Biomining

The BIOXTM Process for the Treatment of Refractory Gold Concentrates PIETER C. VAN ASWEGEN, JAN VAN NIEKERK, WALDEMAR OLIVIER . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 The BIOXTM Process Flow Sheet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Current Status of Operating BIOXTM Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.1 The Fairview BIOXTM Plant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.2 The Wiluna BIOXTM Plant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3.3 The Sansu BIOXTM Plant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3.4 The Fosterville BIOXTM Plant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3.5 The Suzdal BIOXTM Plant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3.6 Future BIOXTM Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4 The BIOXTM Bacterial Culture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5 Engineering Design and Process Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.5.1 Chemical Reactions and the Influence of Ore Mineralogy. . . . . . . . 9 1.5.1.1 Pyrite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.5.1.2 Pyrrhotite/Pyrite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.5.1.3 Arsenopyrite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.5.1.4 Carbonate Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.5.2 Effect of Temperature and Cooling Requirements . . . . . . . . . . . . . 12 1.5.3 pH Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.5.4 Oxygen Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.5.5 Process Modeling and Effect of Bioreactor Configuration. . . . . . . 14 1.5.6 Effect of Various Toxins on Bacterial Performance . . . . . . . . . . . . 16 1.6 BIOXTM Capital and Operating Cost Breakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.6.1 Capital Cost Breakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.6.2 Operating Cost Breakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.7 New Developments in the BIOXTM Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.7.1 Development of an Alternative Impeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.7.2 Cyanide Consumption Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.7.3 Combining Mesophile and Thermophile Biooxidation . . . . . . . . . 24 1.8 BIOXTM Liquor Neutralization and Arsenic Disposal. . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.8.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.8.2 Development of the Two-Stage BIOXTM Neutralization Process . . . 27 1.8.3 BIOXTM Neutralization Process Design and Performance . . . . . . . 29 1.8.4 The Use of Flotation Tailings in the Neutralization Circuit. . . . . . 31 1.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2 Bioleaching of a Cobalt-Containing Pyrite in Stirred Reactors: a Case Study from Laboratory Scale to Industrial Application DOMINIQUE HENRI ROGER MORIN, PATRICK D’HUGUES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.2 Feasibility and Pilot-Scale Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.2.1 Characteristics of the Pyrite Concentrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.2.2 Bioleaching of the Cobaltiferous Pyrite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.2.3 Inoculation and Microbial Populations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2.4 Optimizing the Efficiency of Bioleaching. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.2.5 Solution Treatment and Cobalt Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.2.5.1 Neutralization of the Bioleach Slurry. . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.2.5.2 Removal of Iron from the Pregnant Solution. . . . . . . . . . . 44 2.2.5.3 Zinc Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.2.5.4 Copper Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2.5.5 Cobalt Solvent Extraction and Electrowinning . . . . . . . . . 45 2.3 Full-Scale Operation: the Kasese Plant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.3.1 General Description of the Process Flowsheet. . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.3.2 Pyrite Reclamation and Physical Preparations . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.3.3 Bioleach Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.3.4 Recycling of Sulfide in the Bioleach Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.3.5 Monitoring of the Bioleach Process Performance: Some Practical Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.3.6 Bioleaching Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.3.7 Processing of the Pregnant Liquor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.3.7.1 Iron Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.3.7.2 Solution Purification and Solvent Extraction . . . . . . . . . . 52 2.3.7.3 Cobalt Electrowinning and Conditioning . . . . . . . . . . . . . 53 2.3.7.4 Effluent Treatment and Waste Management . . . . . . . . . . 53 2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3 Commercial Applications of Thermophile Bioleaching CHRIS A. DU PLESSIS, JOHN D. BATTY, DAVID W. DEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.2 Commercial Context of Copper Processing Technologies . . . . . . . . . . . . . 57 3.2.1 In Situ Leaching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.2.2 Smelting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.2.3 Concentrate Leaching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.2.4 Heap and Dump Leaching. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.3 Key Factors Influencing Commercial Decisions for Copper Projects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.3.1 Operating Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.3.2 Capital Costs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.3.3 Mining Costs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.3.4 Impurities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.3.5 Level of Sulfur Oxidation Required for Disposal . . . . . . . . . . . . . . 65 3.3.6 Alternative Acid Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 viii Contents 3.4 Techno-commercial Niche for Thermophilic Bioleaching. . . . . . . . . . . . . 