# Développement et optimisation multi-échelle d'un procédé de biolixiviation pour récupérer des matières premières critiques à partir de déchets miniers sulfurés

Douglas PINO-HERRERA¹, Anne-Gwénaëlle GUEZENNEC¹, Catherine JOULIAN¹, Mickaël BEAULIEU¹, Jérémy ENGEVIN, Mickaël CHARRON et Françoise BODENAN¹

¹BRGM, F-45060 Orléans, France

d.pinoherrera@brgm.fr

## RESUME

Les déchets miniers sont de plus en plus considérés comme des ressources secondaires potentielles pouvant contribuer à répondre à la demande croissante de matières premières critiques (Critical Raw Materials ou CRM en anglais) en Europe, notamment dans le contexte actuel de transition énergétique. Cependant, les traitements traditionnels peuvent ne pas être économiquement ou techniquement viables pour extraire et raffiner les éléments d'intérêt, surtout lorsque les métaux recherchés sont présents en faibles concentrations. Le projet européen RAWMINA, financé par le programme de recherche H2020 de l'UE (accord de subvention n° 958252), propose une voie innovante pour récupérer des CRM tels que le Co et le Sb, ou encore des métaux stratégiques tel que le Cu, à partir de déchets miniers. La première étape du procédé RAWMINA est la biolixiviation en réacteur agité, une option prometteuse pour l'extraction de métaux à partir de déchets miniers sulfurés. En biolixiviation, la dissolution d'un minéral sulfuré (MS) passe d'abord par son oxydation grâce aux ions $Fe^{3+}$ présents en solution, selon l'Eq. 1. Cette réaction libère l'ion métallique ($M^{2+}$) contenu dans le minéral, entraîne la réduction de l'ion $Fe^{3+}$ en $Fe^{2+}$ et produit des composés de soufre (par exemple le S⁰).

$$MS + 2Fe^{3+} \rightarrow M^{2+} + 2Fe^{2+} + S^0 \qquad \text{Eq. 1}$$

Le fer ferrique est régénéré par les microorganismes ferro-oxydants (Eq. 2). Cette réaction nécessite de l'oxygène (accepteur d'électrons). Elle consomme également des protons, ce qui aide à la régulation du pH interne des cellules microbiennes. Le soufre peut également être oxydé en acide sulfurique (Eq. 3) par les microorganismes ce qui régénère les protons consommés.

$$2Fe^{2+} + 0.5O_2 + 2H^+ \xrightarrow{bactéries} 2Fe^{3+} + H_2O \qquad \text{Eq. 2}$$

$$S^0 + 1.5O_2 + H_2O \xrightarrow{bactéries} 2H^+ + SO_4^{2-} \qquad \text{Eq. 3}$$

Les phénomènes de transport liés aux contraintes hydrodynamiques du système, le transfert de matière (gaz-liquide, solide-liquide, à l'intérieur du biofilm) et les processus métaboliques (consommation d'oxygène, dioxyde de carbone et nutriments par les bactéries) jouent un rôle clé dans la cinétique et le rendement de la biolixiviation (Dew et al., 2023). C'est pourquoi l'objectif principal de cette étude est de développer et optimiser un procédé de biolixiviation en réacteur agité pour extraire le Co et le Sb contenus dans trois déchets miniers provenant de la ceinture pyriteuse sud-ibérique. L'étude s'appuie sur une méthodologie multi-échelle de sélection de paramètres opératoires en prenant en compte, non seulement des aspects techniques liées aux performances des bactéries et aux cinétiques de dissolution de métaux, mais aussi des aspects économiques pour la mise en œuvre du procédé à l'échelle industrielle. Les essais ont été réalisés sur trois déchets miniers contenant des CRM, dont deux riches en sulfures (> 70%) et un à faible teneur en sulfures (< 5%) mais riche en carbonates (> 15%). La culture bactérienne choisie pour cette étude est le consortium BRGM-KCC constitué par *Leptospirillum ferriphilum*, *Acidithiobacillus caldus* and *Sulfobacillus* spp. Ces bactéries sont acidophiles (pH optimum inférieur à 3) et autotrophes donc elles utilisent le $CO_2$ comme source de carbone. Ce consortium a été choisi pour sa capacité à oxyder efficacement les sulfures et le fer dans des déchets miniers riches en pyrite (Guezennec et al., 2017).

