专利名称：硫化矿浸矿菌生长的高效电化学培养方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明是涉及硫化矿生物冶金和高砷金矿预氧化提金的一种高效浸矿菌培养的电化学方法，特别是适用于硫化矿精矿和含砷金精矿搅拌浸出的高效硫化矿浸矿菌的电化学培养方法。
背景技术：
目前，矿产资源日渐贫杂，资源、能源、环境问题越发引起人们重视。传统的冶金工艺适用于品位较高的矿物资源，且资源利用率低，能源消耗大，环境污染严重。故几十年来，人们一直在寻求更为合理、有效、清洁的资源利用途径。而生物冶金技术由于具有如下特点(1)低成本、低能耗、低药剂消耗量、低劳动力需求。(2)工艺流程短、设备简单、易于建筑，资金消耗小。(3)资源利用广，能使更多不同种类及低品位矿物能得到有效经济的利用。(4)无废气、一定程度上可认为无废物、废水排放，可改善环境，增加生产安全性。(5)简化了整个工艺过程等5个方面的优点有望在绿色冶金工艺中充当越来越重要的角色。但由于生物冶金浸出速率慢的原因使其目前始终与以火法为主的传统主流程工艺无法竞争。除次生硫化铜矿的堆浸外，国内外不断在开展铜、镍精矿生物搅拌浸出和含砷金精矿生物搅拌预氧化提金技术的研究，寻求处理精矿的理想生物冶金方法以在和传统的火法冶金竞争中取得突破性进展，目前在含砷金矿生物搅拌预氧化提金方面实现了工业应用；但总体而言浸出速率仍较慢。提高浸出速率的途径无非是增强浸矿菌的性能和增加浸矿体系浸矿菌的数量。搅拌生物浸出是通过细菌培养装置不断向搅拌反应器中加入浸矿菌来实现对浸矿体系的接种和补充细菌数量的，但目前的普遍采用常规的细菌培养方法与装置存在细菌生长速率慢，单位时间内产生的细菌数量少，加入的细菌不能保证在其生长的对数期等缺陷，制约着生物搅拌浸出，使浸出过程慢，能耗高。因此，需要发明一种能够提高浸矿细菌生长速率、单位时间内增大浸矿细菌数量，给硫化矿生物搅拌浸出提供足够数量和高活性的菌的浸矿菌培养方法与装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种硫化矿浸矿菌生长的高效电化学培养方法，该方法能够大幅提高浸矿菌生长速率，单位时间内给浸矿体系提供足够数量和高活性浸矿菌。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案
这种硫化矿浸矿菌生长的高效电化学培养方法包括(1)经过预培养的硫化矿浸矿菌菌种在生物反应器中培养，反应器中的培养液含有氧气及二氧化碳气体，培养过程中由于细菌生长代谢，培养液中的Fe2+离子被氧化为Fe3+离子；(2)在具有可调压外接电源的电化学反应器中，培养液中的Fe3+离子被还原为Fe2+离子，通过调节外压来控制反应；电化学反应器向生物反应器提供所需要的培养液。
通过反应器实现除去细菌生长产生的阻碍细菌进一步生长的沉淀物。混合器采用多孔吸附床层，使细菌充分吸附气体，并通过床层滤掉细菌生长产生的铁矾类沉淀。
在搅拌反应器溢流口检测细菌数量和Fe3+浓度，当细菌数量大于109个/dml时，供给浸矿系统高活性菌液。
所述的培养液中含有氧气及二氧化碳气体是预先在生物反应器外的混合器中与空气混合得到的，随后将含有氧气及二氧化碳气体的培养液加入生物反应器内。
本发明提供的有关浸矿菌生长的高效电化学培养方法及设备是在掌握浸矿菌生长机理与生长规律的基础上提出的。
