專利名稱：硫化礦浸礦菌生長的高效電化學(xué)培養(yǎng)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及硫化礦生物冶金和高砷金礦預(yù)氧化提金的一種高效浸礦菌培養(yǎng)的電化學(xué)方法，特別是適用于硫化礦精礦和含砷金精礦攪拌浸出的高效硫化礦浸礦菌的電化學(xué)培養(yǎng)方法。
背景技術(shù)：
目前，礦產(chǎn)資源日漸貧雜，資源、能源、環(huán)境問題越發(fā)引起人們重視。傳統(tǒng)的冶金工藝適用于品位較高的礦物資源，且資源利用率低，能源消耗大，環(huán)境污染嚴重。故幾十年來，人們一直在尋求更為合理、有效、清潔的資源利用途徑。而生物冶金技術(shù)由于具有如下特點(1)低成本、低能耗、低藥劑消耗量、低勞動力需求。(2)工藝流程短、設(shè)備簡單、易于建筑，資金消耗小。(3)資源利用廣，能使更多不同種類及低品位礦物能得到有效經(jīng)濟的利用。(4)無廢氣、一定程度上可認為無廢物、廢水排放，可改善環(huán)境，增加生產(chǎn)安全性。(5)簡化了整個工藝過程等5個方面的優(yōu)點有望在綠色冶金工藝中充當(dāng)越來越重要的角色。但由于生物冶金浸出速率慢的原因使其目前始終與以火法為主的傳統(tǒng)主流程工藝無法競爭。除次生硫化銅礦的堆浸外，國內(nèi)外不斷在開展銅、鎳精礦生物攪拌浸出和含砷金精礦生物攪拌預(yù)氧化提金技術(shù)的研究，尋求處理精礦的理想生物冶金方法以在和傳統(tǒng)的火法冶金競爭中取得突破性進展，目前在含砷金礦生物攪拌預(yù)氧化提金方面實現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用；但總體而言浸出速率仍較慢。提高浸出速率的途徑無非是增強浸礦菌的性能和增加浸礦體系浸礦菌的數(shù)量。攪拌生物浸出是通過細菌培養(yǎng)裝置不斷向攪拌反應(yīng)器中加入浸礦菌來實現(xiàn)對浸礦體系的接種和補充細菌數(shù)量的，但目前的普遍采用常規(guī)的細菌培養(yǎng)方法與裝置存在細菌生長速率慢，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的細菌數(shù)量少，加入的細菌不能保證在其生長的對數(shù)期等缺陷，制約著生物攪拌浸出，使浸出過程慢，能耗高。因此，需要發(fā)明一種能夠提高浸礦細菌生長速率、單位時間內(nèi)增大浸礦細菌數(shù)量，給硫化礦生物攪拌浸出提供足夠數(shù)量和高活性的菌的浸礦菌培養(yǎng)方法與裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種硫化礦浸礦菌生長的高效電化學(xué)培養(yǎng)方法，該方法能夠大幅提高浸礦菌生長速率，單位時間內(nèi)給浸礦體系提供足夠數(shù)量和高活性浸礦菌。
為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
這種硫化礦浸礦菌生長的高效電化學(xué)培養(yǎng)方法包括(1)經(jīng)過預(yù)培養(yǎng)的硫化礦浸礦菌菌種在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)，反應(yīng)器中的培養(yǎng)液含有氧氣及二氧化碳氣體，培養(yǎng)過程中由于細菌生長代謝，培養(yǎng)液中的Fe2+離子被氧化為Fe3+離子；(2)在具有可調(diào)壓外接電源的電化學(xué)反應(yīng)器中，培養(yǎng)液中的Fe3+離子被還原為Fe2+離子，通過調(diào)節(jié)外壓來控制反應(yīng)；電化學(xué)反應(yīng)器向生物反應(yīng)器提供所需要的培養(yǎng)液。
通過反應(yīng)器實現(xiàn)除去細菌生長產(chǎn)生的阻礙細菌進一步生長的沉淀物?；旌掀鞑捎枚嗫孜酱矊?，使細菌充分吸附氣體，并通過床層濾掉細菌生長產(chǎn)生的鐵礬類沉淀。
在攪拌反應(yīng)器溢流口檢測細菌數(shù)量和Fe3+濃度，當(dāng)細菌數(shù)量大于109個/dml時，供給浸礦系統(tǒng)高活性菌液。