Tout d'abord, des essais de biolixiviation en Erlenmeyer ont été menés afin d'adapter le consortium aux ressources ciblées. Trois températures différentes (38 °C, 42 °C et 45 °C) ont été testées afin de déterminer la
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température la plus adaptée pour la croissance et l'activité bactériennes. Ensuite, des essais en réacteur agité (volume utile de 2 L) ont été réalisés en batch pour sélectionner le taux de solide optimal (entre 5% et 15% m/m) et pour déterminer la stratégie de régulation du pH, ainsi que l'alimentation en CO₂. Le déchet minier contenant des carbonates a été également testé pour remplacer le réactif alcalin servant plus classiquement à réguler le pH dans les réacteurs. Suite à ces essais, deux réacteurs agités connectés en série et opérés en mode continu avec un volume utile de 6 L ont été utilisés pour adapter progressivement les bactéries à des pH bas (< 1.0). Enfin, une cascade de 4 réacteurs opérés en continu avec un volume utile total de 114 L a été utilisée pour étudier la consommation d'oxygène et de CO₂ des bactéries. Les résultats principaux des tests sont résumés dans le Tableau 1 et ont permis d'obtenir des informations crucales pour le design et la montée en échelle d'une opération industrielle.

<table><caption>Tableau 1. Sélection de paramètres opératoires et leur implication lors d'une opération industrielle de biolixiviation.</caption><thead><tr><td>Conditions opératoires</td><td>Valeur retenue</td><td>Implication lors d'une opération industrielle</td></tr></thead><tbody><tr><td>Taux de solide</td><td>15% m/m</td><td>Augmenter le taux de solide permet de réduire la taille des réacteurs industriels qui représentent la partie la plus importante des investissements d'une usine industrielle de biolixiviation.</td></tr><tr><td>Température</td><td>42 °C</td><td>Maintenir des températures aussi élevées que possible pour les bactéries réduit les coûts liés à la consommation d'énergie pour la gestion de la chaleur des réacteurs, compte tenu de la très forte exothermicité de la réaction de dissolution des sulfures (Dew et al., 2023)</td></tr><tr><td>pH</td><td>0.9 &lt; pH &lt; 1.0</td><td>Le consortium BRGM-KCC a été adapté pour tolérer des pH plus bas que dans des projets précédents, ce qui permet de diminuer la consommation de réactif alcalin, et donc les coûts opératoires.</td></tr><tr><td>Temps de séjour</td><td>5-6 jours</td><td>La cinétique de biolixiviation a été optimisée ce qui a permis d'avoir un temps de séjour global similaire aux temps de séjour utilisés dans des opérations industrielles.</td></tr><tr><td>Vitesse de transfert d'O₂</td><td>1200 mg O₂.L⁻¹.h⁻¹</td><td rowspan="2">Les taux d'utilisation d'oxygène et de CO₂ sont élevés et requièrent des vitesses de transfert gaz-liquide suffisantes pour optimiser la dissolution des sulfures. Même si les débits de gaz nécessaires à l'échelle industrielle sont difficiles à prédire à cause des effets d'échelle inhérents aux mécanismes de transfert de masse, ces résultats permettent d'estimer le coefficient de transfert de masse (k₁a) minimum nécessaire.</td></tr><tr><td>Vitesse de transfert de CO₂</td><td>45 mg CO₂.L⁻¹.h⁻¹</td></tr></tbody></table>

## MOTS-CLES DU THEME

Hydrométallurgie, ingénierie circulaire et développement durable.

## MOTS-CLES LIBRES

Biolixiviation, matières premières critiques, déchets miniers, valorisation.

## RÉFÉRENCES

Dew, D.W., Rorke, G.V. and Guezennec A.-G., 2023, Engineering Designs and Challenges of Stirred Tank Systems, in D. B. Johnson, C. G. Bryan, M. Schlömann, et F. F. Roberto (dir.), *Biomining Technologies: Extracting and Recovering Metals from Ores and Wastes*, Cham, Springer International Publishing p.41-65. https://doi.org/10.1007/978-3-031-05382-5_3

Guezennec, A.-G., Joulian, C., Jacob, J., Archane, A., Ibarra, D., De Buyer, R., Bodénan, F. and D'Hugues, P., 2017, Influence of dissolved oxygen on the bioleaching efficiency under oxygen enriched atmosphere, *Minerals Engineering*, 106, p. 64-70