La Biolixiviation : des bactéries au service de la production des métaux

Patrick d’Hugues

Responsable Unité Déchets et Matières Premières Direction Eau/Environnement/Ecotechnologies

BRGM

Colloque Bioprocédés et Bioproduction Environnement - Energie - Santé -

10 Juillet 2013

Peut-on extraire des métaux par l’action de micro-organismes?

Lesquels? Dans quel contexte? Par quels types de procédés?

La biolixiviation : une réalité industrielle? Des besoins de R&D?

La recherche de “nouvelles” méthodes d’extraction des métaux est-il un enjeux pour l’Europe?

Les déchets (Miniers) : problème environnemental uniquement?

L’activité microbienne joue un rôle important

- dans la « décomposition » de la matière minérale

- dans les grands cycles biogéochimiques pour le CO2, le fer, le soufre,…

La Biolixiviation, un processus « naturel »

Cycle du fer : Rio Tinto (DMA)

Cycle du Soufre - Yellowstone N.P. (UWB - Pr B. Johnson)

Dégradation de la matrice sulfurée des roches par les bactéries ; Oxydation du Fe2+ en Fe3+ (réactions d'oxydation = source d'énergie) Libération ou solubilisation des métaux en milieu acide (H2SO4 = produit du métabolisme bactérien)

Biolixiviation / Biooxidation : Chimie et Biologie

FeS2 + 7/2 O2 + H2O FeSO4 + H2SO4

2 FeSO4 + 1/2 O2 + H2SO4 Fe2(SO4)3 + H2O

FeS2 + Fe2(SO4)3 3 FeSO4 + 2 So

2 So + 3 O2 + 2 H2O 2 H2SO4

Acidithiobacillus (ferrooxidans)

Leptospirillum Sulfobacillus sp. Acidimicrobium Ferroplasma Sulfolobus Acidianus Metallosphaera

Des bactéries et archéobactéries « extrêmophiles » :

- Acidophiles (pH <2) chimiolithotrophes autotrophes (et hétérotrophes) aérobies (et anaérobies)

- Mésophiles (20 - 40°C), Thermotolérantes (40°C - 60°C), Thermophiles (60 - 80°C)

T. Cabral, BRGM

T. Cabral, BRGM

Biolixiviation : Interface Matière Organique / Matière Minérale

Research in Microbiology 157 (2006) 49–56 Wolfgang Sand ∗, Tilman Gehrke

Ore Oxide/Sulphides (0.5 – 2.0 % Cu)

Mining Open Pit / Underground

Concentrate (20 – 30 % Cu)

Pyrometallurgy Smelting/Refining

Mineral Processing : Comminution / Concentration

(Bio)Hydrometallurgy (Leaching / SX / EW)

Biolixiviation : Une solution en métallurgie extractive

Des produits manufacturés de plus en plus complexes, contenant de nombreux

métaux Ag, Au, Pd … (métaux précieux) et Cu, Al, Ni, Zn … (métaux de base)

Contexte : La sécurisation de l’approvisionnement en métaux

Achzet, B., Reller, A.: Powering the Future (2011)

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Evolution historique de la production minière de cuivre jusqu'à 2011,et prévisions pour les 40 prochaines années par extrapolation de la

tendance récente

Production minière historique de cuivre jusqu'à 2011 (taux de croissancemoyen de 1900 à 2011 : 3,18%)

Extrapolation de la production minière de cuivre de 2012 to 2055 ensupposant un taux de croissance de 2,85%

Production minière cumulée des

origines à 2011:

590 Mt Cu

Cumul de la nouvelle production minière de

2037 à 2051 (15 ans) en

supposant un taux de croissance annuel de 2,85% :

611 Mt Cu

Cumul de la nouvelle

production minière de 2012à 2036 (25 ans)

en supposant un taux de croissance annuel de 2,85% :

588 Mt Cu

Simulation d'un taux de croissance annuel de 2,85%,

calé sur la croissance moyenne de la

consommation observée de 1960 à 2011

Labbé and Villeneuve, BRGM (2013)

Source UNEP

2015

Des besoins en métaux

qui augmentent

et que le recyclage ne

pourra satisfaire !

Europe dépendante de l’importation des métaux : déficit commercial 10 milliards

€ (SEC(2007)771) – Raw Material Initiative (2008)

Contexte : Augmentation de la demande en métaux - dépendance de l’Europe

% of EU25 in global production / consumption

Mine production

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Cu ZnNi

% of EU25 in global production / consumption

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Cu ZnNi

Mintek,; BioMinE (2008)

Contexte Economique et Environnemental Augmentation de la demande mondiale

en métaux Diminution de la teneur en métaux des

gisements Raréfaction sur certains éléments et

certaines ressources Augmentation de la conscience

environnementale des entreprises

Contexte Européen Une activité minière essentiellement

basé sur la pyrométallurgie Une forte dépendance aux importations Des gisements complexes, de petites

tailles, des déchets historiques

Besoin de procédés alternatifs pour traiter de nouvelles ressources (déchets miniers, minerais à faible teneur, minerais complexes)

