专利名称：多导流筒气环流生物反应器细菌浸矿与浸矿菌培养的利记博彩app
技术领域：
本发明属于生物冶金技术领域，设计并使用对浸矿微生物损伤程度低、易于大型化的新型浸矿生物反应器进行浸矿微生物对硫化矿物的生物氧化。
背景技术：
有色金属是国民经济、国防工业和科学技术发展必不可少的基础材料和重要战略物资，广泛应用于航空、航天、尖端武器、信息、交通和能源等重要领域。我国几种主要金属消费量居世界第一位，并以高速度逐年增长。但由于受到资源和开采工艺的制约，我国矿产资源日趋枯竭！按照目前探明资源储量和开采工艺计算，我国铜只能再用13年，铅6.5年，锌8.1年，锑4.3年，钼12.7年，金8年。
另一方面，我国矿产资源利用率低，是国际先进水平的1/4至1/7。其主要原因，一是我国矿产资源的特点是易处理矿少，仅占20％，80％是贫、细、杂、难处理矿，加工难度大；二是目前采用的传统工艺对矿石的品位要求高，不能有效利用低品位、难处理矿，并且能耗高，对环境污染严重。
以上表明，我国矿产资源加工利用现状，不利于国民经济可持续发展战略目标。而生物冶金技术对原料要求低，矿石的金属含量＜0.1％仍具有经济价值，可以极大地扩大矿源范围，可以在很大程度上解决资源不足和难以处理的难题，为国民经济的持续发展提供资源保障。
有色金属矿多呈硫化物赋存状态，生物冶金技术主要是利用铁、硫氧化细菌，进行铜、铀、金、锰、铅、镍、铬、钴、铋、钒、镉、镓、铁、砷、锌、铝、银、锗、钼、钪等几乎所有硫化矿的浸出。含砷金矿是一种典型的矿石类型，主要矿物是黄铁矿、毒砂，金以微粒成亚显微形态包裹在硫化物中或侵染在黄铁矿、毒砂的晶格中，细磨和直接氰化法很难提取。使用铁、硫氧化细菌分解外部的包裹层，可使金裸露出来，有利于化学浸出，提高金的回收率。砷最后生成砷酸铁化合物，比传统焙烧工艺生成气体再回收利用要更加安全和环保。铜矿的″细菌浸出-萃取-电积″工艺更加简便，并且能够直接得到高纯铜。生物冶金技术特别适合于贫矿、废矿、表外矿及难采、难选、难冶矿，并具有过程简单、成本低、能耗低、对环境污染小等突出优点，已在工业生产中得到广泛应用。
生物冶金有地浸、堆浸和槽浸三种方式。地浸、堆浸周期长，效率低；而槽浸周期短、效率高，适合于多数贵金属。目前槽浸所使用的反应器几乎全部都是搅拌槽式生物反应器。搅拌槽式生物反应器不仅结构复杂，能耗高，更由于剧烈的搅拌作用导致矿砂对微生物菌体产生强烈的磨损作用，使菌体死亡，从而大大影响了浸矿效率。
为了克服了搅拌槽式生物反应器的上述缺陷，本发明设计了新型多导流筒气环流生物反应器，并应用于硫化矿物的生物浸出以及浸矿细菌的培养。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于微生物冶金槽浸方式，对微生物菌体磨损程度低，又易于大型化的浸矿生物反应器，用于生物浸矿和浸矿菌的培养。
为达到所述目的，本发明采用多导流筒气环流生物反应器浸矿和浸矿菌的培养。该反应器以压缩空气作为液体提升动力以减轻矿砂和搅拌叶对微生物菌体的磨损程度，同时为微生物生长和矿物的生物氧化提供氧气；反应器内部有多个导流筒，以降低反应器的高径比(H/D)有利于生物反应器的大型化(图1)。
以下对本发明进行详细说明本发明适用于含硫矿物矿粉槽浸方式的生物浸矿或浸矿菌的培养。该反应器包括四个部分，分别是罐体、罐底、导流筒和测量与控制装置。
