Focan Elena -Victoria [602339]

Universitatea “Ovidius” din Constanț a
Facultatea de Științe Aplicate ș i Inginerie
Specializarea: Tehnologii și Management î n Prelucrarea Petrolului
Master – anul I

Proiect la valorificarea deșeurilor

Profesor îndrumător:
Prof. dr. ing. Koncsag Claudia Student: [anonimizat]
2016

Cuprins

1. Aspecte generale ……………..……………………………………………………1
2. Procesul de biosolubilizare a catalizatorilor uzați de rafinare …………………2
2.1. Studii referitoare la biosolubilizare …………………………………………….2
2.2. Biosolubilizarea directă versu s biosolubilizarea in directă……………………..4
2.3. Caracterizarea catalizatorului uzat ……………………………………………..4
2.3.1. Compoziția catalizatorului uzat ………………………………………………4
2.3.2. Dimensiunea particulelor de catalizator uzat și suprafața acestuia …………. …..5
3. Exemple de procese de biosolubilizare a catalizatorilor uzați ………………….5
3.1. Biosolubilizarea catalizatorilor uzați de rafinare bogați în vanadiu folosind
bacterii litotrofe de oxidare a sulfului ……………………………………………….6
3.1.1. Creșterea micr oorganismelor …………………………………………… ……6
3.1.2. Efectul concentrației catalizatorului…………………………………. ……………….. …..7
3.1.3. Efectul sulfului elementar în procesul de biosolubilizare ………………… …8
3.1.4. Compararea biosolubilizării cu solubilizarea chimică ………………………….. …..9
3.2. Biosolubilizarea catalizatorului uzat de hidrofinare utilizând bacteriile
Acidianus brierleyi termofili și acidofili ………………………………………………….10
3.2.1. Microorganismele și condițiile de cre ștere …………………………………………. …10
3.2.2. Experimente de biosolubilizare ………………………………………………………. …..10
3.2.3. Solubilizarea chimică …………………………………………………….. …………….. …..10
3.2.4. Compoziție catalizator …………………………………………………………………… …..11
3.2.5. Caracteristicile solubilizării metalice cu două etape ………………………….. …..11
3.2.6. Caracteristic ile solubilizării metalice cu mediu uzat ……………………………. …13
3.2.7. Solubilizarea chimică versus biosolubilizarea folosind A. brierleyi ………… .15
3.3. Recuperarea metalelor din catalizatorul de hidrocracare uzat, folosind
bacteriil e Aspergillus niger ……………………………………………………………….16
3.3.1. Compoziție catalizator ………………………………………………………16
3.3.2. Aclimatizarea fungilor cu catalizatorul uzat ………………………………..16
3.3.3. Diferite metode de biosolubilizare …………………………………….. ………………. .17
3.3.4. Solubilizarea chimică ……………………………………………………………………… …17
3.3.5. Adaptarea fungilor Aspergillus Niger cu catalizatorul uzat ……………………. ..17

3.3.6. Mecanismul producție i de acid organic și cercetarea culturii pure de
Aspergillus Niger ………………………………………………………………………………………………….18
3.3.7. Influența densității de pastă asupra producției de acid organic ………………..19
3.3.8. Influența densității pastei asupra recuperării metalelor și creșterii fungice .. 20
3.3.9. Compararea metodelor de biosolubilizare cu solubilizarea chimică …………..20

1

Recuperarea metalelor d in catalizatorii uzați de raf inare folo sind metode
biochimice

1. Aspecte generale
Poluarea cu metale grele rezultate din eliminarea deșeurilor industriale solide este o
problemă majoră a mediu lui înconjurător, cu care lumea modernă se confruntă [1].
Toate procese le de hidrofinare, cracare, reformare și desulfurare produc catalizatori
uzați ca deșeuri industriale majore . Principalii contaminanți metalici în aceste tipuri diferite
de catalizatori su nt nichelul, cobaltul, vanadiul și molib denul.
Recuperarea metalelor valoroase d in catalizatorii uzați va îmbunătăți calitatea
mediului, iar produsul reciclat poate fi folo sit în continuare în scopuri industriale.
Depozitarea catalizatorilor uzați este din ce în ce mai dificilă atât din cauza
disponibilității reduse privin d spațiul de depozitare a deșeurilor, cât și din cauza creșterii
poluării în urma evacuării metalelor grele în atmosferă.
Biosolubilizarea este solicitată ca o alternativă care poate fi aplicată pentru a evita
costurile ridicate și impactul negativ al meto delor convenționale asupra mediului.
Recuperarea metalelor valoroase implică utilizarea acizilor în operațiuni de
prelucrare la scară mare, care generează volume mari de deșeuri potențial periculoase și de
emisii de gaze [2].
Procesul de b iosolubili zare se bazează pe capacitatea microorganisme lor, bacterii
sau fungi, pentru a produce agenți de solubilizare.
În aceste procese, bacterii le servesc drept catalizatori. Din acest motiv,
solubilizarea cu bacterii este mai ușo ară decât procesele chimice care au lo c la temperatura
camerei și presiune atmosferică .
Solubilizarea bacteriană este o metodă economică dovedit ă științific în recupe rarea
metalelor din minereuri cu grad scă zut. Acum 2000 de ani, solubilizarea bacteriană de
sulfurii de cupru din minereuri sulf uroase și recuperarea cuprului metalic prin sedimentare
a fost aplicat ă în Europa și China [3].

