocidad.

hay dos mtodos principales para tratar con tales problemas, ellos son conocidos como:

1. Mtodo de integracin y 2. Mtodo diferencial

1.4.1. Mtodo de integracin

Este mtodo se inicia con una ecuacin de velocidad que es aplicable al sistema. Por ejemplo, si la reaccin es de primer orden, podemos escribir como:

donde C es la concentracin del reactante. Por integracin, ste puede ser convertido en una ecuacin, dando C como una funcin de t y luego, comparar ste con la variacin experimental de C con t. si hay un buen ajuste, entonces por simples procedimientos grficos determinar el valor de la constante de velocidad. Fig. 2

(15)

(14)

Si el ajuste no es bueno, debemos probar otra ecuacin de velocidad y seguir el mismo procedimiento hasta que el ajuste sea satisfactorio. El mtodo es un tanto incierto, pero muy valioso, especialmente cuando no surgen complicaciones.

1.4.2. Mtodo diferencial

El mtodo diferencial, emplea la ecuacin de velocidad en su forma diferencial no integrada. valores de dC/dt se obtienen a partir de un ploteo de C contra t, tomando pendientes, y stos son directamente comparados con la ecuacin de velocidad. La principal dificultad con este mtodo es que las pendientes no siempre pueden ser obtenidas en forma exacta, pero a pesar de este inconveniente, el mtodo en general es el de ms confianza y a diferencia del mtodo de integracin no conduce a alguna dificultad particular cuando hay complicacin en el comportamiento cintico. Fig. 2a.

Fig. 2a. Mtodo diferencial para determinar el rango de reaccin.

Fig. 2. Determinacin de la constante de velocidad de reaccin (ln C vs tiempo).

Estos dos mtodos ahora sern considerados o discutidos con mayor detalle.


1.5. MTODO DE INTEGRACIN

1.5.1. Cintica de primer orden

una reaccin de primer orden puede representarse esquemticamente como:

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

suponer que al comienzo de la reaccin (t=0) la concentracin de A es ao y de x es cero. si despus de un tiempo t la concentracin de x es x, y de A es ao x. La velocidad de formacin de X es dx/dt, de modo que la reaccin de primer orden ser:

la separacin de las variables conduce a

y la integracin da:

donde k es la constante de integracin. Esta constante puede ser evaluada usando la condicin limite que x = 0, cuando t = o; por consiguiente:

y reemplazando la ecuacin (20) en la (19) se tiene

esta ecuacin puede tambin escribirse como

y como

Esta ltima ecuacin muestra que la concentracin del reactante, ao x, disminuye exponencialmente con el tiempo de un valor inicial de ao a un valor final de cero.

Fig. 3. Concentracin de reactante vs tiempo.

Fig. 4. Mtodo de integracin: anlisis de resultados para una reaccin de primer orden.

un procedimiento para probar la aplicabilidad de las ecuaciones (21) a (23) a una reaccin qumica, sera hacer determinaciones de x a varios tiempos durante el curso de la reaccin. Para cada tiempo un valor de k se podra luego calcular usando la ecuacin 21, y si k fuera en realidad constante durante el curso de la reaccin, la conclusin sera que la reaccin es de primer orden. Si los valores de k encontrados no coincidieran, la reaccin no es de primer orden y entonces otras ecuaciones tienen que se probadas. Alternativamente la ecuacin de primer orden y la constante pueden ser probadas y evaluadas usando un procedimiento grfico. As, un ploteo de la ecuacin (21).

dar una lnea recta si es de primer orden, ste se muestra en la Fig. 4B.

La constante de velocidad es la pendiente, del mismo modo podemos plotear ln (ao-x) Vs t, como se muestra en la Fig. 4A. tambin podemos plotear el logaritmo comn, en cualquier caso las pendientes sern k/2.303 k/2.303 respectivamente.


1.5.2. Cintica de segundo orden

La cintica de segundo orden puede ser tratado de una manera similar como las de primer orden. Hay dos posibilidades para las reacciones de segundo orden:

A) La velocidad puede ser proporcional al producto de dos concentraciones iguales, oB) Al producto de dos concentraciones diferentes.

El primer caso debe ocurrir cuando interviene un solo reactante, en tal caso la situacin puede representarse como:

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

Puede tambin encontrarse en reacciones entre dos sustancias diferentes:

con tal de que sus concentraciones inciales sean las mismas. En tales situaciones la velocidad se puede expresar como:

donde x es la cantidad de A que ha reaccionado en una unidad de volumen a tiempo t, y ao es la cantidad inicial de A.

la separacin de las variables conduce a:

integrando se tiene

donde k es la constante de integracin. La condicin lmite es que x = 0, cuando t = o, de manera que

por consiguiente reemplazando k en la ecuacin (28) y reordenando:

Los mtodos grficos nuevamente se pueden emplear para probar la ecuacin 30 y obtener la constante de velocidad k. un procedimiento simple es plotear.

Fig. 5A. Mtodo de integracin: anlisis de resultados para una reaccin de 2do. orden

Fig. 5B. Mtodo de integracin de resultados para una reaccin de segundo orden.

(31)

(32)

si se cumple la ecuacin (30) los puntos caern sobre una lnea recta que pasa a travs del origen, segn se muestra en la Fig. 5A, y la pendiente ser k. Alternativamente, un ploteo de

dar una lnea recta, en tal caso la pendiente ser aok, segn se muestra en la Fig. 5B.

Si la velocidad es proporcional a las concentraciones de dos diferentes reactantes, y estas concentraciones no son inicialmente el mismo, la integracin procede distintamente. supon er que las concentraciones inciales de A y B son aO y bO y una cantidad x de cada uno ha reaccionado. La velocidad de desaparicin de cada uno de los dos reactantes ser luego:

el resultado de la integracin, con la condicin lmite t = o y x = o, ser

La ecuacin (32) puede ser probada por ploteo del lado izquierdo de la ecuacin contra t; la pendiente de la lnea recta (si es obtenida) ser k.

Las reacciones de primer y segundo orden, son los ms comunes. Reacciones de otras rdenes pueden ser tratadas en una manera similar; ver la tabla 2.

La principal desventaja del mtodo de integracin es que las expresiones integradas, que dan la variacin de x con t, son frecuentemente similares para diferentes tipos de reacciones. El curso de


(33)

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

Luego:

En este caso la vida media es independiente de la concentracin inicial. Para una reaccin de segundo orden la relacin es:

y en este caso la vida media es inversamente proporcional a la concentracin inicial.En el caso general de una reaccin de orden n, la vida media es inversamente proporcional a aO

n-1 segn se muestra en la Tabla 2.

Estas relaciones son vlidas slamente si las concentraciones inciales de los reactantes son iguales.

El orden de la reaccin puede ser obtenido por determinacin de las vidas medias a dos concentraciones inciales diferentes a1 y a2. Las vidas medias estn relacionadas por:

y as

De este modo n se puede calcular fcilmente. Este mtodo puede dar resultados engaosos si la reaccin no es de orden simple o si hay complicaciones tales como inhibiciones por productos.

Desde que las vidas medias de todas las reacciones tienen las mismas unidades, ellos proveen una forma til de comparar o confrontar las velocidades de reacciones de diferentes rdenes.

Las constantes de velocidad, segn fueron mostrados, tienen diferentes unidades para diferentes rdenes de reacciones. As, si dos reacciones tienen diferentes rdenes nosotros no podemos inmediatamente deducir sus velocidades relativas a partir de sus constantes de velocidad.

MTODO DIFERENCIAL

El mtodo diferencial, fue sugerido por el fsico qumico holands, Jacobus h. vant hoff, en 1884. El procedimiento consiste en determinar las velocidades directamente por medicin de las tangentes a la curva experimental tiempo concentracin, luego reemplazar stos, en las ecuaciones en sus formas diferenciales.

La teora del mtodo es como sigue. La velocidad instantnea de una reaccin de orden n incluyendo solamente una sustancia reactante, es proporcional a la potencia n de su concentracin:

(39)

una reaccin simple de segundo orden, por ejemplo, es muy similar a la de una reaccin de primer orden inhibida por productos y hay el peligro de confusin a no ser que los experimentos sean hechos muy exactamente. La inhibicin por subproductos puede probarse directamente por medicin de la velocidad despus de la introduccin deliberada de los productos de reaccin.