罐体为圆柱状，灌体顶部为敞口设计。罐体的高径比(H/D)可以达到1～1.5的范围，有利于生物反应器的大型化。小型反应器(＜3m3)罐体外有夹套，大型反应器则在罐内安装盘管，通入冷或热水用于反应器温度控制。
罐底密封，可以采用多种形状，如平底、椭圆形底、锥形底、多锥形底等形式。罐底有多个进气口，分别位于罐内各导流筒的正下方。进气口的罐内一侧装有空气喷嘴或多孔空气分布器，使进入的空气在罐内液体中均匀分散。罐底中部有排料管用于反应料液的排出和反应器洗涤废水的排出。
导流筒位于圆柱形罐体的内部；导流筒高度大约为圆柱形罐体高度的80％，低于罐内的液面高度，导流筒底端靠近圆柱形罐体底端；导流筒数目为两个以上，最佳数目为三个；多个导流筒在圆柱状罐体内均匀分布；各导流筒之间以及导流筒与罐体之间由固定件固定。
反应器特征在于其结构和比例，反应器体积可大可小，小型的为几升，大型的可以达到几千立方米。反应器罐体高径比(H/D)可以小于3，达到1～1.5的范围；罐体横截面积是导流筒横截面积之和的1.5～2倍；导流筒的高径比(h/d)＞3。
反应器采用耐酸性腐蚀的材料制作，小型反应器可以采用塑料、玻璃或有机玻璃材料，大型反应器可以采用不锈钢材料，若以普通钢为材料则表面需涂耐腐蚀涂料。
反应器有温度、pH、溶解氧、氧化还原电位测量电极。小型反应器(＜50L)电极安装在罐的顶部，插入液面；大型反应器电极安装在罐体的中间位置。温度电极与罐外显示与控制仪表相连，控制反应器夹套或盘管内的水温；pH、氧化还原电位电极与数据采集计算机相连；溶解氧电极与罐外的显示仪表相连。
反应器以压缩空气作为液体提升动力促进物料宏观混合和传质过程，由于进气口位于导流筒正下方，空气几乎全部进入导流筒，从而使导流筒内流体的平均密度大大低于导流筒外流体的平均密度，这一压强差的存在产生了流体循环流动的动力。与传统搅拌式浸矿生物反应器相比大大减轻了矿砂对微生物菌体的磨损和破坏。
反应器可以采用分批操作、补料操作或连续操作。分批操作是反应前一次性加入物料，反应中间不补加物料，反应结束后一次性排出物料的操作方式。补料操作是反应前加入部分物料，反应中间补加物料但不排出物料，反应结束后一次性排出物料的操作方式。连续操作是反应过程中一边加入物料一边排出物料，流入液体体积与排出液体体积相等，反应器内液体体积保持不变的操作方式。
在连续操作方式中，可以采用一个反应器单独使用、两个或多个反应器串联、多个反应器先并联后串联的多种组合方式。例如，五个反应器的前两个反应器并联，后三个反应器串联的组合方式。
反应器气液传质和混合性能主要考察单反应器分批操作方式的气含率、液体混合时间、体积氧传递系数(KLa)和矿粉沉积状况。
气含率是反应器在通气状态下液体中含有气体体积占总体积的百分数。采用床层膨胀法测定反应器在不同气体表观速率下的气含率，实测气体表观速率为1.82cm/s时气含率达到7.7％(附图3)。
液体混合时间是指反应器内液体达到混合均匀时所需要的时间。测定时在罐顶和罐底各装一个pH电极，在罐顶加入一定量盐酸并计时，当罐顶和罐底pH电极显示数值达到98％的相似性时所需要的时间即为液体混合时间。实测气体表观速率为1.8cm/s时液体混合时间为17s(附图4)。
体积氧传递系数(KLa)是单位时间内单位液体体积溶解氧的量，单位为时间分之一。测量时采用氮气驱赶液体中的氧气，直到溶解氧电极显示值为0，然后关闭氮气并通入空气，用溶解氧电极记录溶解氧上升曲线，据此计算体积氧传递系数。实测气体表观速率为1.6cm/s时体积氧传递系数达到18.5×10-3l/s(附图5)。大小不同或比利略有差别的罐，相同气体表观速率下，气含率、液体混合时间、体积氧传递系数(KLa)会有不同。