66 3.4.1 Thermophilic Tank Bioleaching Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.4.1.1 Requirement for Thermophilic Conditions . . . . . . . . . . . 66 3.4.1.2 Microbial-Catalyzed Reactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.4.1.3 Reactor Configuration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.4.1.4 Oxygen Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.4.1.5 Oxygen Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.4.1.6 Carbon Dioxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.4.1.7 Agitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.4.1.8 Pulp Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.4.1.9 Arsenic Conversion to Arsenate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.4.1.10 BioCynTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.4.1.11 Cost Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.4.1.12 Materials of Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.4.2 Thermophilic Tank Bioleaching Application Options and Opportunities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.4.2.1 Copper–Gold Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.4.2.2 Expansion Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.5 Thermophilic Heap Bioleaching of Marginal Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.5.1 Basic Heap Design and the Importance of Heat Generation . . . . . 74 3.5.2 Sulfur Availability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.5.3 Microbial activity, CO2, and O2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.5.4 Inoculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.5.5 pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.5.6 Inhibitory Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.5.7 Heat Retention, Air-Flow Rate, and Irrigation Rate . . . . . . . . . . . . 77 3.5.7.1 Heap Height . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.5.7.2 Irrigation and Air-Flow Rates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4 A Review of the Development and Current Status of Copper Bioleaching Operations in Chile: 25 Years of Successful Commercial Implementation ESTEBAN M. DOMIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.1 Historical Background and Development of Copper Hydrometallurgy in Chile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.2 Technical Developments in Chile in the Direct Leaching of Ores. . . . . . . 83 4.3 Current Status of Chilean Commercial Bioleaching Operations and Projects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.3.1 Lo Aguirre Mine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.3.2 Cerro Colorado Mine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.3.3 Quebrada Blanca Mine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.3.4 Zaldívar Mine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.3.5 Ivan Mine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.3.6 Chuquicamata Low-Grade Sulfide Dump Leach . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.3.7 Carmen de Andacollo Mine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.3.8 Collahuasi Solvent Extraction–Electrowinning Operation. . . . . . . 90 Contents ix 4.3.9 Dos Amigos Mine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.3.10 Alliance Copper Concentrate Leaching Plant . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.3.11 La Escondida Low-Grade Sulfide Ore Leaching . . . . . . . . . . . . . . 91 4.3.12 Spence Mine Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4 Current Advances Applied Research and Development in Bioleaching in Chile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.5 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5 The GeoBiotics GEOCOAT® Technology – Progress and Challenges TODD J. HARVEY, MURRAY BATH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.2 The GEOCOAT® and GEOLEACHTM Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.2.1 Complementary GeoBiotics Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.2.2 The GEOCOAT® Process. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.2.3 Advantages of the GEOCOAT® Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.3 The Agnes Mine GEOCOAT® Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.4 Developing Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 6 Whole-Ore Heap Biooxidation of Sulfidic Gold-Bearing Ores THOMAS C. LOGAN, THOM SEAL, JAMES A. BRIERLEY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.2 History of BIOPROTM Development. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.3 Commercial BIOPROTM Process. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.3.1 Biooxidation Facilities Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.3.2 Biooxidation Process Description. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.4 Commercial BIOPROTM Operating Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.4.1 Collecting Data and Monitoring Performance . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.4.2 Original Facility Design/As-Built Comparison . . . . . . . . . . . . . . . 121 6.4.3 Performance History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 6.4.4 Microbial Populations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 6.4.5 Process Advances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 6.5 Lessons Learned. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 6.5.1 Ore Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 6.5.2 Crush Size. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6.5.3 Compaction and Hydraulic Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6.5.4 Inoculum/Acid Addition and Carbonate Destruction . . . . . . . . 130 6.5.5 Biosolution Chemistry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 6.5.6 Impacts of Precipitates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 6.5.7 Pad Aeration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 6.5.8 Cell Irrigation and Temperature Response . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6.5.9 Pad Base Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 6.5.10 Carbon-in-Leach Mill Experience. