Al perseguir la idea de conseguir altos requerimientos de calidad y baja afectación superficial, surge la necesidad de abrir nuevas líneas de investigación, mejorando técnicas existentes o incluso apostando por nuevos métodos de fabricación como el mecanizado mediante bacterias

Biomecanizado: un acercamiento a la remoción de metal en aplicaciones especiales

E. Díaz-Tena, A. Rodríguez-Ezquerro y L.N. López de Lacalle Marcaide del Departamento de Ingeniería Mecánica, Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao, UPV/EHU

L. Gurtubay Bustinduy y A. Elías Sáenz del Departamento de Ingeniería Química y del Medio Ambiente, Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao, UPV/EHU.

27/11/2013

Con este estudio se busca analizar el proceso del 'mecanizado biológico' para el caso de materiales de alta pureza, concretamente cobre libre de oxígeno, siendo un primer acercamiento original a la posible utilización de bacterias extremófilas para la eliminación controlada de material en varios campos. No se trata de sustituir a los procesos mecánicos, sino de tener un nuevo proceso que permita resolver casos de fabricación de formas o detalles complejos.

Primero se realizarán ensayos de índole química, para posteriormente introducir las bacterias de la familia ferrooxidans en el proceso. En ambos casos, será objeto de análisis tanto la tasa de arranque como la evolución de la calidad superficial de la pieza. De esta forma se exploran tecnologías que si bien no tienen naturaleza mecánica sí pueden coexistir en empresas que hacen producción de elevado valor añadido.

1. Introducción

El cobre participa directa e indirectamente en aplicaciones tanto tradicionales como emergentes. Su alto nivel de industrialización (de 10 a 15 kg/Cu/año/persona) y su elevada producción mundial, superando las 18 millones de toneladas [1], hacen que no sólo la demanda del cobre crezca con el progreso, sino que a la vez haga posible que tal progreso tenga lugar. En los últimos años la demanda del cobre para empleo de equipamientos en temas de I+D, en electrónica y en equipamiento médico se ha visto aumentado y según la Figura 1, se prevé un crecimiento exponencial en un futuro próximo.

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Figura 1. Prospectiva a futuro del I+D relacionado con instalaciones científicas y componentes de cobre.

Uno de los cobres con mayor auge en la actualidad es el cobre libre de oxígeno (OFC), caracterizado por su alto nivel de pureza (mín. 99.999 %Cu) y su elevada conductividad eléctrica. Una de sus aplicaciones de mayor importancia en nuestro entorno industrial es su uso en aceleradores de partículas y otros grandes instrumentos científicos. En este tipo de instalaciones se requieren piezas con acabados de pulido a espejo (rugosidad inferior a 0.1 m) y con precisiones del orden de 5 m en 10 m. Otro campo es la microelectrónica y microactuadores, donde además de procesos de corte clásico deben explorarse otras posibilidades incluso fundadas en otros campos de la técnica de orden cultural diferente. Este es el caso del biomecanizado, cuyos primeros resultados se analizan en este trabajo.

2. El proceso de biomecanizado

Los procesos más comunes en el ámbito del mecanizado, como electroerosión, fresado o mecanizado químico entre otros, presentan la desventaja de poder afectar tanto térmica como mecánicamente al material a causa de las temperaturas alcanzadas durante el proceso, la lubricación y el contacto físico entre herramienta y pieza. Al perseguir la idea de conseguir altos requerimientos de calidad y baja afectación superficial, surge la necesidad de abrir nuevas líneas de investigación, mejorando técnicas existentes o incluso apostando por nuevos métodos de fabricación.

Ejemplo de ello es el mecanizado mediante bacterias (también conocido como biomecanizado) proceso en el que mediante reacciones químicas encadenadas se consigue la remoción de material. A diferencia de otros procesos, aquí no se emplean herramientas de corte, ni compuestos tóxicos (como lo es el FeCl3 del mecanizado químico), por lo que no se ejerce ningún daño mecánico ni térmico sobre la superficie mecanizada. El proceso del biomecanizado ha sido objeto de pocos estudios [2-5], intentado hacerse un hueco en el ámbito industrial sustituyendo/complementando a procesos como microfresado, micro/EDM o mecanizado químico.