2
2. Procesul de biosolubilizare a catalizatorilor uzați de raf inare [1]

Procesul Avantaje Dezavantaje

Solubilizarea
chimică, tratamentul
termic și alte
procese cla sice de
extracție a metalelor

Timpul de desfășurare al
procesului este mai mic Nece sită o instalație de proces
complexă și costuri de mentenanță
Nece sită o cantitate mare de acid
Nece sită cantități mari de alcali
Presupune un consu m ridicat de
energie
Costuri de operare ridicate
Nu se pot aplica materialelor puternic
contam inante
Emisii periculoase
Nece sită o concentrație suficientă de
elemente d in minereuri
Răspunderea unei utilizări periculoase
în timpul tratamentu lui

Biosolubilizarea
(solubilizarea
bacteriană și
solubilizarea
fungică) Ecologic

O perioadă de operare mai lungă
față de solubilizarea chim ică

Dependenț a de mai multe condiții
atmosferice Cost scăzut
Consum scăzut de energie
Operare și mentenanță mai
simplă și mai ieft ină decât
la procesele cla sice
Condiții de operare la
presiune atmosferică ș i
temperaturi apropiate de
cea a mediului
Cea mai eficientă metodă de
solubilizare a metalelor
O eficienț ă mai mare de
îndepărtare a metalelor
grele
Fără cer ințe stricte pentru
compoziția materiei prime
Aplicabile pentru materiale
extrem de contam inante

Tabelul 1. Avantajele și dezavantajele bio solubiliză rii și solubilizării chimice [1]
2.1. Studii referitoare la biosolubili zare
Majoritatea studiilor legate de biosolubilizarea catalizatorului uzat au fost realizate
folosind reactoare discont inue la scară de laborator, care sunt ușor de operat și sunt în mod
convențional utilizate pentru a oferi datele necesare pentru dezvolta rea p rocesului la scară
largă . Cele mai importante studii priv ind uti lizarea diferitelor bacterii și fungi , precum și
eficiența biosolubiliză rii acestora au fost menționate în tabelul 2 .

3
Microorganisme Eficiența biosolubilizării

A. ferrooxidans și A. thi ooxidans Al: 29,3%
Mo: 64,5%
Ni: 99,8%

Tulp ini fungice adaptate pentru Ni și Mo
Ni: (45 -50%)
Mo: (62 -66%)
Al: (30 -33%)

Fungi adaptați pentru Al Ni: 88,2%
Mo: 45,1%
Al: 68,2%

Fungi adaptați Ni:Mo:Al Ni: (45 -50%)
Mo: 82,3%
Al: 65,2%

Bacterii chemoli totrofice de oxidare a
sulfului Ni: 89,5%
V: 95,8
Mo: 21,5 %

A. ferrooxidans Al: 63%
Co: 96%
Mo: 84%
Ni: 99%

A. thiooxidans Al: 2,4%
Co: 83%
Mo: 95%
Ni: 16%
Cultură de bacterii adaptate Ni: 95%
V: 95%
Cultură de bacterii neadaptat e
Ni: 85%
V: 85%

P. simplicis simum W: 100%
Fe: 100%
Mo: 92,7%
Ni: 66,43% Al: 25%
Tabelul 2. Eficiența biosolubilizării folosind diferite tipuri de microorganisme [2]

4
2.2. Biosolubilizarea directă versus biosolubilizarea indirectă
Biosolubilizarea poate fi împărțită în următoarele grupe:
 biosolubilizarea directă – are loc în prezența microorganismului și include o singură
etapă de biosolubilizare (microorganismul și catalizatorul uzat sunt introduse
simultan în mediu) și procesul în două etape (se adaugă mai întâi micr oorganismul,
iar catalizatorul uzat se adaugă atunci când începe producția de biometaboliț i);
 biosolubilizarea indirectă sau solubilizarea determ inată de un mediu uzat
(biometaboliții produși de către microorganisme după un timp specificat) în absența
microorganismelor.
Din studiile realizate reiese că solubilizarea bacteriană indirectă este mult mai
eficientă decât solubilizarea directă datorită generării unei cantităț i mai mari de acid în
absența toxicității catalizatorului uzat. În plus, o evaluare a solubilizării indirecte a avut
rezultate eficiente pentru solubilizarea metal elor grele, în special pentru W și Mo. Însă, în
solubilizar ea fungică cele mai mari randamente de extracție ale metalelor aparț in
procesului direct.
Studiile anterioare au arătat că solubilizar ea fungică a unui catalizator de
hidrocracare uzat folo sind Penicillium simplicis simum, a dat randamentele maxime de
extracție într-un proces de biosolubilizare în două etape.
Printre procesele directe, solubilizar ea fungică în două etape s -a dovedit a fi cea
mai eficientă.

2.3. Caracterizarea catalizatorului uzat
2.3.1. Compoziția catalizatorului uzat
Compoziția elementală a catalizatorului uzat a fost determ inată utilizând diferite
metode, cum ar fi analiza chimică , analize XRD după îndepărta rea conț inutului organic al
catalizatorului uzat pretratat, utilizând extracția cu solvent sau calc inarea.
Catalizatorii de hidro procesare conțin de obicei molibden (Mo) și wolfram (W) pe
un suport de alumină având ca promotori cobaltul (Co) sau nichelul ( Ni). Analizele au
arătat că pr incipalii contam inanți metalici d in diverse tipuri de ca talizatori uzați sunt Ni,
Co, vanadiul (V), Mo și antimoniul (Sb).
Una d intre cele mai aplicabile analize care are un rol important pentru determ inarea
compoziției catal izatorului este ICP (plasmă cuplată inductiv), care este capabil ă să
detecteze metale și multe nemetale la concentrații mici.

5
2.3.2. Dimen siunea particulelor de catalizator uzat și suprafața acestuia
Dincolo de așteptări, biosolubilizarea a dus la o reduc ere de aproximativ 13% în
diametrul mediu al particulei, iar cocsul depozitat și unele componente metalice au fost
îndepărtate în timpul biosolubiliză rii.
S-a constat un lucru in teresant, și anume, prin biosolubilizarea catalizatorului uzat a
fost demonst rată creșterea suprafeței specifice a catalizatorului cu aproximativ 10% față de
catalizator ul proaspăt inițial.

2.4. Microorganisme și mecanisme
Cele trei grupe de microorganisme care sunt utilizate în mod obișnuit pentru
procesul de biosolubilizare sunt : bacterii le autotrofe, bacterii le heterotrofe și fungi i.
Utilizarea bacteriilor autotrofe este avantajoasă, deoarece nu este necesară o sursă de
carbon organic pentru creșterea lor. Pe de altă parte, bacterii le heterotrofe și fungii pot fi
utilizați la pH -uri mai mari. Bacteriile de tipul Acidithiobacillus sunt cele mai importante
bacterii autotrofe aplicate solubilizării metalice, deoarece acestea pot tolera concentrații
ridicate de metale grele.
A. Ferrooxidans are capacitatea unică de a oxida fierul fer os și sulf elementar la fier
feric și respectiv acid sulfuric. Acești metaboliți pot apoi acționa indirect ca specii reactive
care solubilizează sulfuri metalice și oxizi în timpul procesului de biosolubilizare conform
reacțiilor:

sau

sau

3. Exemple de procese de biosolubilizare a catalizatorilor uzați
O comparație între eficiența procesului de solubilizar e a metalului cu o sin gură
etapă ș i procesul de biosolubilizare în două etape a arătat că eficiența solubilizării
metalelor în proce sul de biosolubilizare cu două etape este ma i mare decât cea a procesului
de biosolubilizare cu o singură etapă [2].