所述的培養(yǎng)液中含有氧氣及二氧化碳氣體是預(yù)先在生物反應(yīng)器外的混合器中與空氣混合得到的，隨后將含有氧氣及二氧化碳氣體的培養(yǎng)液加入生物反應(yīng)器內(nèi)。
本發(fā)明提供的有關(guān)浸礦菌生長的高效電化學(xué)培養(yǎng)方法及設(shè)備是在掌握浸礦菌生長機理與生長規(guī)律的基礎(chǔ)上提出的。
該方法培養(yǎng)的主要對象為硫化礦浸礦菌Thiobacillus ferrooxidans(氧化亞鐵硫桿菌)、Leptospirillum ferrooxidans(氧化硫硫桿菌)，這兩種菌種是硫化礦物生物冶金和生物預(yù)氧化提金應(yīng)用的主導(dǎo)性菌種，尤其對于應(yīng)用攪拌、加壓等反應(yīng)器的生物冶金過程。該類菌種可在擬應(yīng)用生物冶金方法處理的硫化礦物礦山酸性礦坑水或礦堆上采集，通過傳統(tǒng)通用的細菌培養(yǎng)方法初步培養(yǎng)和分離(參見02128833.X″含堿性脈石的硫化礦礦石或精礦或尾礦的生物堆浸工藝)。
Thiobacillus ferrooxidans、Leptospirillum ferrooxidans等主要浸礦細菌的基本生長特性為該類細菌以溶液中的Fe2+為能源，通過將Fe2+氧化為Fe3+而獲得能量以完成其生長代謝，同時通過吸收空氣中的氧氣，以空氣中二氧化碳為碳源而生長。在充足的氧氣和二氧化碳下，F(xiàn)e2+的氧化速率直接標志著細菌的生長代謝速率。Fe2+氧化響應(yīng)細菌生長特征可用細胞外的電化學(xué)反應(yīng)式來標度，其過程可用下面三式表示。
(1)
故在空氣充足的情況下，該類浸礦菌的生長代謝完全依賴于溶液(培養(yǎng)液)中適度的Fe2+離子濃和Fe3+/Fe2+電對的變化，即細菌生長的控制性因素為溶液中Fe2+濃度，溶液由Fe3+/Fe2+電對影響的電位，溶液中溶解的空氣和氧、二氧化碳濃度。
基于此，本發(fā)明的設(shè)計是通過對Thiobacillus ferrooxidans、Leptospirillum ferrooxidans等主要浸礦細菌生長規(guī)律的掌握，利用該類化能自養(yǎng)菌氧化和利用溶液中Fe2+獲得能量而生長的特性而采用的外控電位方法來促進細菌生長和控制細菌活性的方法，該方法為達到大幅度提高浸礦菌生長速率，單位時間提供足夠數(shù)量和高活性浸礦菌。
該方法的特征在于①反應(yīng)器中，細菌氧化利用Fe2+后產(chǎn)生的Fe3+導(dǎo)入電化學(xué)反應(yīng)器，通過電化學(xué)反應(yīng)器過程Fe3+會被及時還原為Fe2+，返回生物反應(yīng)器，使細菌培養(yǎng)液始終保持細菌生長所需適度的Fe2+濃度。而傳統(tǒng)的方法中，培養(yǎng)液中的Fe2+會被逐步消耗，難以保證細菌生長所需的最佳Fe2+濃度，生長后期細菌數(shù)量不再增長，活性下降，生成的Fe3+還會進一步生成沉淀物。
②電位對于細菌生長和浸礦過程都非常重要。培養(yǎng)液通過電化學(xué)反應(yīng)器后，通過外加電場的控制，可使細菌培養(yǎng)液始終保持最佳的電位，即Fe3+/Fe2+的最佳比例關(guān)系，這一一方面有利于細菌生長，另一方面加入浸礦系統(tǒng)后，可有效調(diào)節(jié)浸礦系統(tǒng)電位。
③通過混合器裝置，可給細菌培養(yǎng)液和反應(yīng)器中的細菌提供充分的空氣，以保證細菌生長。
④可連續(xù)放出大量對數(shù)生長期高活浸礦菌；而傳統(tǒng)方法由于無法保證溶液適度Fe2+和最佳溶液電位，故不能有效連續(xù)地給浸礦系統(tǒng)供給大量浸礦菌，一般只起接種作用，或通過間歇式方法供給細菌，培養(yǎng)液消耗大，操作過程復(fù)雜而無效。
該方法的具體操作與反應(yīng)如下主要步驟①在反應(yīng)器中裝入特定的細菌培養(yǎng)液(一般為9K標準培養(yǎng)液)，并接入預(yù)培養(yǎng)菌種(Thiobacillus ferrooxidans、Leptospirillum ferrooxidans等)，在攪拌狀況下發(fā)生細菌生長反應(yīng)。