为了观察矿粉在反应器内的沉积状况，筛取粒度为180目的矿粉，置于空气和水的体系中，在不同通气量下观察矿粉在反应器底部的沉积高度。结果表明，只有少许的矿粉沉积，若加大通气量则沉积现象明显减轻。即使有少量矿粉沉积，沉积物也是处于悬浮和沉积的动态平衡中，沉积物内部氧化速率和传质速率限制不严重。沉积实验说明，反应器完全适合于生物浸矿的目的。
浸矿时，首先根据需要将粒度为180～200目左右的矿粉用水配制成含量为10％～25％矿粉的料液并加入反应器，用硫酸调节pH至所需范围，调节合适的温度、通气量，然后在反应器预部倒入处于生长指数中后期的浸矿菌种的培养液，培养液体积相当于料液总量10％。
浸矿细菌主要包括氧化亚铁硫杆菌(T.ferrooxidans)、氧化硫硫杆菌(T.thiooxidans)、喜温硫杆菌(Thiobacillus caldus)、嗜铁钩端螺旋菌(Leptsopirillumf ferrooxidans)、嗜酸硫叶菌属菌(Sulfolobus)等铁或硫氧化细菌，其中某些细菌即能够氧化铁也能够氧化硫，如氧化亚铁硫杆菌。生产上使用的菌种大多是经过驯化的包含上述主要浸矿菌种的天然混合浸矿菌种。
反应器温度根据所使用菌种的不同略有不同，一般控制在37～42℃左右；如果使用耐高温菌温度则可以控制在42℃以上。反应初期反应器pH一般用硫酸控制在pH4以下，随着反应的进行pH逐渐降低到pH1以下。反应器溶解氧饱和度一般控制在10％或30％以上。
对于生物浸矿，料液为矿粉和水，用硫酸调节pH4以下，可以不添加其它成分；对于浸矿菌的培养，培养液可以使用矿粉和水，也可以使用已知成分的化学合成培养基，如Starky培养基、9K培养基。
将该新型反应器应用于高含砷金精矿的生物氧化脱砷，脱砷率达到85％以上，将该新型反应器应用于浸矿细菌的培养，效果优于摇瓶培养。
图1是多导流筒气环流生物反应器立体透视2是多导流筒气环流生物反应器仰视3是多导流筒气环流生物反应器气含率随气体表观速率变化曲线图4是多导流筒气环流生物反应器液体混合时间随气体表观速率变化曲线图5是多导流筒气环流生物反应器体积氧传递系数(KLa)随气体流量表观速率的关系曲线图6是多导流筒气环流生物反应器混合菌浸矿菌体生长随时间变化曲线图7是多导流筒气环流生物反应器浸矿过程pH随时间变化曲线图8是多导流筒气环流生物反应器浸矿过程氧化还原电位(ORP)随时间变化曲线图9是多导流筒气环流生物反应器浸矿过程硫根酸根离子浓度随时间变化曲线图10是多导流筒气环流生物反应器浸矿过程总铁离子浓度随时间变化曲线图11是多导流筒气环流生物反应器培养喜温硫杆菌MTH-04菌体生长曲线图12是多导流筒气环流生物反应器培养喜温硫杆菌MTH-04过程pH随时间变化曲线图13是多导流筒气环流生物反应器培养喜温硫杆菌MTH-04过程氧化还原电位(ORP)随时间变化曲线图14是多导流筒气环流生物反应器培养喜温硫杆菌MTH-04硫氧化速率随时间变化曲线1.温度电极，2.pH电极，3.溶解氧(DO)电极，4.氧化还原电位(ORP)电极，5.电加热棒，6.进气管，7.排料管，8.冷却水进水管，9.冷却水出水管，10导流筒固定件。
具体实施例方式
以下通过实例对本发明进行详细说明。
但是下述实例只是本发明的例子，本发明的内容不限于下述实例。
