1. MARCO TEÓRICO El carbón
1.6. Desarrollo y evolución de los procesos de biodesulfurización de carbones
La mayoría de los estudios sobre la aplicación de métodos biológicos en la desulfurización del carbón, han sido aplicados a procesos donde se preparan suspensiones de carbón fino, con una concentración de pulpa establecida (Cartmell & Lancaster, 1983; Eligwe, 1988; Rossi, 1992). Entre las primeras investigaciones a nivel de laboratorio (1959), se investigan los efectos de varios factores físicos en la velocidad de disolución de pirita en el carbón, utilizando Thiobacillus ferrooxidans y T. thiooxidans como oxidantes, mostrando resultados de oxidación acelerada en muestras de pirita contenida en el carbón (Zarubina et al. 1959 en Eligwe, 1988). También se comparan ensayos de oxidación de pirita tanto en carbón, como en pirita pura (Silverman et al., 1961).
Posteriormente, se experimentó con métodos que involucran tratamientos combinados físicos y biológicos (1973), donde se reportan remociones del 80% de azufre pirítico. Sin embargo se creyó que la oxidación biológica por A. ferrooxidans no fue completa, ya que la bacteria sólo estuvo en contacto con la muestra durante 3 días (Capes et al. 1973 en Butler y Kempton, 1986). Tiempo después (1980) se optimizó este proceso en condiciones de laboratorio encontrando un porcentaje de remoción del 88 – 94% de la pirita recirculando las mismas soluciones obtenidas previamente en el proceso (Butler & Kempton, 1986).
Se aplicaron procesos de biodesulfurización de carbón, donde se emplean combinaciones de bacterias mesófilas con cultivos mixtos termófilas tales como Sulfolobus acidocaldarius y ferrolobus (1979), alcanzando remociones de hasta un 86%. También se desarrolló un proceso en dos fases, en la primera, la pirita es oxidada primero por microorganismos autótrofos, luego se utilizan cultivos mixtos de bacterias heterótrofas (Acidophilus, T. novellus y T. perometabolis) para oxidar los compuestos de azufre orgánico en búsqueda de un proceso más efectivo, debido a que los compuestos orgánicos inhiben la actividad de los autótrofos, de lo cual se obtuvieron remociones de hasta un 90% del azufre total presente en el carbón (Eligwe, 1988). Se diseña una planta de tratamiento a nivel de planta piloto (1992), con base en las investigaciones realizadas anteriormente empleando, A. ferrooxidans (Rossi, 1992)
Diferente a el tratamiento de oxidación directa de la pirita, un estudio apunta a la utilización de bacterias acidófilas, aplicando un método físico de flotación columna, o aglomeración con aceites, donde el papel del microorganismo es el de modificar la flotabilidad natural del sulfuro, adhiriéndose a este, para así modificar la superficie de éste, convirtiéndolo de hidrofóbico a hidrofílico (Bhatnagar et al., 1998; Cardozo et al., 2000).
1.6.1.Biorreactores de lecho empacado aplicados a procesos de biodesulfurización
Básicamente, un biorreactor de lecho empacado, consiste en un tanque o tubo relleno con un material de soporte en el cual se fijan los microorganismos que catalizarán el proceso, que se alimenta con un fluido que contiene los sustratos, que reaccionarán a medida que fluyan por el reactor (Mazuelos et al., 2001). En otra configuración, el lecho podría ser uno de los sustratos (Cara et al., 2003).
Se han realizado varias investigaciones en biorreactores de columna a nivel de laboratorio, empleando A. ferrooxidans fijas en un lecho de soporte, en procesos de producción de sulfato férrico (Mazuelos et al., 1999), biolixiviación de pirita, calcopirita (Petersen & Dixon, 2006) y esfalerita de bajo grado (Mousavi et al., 2006), con el fin de evaluar procesos que están relacionados con la biooxidación de sulfuros, que podrían ser aplicados en la industria minera (Mazuelos et al., 2001). En procesos de obtención de cobre, se ha utilizado A. thiooxidans, para producir ácido sulfúrico para desarrollar un proceso de lixiviación por vía ácida (Giaveno et al., 2000).
En procesos de biolixiviación de azufre del carbón, se han realizado ensayos a nivel de laboratorio en columnas de diferentes tamaños, empacándose con lechos de tamaños de partícula definidos, que dependen del primer factor mencionado. Sin embargo el proceso en general, consiste en un sistema de recirculación del medio lixiviante, que se alimenta por la parte superior de la columna y se extrae por la inferior para ser nuevamente enviado a un tanque de alimentación para repetir el ciclo. Se han encontrado porcentajes de remoción de hasta 56% de desulfurización total en columnas pequeñas, después de 45 días de proceso (Cara et al., 2003) bajo recirculación intermitente y hasta un 66% del azufre pirítico en columnas de mayor tamaño, a los 26 días de proceso, bajo recirculación continua (Caicedo et al., 2008). En ocasiones las sales de sulfato generadas son muy insolubles en el medio lixiviante (i.e. jarosita) por lo que precipitan y se adhieren sobre la superficie del carbón, disminuyendo la eficiencia del proceso. Hay dos razones que explican este comportamiento: El contenido de azufre total es casi similar antes y después de la biooxidación, notándose el desarrollo del proceso en el cambio proporcional de las formas de azufre; además estas sales cubren parte de la pirita, reduciendo la superficie de carbón abierta para el ataque bacteriano. Las variables más importantes que conciernen en la solubilidad de estas sales son pH, concentraciones de K+, NH4+, Ag+, Na+, Fe3+ y temperatura. Sin embargo, las
sales de sulfatos que se adhieren al carbón pueden ser térmicamente estables a la temperatura de combustión del carbón por lo que no se convertirían en SO2 (Cara et al., 2006).
Aunque los estudios en biorreactores de lecho empacado arrojen eficiencias de remoción relativamente bajas y los tiempos de residencia sea más largos en comparación a un proceso en que se utilicen tanques agitados (Cara et al., 2003), es un proceso económicamente viable, donde se ha determinado que los costos por tratamiento serían aproximadamente 78% más bajos que los de otros métodos de biodesulfurización, además de que se opera con mayor facilidad (Morán et al., 2002). Por esta razón se ha evaluado un proceso a nivel de planta piloto donde se ha obtenido hasta un 40% de depiritización (Cara et al., 2005).