②細菌培養(yǎng)液通過循環(huán)到達混合器與空氣中的氧氣和二氧化碳充分混合。通過混合，獲得細菌生長所需要的充足的氧氣和二氧化碳。
③反應(yīng)器中培養(yǎng)液的Fe2+逐漸被氧化為Fe3+，含一定濃度Fe3+的培養(yǎng)液通過循環(huán)導(dǎo)入電化學(xué)反應(yīng)器。在外控電位下，F(xiàn)e3+在電化學(xué)反應(yīng)器陰極上得電子又被還原為Fe2+，在電化學(xué)反應(yīng)器陽極，水被分解后產(chǎn)生氧氣和H+離子，而培養(yǎng)液經(jīng)過Fe2+的還原后又循環(huán)至生物反應(yīng)系統(tǒng)。
④在電化學(xué)反應(yīng)器過程中，溶液電位可通過在線混合電位測量裝置讀出，通過外控電位實現(xiàn)培養(yǎng)液中Fe3+/Fe2+電對的變化，從而控制細菌生長所需的最佳電位。
⑤當(dāng)細菌生長達到對數(shù)期后期，電位控制適度后，在反應(yīng)器底部連續(xù)放出含高濃度浸礦菌和具有最佳電位的菌液。
其中，①、②步驟過程可用化學(xué)反應(yīng)(1)(2)(3)概括③、④步驟可用如下反應(yīng)式(4)(5)概括陰極過程(4)陽極過程(5)本發(fā)明適用硫化礦浸礦用菌株，采用的培養(yǎng)液根據(jù)所培養(yǎng)的菌種和使用條件而定。
該方法涉及的裝置包含兩個部分，電化學(xué)反應(yīng)器部分和生物反應(yīng)器部分。其中電化學(xué)反應(yīng)器由電源、陰極池和陽極池組成，陰極池和陽極池中間用陰離子選擇性膜隔開(陰離子選擇性膜，市場有售)；生物反應(yīng)器主要包括反應(yīng)器和混合器。其中陰極池、陽極池、反應(yīng)器、混合器的外殼均用聚合物PVC板做成；電源采用可調(diào)壓直流電源；在細菌培養(yǎng)過程中，陰極池和陽極池中液體為從反應(yīng)器中流入的細菌培養(yǎng)液。反應(yīng)器中為含菌培養(yǎng)液；培養(yǎng)液一般采用標準9K培養(yǎng)液，亦可采用其它培養(yǎng)液，即根據(jù)需求調(diào)整培養(yǎng)液中Fe2+和其它微量無機鹽營養(yǎng)物含量。反應(yīng)器配以連續(xù)攪拌裝置，細菌培養(yǎng)時，攪拌器開動，利于細菌獲得充分的營養(yǎng)物和空氣?；旌掀髦醒b有疏散的活性炭。陰極池中裝有在線電位檢測器，可隨時檢測培養(yǎng)液混合電位的大小。細菌培養(yǎng)過程中，通過空壓機向混合器中鼓入空氣。


圖1浸礦菌高效電化學(xué)培養(yǎng)裝置圖2細菌高效電化學(xué)培養(yǎng)過程示意具體實施方式
實施例一應(yīng)用該發(fā)明方法，培養(yǎng)硫化礦浸礦菌Thiobacillus ferrooxidans。浸礦菌Thiobacillus ferrooxidans采自某礦山，經(jīng)分離純化得到。細菌培養(yǎng)液采用9K標準培養(yǎng)液，溶液中Fe2+的濃度為9g.dl-1。首先將9K標準培養(yǎng)液裝入反應(yīng)器中，攪拌培養(yǎng)，3小時后開啟混合器，10小時后開啟電化學(xué)反應(yīng)器，調(diào)節(jié)外控電位(初始加在正極和負極之間的電壓為2V)使培養(yǎng)液混合電位在480mV，對體系細菌進行連續(xù)培養(yǎng)。結(jié)果顯示，應(yīng)用該體系對Thiobacillus ferrooxidans效果良好，培養(yǎng)24小時，細菌濃度便可達到109個.mdl-1，并可連續(xù)向浸礦系統(tǒng)供給處于對數(shù)期生長的高濃度菌液。在黃銅礦精礦攪拌浸出過程加入該系統(tǒng)連續(xù)輸入的菌液較常規(guī)僅采用一次性或定期接種方法，同期浸礦速率上升近10％，總浸出率提高近20％。
實施實例二