该方法培养的主要对象为硫化矿浸矿菌Thiobacillus ferrooxidans(氧化亚铁硫杆菌)、Leptospirillum ferrooxidans(氧化硫硫杆菌)，这两种菌种是硫化矿物生物冶金和生物预氧化提金应用的主导性菌种，尤其对于应用搅拌、加压等反应器的生物冶金过程。该类菌种可在拟应用生物冶金方法处理的硫化矿物矿山酸性矿坑水或矿堆上采集，通过传统通用的细菌培养方法初步培养和分离(参见02128833.X″含碱性脉石的硫化矿矿石或精矿或尾矿的生物堆浸工艺)。
Thiobacillus ferrooxidans、Leptospirillum ferrooxidans等主要浸矿细菌的基本生长特性为该类细菌以溶液中的Fe2+为能源，通过将Fe2+氧化为Fe3+而获得能量以完成其生长代谢，同时通过吸收空气中的氧气，以空气中二氧化碳为碳源而生长。在充足的氧气和二氧化碳下，Fe2+的氧化速率直接标志着细菌的生长代谢速率。Fe2+氧化响应细菌生长特征可用细胞外的电化学反应式来标度，其过程可用下面三式表示。
(1)
故在空气充足的情况下，该类浸矿菌的生长代谢完全依赖于溶液(培养液)中适度的Fe2+离子浓和Fe3+/Fe2+电对的变化，即细菌生长的控制性因素为溶液中Fe2+浓度，溶液由Fe3+/Fe2+电对影响的电位，溶液中溶解的空气和氧、二氧化碳浓度。
基于此，本发明的设计是通过对Thiobacillus ferrooxidans、Leptospirillum ferrooxidans等主要浸矿细菌生长规律的掌握，利用该类化能自养菌氧化和利用溶液中Fe2+获得能量而生长的特性而采用的外控电位方法来促进细菌生长和控制细菌活性的方法，该方法为达到大幅度提高浸矿菌生长速率，单位时间提供足够数量和高活性浸矿菌。
该方法的特征在于①反应器中，细菌氧化利用Fe2+后产生的Fe3+导入电化学反应器，通过电化学反应器过程Fe3+会被及时还原为Fe2+，返回生物反应器，使细菌培养液始终保持细菌生长所需适度的Fe2+浓度。而传统的方法中，培养液中的Fe2+会被逐步消耗，难以保证细菌生长所需的最佳Fe2+浓度，生长后期细菌数量不再增长，活性下降，生成的Fe3+还会进一步生成沉淀物。
②电位对于细菌生长和浸矿过程都非常重要。培养液通过电化学反应器后，通过外加电场的控制，可使细菌培养液始终保持最佳的电位，即Fe3+/Fe2+的最佳比例关系，这一一方面有利于细菌生长，另一方面加入浸矿系统后，可有效调节浸矿系统电位。
③通过混合器装置，可给细菌培养液和反应器中的细菌提供充分的空气，以保证细菌生长。
④可连续放出大量对数生长期高活浸矿菌；而传统方法由于无法保证溶液适度Fe2+和最佳溶液电位，故不能有效连续地给浸矿系统供给大量浸矿菌，一般只起接种作用，或通过间歇式方法供给细菌，培养液消耗大，操作过程复杂而无效。
该方法的具体操作与反应如下主要步骤①在反应器中装入特定的细菌培养液(一般为9K标准培养液)，并接入预培养菌种(Thiobacillus ferrooxidans、Leptospirillum ferrooxidans等)，在搅拌状况下发生细菌生长反应。
②细菌培养液通过循环到达混合器与空气中的氧气和二氧化碳充分混合。通过混合，获得细菌生长所需要的充足的氧气和二氧化碳。
③反应器中培养液的Fe2+逐渐被氧化为Fe3+，含一定浓度Fe3+的培养液通过循环导入电化学反应器。在外控电位下，Fe3+在电化学反应器阴极上得电子又被还原为Fe2+，在电化学反应器阳极，水被分解后产生氧气和H+离子，而培养液经过Fe2+的还原后又循环至生物反应系统。
④在电化学反应器过程中，溶液电位可通过在线混合电位测量装置读出，通过外控电位实现培养液中Fe3+/Fe2+电对的变化，从而控制细菌生长所需的最佳电位。
