El objetivo principal del estudio fue estudiar la dinámica de las distintas poblaciones bacterianas presentes en el cultivo utilizado a lo largo de la biolixiviación de la pirita. Con este fin se decidió implementar la técnica de identificación molecular CARD-FISH, para evaluar tanto la población en la solución de biolixiviación como la adherida al mineral. En particular, se estudiaron las siguientes cepas bacterianas: Acidithiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans y Sulfobacillus thermosulfidooxidans. El trabajo aquí presentado consistió en analizar la biolixiviación de una muestra de pirita pura, durante 600 hrs a 30ºC, utilizando un cultivo de microorganismos mixto proveniente de un proceso de biolixiviación de Minera Escondida. Para esto, se monitorearon distintos parámetros de la biolixiviación, como el pH, Eh, Fe(II) en solución, fierro total, sulfato en solución y recuento directo de bacterias en solución. Los principales resultados obtenidos en este estudio son la determinación de la alta capacidad de adherencia de cultivo (90% de adherencia) y la alta eficiencia extractiva del cultivo utilizado medida como el fierro y azufre recuperado. Además, por medio de CARD-FISH fue posible conocer la abundancia relativa de cada cepa, y así establecer que el microorganismo con mayor capacidad de adherencia, con mayor crecimiento en solución y más abundante hacia al final de la experiencia fue At. ferrooxidans, siendo por estos motivos catalogada como la cepa más eficiente el el proceso de biolixiviación de pirita a 30ºC. Del mismo modo se determinó que la bacteria menos eficiente en este experimento fue S. thermosulfidooxidans. Basándose en los resultados obtenidos y en las discusiones propuestas se concluye que la técnica de CARD-FISH fue posible comprender la dinámica de las poblaciones presentes en el proceso de biolixiviación de la pirita, por lo que se recomienda la utilización de esta técnica para el monitoreo de este tipo de operaciones.

La biolixiviación de minerales de cobre es un proceso que ha sido ampliamente estudiado debido principalmente a la importancia económica que tiene el optimizar este tipo de procesos para así lograr una mayor recuperación del mineral deseado. El mineral sulfurado de cobre más abundante es la calcopirita, pero a su vez el más difícil de lixiviar: la acumulación de partículas insolubles sobre la superficie del mineral produce la formación de una capa impermeable, la cual impide la correcta difusión de los compuestos lixiviantes hacia el mineral, volviéndola ineficiente. Un estudio anterior realizado en nuestro laboratorio, “Non-Homogeneous Biofilm Modeling Applied to Bioleaching Processes” [1], estudia el fenómeno de acumulación de partículas de azufre insolubles sobre la superficie del mineral y sus consecuencias en la biolixiviación del mineral. Sin embargo, no toma en cuenta la precipitación de otro compuesto insoluble: la jarosita. El objetivo de este trabajo es estudiar el fenómeno de precipitación de jarosita sobre la superficie, específicamente, de calcopirita y analizar el efecto que podría tener en la biolixiviación la formación de una capa impermeable de este compuesto. Para esto se incorporan al modelo ya estudiado las variables que definen este fenómeno, tal como los compuestos involucrados y reacciones con sus respectivos parámetros. Lo primero que se debió analizar fue el fenómeno de precipitación de jarosita. De esta forma los resultados obtenidos pueden ser comparados con curvas experimentales y así realizar los ajustes de parámetros que sean necesarios en el modelo para lograr obtener curvas similares. Los resultados obtenidos muestran una clara tendencia en el crecimiento de la capa de jarosita sobre la superficie del mineral y en la mayoría de las curvas puede observarse la ausencia de una “etapa inicial”. En algunos casos no se logró llegar a la “etapa estacionaria” debido a la larga duración de la “etapa de crecimiento”. Sin embargo fue posible obtener curvas similares a la teórica en términos de duración del fenómeno, las cuales fueron utilizadas para llevar a cabo las simulaciones incorporando la acumulación de azufre y formación de la biopelícula de microorganismos. Se observó la relevancia del parámetro constante k en la obtención de distintos resultados. La variación en su orden de magnitud permitió obtener curvas muy distintas unas de otras. En el caso de los tres fenómenos ocurriendo simultáneamente, se tiene que la precipitación de jarosita se incrementa al momento que las bacterias se van multiplicando. Se cree que esto puede deberse a la presencia de ión Fe3+ en los alrededores de estas, el cual es utilizado por la cinética de formación de jarosita.