1.6. VIDA MEDIA DE UNA REACCIN

La vida media o periodo medio de una reaccin es el tiempo que toma para que la mitad de una sustancia reactante desaparezca. El valor de vida media x para un orden dado esta relacionado a la ecuacin de la velocidad, para lo cual se coloca x igual a x y aO/2 igual a x.

As, para una reaccin de primer orden la vida media esta dado por:


tomando logaritmos de ambos lados:

(40)

un ploteo de log v vs log a, por consiguiente dar una lnea recta si la reaccin es de orden simple (pendiente = n).

Hay 2 formas diferentes en la que este procedimiento puede ser aplicado. uN MTODO es llevar a cabo una corrida simple, es decir, dejar que proceda la reaccin y determinar a a varios tiempos.

Las tangentes pueden ser trazadas a concentraciones diferentes, segn se muestra esquemticamente en la Fig. 6, y as las pendientes da/dt determinadas.

Fig. 6. Ploteo esquemtico de la concentracin vs tiempo, ilustrando el uso del mtodo diferencial, las tangentes estn trazadas a concentracin inicial aO y a las concentraciones a1 y a2.

Fig. 7. Ploteo de logaritmo de V Vs log de a, la pendiente es de orden n.

un ploteo de ln V log V contra ln a log a puede luego ser efectuado, segn se muestra en la Fig. 7.

Cuando se emplea este procedimiento puede surgir interferencia de los productos de reaccin.

En el SEguNDO MTODO, las pendientes son medidas solamente al inicio de la reaccin, y la reaccin es corrida a varias concentraciones inciales. Este tipo de procedimiento est representado esquemticamente en la Fig. 8.


El orden determinado por ploteo de log V inicial Vs log a, se muestra en la Fig. 9.

Fig. 8. Ploteo de concentracin vs tiempo, para 3 concentraciones iniciales. El mtodo diferencial puede ser aplicado a las pendientes iniciales = velocidades.

Fig. 9. Determinacin de la constante de velocidad de reaccin, k, y el orden de reaccin, n.

El orden n, de la reaccin es conocido como el ORDEN CON RESPECTO A LA CONCENTRACIN DEL REACTANTE a, debido a que en este caso se vara la concentracin. Este orden ha sido llamado la ORDEN VERDADERA, puesto que esta relacionado solamente con las sustancias reactantes, y no con los productos de reaccin, las cuales no tienen efecto sobre las velocidades inciales.

El mtodo diferencial es un mtodo muy valioso, y es particularmente til para reacciones con enzimas, en la cual los productos frecuentemente interfieren y hacen al mtodo de integracin un procedimiento no confiable. En el estudio de sistemas con enzimas frecuentemente es conveniente causar la reaccin para que ocurra lo suficientemente lenta (por reduccin de la concentracin de enzimas por ejemplo) a fin de que un nmero de mediciones puedan ser efectuadas en los estados inciales de la reaccin.

una desventaja del mtodo diferencial es que no siempre se obtiene fcilmente valores exactos de las pendientes de las curvas de velocidad.

1.7. MTODO DE AISLAMIENTO

El mtodo de aislamiento es una forma especial de aplicacin de cualquiera de los mtodos descritos, y es til, cuando varios reactantes son incluidos. si todos los reactantes excepto uno estn presentes en exceso, el orden

aparente de la reaccin es el orden con respecto al reactante aislado; puesto que las concentraciones de aquellos en exceso no cambiarn apreciablemente durante el curso de la reaccin. Este mtodo es a veces til en sistemas de enzimas donde hay dos subtratos.

1.8. REACCIONES QUE NO TIENEN ORDEN SIMPLE

hay muchas reacciones que no admiten la asignacin de un orden, ste frecuentemente es propio de reacciones con enzimas, mucho de los cuales obedecen las ecuaciones de Michaelis Menten o Mondica. Aunque tales reacciones pueden ser tratadas por el mtodo de integracin, este procedimiento es rara vez completamente satisfactorio, debido a la dificultad de distinguir entre varias posibilidades. En tales casos el mejor mtodo generalmente es el mtodo diferencial, en la cual las velocidades (pendientes) son medidas con precisin en las etapas inciales de la reaccin, y son llevadas a cabo a una serie de concentraciones inciales. En esta forma un ploteo de velocidad Vs. concentracin puede ser desarrollado, como se muestra en la Fig. 10.

Fig. 10. influencia de la concentracin de substrato sobre la velocidad de reaccin.

La dependencia de la velocidad sobre la concentracin se puede entonces determinar por varios mtodos.

PROBLEMAS.

1.a) La constante de velocidad de una reaccin de primer orden es 2.5 x 10-6 s-1 y la concentracin inicial es 0.1 mol dm-3. Cul es la velocidad inicial en mol cm-3 s-1 y en mol cm-3 min-1?

b) La velocidad inicial de una reaccin de segundo orden es 5.0 x 10-7 mol dm-3 s-1 y las concentraciones iniciales de las dos sustancias reactantes son 0.2 mol dm-3. Cul es la constante de velocidad en dm3 mol-1 s-1 y en cm3 mol-1 s-1?

SOLUCIN.

a) v = k [A]


b) v = k [A]2

2. La ecuacin estequiomtrica para la oxidacin de iones bromo por el perxido de hidrgeno en solucin cida es:

Puesto que la reaccin no ocurre en una etapa, la ecuacin de velocidad no corresponde a esta ecuacin estequiomtrica; pero es

a) Si la concentracin de H2 O2 se incrementa por un factor de 3 Por qu factor ser incrementada la velocidad de desaparicin de iones Br?

b) Si bajo ciertas condiciones, la velocidad de desaparicin de iones Br es 7.2 x 10-3 mol dm-3 s-1 c) Cul es la velocidad de aparicin del Br?.d) si la adicin de agua al volumen total de la mezcla de reaccin fuera duplicado, Cul sera el efecto sobre

la velocidad de desaparicin del Br?, Cul sera el efecto sobre la constante de velocidad?

RESPUESTAS:

a) 3b) Ambas velocidades son 3.6 x 10-3 mol dm-3 s-1

c) No afectad) La velocidad de desaparicin del Bromo disminuye por un factor de 8; no afecta sobre k.

1.9. MOLECULARIDAD Y ORDEN

una vez que una reaccin ha sido identificada como una reaccin elemental, surge una pregunta importante: Cuntas molculas entran en reaccin?

(REACCIN ELEMENTAL: una reaccin que ocurre en una etapa simple).

Este nmero esta referido a la molecularidad de la reaccin.

Con ciertas excepciones, nosotros podemos legtimamente asumir que el orden de una reaccin elemental indica el nmero de molculas que entran en reaccin; es decir, que el orden y la molecularidad son los mismos. Por ejemplo, si una reaccin elemental es de primer orden con respecto al reactante A y de primer orden con respecto a la otra sustancia B, la conclusin sera que la reaccin es biomolecular, una molcula de A y una molcula de B entran en reaccin.

Dificultades

Sin embargo, a veces este procedimiento puede conducir a conclusiones incorrectas. Suponer por ejemplo, que un reactante est presente en gran exceso de manera que su concentracin no cambia apreciablemente segn la reaccin procede; adems (por ejemplo si es el solvente) su concentracin puede ser el mismo en diferentes situaciones cinticas; si ste es as, la investigacin cintica no revelar alguna dependencia de la velocidad sobre la concentracin de esta sustancia, el cual por consiguiente, sera considerado como que no entra en la reaccin. Esta situacin frecuentemente se presenta en reacciones de hidrlisis, en reacciones acuosas, una molcula de agua puede sufrir reaccin con una molcula de un soluto, a no ser que se empleen procedimientos especiales, los resultados cinticos no revelarn la participacin del solvente; sin embargo, su participacin ser indicada si aparece en la ecuacin estequiomtrica.