Besoin de procédés flexible et à moindre impact environnemental

• Faible CAPEX and OPEX • Ressources à « faible teneur »

• Robustesse et fiabilité • Taux récupération élevés

• CAPEX and OPEX + élevés • Cinétiques lentes ; % récupération faibles • Empreinte au sol importante

Statique : Heap (Dump) bioleaching for ores (and concentrates) (low metal grade)

Dynamique : Stirred tank bioleaching for concentrates (high metal grade)

Biolixiviation : Une alternative et une réalité industrielle - 2 types de procédés

12 installations industrielles de Biooxidation / or 18 % du Cu mondial facilité par action bactérienne 1 opération pour le Cobalt Des procédés en développement !

Dump Leaching

Biolixiviation en tas

Escondida, Chili 1,300 M de tonnes de minerai à faible teneur Tas : 5000m/2000m/130m

Heap Leaching

Talvivaara Finlande 1ère opération Bioheapleaching en Europe Ni (Zn/Cu/U)

Les Verrous Techniques et Scientifiques Circulation des solutions lixiviantes Transferts de gaz et de chaleur Dynamique des populations

Modéliser et Optimiser le design et le monitoring des tas ?

Une technologie maitrisée pour le pré-traitement des minerais d’or refractaires Gestion des mousses ! (et des EPS ?)

Les Verrous Techniques et Scientifiques

Limitation de la biolixiviation de la chalcopyrite Optimisation des transferts de gaz et de chaleur Nouveau type de bioréacteur? Dynamique des populations? « Designed consortia»?

Biolixiviation en réacteur

Sansu plant, Ghana BIOX technology, Gold Fields

Extreme thermophiles 80°C

Chuquicamata, Chile BioCOPTM prototype plant

BHP Billiton technology

Peñoles plant, Monterrey, Mexico Mintek-BacTech technology

Moderate thermophiles

1989 Preliminary study of bioleaching BRGM

1989 - 93 - Pre-feasibility study (testwork on bioleaching)

1992-96 - Feasibility Step - Basic engineering

1996 - 1998 - Detailed engineering

1998-1999 - Construction and start-up

June 1999 - First cobalt cathode on site

1 Mt - Pyrite Tailings in Uganda 1,3% Cobalt

Bacteria on the pyrite surface

Continuous lab-scale plant at BRGM

Industrial agitation system

On site pilot plant

Le Projet KCC : unique pour le Cobalt - un cas d’étude idéal pour le re-traitement des résidus minéralurgiques (Procédé BRGM)

BRGM : P. Ollivier D. Morin J.M. Hau

P. d’Hugues F. Battaglia

La Biolixivitation : une thématique de R&D Européenne

Potentiel de la biohydrométallurgie comme méthode de traitement

des ressources européennes “non conventionnelles” : déchets

miniers, « minerais pauvres », minerais polymétalliques complexes.

Développement de nouveaux procédés et nouveaux

bioréacteurs permettant d’optimiser l’application et la rentabilité de

la biolixiviation comme l’une des étapes clés de la production de

métaux.

Sélection de nouvelles souches bactériennes et importance de

la dynamique des populations pour l’optimisation des procédés de

biolixiviation.

Modélisation des processus biochimiques complexes

intervenant lors de l’oxydation biologiques des sulfures.

3 projets Européens des 6ème et

7ème PCRD (2004 – 2013)

Plusieurs thèmes de R&D

2014 : Projet Franco-Allemand ANR/BMBF Ecometals Production de cuivre et métaux associés par biolixiviation

+

BRGM

Bioleaching

MILTON ROY Mixing

Agitation Technologies

Air Liquide

Gas supply and injection into Liquids

O2

N2

+

Agitateurs Flottants pour injection des gaz et mélange des solides :

Taux de solide élevé (> 40%)

Réacteurs de type bassin ; maintenance facilitée

Pas d’échangeur de chaleur

Utilisation d’air enrichi en oxygène

Gestion de la température

Amélioration des transferts de gaz

La Biolixivitation : un nouveau type de bioréacteur (Brevet déposé)

A.G. Guezennec, D. Morin Y. Menard, P. d’Hugues

F. Savreux D. Ibarra, M. Jaillet,

A. Pubill Melsio

50 µm50 µm50 µm

bioleaching P. Norris (UK)

Biolixiviation : le besoin d’une R&D pluridisciplinaire

Biolixiviation : des axes de développement

B. Johnson (UWB) 2014

Valorisation déchets miniers

Mine Urbaine Nouvelles

technologies

« biolixiviation» anaérobie

Merci pour votre attention Pour en savoir plus : email: p.dhugues@brgm.fr site: www.brgm.fr http://www.brgm.fr/projets/metaux-strategiques-valorisation-matieres-premieres-secondaires