6
3.1. Biosolubilizarea catalizatorilor uzați de rafinare bogați în vanadiu folosind
bacterii litotrofe de oxidare a sulfului [2]
Acidul pro dus pe cale biologic ă este reactivul major de solubilizare în procesul cu
două etape în care nu există un contact direct între metalele d in catalizatorii uzați și
biomasă.
Acidul sulfuric este agentul major de solubilizare care este generat pr in biooxidare a
sulfului și/sau a compușilor cu mai puț in sulf de către acidofili. În timpul creșterii pe sulf
elementar, Acidithiobacillus produce mai multe specii de sulf intermediare (tiosulfat și
sulfit) cu proprietăți semnificative de reducere.

Sulfitul, astfel format, poate fi oxidat cu oxigen și catalizat de bacterii.

3.1.1. Creșterea microorganismelor
Cultura a fost constituit ă din bacterii A. thiooxidans. Creșterea inițială a fost
realizat ă folosind 10 g/l de sulf elementar (S0). Mediul de creștere a conț inut două părți:
 O soluție tampon cu SO 4/HSO 4 care a fost preparat ă prin adăugarea H2SO 4
concentrat la apa deionizată până la obț inerea unui pH de 2,0 ± 0,05.
 Macronutrienț i sau medii m inerale sărate formate d in 5 g/l (NH4) 2SO 4, 2,5 g/l
K2HPO 4, 2,5 g/l MgSO 4·7H2O, 0,2 g/l CaCI 2·½ H 2O.
Mediul stoc de 1l a fost preparat pr in amestecarea a 900 ml de soluție tampon
H2SO 4 cu 100 ml de macronutrienț i, iar pH -ul final a fost menț inut la 2,0, folosind H 2SO 4
concentrat.
Inoculul a fost introdus într-un agitator rotativ la 180 rpm și 32 ± 0,5șC. Creșterea
bacteriilor a fost monitorizată pr in numărarea celulelor, măsurarea pH -ului și a H2SO 4
(măsurare titrimetrică cu o soluție standard de NaOH utilizând ca indicator metiloranj). Ca
inocul , a fost aplicată o cultură bacteriană timp de 2 săptămâni într-o fază logaritmică
târzie de dezvoltare cu 6,1 -7,8 x 109 celule/ml.
Experimentele de bio solubilizare au fost efectuate atât într-un proces cu o singură
etapă, câ t și într-un proces cu două eta pe.
 În procesul cu o singură etapă a avut loc inocularea bacteriilor împreună cu 5g/l
până la 50 g/l de catalizator uzat și cu sulf elementar, la pH=1,8 -2,0.
 În procesul cu două etape, bacteriile au fost prima dată crescute în pahare
Erlenmeyer de 300 ml conținând 100 ml de mediu cu S0, în absența catalizatorului
uzat (prima etapă). Când substratul (S0) a fost consumat, suspen siile au fost filtrate,

7
iar filtratul c e conținea numai metaboliți produși pe cale bacterian ă a fost utilizat
pentru procesul de solubilizare (a doua etapă). Adăugarea catalizatori lor uzați în a
doua etapă dura, de obicei, 8 zile după inocularea bacteriană.

3.1.2. Efectul concentrației catalizat orului

Proces de
biosolubilizare Timp de
incubare Randamente de
recuperare la 5g/l de
catalizator uzat Randamente de
recuperare la 50 g/l de
catalizator uzat
Cu o singură
etapă 16 zile Ni: 89%
V: 89,1%
Mo: 78,6%
Ni: 76,9%
V: 16,4%
Mo: 42,6%
Cu două etape 7 zile Ni: 89,5%
V: 95,8%
Mo: 71,7% Ni: : 89,5%
V: 95,8%
Mo: 21,5%

Figura 1 . Ext racția metalelor în timpul procesului de biosolubilizare cu o singură etapă la
diferite concentrații de catalizator uzat (timp de16 zile) [2]

Figura 2 . Solubilizarea metalelor la diferite concentrații de catalizator uzat în procesul de
biosolubilizare cu două etape (Timp = 7 zile) [2]

8
Procesul în două etape a arătat o recuperare a metalelor relativ mai bună (cu
excepția Mo), la toate concentrațiile de catalizator, datorit ă concentrației mari de H 2SO 4
produs pr in acțiunea bacteriilor în prima etapă, scăzân d pH -ul soluției la 0,9 -1,0. Aceasta a
ajutat la dizolvarea Ni și V, dar la Mo era de așteptat să precipite sub formă de MoO 3 la pH
de 0, 9.
3.1.3. Efectul sulfului elementar în procesul de biosolubilizare
Proces de
biosolubilizare Timp de incubare Randame nte de recuperare la 20g/l de
sulf elementar
Cu o singură etapa 16 zile Ni: 88,3%
Mo: 58,7%
V: 32,3%
Cu două etape 7 zile Ni: 88,3%
Mo: 46,3%
V: 94,8%

Figura 3 . Solubilizarea metalelor la diferite cantități de S0 în biosolubilizare a cu o
singură eta pă (concentrația catalizatorului uzat = 15 g/l, timp = 16 zile). Controlul: pH
acid-2 în absența bacteriilor [2]

Figura 4 . Solubilizarea metalelor la diferite cantități de S0 în procesul în două etape
(concentrația catalizatorului uzat = 50 g/l , timp = 7 zile) [2]

9
Recuperarea Ni și V a crescut semnificati v în urma procesului de bisolubilizare cu
două etape comparativ cu procesul cu o sin gură etapă, datorită stabilirii unui mediu mai
puternic acid pr in acțiunea bacteriană în prima etapă, unde S0 consumat p e cale bacteriană
s-a transformat în H2SO 4. Atât Ni și V au viteze de dizolvare rapide în intervalul de pH
puternic acid și nu a existat nici un consum semnificativ de acid de către alum ină sau
modificarea pH -ului soluției în timpul solubiliză rii metalului . Cu toate acestea, era de
așteptat solubilitatea redusă a Mo, având în vedere stabilitatea MoO 3 în aceste condiții.