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 6.5.11 Expectations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 6.6 Final Thoughts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 x Contents Contents xi 7 Heap Leaching of Black Schist JAAKKO A. PUHAKKA, ANNA H. KAKSONEN, MARJA RIEKKOLA-VANHANEN . . . . . . . 139 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 7.2 Significance and Potential of Talvivaara Deposit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 7.3 Biooxidation Potential and Factors Affecting Bioleaching . . . . . . . . . . . 140 7.4 Leaching of Finely Ground Ore with Different Suspension Regimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 7.5 Heap Leaching Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 7.6 Dynamics of Biocatalyst Populations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 8 Modeling and Optimization of Heap Bioleach Processes JOCHEN PETERSEN, DAVID G. DIXON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 8.2 Physical, Chemical and Biological Processes Underlying Heap Bioleaching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 8.2.1 Solution Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 8.2.2 Gas Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 8.2.3 Heat Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 8.2.4 Diffusion Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 8.2.5 Microbial Population Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 8.2.6 Solution Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 8.2.7 Mechanism of Mineral Leaching. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 8.2.8 Grain Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 8.3 Mathematical Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 8.3.1 Mineral Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 8.3.2 Microbial Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 8.3.3 Gas–Liquid Mass Transfer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 8.3.4 Diffusion Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 8.3.5 The Combined Diffusion–Advection Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 8.3.6 Gas Transport. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 8.3.7 Heat Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 8.3.8 The HeapSim Package . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 8.4 Application of Mathematical Modeling – from Laboratory to Heap . . . 165 8.4.1 Model Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 8.4.2 Model Calibration and Laboratory-Scale Validation . . . . . . . . . . 166 8.4.3 Extending to Full Scale – Model Applications. . . . . . . . . . . . . . . . 167 8.5 Case Study I – Chalcocite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 8.6 Case Study II – Sphalerite and Pyrite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 8.7 The Route Forward – Chalcopyrite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 8.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 9 Relevance of Cell Physiology and Genetic Adaptability of Biomining Microorganisms to Industrial Processes DOUGLAS E. RAWLINGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 9.2 Biooxidation of Minerals Is a Marriage Between Chemistry and Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 9.3 General Chemistry of Mineral Biooxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 9.4 Advantages of Mineral Biooxidation Processes Compared with Many Other Microbe-Dependent Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 9.4.1 There Is a Huge Variety of Iron- and Sulfur-Oxidizing Microorganisms That Are Potentially Useful for Industrial Metal Extraction Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 9.4.2 Processes Sterility Is Not Required . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 9.4.3 Continuous-Flow, Stirred-Tank Reactors Select for the Most Efficient Organisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 9.5 Should New Processes Be Inoculated with Established Microbial Consortia? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 9.6 Types of Organisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 9.7 General Physiology of Mineral-Degrading Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . 184 9.8 Autotrophy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 9.9 Nitrogen, Phosphate and Trace Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 9.10 Energy Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 9.10.1 Iron Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 9.10.2 Sulfur Oxidation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 9.10.3 Other Potential Electron Donors for Acidophilic Microorganisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 9.10.4 Oxygen and Alternative Electron Acceptors . . . . . . . . . . . . . . . 189 9.10.5 Acidophilic Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 9.11 Adaptability of Biomining Microorganisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 9.12 Metal Tolerance and Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 9.13 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 10 Acidophile Diversity in Mineral Sulfide Oxidation PAUL R. NORRIS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 10.2 Acidophiles in Mineral Sulfide Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 10.2.1 The Major Species in Laboratory Studies and Industrial Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 10.2.1.1 Mesophiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 10.2.1.2 Moderate Thermophiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 10.2.1.3 Thermophiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 10.2.2 Less Familiar Iron-Oxidizing Acidophiles . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 10.2.2.1 Organisms at the Extremes of Acidity . . . . . . . . . . . . 