Otro caso, en el cual el estudio de la cintica no puede revelar que una sustancia entra en reaccin es cuando se incluye un catalizador. un catalizador por definicin es una sustancia que influye en la velocidad de reaccin, sin que ste sea consumido; puede ser considerado como una sustancia que a la vez es un reactante y un producto de reaccin. La concentracin de un catalizador permanece constante durante la reaccin y el anlisis cintico de una simple corrida no revelar la participacin del catalizador en la reaccin. Sin embargo, el hecho que entra en reaccin puede ser mostrado midiendo la velocidad de una variedad de concentraciones de catalizadores; generalmente se encuentra una dependencia lineal. Fig. 11.

La decisin acerca de la molecularidad de una reaccin elemental debe incluir no solamente un estudio cuidadoso de la cintica en la cual tantos factores como sea posible son variados, sino tambin una consideracin de otros aspectos de la reaccin incluyendo la naturaleza de los productos.

1.10. LEY DE ARRHENIUS

una de las relaciones ms importantes en cintica qumica y aquella que provee mayor informacin acerca de los mecanismos, es la ecuacin que relaciona la constante de velocidad de una reaccin con la temperatura. Hace muchos aos fue descubierto empricamente que la constante de velocidad, k, esta relacionada a la temperatura absoluta por la ecuacin:

(41)

(42)

Fig. 11. influencia de la concentracin del catalizador sobre la velocidad de reaccin.

donde A y B son constantes. Esta relacin fue expresada por Jacobus hendricus vant hoff y svante A. Arrhenius en la siguiente forma:


donde R es la constante de gas (1.987 Cal K-1 mol -1) y (E) es la energa de activacin. La ecuacin fue dada por vant hoff en 1887, quien argument acerca de las bases de la variacin de la constante de equilibrio con la temperatura y seal que una relacin similar se tendra para la constante de reaccin.

Los argumentos de vant hoff en forma breve se dan a continuacin.

La variacin de la constante de equilibrio obedece la Ley

(43)

(44)

donde K es la constante de equilibrio expresado en trminos de concentraciones, y es el cambio de entalpa estndar en la reaccin:

La constante de equilibrio K, es igual al radio de las constantes de velocidad k1 y k-1.

la ecuacin (43) puede por consiguiente escribirse como:

y ste, luego se puede separar en 2 ecuaciones

y

donde:

experimentalmente se encontr que las constantes que aparecen en las ecuaciones 46 y 47 se pueden igualar a cero, y la integracin de las ecuaciones 46 y 47 luego dar:

las cantidades A1 y A-1 que aparecen en estas ecuaciones se conocen generalmente como los FACTORES DE FRECuENCIA y E1 y E-1 son conocidos como las ENERgAS DE ACTIVACIN.

La aproximacin de Arrhenius fue un poco diferente de la Ley de vant hoff. El seal que para reacciones qumicas ordinarias la mayora de colisiones entre las molculas reactantes son inefectivas siendo la energa insuficiente. En una fraccin pequea de las colisiones, sin embargo, la energa es en gran parte suficiente para permitir que las reacciones ocurran. segn el PRinCiPiO DE BOLtZMAn, la fraccin de colisiones en la cual la energa est en exceso de un valor particular de E, es:

la constante de velocidad debera ser proporcional a esta fraccin.

Para probar la ecuacin de Arrhenius, en primer lugar hallamos los logaritmos de ambos lados de la ecuacin (42).

luego, si a la Ley de Arrhenius se le aplica, un ploteo de lnk Vs 1/T tendremos una lnea recta y la pendiente ser E/R. Alternativamente, podemos tomar logaritmos comunes:

(52)

(53)

y la pendiente del ploteo de log10k vs 1/t ser:

un ejemplo de un ploteo Arrhenius se muestra en la Fig. 12.

Fig. 12. Ploteo Arrhenius para la hidrlisis catalizada de adenosine triphosfate (ATP). Bajo las condiciones del experimento la velocidad (v), es proporcional a la constante de velocidad k; podemos por consiguientes plotear log v, en lugar de log k contra 1/T.

(45)

(46)

(47)

(48)

(49)

(51)

(50)


luego de la ecuacin (42) se deduce que el factor de frecuencia tiene las mismas unidades como la constante de velocidad, ejemplo s-1 para una reaccin de primer orden, dm3 mol-1 s-1 para una reaccin de segundo orden. La energa de activacin generalmente se expresa como:

el sistema internacional recomienda usar: joule mol-1 (jmol-1).

La ley de Arrhenius tiene una aplicabilidad amplia sorprendente. Est regido no solo por las constantes de velocidad de reacciones elementales sin tambin, por las velocidades de procesos mucho ms complejos.

EJEMPLO 1

una reaccin de segundo orden tiene una constante de velocidad de k = 5.7 x 10-5 Ms-1 a 25C, y de k = 1.64 x 10-4 Ms-1 a 40C. Calcular la energa de activacin y el factor de frecuencia; aplicar la ley de Arrhenius.

SOLUCIN:

Para resolver este tipo de problemas es conveniente (pero no necesario) bosquejar un ploteo Arrehenius; ste se muestra en la Fig. 13.

La pendiente de esta lnea es:

la energa de activacin, E, en caloras es la pendiente multiplicada por -4.57.

El factor de frecuencia A se puede obtener de la ecuacin 53.

luego:

Las unidades de A son las mismas que las de la constante de velocidad.

EJEMPLO 2: Se encontr que la constante de velocidad para una reaccin a 30C es exactamente dos veces del valor a 20C. Calcular la energa de activacin.

SOLUCIN:

Fig. 13. Ploteo esquemtico de Arrhenius

Fig. 14. Determinacin de la energa de activacin.


EJEMPLO 3:

Se encontr que la constante de velocidad para una reaccin a 230C es exactamente dos veces del valor a 220C. Calcular la energa de activacin.

SOLUCIN:

Fig. 15. Determinacin de la energa de activacin.

Fig. 16. Diagrama energa potencial.

(54)

1.11. ENERGA DE ACTIVACIN

La energa de activacin, Ea, fue enfocado de manera un tanto diferente en la tsis de vant hoff y Arrhenius. El inters de vant hoff estuvo centrado principalmente en la termodinmica, y l, puso nfasis en los niveles de energa de los reactantes y productos y de las especies que ocurren durante el curso de las reacciones. La Fig. 16, muestra un diagrama de energa potencial para la reaccin.

La energa interna para los productos x + Y es mayor que aquella para los reactantes A + B por un cantidad

de . En general, no hay mucha diferencia entre cambios de energa y entalpa, de manera que tambin ser positivo, es decir, la reaccin ser endotrmica.

Durante el curso de la reaccin entre una molcula de A y una molcula de B, la energa potencial muy a menudo pasa a travs de un mximo segn se muestra en la Fig. 16. La altura de este mximo juega un rol muy importante en las teoras de las velocidades de reacciones. A la especie molecular que tiene la energa mxima lo llamaremos el COMPLEJO ACtivADO o el EstADO DE tRAnsiCin, y usualmente se le denota por el smbolo . La energa E1, de este complejo con respecto a A + B, es la energa de activacin para la reaccin en la direccin de izquierda a derecha. La energa, E-1, del complejo activado con respecto a x + Y es la energa de activacin para la reaccin inversa. Podemos ver en la Fig. 16 que

(55)

(56)

(57)

Esta ecuacin es muy til. Algunas veces podemos medir: E1 y E-1 y luego tener un valor para , a partir del

cual se puede obtener fcilmente haciendo una pequea correccin segn la siguiente ecuacin:

donde y difieren solamente por la diferencia en los productos PV del estado final e inicial. Para reacciones qumicas a presin constante en la cual intervienen slo lquidos y slidos, hay un cambio pequeo de volumen y por lo tanto, pequeos cambios de Pv durante el proceso;

y generalmente son iguales.

El concepto de barrera de energa para una reaccin es muy til e importante. se deduce que para una reaccin endotrmica la energa de activacin debe ser al menos igual a la endotermicidad; por ejemplo, E1 debe ser al menos igual a puesto que E-1 no puede ser negativo. La discusin de Arrhenius de la energa de activacin est relacionada a este concepto, para que la reaccin entre A y B ocurra, las molculas deben colisionar al menos con la energa de E1, a fin de superar la barrera.