3.1.4. Compararea biosolubilizării cu solubilizarea chimică
Experimentele de biosolubilizare au fost apoi comparate cu solubilizarea chimi că
care foloseș te o cantitate similară de H 2SO 4 cu cea produs ă în timpul biosolubiliză rii cu
două etape.
Experimentele au fost efectuate vari ind concentrația catalizatorului de la 15 g/l la
50 g/l după cum se arată în figura 5 .

Figura 5 . Compararea solubiliză rii directe a acidului la diferite concentrații de
catalizator uzat (timp = 7 zile) [2]
În acest caz, recuperarea Mo la 15 g/l catalizator a fost de 61,4%, iar recuperarea V
a fost de 88,4%. Solubilizarea chimică a Ni cu H2SO 4 a arătat o recuperare consecventă și
similară cu cea obținută la folo sirea acidului produs bacterian la toate inoculările solide .
Proces Timp de incubare Randamente de recuperare la 50g/l de
catalizator uzat
Biosolubilizare cu
două etape 7 zile Ni: : 88,3%
Mo: 46,3%
V: 94,8%
Solubilizare
chimic ă 7 zile Ni: : 88,3%
Mo: 31,8%
V: 77,8%

10
3.2. Biosolubilizarea catalizatorului uzat de hidrofinare utilizând bacteriile
Acidianus brierleyi termofili și acidofili [4]

3.2.1. Microorganismele și condițiile de creștere
Bacteriile A. brierleyi de oxidare a sulfului , au fost utilizate pentru lucrările
experimentale. Creșterea activă a culturii de A. brierleyi a fost crescută într -un mediu de A.
brierleyi, ce a conținut 3,00 g/l (NH 4)2SO 4, 0,50 g/l K 2HPO 4·3H 2O, 0,50 g/l MgSO 4·7H2O,
0,10 g/l KCI, 0,01 g/l Ca(NO 3)2, extract de drojdie 0,2 g/l și 10 g/l sulf. Sulful se
sterilizează separat pr in autoclavare a unei sticle cu capac , ce conțnea pulbere de sulf
elementar la 100șC, timp de 30 m inute , pe parcursul a 3 zile consecutive și adăugat aseptic
în mediul de bază la momentul inoculării. Culturile au fost crescute în pahare conice de
250 ml într-un in cubator cu agitator orbital (125 rpm) la 70șC și inoculat cu cultura activă
de 15 -20% v/v.

3.2.2. Experimente de bioso lubilizare
Experimentele de biosolubilizare au fost efectuate în pahare Erlenmeyer de 500 ml
autoclavizate , conținând 300 ml de mediu de A. brierleyi și catalizator uzat la 1%
(greutate/volum) den sitate pastă. Au fost studiate două metode:
 Solubilizarea în două etape în care o cultură microbiană a fost incubat ă timp de 6
zile înainte de adăugarea catalizatorul ui uzat (fie cocsat sau decocsat ) la cultură.
 Solubilizarea cu mediu uzat unde o cultură microbiană a fost crescută până s -a atins
producția maxim ă de H 2SO 4 (de obicei după 20 zile de incubare ), iar lichidul uzat a
fost recoltat, adăugându -i-se catalizatorul uzat. Lichidul uzat a fost centrifugat
(10000 rpm, 10 m inute ) și s-a filtrat pr in filtre sterile de 0,20 μm.
Pierderile pr in evaporare au fost lua te în considerare pr in cântărire a tuturor
paharelor înainte și după prelevare. Controalele ne inoculate utilizând un mediu proaspăt au
fost efectuate pentru fiecare parametru și toate experimentele au fost realizate în duplicat.
pH-ul și concentrația de met ale grele au fost analizate pentru probele retrase în fiecare zi
alternativ ă după adăugarea catalizatorului.

3.2.3. Solubilizarea chimică
Solubilizarea chimică (cea abiotic ă) a fost realizată folo sind H 2SO 4 (care este
principalul dizolvant produs de A. br ierleyi). Testele de solubilizare au fost efectuate
folosind 100 ml de H 2SO 4 la 85 mM, ceea ce corespunde cu cea mai mare concentrație de

11
acid produs în timpul b iosolubiliză rii cu două etape de către A. brierleyi în prezență de 1%
densitate pastă de catali zatori cocsa ți și decocsa ți la pH = 2.

3.2.4. Compoziție catalizator
Catalizatorul cocsat și catalizator ul decocsat conțin Al, Fe, Mo și Ni ca elemente
majore ( tabelul 3 ). Catalizatorul uzat de hidrotratare este format d in Ni-Mo încorporat într-
un suport de alum ină. Îndepărtarea cocsului și a impurități lor volatile în timpul decocsă rii
(tabelul 3 ) conduce la crește rea concentrației de metale în catalizatorul cocsat (Marafi și
colaboratorii, 2009), datorită scăderii masei catalizatorului după decocsare. Fie rul s-a găsit
la o concentrație foarte mare în catalizatorul uzat, deoarece este un contam inant tipic în
operațiunile de hidro finare și prov ine în mare parte d in coroziunea echipamentelor, fiind
prezent sub formă de particule mari de FeS pe suprafața catal izatorului . Schimbarea culo rii
catalizatorului uzat (de la negru la roșu maro), după decocsare este, de asemenea, un
indicator al concentrație i mari de Fe.

Element
Compoziț ia catalizatorului (% greutate)
Cocsat Decocsat
Al 19,2±0,17 22,9±0,36
Fe 49,0±0,15 53,2±0,43
Ni 2,1±0,03 2,3±0,06
Mo 8,5±0,03 9,9±0,18

Tabelul 3. Compoziția elementală a catalizatorilor cocsați și decocsați [4]

3.2.5 . Caracteristicile solubilizării metalice cu două etape
Experimentele prelim inare au confirmat că solubilizarea într-o singură etapă nu a
fost efi cientă în comparație cu solubilizarea cu două etape și cea cu mediu uzat, din cauza
poluării, în mare măsură, a mediului cu deșeuri periculoase, care nu este favorabil ă pentru
creșterea microbiană și a producției de dizolvanți .
A. brierleyi sunt specii de oxidare a sulfului . Oxidarea S0 are loc pentru a produce
H2SO 4 care este pr incipalul dizolvant pentru mobilizarea metalelor. Figurile 6a și 6b arată
eficiența solubiliz ării metalice în două etape a catalizatorului cocsat și decocsat.

