Mikrobiyal Liçing

GİRİŞ

Mikroorganizmalar mineral kaynaklarının oluşması ve çözülmesinde önemli rol oynar Mineral aranması ve zenginleştirilmesinde biyoteknolojik yöntemlerin kullanılması popüler hale gelmiştir Mikrobiyal liçing; mikroorganizmalar yaratımıyla maden cevherlerinden metallerin kazanılması işlemidir Düşük kaliteli cevherlerden metallerin geri kazanımın da kullanılan kimyasal metodlar ekonomik olmamaktadır Dünya genelinde yüksek oranlarda bulunan düşük kaliteli, bakır cevherlerinin göreneksel kimyasal metodlarla elde edilmesi zor ve pahalı olduğundan, bunların eldesinde mikrobiyal liçing kullanılır

Son yıllarda geliştirilen mikrobiyal liçing yöntemleri metalik hammaddeler için çok önemlidir Klasik yöntemler ile çözünürleştirilmeyen veya parçalanamayan fakir cevherler ve endüstri atıkları mikoorganizmalar ile ekonomik biçimde geri kazanılmaktadır Bakterilerin yaptığı iş suda çözünmeyen filizleri suda çözünür hale getirmektir Bakteriyal liçing daha çok uranyum ve bakır kazanımın da kullanılır Dünya yüzeyinde kayda değer ölçülerde bulunan Ni, Zn, Cd, ve Co eldeleri içinde bir dizi liçing yöntemleri geliştirilmiştir

Bu yöntem bir asidik su içiren bir maden yatağına boru hattı döşeme sırasında meydana gelen bir patlama sonucu ortaya çıkmış ve geliştirmeler sonucunda düşük dereceli maden cevherlerinin geri kazanımı sağlanmıştır

LİÇİNGDE KULLANILAN ORGANİZMALAR

Mikrobiyal liçingde kullanılan en yaygın 2 tane bakteri Thiobacillus thiooxidans ve Thiobacillus ferrooxidans’tır Ayrıca Thiobacillus concretivoru, Thiobacillus concretivorus, Pseudomonas fluorescens, P putida, Achromobacter, Bacillus licheniformis, B Cereus, B luteus, B polymyxa, B megaterium ve birçok termofilik bakterilerden Thiobacillus thermophilica, Thermothrix thioparus, Thiobacillus TH1, ve Sulfolobus acidocaldarius kullanılmaktadır Heterotrafik mikroorganizmaların kullanımı gelişmektedir Termofilik bakterilerin liçing uygulamalarını hızlandırmasının en büyük etmeni hızlı gelişim oranının varolmasıdır

MİKROBİYAL LİÇİNG KİMYASI

Thiobacillus ferrooxidans çok pahalı çalışmayı gerektiren bir bakteridir Bu bakteri mezofil, spor oluşturmaz, hareketli Gr(-), çubuk şeklinde olup C,5-C,8 m X 1,0-2,0 m boyutlarındadır Ototrofik aerap olup C ihtiyacını havadaki CO2’in fixasyonundan sağlar Enerji kaynağı olarak ise Fe2+  Fe3+’ya oksidasyonunudan veya elementel kükürt veya indirgenmiş kükürt bileşiklerinden sağlar

En yaygın kullanılan mikrobiyal liçing proseslerinin amacı az çözünen veya çözünmeyen metal bileşiklerini metal sülfatlar haline getirip çözünürleştirmektir Bunun için 2 şekilde uygulama çeşidi varadır: Direkt ve indirekt mikrobiyal liçing

1 Direkt Mikrobiyal Liçing:

4 FeSO4 + 2H2 SO4 + O2  2Fe2(SO4)3 + 2H2O [1]

2S0 + 3O2 + 2H2O  2H2SO4 [2]

2FeS2 + 7O2 + 2H2O  2FeSO4 + 2H2SO4 [3]

Çözünmez haldeki sülfürün sülfirik aside aksidasyonu, sülfürle direkt kontak halindeki Tferroxidans sayesinde gerçekleştirilir

T ferooxidans tarafından gerçekleştirilen [3] nolu reaksiyon direkt mikrobiyal liçing: göstermektedir

Demir cevherinin yanında bakır, kurşun, nikel, kobalt, molibden ve çinko cevherleride Tferroxidans sayesinde oksitlenebilirler

MeS + 2O2  Me SO4

2 İndirekt Mikrobiyal Liçing

İndirekt liçingde, mikoorganizmalar liçing reaktifini üretir veya rejenere ederler Örneğin metal sülfür cevherleri mikrobiyal bir etki olmaksızın Fe3+ iyonları tarafından oksitlenip liçing gerçekleştirilebilir

MeS + Fe2 (SO4) MeSO4+S0

Reaksiyonda indirgenen demirin tekrar Fe3+ haline dönüştürülmesi Tferroxydans tarafından sağlanır Bakteri bu prosese doğrudan karışmayıp bir katolitik fonksiyon görür Bakteriyel oksidasyon kimyasal oksidasyondan yaklaşık 1 milyon kat hızlıdır

