Zastosowanie metod biotechnologicznych do efektywnego pozyskiwania surowców naturalnych i poprawiania ich jakości

Mikrobiologiczne ługowanie metali z rud, odpadów przemysłowych i osadów ściekowych

Zakres temperatury (C) Niektóre drobnoustroje wykorzystywane w przemysłowych procesach ługowania Drobnoustrój Typ Metabolizm Optimum pH Zakres temperatury (C) Utleniające żelazo Mezofilne Thiobacillus ferrooxidans Leptospirullum ferrooxidans Umiarkowanie termofilne Sulphobacillus acidophilus Lactobacillus thermoferrooxidans Ekstremalnie termofilne Acidianus brierleyi Sulfurococcus yellowstonii Utleniajace siarkę T. thiooxidans T. caldus Sulfolobus solfataricus S. yellowstonii Bakterie Archeony beztlenowy/Fe/kwas Fe Fe/kwas Kwas 2,4 2,5 – 3,0 - 1,5 – 3,0 28 – 35 30 50 40 – 50 45 – 75 60 – 75 25 – 40 40 – 60 55 – 85 55 - 85

Mikrobiologiczne ługowanie metali z rud Porównanie efektywności ługowania miedzi z enargitu (Cu3AsS4) () w obecności bakterii, pH 1,6 () ługowanie kwaśne Mechanizmy bioługowania metali z rud

Mechanizmy mikrobiologicznego ługowania metali z rud Metale mogą zostać wyługowane z rud zawierających siarczki tych metali w wyniku utlenienia jonami Fe(III) lub wymywania roztworem kwasu. Mechanizmy ługowania mikrobiologicznego obejmują oba zjawiska. 1. Brak bezpośredniego kontaktu drobnoustrojów z powierzchnią rudy Ługowanie zachodzi w wyniku aktywności bakterii chemolitotroficznych, zdolnych do utleniania jonów Fe(II) do Fe(III). 4Fe(II) + O2 + 4H+ = 4Fe(III) + 2H2O Jony Fe(III) są czynnikami utleniającymi, reagującymi z siarczkami metali 2CuS + 8Fe(III) + 3H2O = 2Cu(II) + 8Fe(II) + S2O32- + 6H+ S2O32 + 8Fe(III) + 5H2O = 8Fe(II) + 2SO42- + 10H+ 2. Bezpośredni kontakt Zachodzi bezpośrednie utlenienie siarczku 2FeS2 + 2H2O + 7O2 = 2Fe(II) + 2SO42- + 4H+ Powyższe reakcje katalizowane są m.in. przez bakterie Thiobacillus ferrooxidans

Mikrobiologiczne ługowanie metali z rud Reakcje zachodzące podczas bioługowania

Mikrobiologiczne ługowanie metali z rud Techniki mikrobiologicznego ługowania metali z siarczków

Mikrobiologiczne ługowanie metali z rud Technologia ekstrakcji metali z siarczków in situ

Mikrobiologiczne ługowanie metali z rud Odzyskiwanie miedzi z hałd kopalnianych

Bioekstrakcja uranu Thiobacillus ferroxidans katalizuje w warunkach tlenowych reakcję: 2UO2 + O2 + 2H2SO4 = 2UO2SO4 + 2H2O W warunkach ograniczonego dostępu tlenu zachodzi proces pośredni. Bakterie utleniają siarczki zawarte w pirycie do siarczanów (zwykle towarzyszy rudom uranowym) i Fe(II) do Fe(III). Powstający siarczan żelaza reaguje z tlenkami uranu: UO2 + Fe2(SO4)3 = UO2SO4 + 2FeSO4 UO3 + H2SO4 = UO2SO4 + H2O Przykład praktycznego zastosowania: kopalnia Dennison (Kanada). Produkcja: 300 ton uranu/rok

Schemat odzysku złota z rud złotonośnych Drobnoustroje utleniające cyjanki: Actinomyces, Alcaligenes, Artrobacter, Bacillus, Micrococcus, Neisseria, Paracoccus, Thiobacillus, Pseudomonas Reakcje bioutlenienia cyjanków

Zastosowanie drobnoustrojów do odzysku metali z wód kopalnianych i ścieków przemysłowych Sposoby wiązania jonów metali przez komórki drobnoustrojów