Porqu, generalmente hay una barrera de energa para la reaccin?, Porqu la curva en la Fig. 16 no aumenta fcilmente de un nivel al otro, sin pasar a travs de un mximo?. un indicio importante es suministrado por el hecho que ciertos tipos especiales de reacciones ocurren con energa de activacin cero. hay reacciones en la cual simplemente hay un par de electrones sin el rompimiento de algn enlace qumico. un radical metil libre por ejemplo, tiene un electrn libre, siendo su estructura Lewis:

cuando los radicales metil se combinan para formar etano:


Ellos lo hacen con la energa de activacin cero, de manera que el diagrama de energa es como se muestra en la Fig. 17. La energa de activacin para la reaccin inversa, o sea para la disociacin del C2H6, es obviamente igual a la energa de disociacin del enlace.

una energa de activacin cero, sin embargo, parece que solamente ocurre en reacciones donde no hay rompimiento de un enlace qumico. En unas cuentas reacciones, tales como ciertos procesos que incluyen los citocromos, hay simplemente la transferencia de un electrn de una molcula a otra y tales reacciones son rpidas, con una energa de activacin pequea o cero.

Fig. 17. Ilustracin de la disociacin para una reaccin de orden cero.

Fig. 18. Esquema de superficie energa potencial para una reaccin:

El clculo de la energa de activacin de una reaccin qumica es dificultosa. un avance muy importante fue realizado en 1922 por el Fsico qumico Americano henry Eyring y el Fsico qumico Britnico hngaro Michael Polanyi (1891-1976). Ellos contribuyeron a desarrollar el mtodo de superficies EnERgA POtEnCiAL, los cuales son como mapas del sistema de reaccin. La Fig. 18 muestra un diagrama de este tipo.

Cualquier punto de la superficie representa la energa potencial para distancias particulares A B y B C.

1.12. FACTOR DE FRECUENCIA Los clculos del factor de frecuencia A es tambin materia de alguna dificultad, aunque en algunos casos clculos estimados dignos de confianza pueden ser efectuados. segn la Ley de Arrhenius, la velocidad de reaccin (v) es la velocidad con la cual ocurren las colisiones entre las molculas reactantes (A), multiplicado por el factor de Boltzman:

Fig. 19. Diagrama de energa de gibbs

(58)

El primer intento para llevar a cabo esto, se bas en la asuncin que las molculas reactantes son esferas duras a las cuales se le puede luego aplicar la teora cintica de los gases simples. Este trabajo se cumple para unas cuantas reacciones de gas; pero desafortunadamente, es insatisfactorio para muchas otras reacciones incluyendo casi todas las reacciones en solucin. Para el caso de dos molculas que sufren reaccin qumica, ellas no solamente deben colisionar con suficiente energa mutua, sino ellas deben estar juntas con una orientacin tal, respecto una de la otra para que los enlaces requeridos puedan ser rotos o formados. Es mucho ms simple considerar las molculas como esferas duras. Otras complicaciones surgen para reacciones en solucin, particularmente cuando iones o dipolos son incluidos. En tales casos la reaccin puede incluir cambios en el potencial elctrico y stos tendrn efectos importantes sobre las molculas del solvente circundante.

Complicaciones de estas clases son muy frecuentes para ser tratados por una simple modificacin de la teora de colisiones de la esfera dura; sin embargo, una alternativa de tratamiento es necesario. una teora semejante fue desarrollada en 1935, por henry Euring y est referido como la tEORA DEL COMPLEJO ACtivADO o como la tEORA DEL EstADO DE tRAnsiCin. Esta teora pone atencin en el complejo activado y est mucho ms relacionado con el nivel de energa de gibbs del complejo activado con referencia a los reactantes. La Fig. 19 muestra un diagrama de energa de gibbs y vemos que la barrera de energa de gibbs para la reaccin de izquierda a derecha es Ag. Este diagrama es anlogo al diagrama de energa potencial mostrado en la Fig. 16, as tenemos la relacin:

el cual se asemeja con la ecuacin (55).


De acuerdo a la formulacin Eyring, la constante de velocidad para una reaccin incluye el factor:

(59)

(60)

(61)

(64)

(65)

(62)

(63)

donde k es la constante de Boltzman, T es la temperatura absoluta y h es la constante de Planck. A 25C este factor tiene la magnitud:

notar que la unidad est dado en s-1 y que la magnitud aproximadamente 1013s-1, es comparable a la frecuencia o una vibracin molecular. La teora Eyring conduce al resultado que la constante de velocidad, k, de una reaccin es igual a esta frecuencia k t/h multiplicado por la constante de equilibrio entre los complejos evaluados y los reactantes:

De acuerdo a la ecuacin termodinmica:

El cambio de energa estndar de gibbs, , para la formacin de los complejos activados a partir de los reactantes est relacionado a esta constante de equilibrio por

La ecuacin (60) por consiguiente puede tomar una forma muy conveniente.

Se deduce que, si nosotros tenemos una constante de velocidad a una temperatura dada podemos usar la ecuacin

(64) para calcular la cantidad a esta temperatura, el cual es conocido como la ENERgA DE ACTIVACIN DE giBBs (antes como la energa libre de activacin).

La energa de activacin de gibbs est relacionado tambin a los cambios correspondientes de entalpa y

entropa estndar por la ecuacin similar a:

La cantidad difiere levem ente de la energa de activacin experimental, . La relacin entre estas

dos cantidades y est dada por:

es conocido como la EntALPiA DE ACtivACin o el CALOR DE ACtivACin; como la ENTROPIA DE ACTIVACIN. una combinacin de las ecuaciones 60 y 65 conduce a:

(66)

(67)

(68)

(69)

(70)

La ecuacin (66) expresado en trminos de la energa de activacin tomar la forma:

una comparacin de las ecuaciones (68) con la ecuacin de Arrhenius (42) muestra que el factor de frecuencia esta dado por

Por consiguiente, si el factor de frecuencia de una reaccin se puede determinar mediante un ploteo Arrhenius, la entropa de activacin a una temperatura particular se puede calcular fcilmente. Cuando se trata con reacciones en solucin, es comn citar entropas de activacin en lugar de factores de frecuencia.

si una reaccin incluye una prdida considerable de entropa cuando se forma el complejo activado a partir de

los reactantes, (es decir es negativo), el factor e /R ser una fraccin pequea y por consiguiente el factor

frecuencia tambin ser pequeo. un positivo estar asociado con un factor de frecuencia ms grande. si es cero, el factor de frecuencia es simplemente:

Es de inters notar que la magnitud de este valor se aproxima al dado por la teora simple de colisiones de la esfera dura.

EJEMPLO:

una reaccin de segundo orden en solucin tiene una constante de velocidad de k=5.7 x 10-5 M-1 s-1 a 25C y de 1.64 x 10-4 M-4 s-1 a 40C; calcular la energa de activacin de gibbs a 25C, la entropa de activacin y la entalpa de activacin.

SOLUCIN:

La energa de activacin de gibbs esta relacionada a la constante de velocidad por:


En forma logartmica:

(71)

(72)

a 25C el valor de k T/h es 6.21 x 10-12 s-1. Entonces, introduciendo valores en la ecuacin (71) se tiene:

la entropa de activacin se puede calcular a partir del factor de frecuencia usando la ecuacin (69):

en forma logartmica:

donde log es calculado

de la ecuacin (67):

alternativamente, se puede calcular a partir de y :

2. ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LA LIXIVIACIN BACTERIANA

El estudio adecuado de los microorganismos exige como requisito previo, poder cultivarlos en condiciones de laboratorio, para lo que es preciso conocer los elementos nutritivos y las condiciones fsicas favorables que necesitan para su crecimiento.

La lixiviacin bacteriana puede ser considerado como un proceso de oxidacin bioqumica que es catalizado por microorganismos. Este proceso est representado por la siguiente ecuacin simple:

(73)

donde M es un metal bivalente.

2.1. GNEROS DE BACTERIAS IMPORTANTES

Los microorganismos que son y pueden ser adaptados para la minera y la obtencin de sus contenidos metlicos, pueden ser ubicados en dos categoras:

1. Autotrficas: son microorganismo que obtienen sus nutrientes y energa para sus ciclos de vida de la materia inorgnica que los rodea.

