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Bioleaching kinetics

Lecture #5

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Biooxidation versus chemical 

oxidation

• The rate of bacterial oxidation is 

higher than that of chemical 
oxidation under the same 
conditions. 

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Model of leaching kinetic

• The leaching of mineral particles by a 

reagent in solution can be 
represented by the reaction:

aA

(s)

 + bB

(aq)

 aqueous and solid 

products

A – the solid undergoing leaching
B – the reagent in solution
„a” and „b” are stoichiometric coefficients

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Subprocesses in 

biooxidation

• Growth bacteria
• Ferrous to ferric oxidation Fe

2+

 Fe

3+

• Disolved oxygen consumption O

2

H

2

O

• Disolved carbon dioxide consumption 

CO

2

The rtes of oxygen and carbon dioxide 
utilization are measured by gas 
analyzers.

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Subprocess

• The bacterial oxidation of ferrous (Fe

2+

) to 

ferric (Fe

3+

) ions.

• The kinetic of bacterial growth was 

described by Monod equation:

 

max

-maximum of specific growth rate [1/h]

• K

S

 – Monod’s constant [mol/L]

• c

S

- substrate concentration [mol/L]

S

S

c

K

c

S

max

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Kinetic equations

• The rate of oxygen utilization is correlated 

to ferric to ferrous ratio:

• The rate of ferrous iron utilization:

 

2

3

max

2

2

2

1

Fe

Fe

K

q

q

O

O

O

 

2

3

max

2

2

2

1

Fe

Fe

K

q

q

Fe

Fe

Fe

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Kinetic parameters for Fe

2+

 

oxidation

Acidithibacillus 

ferrooxidans

Leptospirillum 

ferrooxidans

Units

q

O2

max

2.2

1.7

molO

2

/

molC/h

q

Fe2+

max

8.8

6.8

molFe

2+

molC/h

K

O2

0.05

0.0005

K

Fe2+

0.05

0.0005

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Logistic model

• The logistic equation is written for the 

rate of conversion of sulfide mineral [X].

where: k

m

 rate constant. 

• The fraction bioleached with time is 

given by integrating logistic equation.





max

1

X

X

X

k

dt

dX

m

 

t

k

t

k

m

m

e

X

X

e

X

t

X

1

1

max

0

0

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Kinetic of (bio-) leaching 

process

• The kinetic of leaching reaction are 

described by:

The shrinking core modeel
The shrinking particle model

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Shrinking particle and core 

models

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Kinetic of bioleaching

• The rate of the heterogeneous 

reaction is controlled by:
1. film diffusion

2. chemical reaction

3. product layer diffusion

 









x

x

t

k

x

t

k

x

t

k

1

2

1

3

1

1

1

3

2

3

3

1

2

1

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Shrinking core model

1-(2/3)α-(1-α)

2/3

=kt

α-is the fraction of leached

k-is the rate constant (1/day)

t –is time (day)

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Shrinking particle and core 

models

[1-(1-X)

1/3]

 versus time

[1+2(1-X)-3(1-X)

2/3

] versus 

time

where X is fractional conversion

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Bacteria oxidation

• According to the model proposed by Michaelis-

Mentan the dissolution rate is given by following 

equation:

where:  V is the extraction rate of metal
V

max

 is the maximum metal extraction rate

K

s

is the Michaelis’ constant

S is the pulp density
K

s

 constant gives an idea aobout the efficiency of 

bacteria to the mineral surface.

S

K

S

V

V

s

max

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Plot of Michaelis-Menten for the copper 

and zinc dissolution

Plot of 1/V versus 
1/S for Cu and Zn

The higher rate K

for Cu then K

S

 for 

Zn indicates a 
preference of 
bacteria for copper.

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Indirect mechanism of bioleaching of 

galena

PbS

(s)

 + 2Fe

3+

(aq)

 Pb

2+

(aq) 

+S

0

(s)

 + 2 Fe

2+

(aq)

Pb

2+

(aq) 

+ SO

4

2-

(aq)

  PbSO

4(s)

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Galena bioelaching

               Effect of particle size on the bioleaching of 
galena

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Microphotograph (magnification of 50x0 of a 

partially oxidized galena particle

a) unreacted galena

b) lead sulfate/elemental sulfur product layer


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