202 10.2.2.2 Heterotrophic Acidophiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 10.2.2.3 Salt-Tolerant Species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 10.3 Dual Energy Sources: Mineral Dissolution by Iron-Oxidizing and by Sulfur-Oxidizing Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 10.4 Acidophiles in Mineral Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 10.4.1 Stirred-Tank Bioreactor Cultures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 10.4.1.1 Mesophilic Cultures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 xii Contents 10.4.1.2 Thermotolerant and Moderately Thermophilic Cultures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 10.4.1.3 High-Temperature Cultures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 10.4.2 Microbial Populations in Ore Heap Leaching . . . . . . . . . . . . . . 207 10.5 Diversity in Iron Oxidation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 10.5.1 Mesophiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 10.5.2 Thermophiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 10.6 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 11 The Microbiology of Moderately Thermophilic and Transiently Thermophilic Ore Heaps JASON J. PLUMB, REBECCA B. HAWKES, PETER D. FRANZMANN. . . . . . . . . . . . . . . . . 217 11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 11.2 Heat Generation Within Bioleaching Heaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 11.3 Effect of Temperature on Bioleaching Microorganisms. . . . . . . . . . . . . 221 11.4 Microbial Populations of Moderately Thermophilic or Transiently Thermophilic Commercial Bioleaching Heaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 11.4.1 Newmont Biooxidation Heaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 11.4.2 Nifty Copper Operation Heap Bioleaching . . . . . . . . . . . . . . . . 228 11.4.3 Myanmar Ivanhoe Copper Company Monywa Project . . . . . . 229 11.5 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 12 Techniques for Detecting and Identifying Acidophilic Mineral-Oxidizing Microorganisms D. BARRIE JOHNSON, KEVIN B. HALLBERG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 12.1 Biodiversity of Acidophilic Microorganisms That Have Direct and Secondary Roles in Mineral Dissolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 12.2 General Techniques for Detecting and Quantifying Microbial Life in Mineral-Oxidizing Environments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 12.2.1 Microscopy-Based Approaches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 12.2.2 Biomass Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 12.2.3 Measurements of Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 12.3 Cultivation-Dependent Approaches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 12.3.1 Enrichment Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 12.3.2 Most Probable Number Counts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 12.3.3 Cultivation on Solid Media and on Membrane Filters . . . . . . . 243 12.4 Polymerase Chain Reaction (PCR)-Based Microbial Identification and Community Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 12.4.1 Rapid Identification and Detection of Specific Acidophiles in Communities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 12.4.2 Techniques for Microbial Community Analysis . . . . . . . . . . . . 248 12.4.3 PCR Amplification from Community RNA for Identification of Active Microorganisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 12.4.4 Phylogenetic Analysis of Amplified Genes for Microbial Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Contents xiii 12.4.5 Other Genes Useful for Microbial Identification and Community Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 12.5 PCR-Independent Molecular Detection and Identification of Acidophiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 12.5.1 Immunological Detection and Identification of Acidophiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 12.5.2 Detection and Enumeration of Acidophiles by RNA-Targeting Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 12.6 Future Perspectives on Molecular Techniques for Detection and Identification of Acidophiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 13 Bacterial Strategies for Obtaining Chemical Energy by Degrading Sulfide Minerals HELMUT TRIBUTSCH, JOSÉ ROJAS-CHAPANA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 13.2 Pyrite As a Model System for Understanding Bacterial Sulfide Leaching Activities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 13.3 Electronic Structure and Thermodynamic Properties of Pyrite . . . . . . 264 13.4 The Energy Strategy of Leptospirillum ferrooxidans . . . . . . . . . . . . . . . . 269 13.5 The Energy Strategy of Acidothiobacillus ferrooxidans . . . . . . . . . . . . . 272 13.6 Surface Chemistry, Colloids and Bacterial Activity . . . . . . . . . . . . . . . . 274 13.7 Mechanism of Colloidal Particle Uptake into the Capsule and Exopolymeric Substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 13.7.1 Sulfur Colloid Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 13.7.2 Pyrite Colloid Formation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 13.8 Energy Turnover at the Nanoscale, a Strategic Skill Evolved by Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 13.9 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 14 Genetic and Bioinformatic Insights into Iron and Sulfur Oxidation Mechanisms of Bioleaching Organisms DAVID S. HOLMES, VIOLAINE BONNEFOY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 14.2 Relevant Biochemical and Chemical Reactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 14.3 Genetics of Bioleaching Microorganisms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 14.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 14.3.2 Gene Cloning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 14.3.3 Gene Transfer Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 14.3.3.1 Acidiphilium spp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 14.3.3.2 Acidithiobacillus thiooxidans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 14.3.3.3 Acidithiobacillus ferrooxidans . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 14.3.4 Mutant Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 14.4 Iron and Sulfur Oxidation and Reduction in Acidithiobacillus ferrooxidans . . . .