بیولیچینگ چیست ؟

بیولیچینگ، یکی از کاربرد‌های بیوتکنولوژی در صنعت است که روشی برای استفاده از میکروارگانیسم‌ها برای جدا کردن فلزات با ارزش از کانسنگ می‌باشد. این تکنیک می‌تواند برای جداسازی فلزات ارزشمند مانند طلا نیز مورد استفاده قرار بگیرد.

کاربرد بیولیچینگ چیست ؟

سابقه استفاده از این تکنولوژی به سال‌های ۱۹۵۰ برمی‌گردد. توسعه این روش در دنیا به حدی بوده‌است که امروزه در آمریکا بیش از ۲۰ درصد از استخراج مس به روش میکروبی می‌باشد. در بسیاری از کشورهای دیگر از جمله شیلی، ایران، استرالیا، آفریقای جنوبی، کانادا، چین، پرو و دیگر مناطق از این تکنیک برای بازیابی فلزات اصلی و گرانبها استفاده می‌شود.

به دنبال توسعه این فناوری، امروز دامپ‌های بیولیچینگ روش بسیار کم‌هزینه‌ای برای جداسازی مس از توده اصلی به شمار می‌آیند و از نظر مقرون به صرفه بودن، هیچ روش دیگری با این روش مقایسه نمی‌شود. علاوه بر موفقیت اقتصادی دامپ‌های بیولیچینگ، نیاز به عملیات بسیار کمی برای آماده‌سازی دامپ‌هاست.

بیولیچینگ اورانیوم نیز در قدیم به کار می‌آمد و امروزه به دلیل کاهش نرخ اورانیوم و تحریم استفاده از آن در صنایع هسته‌ای، کاربرد آن کمتر شده است.

برخی ازکابرد‌های دیگر بیولیچینگ

بیولیچینگ می تواند سموم سولفات معدن را بدون آسیب رساندن به محیط زیست تثبیت کند. انتشار دی اکسید گوگرد سمی به محیط زیست آسیب می‌رساند و می تواند مشکلات سلامتی را برای معدنچیان ایجاد کند و بیولیچینگ به طور کامل از این فرآیند جلوگیری می‌کند.

بیولیچینگ نسبت به فرآیندهای ذوب مقرون به صرفه تر است. در مواردی مانند اکسیداسیون آهن، در محدوده pH 2-3 ، اکسیداسیون باکتریایی آهن حدود 100 برابر سریعتر از اکسیداسیون شیمیایی آهن است.

چه میکروارگانیسم هایی در بیولیچینگ استفاده می‌شوند؟

Thiobacillus

توانایی اکسیدکنندگی تیوباسیلوس‌ها، باعث شده ‌است که از آنها بتوان در استخراج صنعتی سولفید فلزهایی مانند مس و طلا استفاده کرد.

تیوباسیلوس جنسی از باکتری‌های اتوتروف گرم منفی و بدون اسپور هستند که در شرایط هوازی رشد می‌کنند و اکسید کننده آهن یا گوگرد می‌باشند که هنگامی که محیط مناسبی برای رشد داشته باشند، انرژی مورد نیاز و غذای خود را از اکسیداسیون گوگرد و آهن به دست می‌آورند.

باکتری‌های جنس تیوباسیلوس که تاکنون ۲۰ گونه از آنها شناسایی شده‌اند، مهمترین اکسیدکنندگان گوگرد در خاک‌ها می‌باشند. این باکتری‌ها با اکسید کردن گوگرد ضمن تامین سولفات مورد نیاز گیاه، با کاهش اسیدیته خاک در اطراف ریشه‌ها باعث افزایش حلالیت عناصر ریز مغذی در خاک می‌شوند.

T. ferrooxidans و T. thiooxidans معروف ترین تیوباسیلوس‌هایی هستند که در بیولیچینگ از آن‌ها استفاده می‌شود.

Leptosperillum

استفاده از باکتری‌ها در بیولیچینگ فقط محدود به باکتری تیوباسیلوس نمی‌شود. L. ferrooxidans یکی دیگر از باکتری‌های اکسید کننده آهن است.