Zastosowanie drobnoustrojów do odzysku metali z wód kopalnianych i ścieków przemysłowych Problem remediacji wód zawierających metale i siarczany Beztlenowe bakterie z rodzajów Desulfovibrio i Desulfotomaculum posiadają zdolność redukcji siarczanów do siarkowodoru. Wytworzony siarkowodór reaguje z jonami metali ciężkich, dając w efekcie nierozpuszczalne siarczki. 3SO42- + 2 kwas mlekowy  3H2S + 6HCO3- H2S + Cu(II)  CuS + 2H+ Ewentualny nadmiar tworzącego się siarkowodoru może zostać przekształcony w siarkę elementarną przez bakterie siarkowe

Zastosowanie drobnoustrojów do odzysku metali z wód kopalnianych i ścieków przemysłowych

Zastosowanie drobnoustrojów do odzysku metali z wód kopalnianych i ścieków przemysłowych Schemat układu technologicznego do mikrobiologicznego ługowania i unieszkodliwiania osadów ściekowych

Wydobywanie ropy naftowej Odsiarczanie ropy naftowej i węgla

Zastosowanie drobnoustrojów do zwiększenia efektywności wydobycia ropy naftowej Klasyczne metody pozwalają na wydobycie do 80% ropy ze złoża

Zastosowanie drobnoustrojów do zwiększenia efektywności wydobycia ropy naftowej Uzyskanie większej efektywności – technologie EOR i MEOR Cele: zwiększenie lepkości wody i zmniejszenie lepkości ropy Technologie EOR: dodawanie polimerów organicznych , detergentów, wpompowywanie pary wodnej, gazów (CO2, N2) Technologie MEOR: a) zastosowanie drobnoustrojów wytwarzających gaz oraz polimery pozakomórkowe. Problem – warunki panujące w złożu: ciśnienie 6,5 – 21 MPa, temp. 40 – 90 C, brak tlenu, wysokie zasolenie Drobnoustroje mogące rosnąć w takich warunkach: Clostridium, Desulfovibrio, Methanobacterium (beztlenowe); Pseudomonas, Micrococcus, Acinetobacter, Archaea b) zastosowanie polimerów wytwarzanych przez drobnoustroje do EOR.

Bakteryjne polimery pozakomórkowe Ksantan – wytwarzany przez Xanthomonas campestris Kudrlan – wytwarzany przez Agrobacterium, Rhisobium Skleroglukan – wytwarzany przez Sclerotium glucanium

Odsiarczanie ropy naftowej Związki siarkoorganiczne mogące występować w ropie naftowej

Odsiarczanie ropy naftowej Metody odsiarczania ropy naftowej Metody fizykochemiczne: działanie H2 (wysokie ciśnienie, 230 –455 C) oddzielenie związków siarkowych i termiczna dekompozycja 2. Metody mikrobiologiczne Rhodococcus erythropolis, Agrobacterium, Gordona, Klebsiella, Nocardia, globelula, Paenibacillus, Pseudomonas, Bacillus subtilis Efektywność bioodsiarczania: (25 – 60%) ropa naftowa; (40 – 90%) oleje silnikowe; (20 – 50 %) benzyny

Odsiarczanie ropy naftowej Alternatywne szlaki biodegradacji DBT Szlak 4 S jest realizowany w komórkach Rhodococcus. Komórki tych bakterii mają stosunkowo hydrofobową powierzchnię i dlatego dobrze wiążą się z kroplami ropy w układzie ropa-woda

Odsiarczanie węgla Siarka w węglu: związki nieorganiczne (piryt i siarczany) związki organiczne (głównie DBT) Powszechnie stosowane: eliminacja tlenków siarki z gazów spalinowych Odsiarczanie węgla jest możliwe tylko dla bardzo silnie rozdrobnionych wersji (najlepiej dla pyłu węglowego). Odsiarczanie węgla przed spalaniem Eliminacja nieorganicznych związków siarki Metoda fizyczna: przemycie wodą Metoda biologiczna: Thiobacillus ferrooxidans, Thiobacillus thiooxidans, Sulfolobus acidocaldarius (bakteria termofilna) 2FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 2H2SO4 4FeSO4 + O2 + 2H2SO4 = 2Fe2(SO4)3 + 2H2O Eliminacja organicznych związków siarki Wyłącznie metody mikrobiologiczne – Rhodococcus spp.