Doctora en Ciencias de la Ingeniería, Mención Química / El presente proyecto de tesis aborda un enfoque de Biología de Sistemas para el modelamiento metabólico de microorganismos biomineros. El trabajo se centra en el estudio de tres microorganismos fundamentales en procesos de biolixiviación, los cuales coexisten formando comunidades microbianas: Leptospirillum ferrooxidans, Leptospirillum ferriphilum y Ferroplasma acidiphilum. Con el propósito de entregar una herramienta para comprender el funcionamiento de éstos sistemas biológicos y determinar las principales interacciones que se presentan en estos consorcios microbianos, el objetivo principal de este trabajo fue obtener un mapa metabólico representativo para estos microorganismos en cultivo puro y mixto. Para el desarrollo de los modelos estequiométricos se realizó una reconstrucción metabólica basada en información disponible en literatura y bases de datos. En cada caso, dicha reconstrucción estuvo constituida por las principales vías de consumo de nutrientes y generación de productos, metabolismo central, síntesis de unidades estructurales, macromoléculas y finalmente biomasa. La primera parte de este trabajo trata de la reconstrucción metabólica desarrollada para Leptospirillum ferrooxidans, la cual fue evaluada a través de Análisis de Flujos Metabólicos (MFA) con datos experimentales obtenidos de literatura. Bajo las condiciones estudiadas, el modelo entregó predicciones consistentes con información de literatura para esta bacteria. Asimismo, el modelo desarrollado mostró un comportamiento estable al ser sometido a un análisis de sensibilidad imponiendo un error aleatorio en los datos de entrada. De esta manera, se concluyó que el modelo de L. ferrooxidans es capaz de reproducir in silico las principales características metabólicas de esta bacteria. En la segunda parte de este trabajo, se muestra la construcción de un modelo para L. ferriphilum, basado en la reconstrucción metabólica de L. ferrooxidans, para lo cual se consideraron las principales diferencias metabólicas entre ambas especies. Asimismo, se desarrolló el modelo metabólico de F. acidiphilum, y a través de una plataforma computacional para redes metabólicas, se implementaron los modelos estequiométricos de F. acidiphilum y L. ferriphilum de manera simultánea, con el fin de representar un cultivo mixto. A través de la metodología de Balance de Flujos Metabólicos (FBA), se evaluaron los modelos desarrollados para F. acidiphilum y L. ferriphilum, obteniendo como resultado datos consistentes con observaciones experimentales publicadas en la literatura. Asimismo, se utilizó el modelo de F. acidiphilum para evaluar su crecimiento en presencia de sustratos alternativos, con lo cual fue posible corroborar el comportamiento quimiomixotrófico del modelo metabólico de esta arquea, y obtener una noción de la composición adecuada del medio de cultivo para optimizar su crecimiento. Finalmente, la robustez de ambos modelos fue evaluada a través de simulaciones de knockouts sobre distintas enzimas del metabolismo central de ambos microorganismos, obteniendo resultados coherentes respecto a las enzimas claves para el crecimiento encontradas en información de literatura. En la última parte de este trabajo, se realizó una caracterización metabólica experimental de Ferroplasma acidiphilum BRL-115, ratificando su comportamiento quimiomixotrófico. Asimismo, a través de ensayos de crecimiento de cada microorganismo en presencia de sobrenadante del medio de cultivo del otro, se confirmó la tendencia sinergística de ambos microorganismos al desarrollarse en cultivo mixto. Finalmente, se realizaron ensayos de crecimiento en cultivo batch cíclico para la obtención de tasas de crecimiento y consumo de Fe2+ de F. acidiphilum en cultivo puro y mixto con L. ferriphilum, con los cuales se lograron resultados razonables al utilizarlos como datos de entrada en el modelo metabólico del cultivo mixto.