实施例1 三导流筒气环流生物反应器含砷金精矿pH2.0，40℃条件下生物预氧化脱砷生物反应器采用有机玻璃制成，含三个导流筒；反应器总体积10L，工作体积7L；反应器罐体高1000mm，直径120mm；导流筒高600mm，直径70mm。
金矿矿粉，粒度为200目，含金56.0g/t，砷10.04％，硫14.60％。
菌种喜温硫杆菌(Thiobacillus caldus)MTH-04及嗜铁钩端螺旋菌(Leptospirillumferrooxidans)MLH04。
菌种制备与接种喜温硫杆菌(Thiobacillus caldus)MTH-04及嗜铁钩端螺旋菌(Leptospirillum ferrooxidans)MLH04分别使用Starky-S0培养基和9K培养基，300mL三角瓶装液量100mL，40℃，pH2.0，摇床100r/min震荡培养至指数后期。两种菌液以1∶1比例混合，接种量为矿浆体积的10％，在反应器罐顶倒入。
Starky-S0培养基组成为(g/L)(NH4)2SO42.0，KH2PO43，MgSO4.7H2O 0.5，CaCl20.25，FeSO4.7H2O 0.01，硫粉10，pH 2.0～3.0。
9K培养基组成为(g/L)(NH4)2SO43.0，KCl 0.1，K2HPO40.5，MgSO4.7H2O 0.5，Ca(NO3)20.01，H2SO41.0，FeSO4.7H2O 50，pH 15。
浸矿条件18％矿浆浓度，初始pH 2.0，温度40℃，通气量为2.0m3/h。
操作方式单反应器分批操作方式。
每隔一定时间取样，用硫酸钡比浊法测定硫酸根浓度，用邻菲啰啉法测定Fe2+及总铁浓度，用原子吸收分光光度法测定砷浓度，用电极测定pH及ORP，样品经2000～3000r/min低速离心去硫粉，悬液用微光谱仪测定菌体浓度。
反应时间6d，脱砷率超过75％作为浸矿结束指标。
矿浆初始pH 2.0，温度40℃时，浸矿过程菌体生长、pH值、氧化还原电位(ORP)、硫酸根浓度、总铁离子的浓度变化趋势见图6～10。经过6d浸矿反应，脱砷率达到89.2％。
实施例2 三导流筒气环流生物反应器含砷金精矿pH 3.0，40℃条件下生物预氧化脱砷矿浆初始pH 3.0，温度40℃，其它条件与实施例1相同。
经过6d浸矿反应，脱砷率达到88.4％。
实施例3 三导流筒气环流生物反应器含砷金精矿pH 2.0，43℃条件下生物预氧化脱砷矿浆初始pH 2.0，温度43℃，其它条件与实施例1相同。
经过6d浸矿反应，脱砷率达到87.1％。
实施例4 三导流筒气环流生物反应器培养浸矿细菌反应器与实施例1相同。
菌种喜温硫杆菌(Thiobacillus caldus)MTH-04。
培养基Starky培养基加硫粉15g/l。
种子培养与实施例1喜温硫杆菌种子培养条件和方法相同。
反应器培养条件起始pH2.0，培养温度40℃，接种量为10％，通气量2.0m3/h，单反应器，分批培养方式。
每隔一定时间取样，用硫酸钡比浊法测定硫酸根浓度，用电极测定pH及ORP，样品经2000～3000r/min低速离心去硫粉，悬液用微光谱仪测定菌体浓度。
菌液吸光度达到0.13以上作为放罐指标。
菌体生长、pH、氧化还原电位、硫氧化速率过程曲线见图11～14。菌液吸光度在第83h达到0.130，第100h达到最大值0.15。
上述结果优于摇瓶培养(菌液吸光度最大值0.130)。
权利要求
1.本发明公开一种用于细菌浸矿和浸矿菌培养的多导流筒气环流生物反应器。