2. Heterotrficas: son aquellas que requieren de la disponibilidad de materia orgnica para completar sus ciclos de vida.

De ambos grupos o categoras de bacterias, se tienen especies que operan especialmente en presencia de oxgeno. Estas son las bacterias aerbicas y ejecutan primeramente las reacciones de oxidacin, tienen la propiedad de oxidar los sulfuros metlicos a sulfatos solubles. En igual importancia y magnitud estn las bacterias anaerbicas que pueden tener funcin y llevar sus ciclos de vida en ausencia de oxgeno. Estas bateras ejecutan primeramente las reacciones de reduccin. La clasificacin respectiva puede verse en la Fig. 20.

Los microorganismos usados en la lixiviacin de metales a partir de minerales y concentrados se presenten en la Tabla 3.

Estos microorganismo son capaces de oxidar sulfuros y azufre o fierro ferroso, cuando se oxida este ltimo se forma un oxidante poderoso (sulfato frrico).

Fig. 20. Clasificacin de los microorganismo y su relacin a la presencia de oxigeno.


2.2. PRINCIPIOS BSICOS DEL FUNCIONAMIENTO CELULAR

La clula tiene cierta estructura, o sea cierta organizacin material, donde se distingue diversos componentes.

Junto a su estructura aparece la funcin de la clula, funcin que bsicamente consiste en mantenerse viable, desarrollarse y multiplicarse. Esta funcin de la clula est mediada por los diversos componentes que la constituyen.

Para realizar su funcin de reproducirse, la clula necesita de ciertos nutrientes que a travs de una serie de reacciones bioqumicas denominadas metabolismo, le proporciona la energa y materias necesarias para construir la nueva clula.

Se denominan reacciones bioqumicas a las reacciones qumicas en las que intervienen enzimas, que son molculas de protenas que catalizan los diversos pasos metablicos con una gran especificidad. Adems de su funcin cataltica las enzimas son las mediadoras de la importante funcin de regulacin metablica, mediante la cual, cada reaccin bioqumica corre en el momento adecuado, hasta alcanzar las concentraciones adecuadas.

En una clula de microorganismos existen ms de 1,500 enzimas diferentes que catalizan otras tantas reacciones.

A continuacin se discutirn brevemente los principales aspectos del problemas de cmo la clula ordena y controla las 1,500 o ms reacciones que pueden suceder y como la clula se reproduce a si misma.

La clave de la solucin del primer problema est en las enzimas. Estas son protenas y macromolculas formadas por cadenas lineales de aminocidos.

Las propiedades catalticas de la molcula de enzima estn determinadas por su secuencia de aminocidos y por su configuracin espacial. Las reacciones metablicas suceden todas a temperatura ambiente, presin atmosfrica y ph alrededor del neutro.

En la clula pese a estar los reactantes en contacto, las reacciones no ocurren a menos que est presente la enzima especfica que cataliza esa reaccin.

tal es el principio mediante el cual la clula consigue que de 1,500 reacciones posibles, solo corran las que precisan en cada momento; controlando la presencia o la ausencia, la activacin o la inactivacin de cada enzima.

El segundo problema a tratar, es el de como la clula se reproduce a s misma. Para ello es necesario almacenar y transmitir cierta informacin, esta informacin se encuentra en los cromosomas. Los cromosomas, son molculas de alto peso molecular de un tipo de cido nucledo denominado Desoxiribonucleico o DnA. La molcula de DnA, est formada por unidades de los nucletidos de cuatro bases. El orden y secuencia en que se ubican estos cuatro nucletidos en la molcula de DnA, es la que determina cierta informacin.

Ya que todos los procesos celulares son gobernados por ciertas enzimas especficas para cada reaccin, si la clula hija tiene la misma composicin enzimtica que la clula original, se estructurar y comportar de forma anloga. La clave est entonces en las enzimas, y la informacin gentica o hereditaria contenida en el cromosoma es la informacin necesaria para sintetizar de manera nica todas las enzimas involucradas.

2.3. MORFOLOGA DEL THIOBACILLUS FERROOXIDANS

El Thiobacillus Ferrooxidans es una bacteria de forma bacilar de 1-2 micrones de longitud y 0.5 1 micron de dimetro, presenta un flagelo polar que le confiere actividad motriz, no forma esporas y es gram negativa, Su estructura submicroscpica ha sido estudiada y no parece diferir fundamentalmente de otras bacterias del mismo tipo.

En una clula bacterial tpica podemos distinguir en cuanto a su estructura los siguientes componentes bsicos.

- Cpsula, microcpsula: Estn principalmente compuestos de complejos de protenas polisacridos.- Pared celular: Consiste principalmente de macromolculas de una protena compleja de polisacrido

lpido. La pared celular es responsable de la forma y rigidez de la clula.- Membrana celular: Consiste bsicamente de 50% de protenas, 28% de lpidos y de 15 a 20% de

carbohidratos. La membrana es capaz de absorber selectivamente algunos nutrientes en la clula.- Ribosomas: son los rganos para la sntesis de protenas, contiene aproximadamente 63% de RnA (cido

Ribonucleico) y 37% de protenas.- Material Nuclear: Esta compuesto de DnA (cido Desoxiribonucleico). La informacin genrica reside en

la molcula de DnA.- Flagelo: El responsable de la movilidad de la clula.


2.4. IDENTIFICACIN DE BACTERIAS

Para realizar la identificacin de bacterias es muy importante hacer uso de coloraciones del cuerpo del microorganismo para observar su estructura interna o externa puesto que las bacterias son incoloras.

Las coloraciones pueden ser:

A.- Simples: Cuando slo interviene un colorante. B.- Compuesta: Cuando intervienen dos o ms colorantes y se efectan en varios tiempos.

COLORACIN DE GRAM

Es una coloracin indispensable en bacteriologa, adems es diferencial para los microorganismos y son:

A.- Gram Positivas: son aquellas bacterias que retienen el colorante violeta de genciana y no se decoloran por el alcohol, toman un color violeta.

B.- Gram Negativas: Son aquellas bacterias que pierden el colorante violeta de genciana por decoloracin con alcohol y necesitan ser teidas por un colorante de contraste que es la safranina; adquieren una coloracin roja.

Mediante esta tcnica, es posible diferenciar en dos grupos a las bacterias de acuerdo a la constitucin de su cubierta o membrana celular. As, en el caso de las gram negativas, el colorante cido safranina, reacciona con la gran cantidad de lpidos de la cubierta y forma un complejo de color rojo.

PROCEDIMIENTO:

a) Prepara un frotis

b) Fijar la preparacin a la llama.

c) hacer actuar violeta de genciana ms cinco gotas de bicarbonato de sodio en solucin durante 1 minuto.

d) Lavar con agua corriente y cubrir la preparacin con lugol por 3 minutos.e) Lavar con agua corriente y decolorar con alcohol de 95 durante 8 segundos.f) Cubrir el frotis con safranina 3 minutos.g) Lavar con agua corriente, secar y observar al microscopio.

COLORACIN DE ZIEHL NEELSEN

Es tambin una coloracin diferente en bacteriologa.

hay bacterias que luego de colorearse forman un complejo difcil de decolorar, ya sea con alcohol e incluso con alcohol cido, por lo que se les denomina cidos resistentes, toda la cubierta externa de la bacteria adquiere una coloracin roja.

PROCEDIMIENTO

a) Preparacin del frotis.b) Fijar al calor.c) Cubrir la preparacin con colorante de ziehl-Neelsen (Fucsina fenicada) y calentar hasta la aparicin de

vapores, durante 5 minutos.d) Lavar con agua de cao. e) Decolorar con alcohol cido (alcohol de 95 al 3% en hCl).f) Lavar con agua y aadir azul de metileno por un minuto.g) Lavar, secar y observar al microscopio.

Existen otros procedimientos de coloracin que tambin se pueden emplear.