12
Caracteristicile de solubilizare a fiecărui a dintre metalele grele majore au fost diferite
pentru catalizator ul cocsat și cel decocsat.

Figura 6a. Eficiența solubilizării metalelor precum Al, Fe, N i și Mo pentru biosolubilizarea
cu două etape a catalizator ului cocsat (Control: mediu proaspăt) [4]
Eficienț a extracț iei Mo a fost de 45% mai mare pentru catalizator ul decocsat decât
pentru catalizatorul cocsat, datorită elim inării depozitelor de carbon care au permis accesul
direct al metaboliților la oxizii metalici. Săruri le sau complecși i cu valență mai mare, fi ind
mai solubili decât compușii cu stări de oxidare inferioare , contribuie, de aseme nea, la o
extracție mai mare a Mo d in catalizator ul decocsat. Prezența metalului la suprafață crește
accesibilitatea agenților de solubilizare, ceea ce duce la o cinetică de solubilizare mai mare .
Acest lucru este susț inut în continuare de faptul că mediul proaspăt d in catalizatorul
decocsat a arătat, de asemenea, o eficiență de solubilizare mai mare pentru Mo, chiar în
absența bacteriilor (f igura 6 b).

Figura 6b. Eficiența solubilizării metalelor precum Al , Fe, N i și Mo pentru biosolubilizarea
cu două etape a catalizator ului de cocsat (Control: mediu pr oaspăt) [4]

13
La partea opusă , extracția Fe d in catalizatorul deco csat a fost neglijabilă în
comparație cu catalizatorul cocsat (32%). Fierul se găsește ca sulfură feroasă (Fe2+) în
catalizatorul cocsat, care este transformat la oxid feric (Fe3+) datorită t emperaturii ridicate
(600șC) și oxidării mediului în timpul decocsă rii.
Eficiența extracție i Ni d in catalizatorul cocsat a fost d e 50% mai mare în
comparație cu catalizatorul decocsat. S -a constat că oxidarea catalizatorului uzat de
hidrofinare la tempera tură ridicată (600 – 1000șC) a condus la o solubilitate scăzută a
compușilor cu Ni. Acest lucru ar putea fi d in cauza formării de molibdat de nichel stabil,
inactiv (NiMoO 4) sau a compuși lor pe bază de Al și Ni (NiAl 2O4), în timpul procesului de
decocsare la temperaturi ridicate (500 – 600șC). În general, extracția Ni a fost mare (44 –
96%), datorită concentrației sale mult mai mică (doar 2% d in greutate), comparativ cu alte
metale . Pe de altă parte, Al a prezentat randamente mai mici și a fost prezent în cantități
mari.
Pe scurt, randamentele de extracție pentru metale, pentru biosolubilizarea în două
etape au fost: Ni> Fe> Al> Mo pentru catalizatorul cocsat și Mo~ Ni> Al> Fe pentru
catalizatorul decocsat.

3.2.6 . Caracteristicile solubilizării metalice cu mediu uzat
Solubilizarea cu mediu uzat a catalizatorului cocsat și decocsat (figura 4a și 4b) a
arătat că eficiența extracției metalelor a fost mai mare pentru toate metalele în comparație
cu solubilizarea cu două etape . Acest lucru s-a datorat pH-ului ma i mic al mediului uzat
(cultura cu 20 de zile la pH = 0,66 ) comparativ cu solubilizarea cu două etape a mediului
uzat ( cultura pură cu 6 zile la pH = 1,55) la momentul adăugării catalizatorului .
Similar cu solubilizarea cu două etape, s-a realizat ă o recuperare la un procent
foarte ridicat pentru Fe (90,3%) și Ni (98, 7%) d in catalizator ul cocsat , iar pentru Mo
(98,4%) d in catalizatorul decocsat (figura 7a și 7b). Randamentul de extracție al Al a fost
comparabil pentru ambii catalizatori co csați și decocsa ți.

14

Figura 7a. Eficiența solubilizării metalelor precum Al , Fe, N i și Mo pentru biosolubilizarea
cu mediu uzat a catalizator ului cocsat (Control: mediu proaspăt) [4]

Figura 7b. Eficiența solubilizării metalelor precum Al , Fe, N i și Mo pentru
biosolubi lizarea cu mediu uzat a catalizator ului de cocsat (Control: mediu proaspăt) [4]

Figura 8 compară eficiența maximă a solubilizării metalelor în ambele procese cu
două etape și cu mediu uzat.

Figura 8. Extracția maximă a metal elor în biosolubilizarea cu două etape și
solubilizarea cu mediu petrecut pentru catalizator ul cocsat si catalizatorul decocsat (BL =
biosolubilizare ; Con = controlul cu mediu proaspăt) [4]

15
Extracția Al în solubilizarea cu mediu uzat a fost mai mare decât cea cu două etape
cu 56% pe ntru catalizatorul cocsat și 50% pentru catalizatorul decocsat, în timp ce
extracția Fe a fost mai mare cu 59% din catalizatorul cocsat față de solubilizarea cu două
etape . Aceasta se datorează faptului că solubilitatea Al și Fe crește semnificativ la pH< 1,5.
Eficiența solubilizării Mo a crescut cu 25% atât pentru catalizatorul cocsat , cât și pentru cel
decocsat. Este evident că biosolubilizarea cu mediul uzat a prezentat o îmbunătăț ire
considerabilă în extracția tuturor metalelor, cu o îmbunătățire maximă pentru Al și Fe.

3.2.7. Solubilizarea chimică v ersus biosolubilizarea folosind A. brierleyi
O comparație între solubilizarea chimică cu H 2SO 4 comercial și biosolubilizarea cu
două etape a catalizatorului uzat folosind A. brierleyi este prezentată în tabelul 4.