應(yīng)用該發(fā)明方法，培養(yǎng)硫化礦浸礦菌Leptospirillum ferrooxidans。同樣，浸礦菌Leptospirillumferrooxidans采自某礦山，經(jīng)分離純化得到。細菌培養(yǎng)液采用4.5K培養(yǎng)液，溶液中Fe2+的濃度為3g.dl-1，同時調(diào)整溶液中磷酸類無機鹽。首先將培養(yǎng)液裝入反應(yīng)器中，攪拌培養(yǎng)，2小時后開啟混合器，8小時后開啟電化學(xué)反應(yīng)器，逐步調(diào)節(jié)外控電位使培養(yǎng)液混合電位在480mV，對體系細菌進行連續(xù)培養(yǎng)。結(jié)果顯示，應(yīng)用該體系對Leptospirillum ferrooxidans效果良好，培養(yǎng)20小時，細菌濃度便可達到109個.mdl-1，并可連續(xù)向浸礦系統(tǒng)供給處于對數(shù)期生長的高濃度菌液。在鎳精礦攪拌浸出過程加入該系統(tǒng)連續(xù)輸入的菌液較常規(guī)僅采用一次性或定期接種方法，同期浸礦速率上升近30％，總浸出率提高近10％。
實施實例三應(yīng)用該發(fā)明方法，培養(yǎng)硫化礦浸礦菌混合菌，其中包含Thiobacillus ferrooxidans和Leptospirillum ferrooxidans。同樣，混合菌采自某礦山，經(jīng)分離純化得到。細菌培養(yǎng)液采用9K標準培養(yǎng)液，溶液中Fe2+的濃度為9g.dl-1。首先將培養(yǎng)液裝入反應(yīng)器中，攪拌培養(yǎng)，3小時后開啟混合器，8小時后開啟電化學(xué)反應(yīng)器，逐步調(diào)節(jié)外控電位使培養(yǎng)液混合電位在460mV，對體系細菌進行連續(xù)培養(yǎng)。結(jié)果顯示，應(yīng)用該體系對Leptospirillum ferrooxidans效果良好，培養(yǎng)15小時，混合菌濃度便可達到109個.mdl-1，并可連續(xù)向浸礦系統(tǒng)供給處于對數(shù)期生長的高濃度菌液。在黃銅礦攪拌浸出過程加入該系統(tǒng)連續(xù)輸入的菌液較常規(guī)僅采用一次性或定期接種方法，同期浸礦速率上升近15％，總浸出率提高近25％。
實施實例四應(yīng)用該發(fā)明方法，培養(yǎng)抗砷浸礦馴化菌參見，其中包含Thiobacillus ferrooxidans和Leptospirillum ferrooxidans。菌株樣采自某礦山，經(jīng)分離純化后經(jīng)過抗砷馴化，馴化時在細菌培養(yǎng)液中加入砷黃鐵礦，液固比20/1，溫度40℃，當(dāng)細菌生長在對數(shù)期時，轉(zhuǎn)接菌再一次進行抗砷馴化，如此進行培養(yǎng)4～5次，當(dāng)在最后一次對數(shù)期將菌液接出，在本發(fā)明裝置中進行大批量培養(yǎng)。細菌培養(yǎng)液仍采用9K標準培養(yǎng)液，溶液中Fe2+的濃度為9g.dl-1。首先將培養(yǎng)液裝入反應(yīng)器中，攪拌培養(yǎng)，3小時后開啟混合器，8小時后開啟電化學(xué)反應(yīng)器，逐步調(diào)節(jié)外控電位使培養(yǎng)液混合電位在500mV，對體系細菌進行連續(xù)培養(yǎng)。結(jié)果顯示，應(yīng)用該體系對Leptospirillumferrooxidans效果良好，培養(yǎng)15小時，混合菌濃度便可達到109個.mdl-1，并可連續(xù)向浸礦系統(tǒng)供給處于對數(shù)期生長的高濃度菌液。在含毒砂、黃鐵礦的金精礦攪拌浸出過程加入該系統(tǒng)連續(xù)輸入的菌液較常規(guī)僅采用一次性或定期接種方法，同期氧化速率上升近20％，總氧化率提高近30％。
權(quán)利要求