Ingeniero Civil Químico / La biolixiviación de cobre en pilas es un método en crecimiento para la extracción de minerales sulfurados. Es sabido que a medida que aumenta la temperatura, aumenta la extracción de cobre, ya que se activa la acción de microrganismos que pueden lixiviar la calcopirita. El presente trabajo de título es una evaluación técnica y económica, a nivel de pre factibilidad, realizada en JHG Ingeniería, sobre distintas tecnologías para calentar el refino que se riega a las pilas de biolixiviación ROM de una compañía minera. En particular, se analizan tecnologías de tres fuentes energéticas: fósil (calderas), eléctrica (calentadores) y solar (colectores cilindro-parabólicos). Estas tecnologías se dimensionaron para aumentar la temperatura del refino en 5 y 10 ºC cada vez que pase por el sistema de calentamiento, considerando un flujo de refino de 16.500 m3/h. La información del efecto del aumento de temperatura sobre la extracción de cobre fue provista por una empresa externa, tomando en cuenta la influencia de distintos factores como el flujo de riego, la mineralogía, el plan de carga de la pila, la cinética y la termodinámica de las reacciones de lixiviación, el balance de masa y de energía y por supuesto la variación de la temperatura del refino. Todas estas variables fueron dadas por las condiciones de operación de la minera en estudio, bajo acuerdo de confidencialidad. Los resultados de esta modelación indican que existe aumento en la extracción de cobre al aumentar la temperatura del refino en 5 y 10 ºC en 18.000 y 41.000 ton anuales respectivamente con respecto a la extracción base de 208.000 ton/año. La evaluación económica al calentar el refino en 5 y 10 ºC revela que la inversión es respectivamente de MUS$ 16,8 y 29,8 para las calderas, MUS$ 35,9 y 68,5 para los calentadores eléctricos y MUS$ 284,0 y 568,0 para los colectores cilindro-parabólicos. Esta última, a pesar de ser la tecnología de mayor inversión, es la que entrega el VAN más alto para el periodo de evaluación de 15 años; MUS$ 442,8 y 1.068,3.

Ingeniera Civil Química / Ingeniera Civil en Biotecnología / El presente trabajo tiene por objetivo el estudio de la acción catalítica del microorganismo termófilo moderado Sulfobacillus acidophilus en la biolixiviacion de calcopirita a 45ºC, con el fin de demostrar una mayor tasa de recuperación de cobre al elevar la temperatura de operación. Con este objeto, se realizó un estudio comparativo de la biolixiviación de calcopirita por un microorganismo mesófilo Acidithiobacillus ferrooxidans y el microorganismo Sulfobacillus acidophilus. El estudio consistió en la biolixiviación de un concentrado de calcopirita en frascos agitados a 30 y 45ºC para los cultivos mesófilo y termófilo moderado, respectivamente. Los frascos fueron monitoreados periódicamente por un periodo de 648 horas, para la medición de Eh, pH, Fe(II) y Fe total en solución, fierro precipitado, sulfato y cobre en solución. Las poblaciones de bacterias de ambos microorganismos (planctónicas y adheridas a los minerales) se cuantificaron utilizando tinción con DAPI y su evaluación en un microscopio de epifluorescencia. Además, mediante el análisis de los datos obtenidos de cobre en solución se determinaron las tasas de recuperación, y las respectivas etapas controlante del proceso según el modelo del núcleo sin reaccionar. Los resultados mostraron para ambas cepas una alta capacidad de adherencia sobre la calcopirita de aproximadamente 85%. Sin embargo, el porcentaje de recuperación de cobre y el tiempo de disolución total de la calcopirita () muestra una diferencia apreciable entre los cultivos. Se obtuvo un porcentaje de recuperación de 7,3% y 13,3% y valores de  de 20.833 y 6.944 días para A. ferrooxidans y S. acidophilus, respectivamente. Los resultados obtenidos permiten concluir que S. acidophilus no fue capaz de aumentar la tasa de recuperación de cobre, lo que se evidenció por obtener una tasa menor a la obtenida en el experimento control (sin microorganismo), a la misma temperatura de estudio. Esto debido a la mayor precipitación de jarositas en el cultivo inoculado, lo que pasivó el mineral. Estos resultados darían cuenta que los experimentos con S. acidophilus corresponderían a una lixiviación química y el aumento de éste rendimiento se atribuye al aumento de la temperatura de 30 a 45ºC, lo que aceleraría la reacción química.