Solubilizare chimică (%)
Biosolubilizare (%)b

Catalizator
cocsat Catalizator
decocsat Catalizator
cocsat Catalizator
decocsat
pH 1,5 1,2 2,4 2,1
Al 57,5±0,7 26,6±1 10,8±1,1 15,4±0,1
Fe 53,9±0,3 5±0,1 31,8±0,2 0,7
Ni 65,3±0,9 27,9±0,5 95,7±0,2 44±0,4
Mo 10,1±0,1 47±1,4 2,4±0,3 47,4±1,8

Tabel 4. Eficiența solubilizării metalelor (%) precum Al , Fe, N i și Mo și pH -ul în
solubilizarea chimică și biosolubilizarea catalizator ului cocsat și de cocsat de către A.
brierleyi
a – 85 mM acid sulfuric ; b – solubilizare cu două etape [4]

Așa cum cea mai mare concentrație de H 2SO 4 produs în timpul biosolubilizării cu
două etape a catalizatorului uzat a fost de 85 mM, solubilizarea chimică a fost efectuată
utilizând H 2SO 4 comercial la aceeași concentrați e. Extracția Ni din catalizator ul cocsat pr in
solubilizarea chimică a fost mai mic ă cu 30% decât biosolubilizare a folosind A. brierleyi și
cu 16% mai mică din catalizator ul deco csat, iar biosolubilizarea Mo d in catalizator ul
decocsat a fost comparabilă cu solubilizarea chimică (tabelul 4).

16
Cu toate acestea , pentru Al și Fe, solubilizarea chimică a fost mult mai mare decât
solubilizarea cu două etape pentru ambii catalizator i cocsaț i și deco csați (cu până la 47%
pentru Al și până la 22% pentru Fe). Acest lucru s -ar datora pH -ului mai mic la
solubilizarea chimică comparati v cu biosolubilizarea, acesta crescând în mod con siderabil
solubilitatea Al și Fe (tabelul 4). Datorită pH -ului mediului uzat, acest lucru se observă și
în solubilizarea cu mediu uzat a Al și Fe în comparație cu solubilizarea cu două etape .
S-a constat că b iosolubilizarea a fost, de as emenea mai eficientă sau comparabilă cu
solubilizarea chimică a catalizatorului uzat .

3.3. Recuperarea metalelor d in catalizatorul de hidrocracare uzat, fol osind bacterii le
Aspergillus niger [5]

3.3.1. Compoziție catalizator
Compoziția elementală a catalizatorului uzat a fost determ inată folosind analiza
chimică și fluorescența cu raze X (XRF) . Difracția cu raze X (XRD) a fost d e asemenea
utilizată pentru a determ ina fazele cristal ine ale catalizatorului uzat : oxidul de wolfram, de
aluminiu și litiu (LiMn2O4), dioxid de siliciu (SiO 2), oxidul de wolfram (WO 3), oxidul de
molibden și nichel (NiMoO 4).
Elemente cele mai întâlnite ( >50000 mg/kg) au fost Al, W și Si. Cele mai multe
dintre elementele constitutive minore (1000 -50000 mg/kg) au fost metalele grele care au
inclus Ni, Mo și Fe. Alte metale grele, cum ar fi V, Ti, Cr, Mn, Co, Cu, Pb, Hg și Zn au
fost găsite sub formă de urme ( <1000 mg/kg).

3.3.2. Aclimatizarea fungilor cu catalizatorul uzat
Fungii d in etapa f inală de adaptare împreună cu un amestec de ioni metalici au fost
cultivați într-un mediu de agar dextroză cartof – PDA (3, 9% (g/v)). Pentru a obț ine un
număr suficient de spori, cultura a fost incubată la 30° C, timp de 5 zile. Conidiile mature
au fost apoi spălate de pe suprafața mediului PDA folo sind ser fiziologic steril (9 g/l
NaCl). Numărul de spori a fost calculat utilizând o cameră de numărare Neubauer și s -a
ajustat folo sind ser fiziologic s terilizat p ână la o concentrație f inală de aproximativ 107
spori/ml. Au fost introduși 2 ml de suspen sie de spori în pahare Erlenmeyer de 500 ml ce
conțineau 0,5% (g /v) catalizator uzat și 100 ml de mediu de zaharoză cu următoarea
compoziție: sucroză (100 g/l), NaNO 3 (1,5 g/l) , KH 2PO 4 (0,5 g/l), MgSO 4·7H 2O (0,025
g/l), KCI (0,025 g/l) și extract de drojdie (1,6 g/l). Baloanele au fost agitate într-un

17
incubator cu agitare orbital ă la 120 rpm și 30°C. Aclimatizarea fungilor cu catalizatorul
uzat a fost real izată pr in creșterea concentrației de catalizator uzat, în faze de 0,5% (g/v),
de la 0,5% (g /v) până la o concentrație la care nu se mai produce nici o dezvoltare a
fungilor. Pentru fiecare etapă, o inoculare de 10% (v/v) a fost realizată utilizând o probă
obținută d in etapa anterioară. În cele d in urmă, după etapa f inală de aclimatizare la
catalizator ul uzat, fungii au fost menț inuți în mediu PDA (3, 9% (g/v)).

3.3.3 . Diferite metode de biosolubilizare
 Prima metodă a fost biosolubilizarea într-o etapă, în care fungii au fost incubați
împreună cu mediu l și cu catalizatorul uzat.
 A doua metodă a fost biosolubilizarea în două etape, în care fungii a u fost prima
dată cultivați în mediu de zaharoză fără cataliz atorul uzat timp de 2 zile, apoi după
o scădere a p H-ului ( începutul producției de acid organic), s -a adăugat catalizatorul
sterilizat.
 A treia metodă a fost solubilizarea cu mediu uzat , care a fost efectuat ă prin
cultivarea fungilor în mediu de zaharoză , timp de 10 zile. În această metodă,
suspen siile au fost filtrate cu ajutorul hârtiei de filtru pentru a obț ine un mediu uzat
fără celule. În final, filtratul care conț inea metaboliți fungici a fost utilizat pentru
solubilizarea catalizatorului uzat sterilizat care s -a adăugat la filtrat.
Experimentele de control au fost efectuate cu ajutorul mediului proaspăt de
zaharoză.

3.3.4 . Solubilizarea chimică
Solubilizarea chimică a metalelor grele a fost realizată într-o soluție care conț ine
acizi organici comerciali la aceleași concentrații ca și cele produse de A. Niger în absența
catalizatorului uzat.