این میکروارگانیسم مقادیر pH کمتر و غلظت‌های بالاتر اورانیوم، مولیبدن و نقره را نسبت به T. ferrooxidans که یک باکتری تیوباسیلوس است تحمل می‌کند، اما نسبت به مس حساس‌تر است و قادر به اکسید کردن گوگرد یا ترکیبات گوگردی نیست و به همین علت معمولا همراه با باکتری تیوباسیلوس استفاده می‌شود.

این دو باکتری، باکتری‌های مزوفیل هستند که در دمای 25 تا 35 درجه سانتیگراد بهترین رشد را دارند.

در آخر، باکتری‌های ترموفیل، باکتری ها و قارچ‌های هتروتروف می‌توانند در شست و شوی فلزات و جداسازی آن‌ها نقش داشته باشند. البته باید در نظر داشت که هر کدام از این میکروارگانیسم‌ها شرایط خاص خود را برای رشد نیاز دارند.

فلزات استخراج شده توسط بیولیچینگ

طلا(Gold)
مس(Copper) رایج ترین آنهاست
نقره(Silver)
کبالت(Cobalt)
اورانیوم(Uranium)
روی(Zinc)
نیکل(Nickel)

روش‌های انجام بیولیچینگ

روش‌های آزمایشگاهی بیولیچینگ

• Percolator leaching

اولین آزمایشات در مورد شستشوی باکتریایی در پرکولاتورهای بالابر هوایی انجام شد. در ساده ترین حالت، پرکولاتور از یک لوله شیشه‌ای تشکیل شده است که در قسمت پایینی آن با صفحه غربال قرار گرفته و با ذرات سنگ معدن پر شده است .

در ادامه سنگ معدن با مواد مغذی مورد نیاز باکتری و گونه باکتری مورد نظر شست و شو داده می‌شود. برای نظارت بر روند فرآیند بیولیچینگ، نمونه‌های مایع در فواصل زمانی گرفته می‌شود و وضعیت فرآیند لیچینگ بر اساس اندازه‌گیری pH، بررسی‌های میکروبیولوژیکی و آنالیز شیمیایی فلزات وارد شده به محلول تعیین می‌شود.

• Submerged leaching

در این روش از بیولیچینگ نظارت و کنترل دقیق تر پارامترهای مختلف باعث رشد و فعالیت باکتری‌ها می‌شود به طوری که زمان واکنش به طور قابل توجهی کوتاه شده و استخراج فلز به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. این نوع از لیچینگ را می‌توان در فلاسک‌های ارلن یا به روشی پیچیده‌تر در بیوراکتور انجام داد.

• Column leaching

لیچینگ ستونی همانند لیچینگ پرکولاتور عمل می‌کند. ظرفیت آنها از چند کیلوگرم تا چند تن متغیر است. در فواصل مختلف، اکثر سیستم‌های ستونی دارای دستگاه‌هایی برای نمونه‌برداری یا نصب ابزارهای ویژه برای اندازه‌گیری دما، pH، رطوبت، اکسیژن یا دی اکسید کربن هستند.

روش‌های صنعتی بیولیچینگ

در حال حاضر بیولیچینگ در مقیاس صنعتی برای تصفیه سنگ‌های با عیار پایین استفاده می‌شود که عموماً حاوی غلظت فلزات زیر 0.5 درصد (وزنی/وزنی) هستند و شامل روش‌های زیر می‌شود:

• Dump leaching
• Heap leaching
• Underground leaching
• Tank leaching

بیولیچینگ چگونه کار میکند؟

انواع مختلفی از فرآیندهای بیولیچینگ وجود دارد. رایج ترین روش‌های بیولیچینگ به این صورت عمل می‌کنند که از باکتری‌هایی که از ترکیبات غیر کربنی انرژی دریافت می‌کنند استفاده کرده و با بازیابی کانی‌های سولفیدی فلزات را از سنگ معدن استخراج می‌کنند.