Ingeniera Civil en Biotecnología / Ingeniera Civil Química / Este trabajo se enmarca en el contexto de la creciente industria de los fertilizantes fosfatados y su principal materia prima el ácido fosfórico, este ácido se obtiene en su mayor parte del ataque vía húmeda de la roca fosfórica con ácido sulfúrico. El presente trabajo contribuye al estudio de viabilidad y factibilidad de biolixiviación de fosfatos requerido por la empresa minera VALE S.A. El objetivo principal es estudiar la toxicidad que puedan presentar algunos de los distintos iones presentes en la solución obtenida de la lixiviación química de una muestra de mineral fosfatado, sobre la cepa Sulfobacillus thermosulfidooxidans. Se realizó un primer estudio de la toxicidad de los iones presentes en la solución obtenida de la lixiviación química, ajustada a 3 diferentes pH que se encuentran dentro del rango de operación del pH en pilas de lixiviación: 1,4; 1,8 y 2,03 . A estos cultivos se les monitoreó el pH, concentración de ion sulfato, concentración de ácido sulfúrico y se hizo recuento de células con el marcador fluorescente DAPI. De este estudio se concluyó que el crecimiento y actividad bacteriana fueron completamente inhibidos. Además se identificaron como posibles inhibidores el ion sulfato y el ion fosfato, iones que se encuentran en altas concentraciones. Un segundo estudio de biooxidación de azufre se realizó en presencia de concentraciones de ion sulfato crecientes, como sulfato de potasio (K_2 SO_4 ) con pH inicial 2,3. El objetivo fue determinar las concentraciones críticas de este ion a las que la actividad bacteriana se reduce al 50% y a la que es completamente inhibida. De este estudio se concluye que con una concentración de 70 mM de sulfato de potasio, la conversión de azufre elemental a ácido sulfúrico por parte de las bacterias se ve reducido al 50% de la conversión en un medio basal en ausencia de la sal. Y a los 200 mM de sulfato de potasio, la conversión se ve inhibida completamente. Finalmente, se realizó un estudio preliminar de la actividad bacteriana en presencia de una concentración de 12 [g⁄L] de ion fosfato y pH 2,3. Al cual se le monitorea solo la evolución del pH. Este estudio permite inferir que esta concentración resultaría tóxica para las bacterias, resultado que necesita ser confirmado mediante un estudio más exhaustivo.

En este trabajo de tesis se estudió la influencia catalítica de Sulfolobus metallicus en la biolixiviación de calcopirita pura a 70ºC y pH 1,5. La lixiviación se realizó en medio basal Norris en matraces agitados con muestras de calcopirita sintética y natural molida entre -80 # + 120# de Andina. Las muestras fueron caracterizadas monitoreando la concentración de cobre, ferroso, hierro total, sulfato y la población de células en la solución. Se utilizó difracción de rayos x (DRX) para caracterizar los sólidos. Se realizaron análisis por microscopía electrónica de barrido acoplado a espectroscopía de energía dispersiva (SEM-EDS) para determinar la adherencia de las células al mineral. Para evaluar separadamente la influencia de las células planctónicas y las células adheridas en el proceso catalítico, en algunos experimentos los microorganismos fueron impedidos de estar en contacto con la calcopirita manteniéndolos en una cámara separada. Complementariamente, se estudiaron las diferentes especies de azufre disueltas en solución por cromatografía lìquida a alta presión (HPLC) en condiciones abióticas con aire o nitrógeno y en condiciones de inoculación con Sulfolobus metallicus. Finalmente, se estudió a través de espectrografía fotoelectrónica de rayos x (XPS) los cambios superficiales que ocurren sobre la superficie de calcopirita sintética a 60ºC en ausencia (N2) y presencia de aire. Los resultados indicaron que en ausencia de hierro inicial en la solución, la máxima recuperación de cobre se obtiene cuando parte los microorganismos son capaces de adherirse a la superficie de la calcopirita, seguido por el caso abiótico aireado