3.3.5 . Adaptarea fungilor Aspergillus Niger cu catalizatorul uzat
Această etapă a fost necesară deoarece există unele elemente, cum ar fi Mn, Ti, Cr,
Pb, Hg și Cl , în catalizatorii uzați care pot avea efecte inhibitorii asupra creșterii fungilor.
În plus, adaptarea în mediul de biosolubilizare înainte de experimentele majore este de
ajutor în creșterea eficienței biosolubiliză rii.

18
Adaptarea a cont inuat până la o den sitate de pastă 5% (g/v). Peste această
concentra ție, nu a fost observată nici o creștere fungică . Prin urmare, experimentele de
biosolubilizare au fost efectuate la den sități de pastă de până la 5% (g /v).

3.3.6 . Mecanismul producției de acid organic și cercetarea culturii pure de
Aspergillus Niger
Producția de acizi organici, ca pr incipali agenți în biosolubilizarea metalelor, d in
zaharoză implică un număr mare de etape enzimatice care au loc în două compartimente
diferite legate de membrana celulară: citosol și mitoc ondrie . Zaharoza este substanțial
hidrolizat ă în glucoză și fructoză pr in acțiunea invertazei. Glucoza este obț inută în celulă și
convertit ă la acid carbonic 3, piruvatul, prin intermediul glicolizei, în citosol. O moleculă
de piruvat s -a decarboxilat pr in formarea de acetil CoA de către de hidroge naza
complexului piruvat mitocondrial și altul este carboxilat la oxaloacetat în citosol pr in
carboxilaza piruvatului. Oxaloacetatul trebuie să fie trans portat în mitocondrie (pr in malat)
și condensat cu acetil CoA, pentru a forma citrat. Bio sinteza oxalatului se datorează
exclu siv oxaloacetazei , care catalizează hidroliza oxaloacetatului la oxalat și acetat. Acidul
gluconic este produs extracelular. Într-o reacție cu două etape, glucoza în mediu este
oxidat ă la acid gluconic pr in acțiunea oxidazei d e glucoză.
Înainte de experimentele de biosolubilizare, culturile pure de fungi Aspergillus
Niger adaptați au fost incubați în condiții identice cu cele folosite la biosolubilizare .
Culturile au fost studiate pe parcursul a 30 de zile pentru a determ ina timpul optim pentru
adăugarea catalizatorului în biosolubilizarea cu două etape și filtrarea culturii pentru
biosolubilizarea cu mediu uzat. Creșterea concentrației de acid și de biomasă și hidroliza
substanțială de zaharoză în a doua zi de incubație a indicat că Aspergillus Niger a intrat în
faza de creștere activă; același rezultat a fost, de asemenea, demonstrat și de către Aung și
Ting (2005). Astfel, catalizatorul uzat a fost adăugat la cultură pentru biosolubilizare după
2 zile de incubare ( în cadrul pr ocesului în două etape). S -a constatat că 10 zile de incubare
au marcat sfârșitul fazei de creștere activă. În acest moment, concentrația de acid citric a
atins concentrația maximă de 691 mg/l. Pr in urmare, mediul uzat a fost obț inut pr in
filtrarea culturi i după această perioadă. Acest rezultat este diferit de cel raportat de Aung și
Ting (2005), în care 14 zile de incubare au marcat sfârșitul fazei de creștere activă.
În primele 2 zile de incubare, acidul organic pr incipal produs a fost acidul gluconic;
după 5 zile de incubare, acidul citric a fost pr incipalul produs. S -a constat că oxidaza
glucozei este cea mai eficientă la un pH de 4,5 – 6,5 și este inactivă la intervale de pH < 3.

19
Cu toate acestea, fermentarea acidului citric cu A. niger începe când niv elurile de pH < 3 și
continuă până la pH = 2. Pr in urmare, atunci când a început incubare a la pH= 5,94, a fost
indusă producția de acid gluconic, dar după a cincea zi de incubație, pH -ul a scăzut la 2,88.
Această scădere a pH -ului a făcut ca producerea aci dului gluconic să înceteze, iar producția
de acid citric să crească.

3.3.7 . Influența den sității de pastă asupra producției de acid organic
Prezența catalizatorului uzat induce producerea de acid gluconic, în timp ce în
absența acestuia, acidul citric a f ost produs în principal.
Este important s ă se studieze metaboliț ii pentru a înțelege mai b ine mecan ismele
biosolubiliă rii. Acizii organici produși de fungii A. Niger au fost analizați în absența și
prezența catalizatorului uzat și sunt prezentați în tabelu l 5.

Acizi organici
(mg/L) O singură etapă (a) Două etape (b)
Mediu
uzat Densitate pastă de catalizator
uzat (%w/v) Densitate pastă de catalizator
uzat (%w/v)
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
Acid oxalic <1 15 19 13 13 <1 2 1 <1 16 2
Acid citric <1 <1 <1 <1 <1 22 <1 <1 <1 <1 691
Acid gluconic 111 584 808 539 609 <1 26 57 162 956 61

Tabelul 5. Concentrațiile de acid organic rezultate în urma diferitelor metode de
biosolubilizare [5]
a – după 30 de zile de incubare în prezența catalizatorului uzat
b – după 10 de zile de incubare în absența catalizatorului uzat
După cum se arată în tabelul 5, principalul agent în biosolubilizarea cu o singură
etapă și în cea cu două etape a fost acidul gluconic. Acidul gluconic fost produs la toate
densitățile pastei în biosol ubilizarea cu singură etapă și la den sități de pastă de mai mult de
1% (m/v) în biosolubilizarea cu două etape. În solubilizarea cu mediu uzat, totuși, agentul
principal a fost acidul citric. Concentrația de acid gluconic produs în timpul solubilizării
fungice ( în prezența catalizator ului uzat) a fost mai mare decât în absența catalizatorului
uzat. Concentrația de acid oxalic s -a dovedit a fi foarte scăzută în comparație cu cea a
acidului gluconic și cea a acidului citric; acest lucru a fost, de asemenea , constatat de către
Wuand T ing (2006). Rezultatele arată că prezența unui catalizator uzat induce producerea

20
de acid gluconic de către A. Niger. Lipsa producerii acidului citric, în prezența unui
catalizator uzat se datorează probabil prezenței ionilor me talici, cum ar fi Mn și Fe, în
catalizatorul uzat. Pr intre acești ioni metalici, Mn este răspunzător de inhibarea puternic ă a
acumulării de acid citric pr in stimularea enzimelor d in ciclul TCA.

