Bioleaching ”biolouhinta” Kaivostoimintaa bakteerien avulla

Mitä on biolouhinta? 1/3 Bio-oksidaatio, biolouhinta, bioleaching, biomining mikrobien katalysoima prosessi yleensä nämä liukenemattomat metallit esiintyvät metallisulfideina (CuS, NiS, ZnS...), jotka muuttuvat liukoisiksi metallisulfaateiksi (CuSO4, NiSO4, ZnSO4...)

kobaltiitti kultamalmia Pyriitti (FeS2) kovelliitti (CuS)

Mitä on biolouhinta? 2/3 Biolouhinta on ympäristöystävällinen prosessi Esim. ei tarvita korkeita lämpötiloja lisäksi prosessissa ei muodostu myrkyllisiä sivutuotteita kuten rikkidioksidia

Mitä on biolouhinta? 3/3 Maapallon korkeapitoinen (metalli) malmi on hupenemassa Biolouhinta mahdollistaa "arvottoman" (vähän metalllia sisältävän) malmin käytön On esimerkiksi kaupallisesti kiinnostavaa käyttää normaalin malminkäsittelyn jäljiltä saatavaa "jätemalmia" biolouhinnan lähtömateriaalina

Taustaa luonnossa mikrobit saostavat ja muuttavat metalleja liukenevaan muotoon anaerobiset rikkiä pelkistävät bakteerit muodostavat sulfideja jotka voivat reagoida metallien kanssa ja muodostaa liukenemattomia metallisulfideja nämä metallisulfidit voivat toimia elektronin luovuttajina yleensä aerobisille rikkiä hapettaville mikrobeille

Taustaa tämän seurauksena muodostuu liukenevia metallisulfaatteja metallisulfaatit liukenevat veteen josta ne voidaan ottaa talteen

Termejä hapetus on elektronin luovutus ja pelkistys elektronin vastaanotto (aineen kannalta) autotrofi: ottaa hiilen CO2 heterotrofi: tarvitsee orgaanisia yhdisteitä kemoautotrofi: energia epäorgaanisten yhdisteiden/metallien (rauta, rikki, vety, ammoniakki…) hapetuksesta oblikatoorinen: ehdoton

Mikrobit tämän taustalla pääosin kemoautotrofeja jotka pystyvät käyttämään ferro-ionia (Fe2+) ja/tai pelkistyneitä epäorgaanisia rikkiyhdisteitä elektronin luovuttajina sivutuotteena muodostuu yleensä rikkihappoa täten ne kasvavat hyvin happamissa olosuhteissa, pH 1,5-2 Osa arkkeja

Mikrobit tämän taustalla 1/2 tarvitsevat happea elektronin vastaanottajaksi vaikka osa voi käyttää elektronin vastaanottaja ferri-ionia (Fe3+) tarvitsevat hiililähteen (CO2) ilmastus on tärkeää sietävät korkeita metalli-ionipitoisuuksia

Mikrobit tämän taustalla 2/2 eivät kasva hyvin laboratorioissa ovat hyvin herkkiä kaikelle orgaaniselle materiaalille monet näistä kasvavat luonnossa biofimeissä jotka ovat kiinnittyneet malmin huokosiin ja "optimaalisiin" kiderakenteisiin voivat kasvaa laajalla lämpöskaalalla (20-90'C), normaalisti kuitenkin 20-40'C

Tärkeitä mikrobeja Acidithiobacillus At. ferrooxidans, At. thioxidans, At. Caldus At.ferrooxidans ensimmäinen löydetty oblikatorisia autotrofeja voivat käyttää Fe2+ tai pelkistyneitä epäorg. rikkiyhdisteitä elektronin luovuttajina suosii happea elektronin vastaanottaja mutta voi käyttää myös Fe3+ jos epäorgaanisia rikkiyhdist. saatavilla elektronin luovuttajina kasvaa optimaalisesti 20-35'C ja pH 1,8-2 mutta adaptaatio mahdollista voi kasvaa muurahaishapolla mutta vain kun sitä ei ole ylimäärin

At. Thioxidans hapettaa vain pelkistyneitä epäorg. rikkiyhdisteitä ei siedä orgaanisia yhdisteitä kasvaa pH 0,5-5,5 dominoivat rikin hapetusta kun saatavilla paljon rikkiä ja pH alhainen (0,7) Tuottavat paljon rikkihappoa

Leptospirillum L. ferrooxidans ja L. thermoferrooxidans oblikatorisia aerobisia gram-negatiivisia kemoautotrofeja Hapettavat vain ferro-ionia (Fe2+) optimaalinen pH 1,5-1,8 kuparin biolouhinnassa kun pH 0,7 dominoiva raudan hapettaja

Acidiphilium happoa kestäviä gram-negatiivisia heterotrofeja eivät osallistu metallien hapetukseen kasvavat esim. At. ferrooxidans läheisyydessä syövät muiden mikrobien orgaanisia sivu- ja hajoamistuotteita tuottavat bakteeriklorofylli-α mutta eivät pysty fotosynteesiin