y finalmente el caso abiótico anaeróbico (donde casi no se produce disolución). Se determinó además que es necesaria la adherencia de una parte de la población de microorganismos a la superficie del mineral para aumentar la velocidad de lixiviación de la calcopirita y para mantener la población de microorganismos. Esta adherencia comienza en las grietas sobre la superficie y luego ocurre de manera heterogénea sobre la superficie. Se estableció que el mecanismo de acción de los S. metallicus sobre calcopirita podría ser el siguiente: una parte de los microorganismos que se han adherido a la calcopirita producen un compuesto intermedio, tiosulfato, que los microorganismos que quedan libres en la solución oxidan a sulfito y bisulfito que finalmente pasa a sulfato. Además, estos microorganismos oxidan Fe+2 a Fe+3 producido por la disolución de la calcopirita. En el caso en que se agrega inicialmente 1 g/l de Fe +3 a la solución, la máxima recuperación de cobre se obtiene en el caso abiótico aireado seguido por los casos inoculados y finalmente el caso abiótico anaeróbico. El mecanismo de disolución de la calcopirita es principalmente química. En los casos inoculados, los microorganismos toman el azufre o algún compuesto intermedio de azufre producido durante el proceso férrico de disolución como fuente de energía y además regeneran el Fe+2 a Fe+3. En cambio en los casos abióticos el mecanismo de disolución de la calcopirita viene dado por la reducción del oxígeno sobre la superficie del mineral y el hierro presente en la solución como ferroso (Eh bajo).

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Ingeniera Civil en Biotecnología / Ingeniera Civil Química / El presente trabajo de título tiene como principal objetivo caracterizar el comportamiento de la bacteria termófila moderada Sulfobacillus thermosulfidooxidans en la biooxidación de azufre elemental, para de esta forma contribuir a una mejor comprensión del comportamiento de este microorganismo en la producción de ácido sulfúrico; evalúa para ello su capacidad de oxidación y adherencia al azufre elemental con el objetivo de poder investigar la factibilidad técnica de la producción de ácido sulfúrico con este microorganismo a nivel industrial. Para lo anterior se utilizaron cultivos puros de Sulfobacillus thermosulfidooxidans en matraces agitados a 45°C en azufre en perlas estériles, con extracto de levadura. Se monitorearon periódicamente el pH, la concentración de ácido sulfúrico y sulfato en solución. Junto con lo anterior, se realizó el recuento de las células planctónicas y adheridas al azufre por medio de tinción DAPI, observación y recuento en un microscopio de Epifluorescencia. Los resultados indicaron que el proceso de biooxidación de azufre elemental con Sulfobacillus thermosulfidooxidans depende en gran medida de la concentración de las bacterias en la superficie del azufre, lo cual permitió el desarrollo de un modelo para que describe la cinética de este proceso. Con el modelo se estimo que el proceso es controlado principalmente por la difusión del oxigeno en el biofilm, requiriéndose 2000 horas para la completa oxidación del azufre. Asimismo, demostró que esta bacteria termófila moderada posee una alta capacidad azufre-oxidante, alcanzándose a las 312 horas de cultivo una concentración de 10,54 [g/L] de ácido sulfúrico. Junto con lo anterior, se demostró que S. thermosulfidooxidans posee un porcentaje de adherencia de 54% a la superficie del azufre elemental, además de un elevado crecimiento celular, tanto en la superficie del azufre como en la solución, cuantificándose a las 216 horas de cultivo 6,6x1011 y 2,9x1012 bacterias en suspensión y adheridas respectivamente, correspondientes al máximo número de microorganismos registrados. Por último, se determinó que el mecanismo por el cual estas bacterias oxidan el azufre es el mecanismo de lixiviación cooperativo, ya que tanto las bacterias planctónicas como las adheridas contribuyen a la oxidación del azufre elemental.