2.5. MECANISMO DE LA ACCIN BACTERIAL

Existen todava diferentes opiniones sobre los conceptos bsicos de las vas de oxidacin. sin embargo, se postulan bsicamente dos tipos de oxidacin. 2.5.1. Oxidacin de sulfuros

Desde la dcada del 50 se discute si el t. Ferrooxidans, es capaz de oxidar sulfuros directamente o si solamente puede hacerlo a travs de mecanismos indirectos. La polmica an no ha terminado as es que nos limitaremos a exponer las bases experimentales con las que se cuenta.

se debe en primer lugar distinguir entre experimentos realizados en presencia de in Fe3+, es sabido que el Fe3+ es un buen agente lixiviante de los sulfuros metlicos al menos de una gran parte de ellos, siendo el T. Ferrooxidans capaz de regenerar el in Fe3+ resulta obvio suponer que esta bacteria contribuir a la lixiviacin de los sulfuros manteniendo una alta concentracin de in Fe3+ en solucin. Por otra parte el ataque oxidante del in Fe3+ produce S como subproducto, dicho S permanece en la superficie de las partculas del sulfuro formando as una barrera de difusin tanto para el in Fe3+, cualquier otro agente oxidante o bien a la bacteria misma (en caso de existir una forma de ataque directo de sta al sulfuro). La oxidacin de esta capa de s favorecera la disolucin facilitando la difusin en la interface del sulfuro con la solucin. En caso de no encontrarse Fe3+ en el cultivo la situacin no ser del todo diferente ya que en presencia de O2 y bajo ph ocurrir una oxidacin de la superficie del sulfuro en la cual se liberarn cationes mtalicos al igual que en el caso anterior. La oxidacin del s por parte de las bacterias favorecer los procesos de difusin en la interface acelerando as la disolucin, debe s considerarse que la oxidacin mediante in Fe3+ es mucho ms importante cuantitativamente.

La posibilidad de un ataque directo a los sulfuros por parte de las bacterias, aunque an no puede rechazarse, no ha logrado ser demostrada en forma completa, mas an, dada la gran variedad de sulfuros que pueden ser lixiviados quimicobacterianamente, es difcil suponer que las bacterias presenten un solo mecanismo metablico capaz de reaccionar frente a una variedad tan amplia de condiciones; siendo por otra parte el s subproducto de la oxidacin frrica o cida de todos los sulfuros, resulta plausible postular que es ste el substrato utilizado por las bacterias.


Las situaciones antes sealadas pueden resumirse de la siguiente manera:

Lixiviacin frrica con regeneracin del ion Fe3+, mantencin de la concentracin de cido y mejoramiento de la difusin por consumo de S.

(74)

(75)

(77)

(79)

(76)

(78)

(80)

(81)

(82)

Lixiviacin cida con regeneracin bacteriana del cido consumido y mejoramiento de la difusin por consumo de S.

Oxidacin del sulfuro con reduccin de O2, eliminacin de la capa de difusin y recuperacin de cido.

Accin bacteriana directa (hipottica)

2.5.2. Oxidacin de fierro ferroso

La oxidacin del Fierro ferroso ha sido estudiado por muchos investigadores usando el t. ferrooxidans.

La oxidacin del Fe2+ ocurre en la membrana celular y se postula que el Fe+2 es complejado en solucin con oxgeno y/o sulfato ya que este anin es indispensable en la oxidacin del Fe2+. Dicho complejo se unir a la membrana citoplasmtica en la cual la enzima Fe+2 citocromo c reductasa cataliza la oxidacin de Fe2+ a Fe3+, entrando as un electrn a reducir la cadena transportadora de electrones compuesta por los citocromos c, a y al enzima citocromo oxidasa, los cuales cumplen respectivos ciclos de xido-reduccin sintetizando una molcula de AtP por cada electrn que atraviesa dicha cadena.

donde M es un metal (Cu, Fe, zn, etc) Esquema de la cadena de citocromos que participa en la oxidacin de Fe2+

La energa almacenada en forma de AtP durante la fosforilacin oxidativa es utilizada para mantener todos los procesos fisiolgicos que requieren de energa qumica, especialmente aquellos que conducen a la sntesis de nuevos componentes celulares.

2.6. CULTIVOS BACTERIALES EN LABORATORIO

2.6.1. Procedimiento de aislamiento de cultivos

El enriquecimiento de cultivos se lleva a cabo de una manera efectiva en el laboratorio, todos los microorganismos incluyendo los thermoflicos pueden sobrevivir durante un tiempo en muestras originales a temperatura ambiente.

Para la obtencin de cultivos a partir de minerales y soluciones, pueden hacerse uso del medio nutriente 9k con fierro ferroso, el cual sirva como substrato generador de energa (para el t. Ferroxidans y Leptospirillum Ferrooxidans) o el mismo medio con azufre en lugar de fierro (para el t. Acidophillus) o con cualquier otro sulfuro (para el sulfobacillus thermosulfidooxidans).

La composicin del medio 9k (silverman, Lundgren) se da a continuacin:

PRIMERA SOLuCIN: Los siguientes compuestos qumicos son disueltos en 700 ml. de agua destilada.

SEguNDA SOLuCIN:

Los siguientes compuestos qumicos son disueltos en 300 ml de agua destilada.

Las soluciones son esterilizadas separadamente, la primera solucin a 1 atm. y la segunda a 0.5 atm. antes de usar, ambas soluciones se mezclan para obtener el pH deseable de 2.5 2.7.


En lugar de sulfato ferroso se puede usar sal de Mohr: FeSO4 (NH4)2SO4.6H2O, el cual se adiciona a la segunda solucin en una cantidad de 63g. en este caso la concentracin final de fierro en el medio tambin alcanza a 9 g/l.

Los cultivos del t. Ferrooxidans y L. Ferrooxidans se llevan a cabo a una temperatura de 28C bajo condiciones aerbicas. El crecimiento de estos microorganismos se evala por la aparicin de un color marrn en el medio, debido a la formacin de fierro frrico. Para propsitos de comparacin un frasco o un tubo de prueba se deja sin inocular para servir como control (blanco). Los contenidos de fierro ferroso y frrico se determinan qumicamente.

En casos, donde un sulfuro es usado como substrato, se adiciona al medio una cantidad de 3 a 5 g por 100 ml. de agua.

Es esencial determinar la cantidad de sulfatos y iones de metales que han entrado en solucin. En casos donde el azufre es usado como substrato en medio 9k, 1-2 g. de azufre estril se agrega para 100 ml. de medio. La incubacin de la bacteria sobre el medio se evala por la aparicin de turbidez y una marcada disminucin de pH.

Para aislar los microorganismos oxidantes de compuestos reducidos de azufre a altos pHs, se hace uso del medio Beijerinck. La composicin se da a continuacin:

Para preparar un medio slido, se utiliza 20 g/l de agar. Es mejor esterilizar thiosulfato y Bicarbonato de sodio separadamente a 0.5 atm. en una pequea cantidad de agua y adicionarlos a la solucin bsica.

La evaluacin del crecimiento de estas bacterias se hace por la aparicin de pelculas en la superficie del medio o una especie de arena sobre las paredes del tubo de prueba debido a la precipitacin de azufre elemental. La oxidacin del thiosulfato se determina por titracin. La turbidez del medio es generalmente causado por la bacteria heterotrfica oxidante de tiosulfato o tetrationato. sobre medio slido las bacterias Thionic forman colonias no transparentes de un color amarillento o blanco.

La bacteria comienza a desarrollarse en 3 a 5 das despus de su propagacin.

Los cultivos enriquecidos obtenidos son sometidos a un anlisis microscpico. un aparato de constraste de fase con inmersin se emplea en microscopa. Mediante esta tcnica es posible obtener informacin de la composicin de las especies. Todas las bacterias Thionic son de forma bacilar, el Leptospirillum puede ser distinguido por un espiral de la clula. El sulfolobus se caracteriza por su forma redondeada. La disponibilidad de esporas es tambin til en la determinacin de la composicin de especies permitiendo distinguir a los sulfobacillus.

2.6.2. Aislamiento de cultivos puros

Para obtener cultivos puros se hace uso de cultivos enriquecidos estables que pueden ser obtenidos realizando varias transferencias de un cultivo inicial a partir de muestras originales. Desde que el agar contiene sustancias inhibitorias para la incubacin del t. Ferroooxidans, esta bacteria crece pobremente sobre medios agarosos.