El catión Fe3+ es la especie química fundamental en el proceso de remoción de cobre metálico en disolución de ácido sulfúrico mediante la utilización de la bacteria Acidithiobacillus Ferrooxidans (A.F.) (Figura 2). En la disolución preparada entre otras especies químicas se encuentra el catión Fe2+ además de las bacterias A.F.. Éstas, en su proceso metabólico oxidan el Fe2+ a Fe3+. Al introducir la probeta de cobre en la disolución, el Fe3+ generado oxida al cobre metálico, que se disuelve como catión Cu2+ y simultáneamente se reduce a Fe2+. El Fe2+ será oxidado de nuevo a Fe3+ por las bacterias, continuando así el proceso de biomecanizado. Este proceso, por lo tanto es cerrado, autónomo y si se estabiliza es susceptible de ser utilizado industrialmente. Incluso puede abrir otras líneas, puesto que hay referencias a posibles aplicaciones sobre otros metales y aleaciones.

3. Desarrollo experimental

El objetivo principal de este estudio era ampliar los conocimientos sobre el mecanizado de cobre mediante bacterias A.F. (Figura 2), analizando el efecto de dicho proceso sobre la superficie metálica, tanto en calidad superficial como en tasa de remoción. Asimismo, se pretendía analizar los diferentes factores que podían llegar a tener influencia en los resultados del proceso: parámetros físicos y químicos y condiciones de tratamiento entre otros.

El cultivo de bacterias A.F. empleado en este estudio, fue suministrado por investigadores de la Universidad de Cádiz, grupo experto en trabajar con este tipo de bacterias. La concentración bacteriana era desconocida.

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Figura 2. Observación microscópica de la bacteria A.F.

3.1. Diseño de las probetas

Se prepararon probetas de superficie útil de 10x10 mm2. Estas dimensiones se asemejaban a las utilizadas en los ensayos de los artículos relacionados con el tema del biomecanizado [2-4], siendo en su mayoría probetas cuadradas y de pequeño espesor. El espesor fijado en este caso fue de 2 mm.

3.2 Fase de viabilidad de la tecnología

3.2.1 Pruebas iniciales de probetas introducidas en el Río Tinto, Huelva

Como primer acercamiento al estudio, se decidió introducir varias probetas en un medio bacteriano natural activo, como lo es Río Tinto (situado en la provincia de Huelva). Su alta diversidad biológica y su pH medio de 2.3 hacen posible que bacterias oxidantes del hierro convivan en ese ecosistema inusual. Este ejemplo sirvió de inspiración inicial al proyecto, pues la réplica de un medio natural estable como el Rio Tinto podía ilustrar sobre los básicos del problema e identificar cepas de bacterias entre otros.

Las probetas se extrajeron cada 15 días, se analizaron vía SEM y se observaron microscópicamente, repitiendo el proceso a lo largo de 2 meses. Si bien no se tenía completo conocimiento del proceso que estaba ocurriendo, se pudo observar una disminución en la masa de las probetas, así como un empeoramiento de la calidad superficial (Figura 3), concluyendo que el tiempo de exposición había sido elevado. Evidentemente el ataque combinado químico/bacteriológico fue en toda la superficie, tanto en valles como en crestas.

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Figura 3. Diferencia de la calidad superficial. Izq. Probeta antes de ser insertada en el medio. Drcha. Probeta tras 2 meses de exposición.

3.2.2. Pruebas iniciales en laboratorio (mecanizado químico)

Con el fin de adquirir experiencia previo a la introducción de las bacterias, se realizó una serie de ensayos con dos disoluciones de Fe3+ preparadas a partir de sales férricas en medio sulfúrico (pH=2), de concentraciones de catión de 1 y 5 g/L. Se introdujeron las probetas de cobre, previamente pesadas, suspendidas en el seno de las disoluciones (ver Figura 4) y se procesaron con agitación orbital (90 rpm) a dos temperaturas (26 y 56 °C). A intervalos de tiempo de 15-30-45-60-75 y 90 minutos, las probetas se lavaron, secaron y pesaron para determinar la pérdida de masa de cobre de las mismas. Asimismo, se determinó la concentración de Fe3+, además de otros parámetros.