[2] nolu reaksiyonun oksitlenmesi Tthiooydans tarafından çok daha hızlı oksitlenirler Bu tepkimeden de anlaşılacağı üzere sülfirik asit oluşumu katalizlediğinden, liçing için asidik koşulların sağlanması önemlidir

Bakteri Aktivitesine Etki Eden Etmenler

1 Besi Ortamı

Besi ortamının kimyasal ve minerolojik bileşimi çok önemlidir Liçing koşulları ve bakteriyel büyüme koşulları çakışıyorsa maksimum metal verimine ulaşır

Enerji veren demir ve kükürt bileşiklerinden başka magnezyum ve amonyum tuzları, fosfatlar ve sülfatlar esansiyel mineral bileşenleridir

Anorganik bileşiklerin bazıları liçing çözeltisinde bulunur Eğer ortamda yeterli değillerse bir miktar katılırlar Pirit(FeS2) ilave edilirse indirekt liçing hızlanır Çok yüksek konsantrasyonda Fe3+ varlığı kompetitif bir inhibisyona neden olur

Tiyobasiller besi ortamı için problemlidir Mikrobiyal liçingden maksimum verim elde etmek için liçing sırasında O2 transportu yeterli hızla sağlanmalı ve bu transportu etkileyen faktörlere dikkat edilmelidir

2 pH ve Redoks Potansiyeli

Optimum büyüme koşullarındaki pH’nın liçing çalışma koşullarına uyması idealdir En uygun pH 2-25 arasıdır, kükürt ve Fe2+ oksidasyonu da bu pH lara uygundur Eğer pH 2’nin altına inerse T ferroxydans aktivitesi düşer

Aerobik bir bakteri olduğu için Tferroxydans pozitif bir redoks potansiyeline ihtiyaç duyar Redoks potansiyeli logaritmik büyüme fazı sonuna doğru 600 mV a ulaşır

3 Sıcaklık

Fe+2 ve kükürdün mikrobiyal oksidasyonu için optimum sıcaklık 28-35oC arasıdır Tferrooxydans’ın büyümesi için de bu sıcaklık aralığı uygundur Daha düşük sıcaklıkta büyüme yavaşlar, daha yüksek sıcaklıklarda ise termofil bakteriler kullanılır

4 Liçing Materyalinin Kimyasal ve Mineralojisi

Materyal yüksek oranda karbonat içerirse pH artar ve dolayısı ile liçing aktivitesi düşer ve giderek durur Bunu engellemek için ortama asit ilavesi gereklidir Mineral bileşimi büyüme ortamının ihtiyacını tam olarak karşılayamaz bazı mineraller dışarıdan ilave edilir

5 Substrat Konsantrasyonu ve Partikül Büyüklüğü

Liçing hızı liçing edilecek substratın yüzey büyüklüğü ile orantılıdır Partikül boyutu ne kadar küçük ise toplam partikül yüzey o derece yüksektir, spesifik partikül yüzeyi artar, böylece liçing verimi de artar Bu bilgiler kükürtlü cevherler için geçerli olup düşük tenörlü cevherleri kapsamaz

Substrat konsantrasyonunu artırarak da partikül toplam yüzeyi büyütülebilir Bu durumda paktikül kütlesi de artar Fakat substrat konsantrasyonunun artırılması belirli bileşiklerin konsantrasyonlarının artmasına neden olur ki bunların bazılar tiyobasillerin üremesi için toksik etki veya inhibisyon gösterebilir Pratikte her liçing denemesi için partikül büyüklüğünün ve substrat konsantrasyonunun optimize edilmesi gerekir

6 Yüzey Aktif Maddeler ve Ekstrasksiyon Maddeleri

Eskiden bu maddelerin ilavesinin liçingi hızlandırdığına yani tiyobasillerin üremesini artırdığına inanılırdı Fakat 1975 ten sonra yapılan çalışmalarda bunun tamamen yanlış olduğu tesbit edilmiştir

Yüzey gerilimi çok düşeceği için O2 kütle transferi çok yavaşlar Bunun sonucunda bakteriyel gelişme sürekli olarak inhibe olur Benzer bir etki ekstraksiyonda kullanılan organik çözgenler için de geçerlidir Organik fazdan metal iyonunun geri alınması yeniden sulu faza çekme şeklinde olur Eğer bakteriyel liçing ve çözgen ekstaksiyonu birlikte uygulanır ise problem çıkabilir En önemli problem organik çözgen fazının tam olarak ortamdan ayrılmamasıdır Sulu fazdan kalan organik çözgen bakterinin büyümesini inhibe eder