2.如权力要求1所述的多导流筒气环流生物反应器，其特征在于(1)内有1-3个垂直排列的导流筒，导流筒高度在反应器内的液面以下；(2)反应器底部，导流筒正下方有进气口通入空气，进入的空气几乎都进入了导流筒，导致导流筒内外流体平均密度差异和反应器底部导流筒内外的压强差；在上述压强差的推动下流体在反应器内循环，实现物质的混合，因此该反应器无搅拌混合装置；(3)反应器内有多个导流筒，反应器内径增加，使反应器高/径比(H/D)降低，H/D小于3，甚至可以接近于1，有利于反应器的大型化；(4)反应器采用耐酸材料制成，如有机玻璃、玻璃、不锈钢或涂有耐酸腐蚀材料的普通钢；(5)反应器有温度检测和控制，有pH、溶解氧、氧化还原电位检测装置。
3.如权力要求2所述的多导流筒气环流生物反应器的导流筒，其特征在于导流筒高/径比(h/d)大于3，有利于提高流体循环速度。
4.如权力要求1所述的多导流筒气环流生物反应器在细菌浸矿或浸矿培养中的应用方法，其特征在于可以单个反应器单独使用，也可以多个反应器串、并联组合使用；操作方式可以是分批操作、流加操作(补料分批)或连续操作方式；最适反应pH范围为1～3，最适为2；最适温度范围为30～50℃，最适40℃。
5.如权力要求4所述的反应器用于细菌浸矿的步骤是(1)加料200目矿粉用水配制成浓度为10～30％(一般20％)的矿浆，加入反应器，装料系数80％；(2)条件控制调节反应器温度至40℃左右，用硫酸调pH至2.0左右，通入空气，流量为2.0VVM左右；(3)接种将培养好的浸矿菌液按10％接种量接入反应器；(4)反应过程与控制维持反应器温度，监测pH、溶解氧浓度、氧化还原电位；如果是流加或连续操作则需要控制流加和稀释速率；(5)放罐反应时间7～8d，脱砷率达到85％以上结束反应。
6.如权力要求4所述的反应器用于浸矿细菌培养的步骤是(1)加料加入含6％矿粉的水浊液或已知成分的化学合成培养基，如Starky培养基、9K培养基，装料系数80％；(2)条件控制调节反应器温度至40℃左右，用硫酸调pH至2.0左右，通入空气，流量为2.0VVM左右；(3)接种将培养好的浸矿菌液按10％接种量接入反应器；(4)反应过程与控制维持反应器温度，监测pH、溶解氧浓度、氧化还原电位；如果是流加或连续操作则需要控制流加和稀释速率；(5)放罐菌液(如果以矿粉为培养基质则需要低速离心去矿粉)吸光度达到0.1以上结束反应。
全文摘要
本发明属于生物冶金技术领域，设计并使用适用于微生物冶金槽浸方式，对浸矿微生物损伤程度低、易于大型化的新型浸矿生物反应器进行硫化矿物的生物氧化。本发明采用内环流气提式生物反应器，以压缩空气作为液体提升动力促进物料宏观混合和传质过程，并为微生物生长和矿物的生物氧化提供氧气，与传统搅拌式浸矿生物反应器相比大大减轻了矿砂对微生物菌体的磨损和破坏。该新型浸矿生物反应器由圆柱形罐体和罐底两主体部分构成，罐体内有三个内置式导流筒，这样可以降低反应器的高度，使反应器的高径比(H/D)可以达到1～1.5的范围，从而有利于生物反应器的大型化，而传统气提式生物反应器的高径比一般都大于3。与传统的生物冶金槽浸方式相比，本发明具有搅拌柔和、对细胞损伤小、传质效果好、结构简单，矿砂沉积现象不明显等优点。
文档编号C22B3/00GK101016584SQ20061007017
公开日2007年8月15日 申请日期2006年11月20日 优先权日2006年11月20日
发明者林建群, 曾东明, 林建强 申请人:山东大学