Las colonias se forman en 5 a 10 das y son resembradas en medio lquido Waksman con azufre. una verificacin de la pureza del cultivo se realiza por inoculacin sobre los mismos medios mencionados en el caso de T. Ferrooxidans.

La reaccin del medio se lleva hasta pH 4.0

El azufre se introduce en un medio estril, primero se esteriliza separadamente con alcohol. Este azufre final se pone en un frasco estril con agua y el frasco se sella con un tapn y por un espacio de 2 horas se mantiene en un termostato o un secador a 50-60C. Es mejor adicionar el azufre estril al medio esterilizado separadamente en cada frasco o tubo de prueba. El medio con azufre puede tambin ser esterilizado por una corriente de vapor durante 3 das. un cultivo puro se mantiene en este medio, las transferencias se hacen una vez cada 3 4 semanas.

Para los microorganismos citados anteriormente, hay un nmero de bacterias Thionine que facilitan la oxidacin de compuestos de azufre.

El t. Dinitrificans es la nica bacteria thionine capaz de crecer bajo condiciones anaerbicas a costa del oxgeno de nitratos. se cultiva sobre medio Baalsrud con tiosulfato. Este microorganismo es capaz de oxidar ciertos sulfuros tales como galena, Antimonita pero solamente bajo condiciones aerbicas. El t. intermedius, t. Perometabolis y el t. Organoparus se incuban en un medio con tiosulfato y extracto de levadura y el t. Acidophilus es capaz de crecer en medio cido con azufre elemental y tambin se desarrolla heterotrficamente utilizando ciertos aminocidos de azcar y sales.

Los medios para los microorganismos termoflicos se dan a continuacin.


Es mejor emplear geles impregnado con medio 9k para obtener colonias de T. Ferrooxidans. Colonias muy pequeas de color marrn rojizo aparecen sobre el gel en 8 a 12 das. Algunas colonias son tomadas en fiolas o tubos de prueba con una pequea cantidad del medio. Despus aparece un color marrn por la formacin del fierro frrico, se hacen transferencias en frascos con medio 9K y sobre un medio con diferentes sustancias orgnicas para chequear la pureza del cultivo.

un cultivo puro de t. Ferrooxidans se puede tambin aislar por el Mtodo de Dilucin. un cultivo enriquecido se diluye 1 y 10 millones de veces tomado 1 ml de un tubo de prueba a otro cada vez. Consecuentemente, uno puede esperar que en 6 a 9 diluciones solamente clulas de t. Ferrooxidans ocurren, mientras otras especies disponibles en el cultivo en cantidades ms pequeas solamente en 1 a 5 diluciones.

En laboratorio el t. Ferrooxidans se mantiene en medio 9K, despus que la bacteria ha incubado, los frascos son colocados en una refrigeradora a 4 - 6 C. Para conservar el cultivo es necesario hacer transferencias sobre un medio fresco una vez al mes.

El aislamiento de un cultivo puro de t. thioxidans se lleva a cabo mediante la inoculacin de un cultivo enriquecido en el medio slido Walksman conteniendo:

Extracto de levadura 0.1% Azufre 10 g/l temperatura de cultivo 70C

El microorganismo que est cercano al sulfolobus Acidocaldarios llamado sulfolobus Brierley y que es capaz de oxidar azufre, fierro y minerales sulfurados incluyendo la molibdenita, es aislado y cultivado sobre medio Brierley conteniendo.

El pH de 3.0 se establece por adicin de H2SO4 10 N

El azufre o fierro es la fuente de energa. Flores de azufre o azufre coloidal se esteriliza haciendo pasar una corriente de vapor 3 veces durante 30 minutos.

0.25 g de sustancia esterilizada se adiciona por cada 50 ml. de medio bsico.

Para preparar una solucin de fierro, 25 g de FesO4. 7H2O se diluye en 95 ml de agua destilada, al cual se adiciona 5 ml de H2SO4 1N. La esterilizacin se lleva a cabo en autoclave, 2 ml de esta solucin se agrega a 50 ml de solucin bsica de sal, la temperatura de incubacin es 35 C 75C, el ptimo es de 60C, el ph del medio con azufre es 3. Las inoculaciones debern efectuarse cada 3 semanas. El sulfobacillus thermosulfidooxidans se puede tambin cultivar en medio Brierley con azufre, fierro o sulfuros, en este caso la temperatura ptima es de 50 60C.

El aislamiento de un cultivo puro es el primer paso en la identificacin de un microorganismo. hay una gran cantidad de pruebas que permiten establecer a que especie pertenece un microorganismo. Estas pruebas incluyen una determinacin bioqumica complicada. En la identificacin de microorganismos que se encuentran en los depsitos de minerales, pruebas ms simples pueden ser empleadas desde que la diversidad de estos microorganismos es limitado. Estas pruebas consisten en la determinacin de la fuente de energa, ph ptimo, temperatura, signos morfolgicos, etc.

En la identificacin del crecimiento de microorganismos sobre azufre elemental debe tomarse en cuenta que el t. Ferrooxidans puede tambin crecer en este medio, por consiguiente es necesario hacer inculos en medios con Fe para chequear la capacidad de los microorganismos para oxidar fierro.En cuanto concierne al medio Walksman con azufre, la bacteria thionine Myxothrophic puede tambin desarrollar en el, por consiguiente el crecimiento de un cultivo puro debe ser chequeado en azcares, aminocidos, sales. El medio Beijerinck es el menos selectivo, el grupo completo de bacterias thionine pueden crecer en l, para su identificacin es tambin esencial hacer inoculaciones en medios con sustancias orgnicas y determinar la concentracin ptima de extracto de levadura y otras sustancias orgnicas. generalmente, en el aislamiento de un microorganismo conocido, es suficiente emplear pruebas simples de identificacin mientras que la identificacin y descripcin de un nuevo microorganismo requiere de pruebas ms complicadas incluyendo identificaciones bioqumicas bsquejados en manuales especiales.

2.6.3. Cultivo continuo de bacterias

Con el propsito de disponer de volmes suficientes de cultivos en forma continua para la inoculacin de columnas y pilas, se desarrolla un sistema de cultivo continuo.


Fig. 22. sistema de Cultivo contnuo.

Fig. 23. Etapas de crecimiento de las bacterias en funcin del tiempo.

Como puede observarse, inicialmente las bacterias pasan por un periodo de adaptacin, luego del cual su reproduccin es logartmica. Su alta velocidad de reproduccin y las condiciones del medio llegan a limitar las caractersticas de su hbitat de tal manera que en algn momento su reproduccin se detiene y se mantiene estacionaria, hasta que los subproductos de su propia actividad envenenan su ambiente provocando su inhibicin y posterior muerte.

El sistema bsicamente consiste en un reactor, en el cual se puede disponer constantemente de cultivos de bacterias para inoculacin o preparacin de concentrados de bacterias. La disposicin del equipo y secuencia de operaciones se muestra en la Fig. 22. un aspecto importante que debe tenerse en cuenta en el sistema de cultivo continuo, es la uniformidad del ph a travs de todo el circuito de tal manera que la pulpa preparada tenga el mismo pH de la pulpa del reactor para evitar problemas de inhibicin por un shock por cambio de pH.

Las etapas de crecimiento de las bacterias en un determinado cultivo estn representados en forma genrica en la Fig. 23.

Esto indica que el punto adecuado de efectuar la transferencia de un cultivo a otro, est precisamente en la fase de crecimiento logartmico.

2.7. POBLACIN BACTERIAL

Para la lixiviacin bacteriana de sulfuros metlicos normalmente se mantiene unos cultivos del gnero de thiobacillus, cuyas caractersticas deben ser conocidas e investigadas.

Para la estandarizacin de las pruebas a nivel de laboratorio en este campo de la biolixiviacin, es necesario, especialmente durante el inicio de una prueba de la Lixiviacin Bacteriana en suspensiones (inoculacin), conocer la cantidad de bacterias presentes en un mililitro de cultivo o sea su poblacin.