Tras la finalización de los ensayos, la superficie de cada probeta se analizó por SEM y mediante un microscopio óptico confocal. Los resultados se muestran en el Apartado 4.

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Figura 4. Probetas introducidas en disolución férrica.

3.3. Fase con bacterias (biomecanizado)

Para la realización de esta fase fue necesario preparar primeramente el medio de cultivo bacteriano 9K, utilizado habitualmente con las bacterias A.F., con una concentración de 6 gFe2+/L y pH=2 [4,5].

Preparado el medio, el siguiente paso fue dar comienzo al crecimiento de las bacterias. Para ello, a 150 mL de Medio 9K se añadieron 2 mL del inóculo de A.F. suministrado. La disolución se mantuvo incubando durante 48 horas con agitación de 150 rpm y a una temperatura de unos 30 oC. Se supo que el crecimiento de las bacterias había sido satisfactorio al haberse oxidado la mayor parte de Fe2+ a Fe3+ debido al proceso metabólico de las bacterias, tal y como se ha citado en el Apartado 2.

A continuación se dio paso el primer ensayo de biomecanizado. En frascos de polietileno se introdujeron disolución 9K, inóculo bacteriano (A.F.) crecido y las probetas a ensayar previamente pesadas. Los frascos se trataron con agitación orbital (150 rpm) a unos 35 °C de temperatura. A intervalos de tiempo de 1-2-3 y 4.5 horas, las probetas se extrajeron de las disoluciones y tras su lavado y secado se pesaron. En las disoluciones se midieron los parámetros citados en la fase anterior. Finalmente, las probetas se analizaron superficialmente, por microscopía óptica confocal y por vía SEM.

Con el fin de analizar la influencia de la concentración bacteriana en la pérdida de cobre, se realizaron paralelamente tres ensayos análogos a los anteriores, en los que tres probetas fueron sumergidas en tres medios: E-100, con un 100% de inóculo A.F., E-50, con un 50% de inóculo A.F. y un 50% de Medio 9K y E-10, con un 10% de inóculo A.F. y 90% Medio 9K. Si bien no se tenía conocimiento de las concentraciones iniciales de las bacterias A.F. en el inóculo suministrado, de esta manera, se sabía que relativamente las muestras E-50 y E-10 tenían respectivamente el 50% y el 10% de la concentración bacteriana de la muestra E-100. Los resultados obtenidos de esta fase con bacterias se muestran en el Apartado 4.

4. Resultados

Fase sin bacterias (mecanizado químico). Se concluyó que durante el proceso de mecanizado químico, la pérdida de cobre, y por tanto la tasa de arranque, fue mayor cuanto mayor era la concentración Fe3+, tal y como aparece en la Figura 5. Asimismo, dicha tasa aumentó con la temperatura para una concentración dada de catión.

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Figura 5. Pérdida de peso de cobre frente al tiempo de exposición durante los ensayos sin bacterias.

Mencionar, que la tasa de remoción disminuyó sistemáticamente junto con el decrecimiento de la concentración del Fe3+ durante el tiempo de ensayo. En cuanto a la calidad superficial, se observó que a mayor concentración del catión Fe3+ ésta empeoraba, como se puede apreciar en la Figura 6.

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Figura 6. Observación de la superficie vía SEM tras 90 mintos de ensayo. Izq. 1 gFe3+/L. Drcha. 5 gFe3+/L.

Fase con bacterias (biomecanizado). Durante la primera hora de ensayo se alcanzaron tasas de remoción de hasta 97 mgCu/h, disminuyendo sistemáticamente, aunque no linealmente, a lo largo del mismo (ver Figura 7). A diferencia de los ensayos de mecanizado químico, la concentración de Fe3+ se mantuvo aproximadamente constante.