بیولیچینگ مستقیم

در شستشوی مستقیم باکتری، تماس فیزیکی بین سلول باکتری و سطح سولفید معدنی وجود دارد و اکسیداسیون به سولفات از طریق چندین مرحله کاتالیز شده آنزیمی انجام می‌شود. اگر بخوایم کلیه واکنش‌های انجام شده توسط باکتری در روش مستقیم خلاصه کنیم واکنش زیر بدست می‌آید:

MeS + 2O2 –>  MeSO4

در این واکنش ، Mes نماد سولفید فلز است.

بیولیچینگ غیر مستقیم

در بیولیچینگ غیرمستقیم، میکروارگانیسم‌ها در طول فرآیند در تماس مستقیم با مواد معدنی نیستند. با این حال، عوامل لیچینگ که سنگ معدن را اکسید می‌کنند تولید شده توسط میکروب‌ها هستند. یک مثال شناخته شده از فرآیند بیولیچینگ غیرمستقیم، استخراج اورانیوم از سنگ معدن است.

MeS + Fe2 (SO4 )3 –> MeSO4 + 2FeSO4 + S

گوگردی که ایجاد می‌شود ممکن است توسط T. ferrooxidans به اسید سولفوریک اکسید شود، اما اکسیداسیونی که توسط T. thiooxidans که اغلب همراه با T. ferrooxidans است، اتفاق می افتد بسیار سریعتر است.

2S + 3O2 + 2H2O –> 2H2SO4

به طور کلی می‌توان گفت نقش T. thiooxidans در این روش به این صورت است که محیطی اسیدی مطلوب را برای رشد باکتری‌های های اکسید کننده آهن مانند T. ferrooxidans و L. ferrooxidans تامین می‌کند.

پس از انجام واکنش‌های گوناگون توسط این میکروارگانیسم‌ها، شستشوی باکتری در محیط اسیدی در pH بین 1.5 تا 3 انجام می‌شود که در آن بیشتر یون های فلزی در محلول باقی می‌مانند و قابل جمع‌ آوری می‌باشند.

فاکتور‌هایی که بازده بیولیچینگ را افزایش می‌دهند

حداکثر بازده استخراج فلز تنها زمانی حاصل می‌شود که شرایط شستشو(leaching) با شرایط رشد بهینه باکتری‌ها مطابقت داشته باشد.

• مواد مغذی

میکروارگانیسم‌هایی که برای استخراج فلز از مواد سولفیدی استفاده می‌شوند، باکتری‌های کمولیتوآتوتروف هستند و بنابراین فقط ترکیبات معدنی برای رشد مورد نیاز هستند. به طور کلی مواد مغذی معدنی از محیط و از موادی که قرار است leach شوند به دست می آیند. برای رشد بهینه، ترکیبات آهن و گوگرد را می توان همراه با نمک های آمونیوم، فسفات و منیزیم تکمیل کرد.

• O2 و CO2
• PH
• دما

دمای بهینه برای اکسیداسیون آهن و سولفید توسط T. ferrooxidans بین 28 تا 30 درجه سانتی گراد است. در دماهای پایین‌تر کاهش استخراج فلز رخ می‌دهد، در دماهای بالاتر (50 تا 80 درجه سانتیگراد) می توان از باکتری های ترموفیل برای اهداف شستشو استفاده کرد.

• بستر معدنی (Mineral substrate)

کانی که قرار است باکتری بروی آن واکنش دهد بسیار مهم است و حتی اندازه ذرات آن نیز اهمیت دارد. اندازه ذرات حدود 42 میکرومتر به عنوان اندازه بهینه در نظر گرفته می‌شود.

نویسنده: زهرا جهان‌بخش

منابع:

1. https://www.angloamerican.com/futuresmart/stories/our-industry/mining-explained/mining-terms-explained-a-to-z/bioleaching-definition-and-process#:~:text=Bioleaching%20(or%20biomining)%20is%20a,such%20as%20bacteria%20or%20archaea.
2. https://academic.oup.com/femsre/article/20/3-4/591/517205