3.3.8 . Influența den sității pastei asupra recuperării metalel or și a creșterii
fungice
Densitatea pastei a fost o variabilă importantă pentru rezultatul diferitelor metode
de biosolubilizare cercetate, mai ales la biosolubilizarea cu o singură etapă și cu mediu
uzat. Densitatea optimă de pastă în biosolubilizarea ca talizatorului uzat a avut loc la 3%
(g/v) pentru procesul cu o singură etapă și la 1% (g/v) pentru solubilizarea cu mediu uzat.
A fost o relație directă între procentul de recuperare a metalelor și creșterea fungică.
Creșterea fungică crescută a determ inat o producție mai mare de bio metaboliț i care a dus la
recuperări mai mari de metal e.
În metoda biosolubiliz ării cu două etape, efectul den sității pastei cu privire la
recuperarea m etalelor nu a fost semnificativă .
La den sități de pastă mai mari decât densitatea optim ă în procesul cu o singură
etapă, randamentul solubilizării metalelor a scăzut. Această scădere a fost cauzată de
concentrația ridicată de metale toxice din mediu, precum și de scăderea pH -ului inițial al
suspen siilor de catalizator uzat, car e pot inhiba creșterea fungică și producerea de acid
organic.
În cazul solubilizării cu mediu uzat , scăderea randamentului de solubilizare cu
creșterea den sității de pastă s-a datorat concentrației constante de me taboliți la toate
densitățile de pastă . Acest rezultat a fost compatibil cu cel constat de Wung și T ing (2005).
Cu excepția cazului de 3% (m/v) den sitate pastă în procesul de biosolubilizare cu o
singură etapă, în procesul de solubilizare cu mediu uzat s-au obț inut cele mai mari
recuperări pentru W și Mo. Randamentele de recuperare au fost de 70,1 – 93,6% pentru W
și 68,0 – 85,0% pentru Mo.

3.3.9 . Compararea metodelor de biosolubilizare cu solubilizarea chimic ă
Rezultatele cele bune pentru toate metalele au fost obț inute în biosolubilizarea cu o
singură etapă la o den sitate de pastă de 3% (g/v) : 100% pentru W, 77,8% pentru Fe, 90,9%
pentru Mo, 65,8% pentru Ni și 14,2% pentru Al.

21
La o den sitate optimă de pastă, randamentele de recuperare pentru biosolubilizarea
cu o singură etapă , biosolubilizare a cu două etape și biosolubilizarea cu mediu uzat , sunt
prezentate mai jos. Randamentele pentru biosolubilizarea cu o singură etapă și
biosolubilizarea cu mediu uzat au fost aproape similare, dar au fost foarte diferite de
biosolubilizare a cu două etape.
W>Mo>Fe>Ni>Al
Fe>Ni>W≈Mo>Al
W>Mo>Fe>Ni>Al.
În experimentele de control , folosind mediu proaspăt (zaharoză), randamentul de
recuperare a Al și Ni a fost neglijabil la orice den sitate de past ă. În funcție de den sitatea
pastei, mediul proaspăt a efectuat o ext racție de 8,0 – 13,4% W, 6,5 – 11,9% Mo și 14,5-
19,5% Fe. Comportamentul de solubilizare al Fe a fost diferit de cel al W și Mo. S -a
observat că o creștere a den sității pastei (de la1 la 5% (m/v)) și o scădere corespunzătoare a
pH-ului (de la 4,82 până la 4,20) a condus la o scădere a randamentului de extracție a Fe și
o creștere a randamentului de extracție a W și Mo. Aceste rezultate pentru Fe au fost în
concordanță cu cele ale lui Wu și T ing (2006).
S-a constatat că un randament de extracție similar s -a obținut pentru Ni atât în
solubilizarea cu mediu uzat , cât și în solubilizarea chimic ă la 1% (g /v) catalizator uzat, în
care s -a folosit un amestec de acizi organici la aceeași concentrație ca și cei produși de A.
Niger pentru solubilizarea cu mediu uzat (691 mg/l acid citric, 61 mg/l acidul gluconic și 2
mg/l acid oxalic) . Acest rezultat demonstrează că acidul citric este pr incipalul agent
responsabil pentru solubilizarea Ni în mediu uzat.
În cazul altor metale, solubilizarea cu mediu uzat a condus la ran damente
semnificativ mai ridicate decât solubilizarea chimică: 93,6% W, 12,5 Al, 75,1% Fe și
85,0% Mo au fost extrase în solubilizarea cu mediu uzat și numai 28,2% W, 2,8% Al,
15,3% Fe și 45,4% Mo au fost extrase utilizând solubilizarea chimic ă.
Deși, met oda de biosolubilizare oferă multe avantaje față de alte metode
convenționale este nevoie de o perioadă mai lungă de funcționare comparativ cu alte
metode, cum ar fi solubilizarea chimică. Aceste rezultate sugerează că optimizarea metodei
de biosolubilizar e folo sind Aspergillus niger ar putea facilita crearea unei alternative la
metodele convenționale de tratare a deșeurilor. O astfel de metodă ar putea fi utilizată
pentru a obț ine o eficiență mai mare și randamente mai mari de recuperare a metalelor,
minimizând în același timp costurile de proces pr in utilizarea surselor de substrat mai
ieftine.

22
Bibliografie

1. I. Asghari, S.M. Mousavi , F. Amiri, S. Tavassoli , Bioleaching of spent refinery
catalysts: A review .
2. D. Mishra, D.J. Kim D.E. Ralph, J.G. Ahn, Y.H. R hee, Bioleaching of vanadium
rich spent refinery catalysts using sulfur oxidizing lithotrophs .
3. Ata Akcil , Francesco Vegliò, Francesco Ferella, Mediha Demet Okudan, Aysenur
Tuncuk, A review of metal recovery from spent petroleum catalysts and ash .
4. Abhilasha Bharadwaj, Yen -Peng Ting, Bioleaching of spent hydrotreating catalyst
by acidophilic thermophile Acidianus brierleyi: Leaching mechanism and effect of
decoking .
5. F. Amiri, S. Yaghmaei, S.M. Mousavi, S. Sheibani, Recovery of metals from spent
refinery hydro cracking catalyst using adapted Aspergillus niger .