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Figura 7. Evolución de la tasa de remoción de cobre y de la concentración de Fe3+ en el ensayo de biomecanizado.

En cuanto al efecto de la concentración bacteriana, considerando las pérdidas de peso de cobre al de 1 hora y al de 3 horas de las muestras E-100 y E-50, se pudo observar que los resultados de la E-50 eran el 50% de los encontrados en E-100 en ambos casos. De la misma manera, los valores de la pérdida de masa acumulada de cobre de la E-10 eran del 12% y el 13%, al de 1 hora y al de 3 horas respectivamente, de la correspondiente a la E-100, muy próximo a la relación de concentración inicial entre ambas muestras (10%). Estos resultados se resumen en el gráfico de la Figura 8.

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Figura 8. Tasas de remoción de cobre para diferentes concentraciones de A.F.

5. Conclusiones y futuros trabajos

En los ensayos de mecanizado químico, tanto la concentración de Fe3+ como la temperatura influían notoriamente en las tasas de remoción alcanzadas durante el proceso. A mayor concentración y mayor temperatura la tasa aumentaba. La calidad superficial de las probetas ensayadas empeoraba con el aumento de la concentración del catión Fe3+.

En comparación con los ensayos de mecanizado sin bacterias (mecanizado químico), mediante el biomecanizado se alcanzaron tasas de remoción de cobre semejantes al primero tras la primera hora de ensayo. De manera similar, en ambos casos la tasa de remoción disminuyó con el tiempo de exposición, siendo una relación no lineal. En los ensayos con bacterias A.F., en teoría, la tasa de remoción del cobre se debería mantener aproximadamente constante. Pero no ocurrió así, a pesar de que durante el ensayo la concentración de Fe3+ permaneció más o menos constante tras cada intervalo de tiempo. Este hecho parece evidenciar la mayor complejidad del biomecanizado frente al mecanizado químico.

De los resultados de los valores de las tasas de remoción para diferentes concentraciones bacterianas, se evidenció la existencia de una relación directa entre la concentración de A.F. y la tasa de remoción de cobre.

Gracias a este estudio, se abren nuevas vías de investigación sobre el biomecanizado, como analizar detalladamente la evolución de la rugosidad superficial, guiando el proceso hacia el ‘control’ de la misma. Se trabajará por conseguir un proceso continuo con miras a su posible aplicación industrial, incidiendo en el estudio de los factores potencialmente influyentes en el proceso, como agitación, temperatura, pH y concentración bacteriana, entre otros.

Actualmente, en la ETSI de Bilbao se está trabajando en una línea de investigación enfocada al desarrollo de un proceso eficaz de biomecanizado, a través del estudio de la influencia de los citados factores en el mismo.

6. Agradecimientos

Los autores agradecen a SGIker el apoyo técnico suministrado en la realización de SEM y también la colaboración del Centro de Astrobiología INTA-CSIC y a la Universidad de Cádiz. Este trabajo ha sido posible gracias la financiación recibida por el Gobierno Vasco y la UPV/EHU, esta última bajo el programa UFI 11/29.

Referencias

[1] International Copper Study Group, http://www.icsg.org (Último acceso Diciembre 2012).

[2] J.Istiyanto, T. Jo Ko, II-C. Yoon. A Study on Copper Micromachining Using Microorganisms. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 11 (2010), pp. 659-664.

[3] J.H. Chang, H. Hocheng, H.Y. Chang, A. Shih. Metal Removal rate of Thiobacillus thiooxidans without pre-secreted metabolite. Journal of Materials Processing Technology, 201 (2008), pp. 560-564.

[4] D. Johnson, R. Warner, A. J. Shih. Surface Roughness and Material Removal Rate in Machining Using Microorganisms. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 129 (2007), pp. 223-227.

[5] D. Zhang, Y. Li, Possibility of biological micromachining used for metal removal. Science in China, Serices C Life Sciences 42 (1998), pp. 151-156.

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