⑤当细菌生长达到对数期后期，电位控制适度后，在反应器底部连续放出含高浓度浸矿菌和具有最佳电位的菌液。
其中，①、②步骤过程可用化学反应(1)(2)(3)概括③、④步骤可用如下反应式(4)(5)概括阴极过程(4)阳极过程(5)本发明适用硫化矿浸矿用菌株，采用的培养液根据所培养的菌种和使用条件而定。
该方法涉及的装置包含两个部分，电化学反应器部分和生物反应器部分。其中电化学反应器由电源、阴极池和阳极池组成，阴极池和阳极池中间用阴离子选择性膜隔开(阴离子选择性膜，市场有售)；生物反应器主要包括反应器和混合器。其中阴极池、阳极池、反应器、混合器的外壳均用聚合物PVC板做成；电源采用可调压直流电源；在细菌培养过程中，阴极池和阳极池中液体为从反应器中流入的细菌培养液。反应器中为含菌培养液；培养液一般采用标准9K培养液，亦可采用其它培养液，即根据需求调整培养液中Fe2+和其它微量无机盐营养物含量。反应器配以连续搅拌装置，细菌培养时，搅拌器开动，利于细菌获得充分的营养物和空气。混合器中装有疏散的活性炭。阴极池中装有在线电位检测器，可随时检测培养液混合电位的大小。细菌培养过程中，通过空压机向混合器中鼓入空气。
图1浸矿菌高效电化学培养装置图2细菌高效电化学培养过程示意具体实施方式
实施例一应用该发明方法，培养硫化矿浸矿菌Thiobacillus ferrooxidans。浸矿菌Thiobacillus ferrooxidans采自某矿山，经分离纯化得到。细菌培养液采用9K标准培养液，溶液中Fe2+的浓度为9g.dl-1。首先将9K标准培养液装入反应器中，搅拌培养，3小时后开启混合器，10小时后开启电化学反应器，调节外控电位(初始加在正极和负极之间的电压为2V)使培养液混合电位在480mV，对体系细菌进行连续培养。结果显示，应用该体系对Thiobacillus ferrooxidans效果良好，培养24小时，细菌浓度便可达到109个.mdl-1，并可连续向浸矿系统供给处于对数期生长的高浓度菌液。在黄铜矿精矿搅拌浸出过程加入该系统连续输入的菌液较常规仅采用一次性或定期接种方法，同期浸矿速率上升近10％，总浸出率提高近20％。
实施实例二
应用该发明方法，培养硫化矿浸矿菌Leptospirillum ferrooxidans。同样，浸矿菌Leptospirillumferrooxidans采自某矿山，经分离纯化得到。细菌培养液采用4.5K培养液，溶液中Fe2+的浓度为3g.dl-1，同时调整溶液中磷酸类无机盐。首先将培养液装入反应器中，搅拌培养，2小时后开启混合器，8小时后开启电化学反应器，逐步调节外控电位使培养液混合电位在480mV，对体系细菌进行连续培养。结果显示，应用该体系对Leptospirillum ferrooxidans效果良好，培养20小时，细菌浓度便可达到109个.mdl-1，并可连续向浸矿系统供给处于对数期生长的高浓度菌液。在镍精矿搅拌浸出过程加入该系统连续输入的菌液较常规仅采用一次性或定期接种方法，同期浸矿速率上升近30％，总浸出率提高近10％。
实施实例三应用该发明方法，培养硫化矿浸矿菌混合菌，其中包含Thiobacillus ferrooxidans和Leptospirillum ferrooxidans。同样，混合菌采自某矿山，经分离纯化得到。细菌培养液采用9K标准培养液，溶液中Fe2+的浓度为9g.dl-1。首先将培养液装入反应器中，搅拌培养，3小时后开启混合器，8小时后开启电化学反应器，逐步调节外控电位使培养液混合电位在460mV，对体系细菌进行连续培养。结果显示，应用该体系对Leptospirillum ferrooxidans效果良好，培养15小时，混合菌浓度便可达到109个.mdl-1，并可连续向浸矿系统供给处于对数期生长的高浓度菌液。在黄铜矿搅拌浸出过程加入该系统连续输入的菌液较常规仅采用一次性或定期接种方法，同期浸矿速率上升近15％，总浸出率提高近25％。