1.一種硫化礦浸礦菌生長的高效電化學(xué)培養(yǎng)方法，其特征在于它包括(1)經(jīng)過預(yù)培養(yǎng)的硫化礦浸礦菌菌種在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)，反應(yīng)器中的培養(yǎng)液含有氧氣及二氧化碳氣體，培養(yǎng)過程中由于細菌生長代謝，培養(yǎng)液中的Fe2+離子被氧化為Fe3+離子；(2)在具有可調(diào)壓外接電源的電化學(xué)反應(yīng)器中，培養(yǎng)液中的Fe3+離子被還原為Fe2+離子，通過調(diào)節(jié)外壓來控制反應(yīng)；電化學(xué)反應(yīng)器向生物反應(yīng)器提供所需要的培養(yǎng)液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硫化礦浸礦菌生長的高效電化學(xué)培養(yǎng)方法，其特征在于在化學(xué)反應(yīng)器中，利用外控電位實現(xiàn)了細菌培養(yǎng)液Fe3+/Fe2+的適當(dāng)比例和適合于細菌生長的培養(yǎng)液電位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硫化礦浸礦菌生長的高效電化學(xué)培養(yǎng)方法，其特征在于在化學(xué)反應(yīng)器中，浸礦菌培養(yǎng)液的濃度保持在與初始標準9K或3K培養(yǎng)液Fe2+離子濃度相同，培養(yǎng)液電位控制在400-550mV。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硫化礦浸礦菌生長的高效電化學(xué)培養(yǎng)方法，其特征在于所述的培養(yǎng)液中含有氧氣及二氧化碳氣體是預(yù)先在生物反應(yīng)器外的混合器中與空氣混合得到的，隨后將含有氧氣及二氧化碳氣體的培養(yǎng)液加入生物反應(yīng)器內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硫化礦浸礦菌生長的高效電化學(xué)培養(yǎng)方法，其特征在于培養(yǎng)液與含有氧氣及二氧化碳氣體的空氣混合時是在邊混合邊除去沉淀物的情況下進行的。
6.一種用于權(quán)利要求1所述的硫化礦浸礦菌生長的高效電化學(xué)培養(yǎng)的裝置，其特征在于該裝置包括電化學(xué)反應(yīng)器和生物反應(yīng)器兩部分，其中，電化學(xué)反應(yīng)器由陰極室、陽極室和可調(diào)壓外接電源三部分組成，陰極室和陽極室由離子選擇性膜隔開；生物反應(yīng)器內(nèi)裝有攪拌器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的硫化礦浸礦菌生長的高效電化學(xué)培養(yǎng)的裝置，其特征在于生物反應(yīng)器的空氣進口與外置的混合器的出口相接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的硫化礦浸礦菌生長的高效電化學(xué)培養(yǎng)的裝置，其特征在于；所述的混合器采用多孔吸附床層結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的硫化礦浸礦菌生長的高效電化學(xué)培養(yǎng)的裝置，其特征在于所述的為含二氧化碳空氣入口位于混合器的培養(yǎng)液入口的側(cè)壁上。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的硫化礦浸礦菌生長的高效電化學(xué)培養(yǎng)的裝置，其特征在于所述的生物反應(yīng)器設(shè)有供取樣用的溢流口。
全文摘要
一種硫化礦浸礦菌生長的高效電化學(xué)培養(yǎng)方法及裝置，特別是適用于硫化礦精礦和含砷金精礦攪拌浸出的高效浸礦菌的電化學(xué)培養(yǎng)方法。該方法包括(1)經(jīng)過預(yù)培養(yǎng)的硫化礦浸礦菌菌種在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)，反應(yīng)器中的培養(yǎng)液含有氧氣及二氧化碳氣體，培養(yǎng)過程中由于細菌生長代謝，培養(yǎng)液中的Fe
文檔編號C12N13/00GK1737114SQ200410056929
公開日2006年2月22日 申請日期2004年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月20日
發(fā)明者李宏煦, 阮仁滿, 溫建康, 董青海, 宋永勝 申請人:北京有色金屬研究總院