Muita mahdollisesti tärkeitä mikrobeja Sulfobacillus Sb. thermosulfidooxidans, Sb. Acidophilus gram-positiivisia jotka voivat kasvaa joko autotrofisesti ja/tai heterotrofisesti hapettavat Fe2+, pelkistävät epäorg. rikkiyhd. tai sulfidimineraaleja voivat kasvaa myös glukoosilla voivat kasvaa ilman happea optimaalinen kasvulämpötila 40-60'C

Acidianus Arkkeja Acidianus brierleyi Ad. infernus, Ad. Ambivalens Kasvavat joko autotrofisesti tai heterotrofisesti 70'C, pH 1,5-2 Ad. infernus, Ad. Ambivalens oblikatoorisia khemoautotrofeja aerobinen tai anaerobinen kasvu 90'C, pH 2

Prosesseja yleisimmät kastelukasa- ja tankkiprosessi myös suoraan kaivoksessa maan alla ei steriilejä, prosessiolosuhde selektoi mikrobit

Prosesseja Mahdollisen hapetustankin tehtävänä on regeneroida Fe3+ ja bakteereja, ja hapettaa kasteluneste   Bosecker (1994)

Kasametodi halpa suurien määrien käsittely suurin osa kuparista tällä metodilla ilmastusputket mahdollisia Chilen Quabrada Blancassa sijaitseva kaivos tuottaa tällä metodilla 75 000 tonnia kuparia vuodessa malmista jossa kuparia 1,3 %

Kasametodi/ dump leaching Kastelu: suihkutus/ruiskutus tulvimalla Boseckera (2006)

In situ

Prosesseja

Tankkimetodi Tehokkaita yleensä sarjassa tarvitsevat jäähdytystä, sekoitusta ja ilmastusta yksi tankki voi vetää miljoonia litroja kaupalliset sovellukset lähinnä kullalle Rawlings 2002

Kemialliset reaktiot Suora mekanismi Epäsuora mekanismi Thiosulfaattimekanismi Polysulfidimekanismi

Suora mekanismi tapahtuu mikrobin ja mineraalin välimaastossa, EPS:ssa entsymaattistyyppinen reaktio Alkaa mineraalin epätäydellisistä kristallirakenteista

Suora mekanismi Pyriitti (FeS2) 4FeS2+14O2+4H2O4FeSO4+4H2SO4 4FeSO4+O2+2H2SO42Fe2(SO4)3+2H2O ----------------------------------------------------------- 4FeS2+15O2+2H2O2Fe2(SO4)3+2H2SO4 Huom. Fe2(SO4)3=2Fe3++3SO2-4 (Silverman 1967)

Suora mekanismi mahdolista ainakin seuraaville metallisulfideille: (T. ferrooxidans) (Torma 1971, 1977) Pyriitti (FeS2) Covellite (CuS) Chalcocite (Cu2S) Sphalerite (ZnS) Galena (PbS) Molybdenite (MoS2) Stibnite (Sb2S3) Cobaltite (CoS) Millerite (NiS)

Epäsuora mekanismi Epäsuoralle mekanismille on ehdotettu kahta reaktioreittiä (Schippers et al. 1996, Schippers ja Sand 1999) Thiosulfaattimekanismi happoon liukenemattomille metallisulfideille (… FeS2, MoS2, WS2) Polysulfidimekanismi happoon liukeneville (… ZnS, CuFeS2, PbS)

Thiosulfaattimekanismi Perustuu ferri-ionin hyökkäykseen Thiosulfaatti välituotteena ja sulfaatti lopputuotteena FeS2+6Fe3++3H2OS2O2-3+7Fe2++6H+ S2O2-3+8Fe3++5H2O2SO2-4+8Fe2++10H+

Polysulfidimekanismi Ferri-ionin ja protonien hyökkäys Välituotteena rikki joka voidaan hapettaa sulfaatiksi MS+Fe3++H+M2++0,5H2Sn+Fe2+ (n≥2) 0,5H2Sn+Fe3+0,125S8+Fe2++H+ 0,125S8+1,5O2+H2OSO2-4+2H+ M=metalli

Ferroferri Taustalla ferri-ionien regeneraatio (rautaa hapettavat mikrobit) 14Fe2++3,5O2+14H+14Fe3++7H2O Täten mikrobien tehtävä on pitää rauta Fe3+-muodossa ja tuottaa rikkihappoa protonien (H+) luovuttajaksi

A. ferrooxidans Valdés et al. BMC Genomics 2008 9:597

Epäsuora mekanismi uraanille U(4+)O+Fe2(SO4)3U(6+)O2SO4+2FeSO4 Fe3+ saadaan esim. pyriitistä, joka esiintyy uraanin yhteydessä

Kulta Kullan kysyntä pysyy korkealla tai jatkaa kasvua Korkeakultapitoisia löydöksiä tehdään yhä harvemmin Ympäristökysymykset Uudet tekniikat

Kulta Tankkimetodi jopa alle 1g/1tn sisältävän malmin käsittely kannattavaa prosessissa mikrobit hajottavat kultaa sisältävää arsenopyriittiä jonka jälkeen malmi käsitellään syanidilla Tarvitaan vähemmän syanidia

Rio tinto, Espanja