Curvas de crecimiento de los microorganismos que caracterizan por ejemplo los Bioreactores, describen las poblaciones versus tiempo y demandan mtodos rpidos para las determinaciones correspondientes.

El mtodo ms conocido para la determinacin de la poblacin es el mtodo del nmero Ms Probable (nMP most probable number); un mtodo ms rpido resulta por conteo de las bacterias con la cmara de Neubauer o Thoma, facilitado por el contraste de fases como accesorio de un microscopio. 2.7.1. Numero mas probable

- El grado de dilucin, - una tabla estadstica, y- una comprobacin visual.

son las necesidades e informaciones para averiguar el nmero ms probable de la cantidad de clulas / bacterias en un cultivo o en una dilucin respectiva.

Mcgrady ha desarrollado tablas estadsticas por ejemplo para tres o cinco pruebas paralelas que sirven para encontrar el nMP de la cantidad de bacterias por mililitro; es necesario una secuencia de diluciones del cultivo en investigacin, hasta que resulten pruebas que no contengan bacterias.

Los thiobacillus Ferrooxidans utilizan la oxidacin de Fe2+ a Fe3+ como fuente de energa para su metabolismo. Esta oxidacin se muestra en un cambio del color de la solucin nutriente y se comprueba de este modo el lmite de la concentracin para la dilucin de un cultivo.

La determinacin del ttulo de grmenes se realiza rutinariamente de igual forma como el mtodo para el nMP, con una secuencia de diluciones; pero el resultado lleva una gran desviacin estndar. unas tres o cinco pruebas (tubos) para cada dilucin, permite reducir este error notablemente y con tres diferentes grados de diluciones se encuentra el NMP (tabla de Mcgrady) de bacterias por mililitro en la solucin del cultivo o sea la poblacin respectiva. La influencia de la casualidad que juega el rol decisivo en el ttulo de grmenes no domina tanto el mtodo del nmero ms probable.

El procedimiento como se encuentra el nMP para la poblacin de bacterias/ml para los cultivos del gnero thiobacillus, se muestra en la descripcin siguiente:

- se prepara una secuencia de diluciones de solucin del cultivo con la solucin nutriente de 9K (sin FeSO4);

- De cada dilucin se prepara cinco tubos con solucin nutriente de 9K (10.0 g FeSO4 . 7H2O/ litro en vez de 44.22 g/l); ph 2.5;


- Se incuba los tubos con las diferentes diluciones hasta que muestran por coloracin el desarrollo de bacterias (hasta el lmite de la dilucin); temperatura 30-35C;

- Se evala el crecimiento de Thiobacillus Ferrooxidans por medio de la oxidacin de Fe2+ a Fe3+ o sea el cambio del color de la solucin nutriente a amarillo o marrn (efecto de concentracin).

- Los resultados en los lmites de las diluciones que se recibe despus de la incubacin, se utilizan para la bsqueda del nMP segn las tablas respectivas de Mcgrady.

Un ejemplo:

- Cinco tubos paralelos de cada dilucin (1:106 = 10-6 del cultivo original, 1:107 = 10-7 del cultivo original, 1:108 = 10-8 del cultivo original).

- incubados durante un tiempo con 35C, muestran los resultados siguientes: - 5 tubos positivos de la dilucin 10-6 5- 2 tubos positivos de la dilucin 10-7 2- 0 tubos positivos de la dilucin 10-8 0

El agrupamiento de los nmeros de los resultados es 5 2 0. Con este nmero compuesto se entra en la tabla correspondiente de Mcgrady y se encuentra el nmero ms probable.

5.0

La interpretacin:

- En la dilucin 1:106 del cultivo original se encuentran como nmero ms probable 5.0 bacterias por mililitro.

El clculo del nMP para el cultivo original se realiza por divisin por el factor de la dilucin o sea 10-6:

Mientras tanto existen programas para computadoras sobre la base de frmulas matemticas de estadstica, con los cuales se ha desarrollado tablas para el nMP con diferentes lmites de confianza, por ejemp. 95% y 99%. Los resultados muestran una pequea discrepancia con respecto a la tabla de Mcgrady, la que se recomienda ac para los casos de aplicacin.


Para la determinacin de la poblacin de cultivos puros de thiobacillus thiooxidans, se utiliza la formacin de azufre que se produce por medio del metabolismo con tiosulfato, para reconocer la presencia de thiooxidans en las diluciones respectivas La solucin nutriente se muestra turbia despus del tiempo de incubacin a ~35C.

2.7.2. Contraste de fases para el microscopio

El contraste de fases para el Microscopio (segn zernike) mejora mucho las observaciones de bacterias y el conteo de poblaciones de cultivos.

Las bacterias como Thiobacillus Ferrooxidans son objetos tan delgados, y sin coloracin especial, que resulta bastante difcil la observacin por luz trasmitida de estos microorganismos. La absorcin, la difraccin de la luz y el ndice de refraccin de las bacterias como objetos, no son lo suficientemente fuerte para la fcil observacin respectiva.

El mtodo de contraste de fases aprovecha la diferencia en la densidad ptica (ndice de refraccin) del objeto (bacteria) y la difraccin de la luz por el objeto.

Por el condensador los objetos son iluminados con luz en forma de un anillo concentrado. En el plano focal del objeto del microscopio, donde est enfocado este anillo de iluminacin del condensador, se encuentra una pequea placa de fase que cambia la fase de la luz paralela, la que pasa sin contacto con objetos.

El cambio de la fase de luz paralela (luz del fondo) por la placa de fase resulta de modo que la diferencia de la fase de la luz del objeto alcanza 180. Por la coloracin gris de la placa de fase del objetivo se reduce la amplitud de la luz del fondo y alcanza un valor parecido al de la luz del objeto. En el plano de la imagen de interferencia resulta el objeto obscuro por la interferencia de los vectores de la luz y el fondo resulta claro. El mejor contraste de fases se recibira con luz monocromtica. En la prctica se utiliza luz verde por la adaptacin ptima al sistema ptico del microscopio.

2.7.3. Poder resolutivo y aumento

La eficacia de un microscopio es caracterizada por los parmetros del poder resolutivo y del aumento.

Para recibir una imagen de interferencia, que permita la observacin de objetos, es necesario que el 1er. orden de la luz difractado entre en la apertura del objeto.

Dos puntos de un objeto pueden ser observados separados, cuando su distancia es ms grande que

Donde

Mientras ms grande es la longitud de onda utilizada para la observacin, ms grande tiene que ser la distancia de dos puntos que se quiere observar separados en una imagen.

La apertura numrica resulta hasta 1.0 para objetivos secos y hasta 1.4 para objetivos de inmersin.

El poder resolutivo se define como

Resulta que no se puede separar estructuras que son notablemente ms pequeos que la longitud de onda aplicada para la observacin.

El microscopio con luz visible tiene de este modo sus limitaciones con ~ 0.2 m de distancia de dos puntos. Por la limitacin del poder resolutivo solamente es til el aumento hasta un cierto lmite. Este lmite del aumento total se encuentra entre 500 y 1000 veces la apertura numrica del objetivo.

El objetivo de inmersin tiene una apertura numrica de A = 1.4El aumento mximo que es til en este caso de A, llega hasta 1400

un aumento mayor no sirve para el poder resolutivo y el aumento de 1400 es provechoso slo con aceite de inmersin y el objetivo correspondiente.

2.8. TRANSFERENCIA DE ENERGA EN SISTEMAS BIOLGICOS

un mayor problema de vida es la transferencia de energa desde una fuente al organismo y la utilizacin de parte de esa energa para su crecimiento, multiplicacin y otros procesos biolgicos. Los compuestos fosforosos juegan un rol importante en los fenmenos de transferencia de energa. El mantenimiento de sistemas biolgicos aproximadamente a temperatura y presin constantes requieren la transferencia de energa desde reacciones exergnicas (exotrmicas) a reacciones endergnicas (endotrmicas). un mecanismo lgico para tales procesos incluye un acoplamiento de las reacciones exergnicas y endergnicas por medio de un compuesto comn a ambas reacciones.


Es universalm

libro final biolixiviacion final rv

Documents