Magister en Bioquímica área de especialización en Bioquímica Ambiental / No autorizada por el autor para ser publicada a texto completo / Anualmente se producen en Chile más de cinco millones de toneladas de cobre fino, convirtiendo al país en el mayor productor de cobre del mundo. Si bien actualmente el proceso de fundición da cuenta de más del 70% de la producción mundial de cobre, su mayor impacto ambiental así como sus desventajas económicas para la refinación de cobre desde sulfuros de bajo contenido metálico (baja ley) y altamente refractarios como la calcopirita (CuFeS2), que representan el grueso de las reservas mineras, pone el énfasis en el desarrollo de tecnologías alternativas donde destaca la biohidrometalurgia o biolixiviación, proceso que involucra la disolución de metales mediada por microorganismos. La tecnología de biolixiviación de sulfuros primarios de baja ley del tipo calcopirita comprende la disolución asistida por microorganismos presentes en el mineral en procesos ambientalmente más sustentables. Sin embargo, la cinética de biolixiviación de sulfuros primarios de cobre a temperatura ambiente se ve atenuada por fenómenos que disminuyen la tasa de disolución de metales que limitan la recuperación de cobre, esto podría deberse a la acumulación de compuestos orgánicos que tienen un efecto inhibitorios en el crecimiento de microorganismos biomineros. En este estudio se realizó primero la caracterización fisiológica de tres cepas heterotróficas de los géneros Acidiphilium sp. cepa BRL-109, Ferroplasma sp cepa BRL-115 y Sulfobacillus sp. cepa BRL-114, estableciendo sus condiciones óptimas de crecimiento y principales fuentes de energía y carbono. Posteriormente, se estableció la incidencia que estos microorganismos tendrían al ser agregados a ensayos de biolixiviación de concentrado de calcopirita, donde la adición de la cepa BRL-109 en conjunto con especies de Acidithiobacillus ferrooxidans y A. thiooxidans demostró tener un efecto positivo con respecto de la condición sin adición de dicha cepa. Este trabajo aborda aspectos fundamentales de la microbiología de procesos de biolixiviación, centrándose en la caracterización fisiológica de cepas heterotróficas aisladas desde ambientes extremos y analizando el impacto de la composición microbiológica de un consorcio microbiano, en la recuperación de cobre en procesos de biolixiviación de calcopirita. / Chile produces more than five million tons of fine copper annually, making the country the world’s largest copper producer. While the smelting process now accounts for more than 70% of worldwide copper production, its biggest environmental impact as well as the economic disadvantages for copper refining from low metal content sulfides (low grade), that are highly refractory like chalcopyrite (CuFeS2), which represent most of the mine reserves, call for the development of alternative technologies. Biohydrometallurgy and bioleaching are two outstanding technologies that involve the dissolution of metals by microorganisms (Rohwerder y col., 2003). The technology for bioleaching a low grade primary sulfide like chalcopyrite, involves dissolution assisted by microorganisms that are present in the mineral using a more environmentally sustainable process. However, the kinetics of copper bioleaching at room temperature is reduced by phenomena that lower the metal’s rate of dissolution limiting the recovery of copper. This could be due to the accumulation of organic compounds that have an inhibiting effect on the growth of bio-mining microorganisms. This study first characterized the physiology of the three heterotrophic strains of the genuses Acidiphilium sp. strain BRL-109, Ferroplasma sp strain BRL-115 and Sulfobacillus sp. strain BRL-114, by establishing the optimum conditions for their growth and the main sources of energy and carbon. Then, the effect that these microorganisms would have when added to the bioleaching trials of chalcopyrite concentrate was established. The addition of Acidiphilium sp. strain BRL-109 together with the species A. ferrooxidans sand A. thiooxidans had a positive effect compared to the condition without the addition of this strain, recovering 61.8% of the copper. This work discusses the fundamental aspects of the microbiology of bioleaching processes, focusing on the physiological characterization of heterotrophic strains isolated from extreme environments and analyzing their impact when present in microbial consortiums.