7 Ağır Metaller

Birçok ağır metal iyonu çok düşük konsantrasonlardan bile toksik etki gösterebilir Tiyobasiller ağır metallere çok toleranslıdır Bununla birlikte bu etkilerin daha önceden bilinmesi gerekir

8 Işık

Tiyobasiller ışığa çok duyarlıdır Özellikle UV ve görünür ışığın ultraviyoleye yakın bölgesi tiyobasillere çok etkilidir

Mikrobiyal Liçing Prosesleri

Optimumu liçing koşulları sadece laboratuar koşulları için tespit edilmiştir Liçing koşullarının optimizasyonu pilot tesislerde tespit edilir ve daha sonra endüstriyel boyutta uygulanır

Optimizasyon da kullanılan parametreler;

- O2 ve CO2 temini

- Materyalin nem oranı

- pH gradienti

- Sıcaklık gradienti

- Fe3+ tuzu çöktürmeleri

- Partikül büyüklüğü

- Partikül parçalanması ve partikül göçü

- Geçirgen olmayan tabakaların oluşup, oluşmadığı

Mikrobiyal liçingin teknik uygulamalarının esas işlem sırası şöyle gerçekleşir;

1- Cevherlerin öğütülmesi

2- Cevherlerin bakteri süspansiyonu ile uygun şekilde sulandırılması

3- Sıvının biriktirilmesi

4- Çözünmüş metalin extraksiyonu

Bakteriyel liçing porsesinin ana şeması

NOT:Mikrobiyal liçing sonucu oluşan atık sular boş arazilere boşaltılmamalıdır

Mikrobiyal liçing uygulandığı yüze şekillerine göre 3’e ayrılır

a)Meyilli yüzeyde liçing b Kümesel yüzeyde liçing c İn-situ liçing

Mikrobiyal Liçingin Teknik Uygulamaları

Mikrobiyal Liçingin Teknik Uygulamaları

1 Bakır Cevherinin Biyoliçingi

Günümüzde dünya bakır üretiminin yaklaşık %10’u bakteriyel düşük kalite cevherlerin bakteriyel liçingi ile gerçekleştirilir Bütün bakır işleticileri bir entegre yığma-boşaltma veya onların maden çıkarma veya porsesleme aktivitesini artıran in-situ liçing porseslerini uygular

En önemli bakır cevherlerinden biri olan kalkosit aşağıdaki denkleme göre bakteri tarafından çözünürleştirilir

Cu2S + 5/2 O2 +H2SO4 Bakteri 2CuSO4 + H2O

Bu denklem iki basamakta gerçekleşir

a) Cu2S + ½ O2 + H2SO4 bakteri CuS + CuSO4 + H2O

b) CuS + 2O2 bakteri CuSO4

Diğer bakır sülfür cevherleri bornit (Cu5FeS4), kubanit (CuFe2S3) ve kalkopirit (CuFeS2), enargit (Cu3AsS4) ve kovellittir (CuS)

2Uranyum Cevherlerinin Biyoliçingi

Mikrobiyal uranyum liçingi daha çok terk edilmiş uranyum ocaklarında uygulanır Endüstriyel olarak bakteriyel liçing prosesleri ile cevherlerden uranyum ekstrakte edilir Ekstraksiyonun kimyası çözünmeyen dört değerlilikli uranyum oksitlenerek çözünen altı değerlikli durumuna değişimi ile ifade edilir

UO2 + Fe2 (SO4)3+2H2SO4 U4[UO2(SO4)3] + 2 FeSO4

FeSO4 daha önce belirtildiği gibi bakteriyel oksidasyon ile Fe2(SO4)3 a dönüştürülür

SONUÇ

Mikrobiyal liçing düşük kalitedeki cevherlerden metal kazanımın da kullanılan ve klasik yöntemlere göre ekonomik olan bir uygulama çeşididir Bu yöntemle özellikle altın, gümüş gibi pahalı ve uranyum gibi stratejik elementlerin eldesinde büyük önem taşımaktadır Bakır ve uranyum eldesinde özellikle in-situ liçing yöntemi uygulanmaktadır Endüstriyel olarak Çinko, Nikel Cobalt ve Molibden üretimi için mikrobiyal liçing uygulamalarının yaygınlaştırılacağı kesin gibi gözükmektedir Ayrıca mikrobiyal liçingle atıklardan metallerin geri kazanımı için alternatifsiz bir yöntemdir

Çizelge : Mikrobiyal Liçingin Potansiyel Uygulama Alanları

Mikrobiyal liçing tesisleri maden yataklarının yanına kurulmalıdır Böylece transport masrafları indirgenmiş olur Mikrobiyal yöntem klasik yöntemlerden daha ekonomiktir Detaylı teknik bilgi gerektirmez, ayrıca yüksek teknolojiye gerek yoktur Bu nedenlerden dolayı yer altı kaynakları bakımından zengin ve gelişmekte olan ülkeler için çok iyi bir yöntemdir