实施实例四应用该发明方法，培养抗砷浸矿驯化菌参见，其中包含Thiobacillus ferrooxidans和Leptospirillum ferrooxidans。菌株样采自某矿山，经分离纯化后经过抗砷驯化，驯化时在细菌培养液中加入砷黄铁矿，液固比20/1，温度40℃，当细菌生长在对数期时，转接菌再一次进行抗砷驯化，如此进行培养4～5次，当在最后一次对数期将菌液接出，在本发明装置中进行大批量培养。细菌培养液仍采用9K标准培养液，溶液中Fe2+的浓度为9g.dl-1。首先将培养液装入反应器中，搅拌培养，3小时后开启混合器，8小时后开启电化学反应器，逐步调节外控电位使培养液混合电位在500mV，对体系细菌进行连续培养。结果显示，应用该体系对Leptospirillumferrooxidans效果良好，培养15小时，混合菌浓度便可达到109个.mdl-1，并可连续向浸矿系统供给处于对数期生长的高浓度菌液。在含毒砂、黄铁矿的金精矿搅拌浸出过程加入该系统连续输入的菌液较常规仅采用一次性或定期接种方法，同期氧化速率上升近20％，总氧化率提高近30％。
权利要求
1.一种硫化矿浸矿菌生长的高效电化学培养方法，其特征在于它包括(1)经过预培养的硫化矿浸矿菌菌种在生物反应器中培养，反应器中的培养液含有氧气及二氧化碳气体，培养过程中由于细菌生长代谢，培养液中的Fe2+离子被氧化为Fe3+离子；(2)在具有可调压外接电源的电化学反应器中，培养液中的Fe3+离子被还原为Fe2+离子，通过调节外压来控制反应；电化学反应器向生物反应器提供所需要的培养液。
2.根据权利要求1所述的硫化矿浸矿菌生长的高效电化学培养方法，其特征在于在化学反应器中，利用外控电位实现了细菌培养液Fe3+/Fe2+的适当比例和适合于细菌生长的培养液电位。
3.根据权利要求1或2所述的硫化矿浸矿菌生长的高效电化学培养方法，其特征在于在化学反应器中，浸矿菌培养液的浓度保持在与初始标准9K或3K培养液Fe2+离子浓度相同，培养液电位控制在400-550mV。
4.根据权利要求1或2所述的硫化矿浸矿菌生长的高效电化学培养方法，其特征在于所述的培养液中含有氧气及二氧化碳气体是预先在生物反应器外的混合器中与空气混合得到的，随后将含有氧气及二氧化碳气体的培养液加入生物反应器内。
5.根据权利要求5所述的硫化矿浸矿菌生长的高效电化学培养方法，其特征在于培养液与含有氧气及二氧化碳气体的空气混合时是在边混合边除去沉淀物的情况下进行的。
6.一种用于权利要求1所述的硫化矿浸矿菌生长的高效电化学培养的装置，其特征在于该装置包括电化学反应器和生物反应器两部分，其中，电化学反应器由阴极室、阳极室和可调压外接电源三部分组成，阴极室和阳极室由离子选择性膜隔开；生物反应器内装有搅拌器。
7.根据权利要求6所述的硫化矿浸矿菌生长的高效电化学培养的装置，其特征在于生物反应器的空气进口与外置的混合器的出口相接。
8.根据权利要求7所述的硫化矿浸矿菌生长的高效电化学培养的装置，其特征在于；所述的混合器采用多孔吸附床层结构。
9.根据权利要求6所述的硫化矿浸矿菌生长的高效电化学培养的装置，其特征在于所述的为含二氧化碳空气入口位于混合器的培养液入口的侧壁上。
10.根据权利要求6所述的硫化矿浸矿菌生长的高效电化学培养的装置，其特征在于所述的生物反应器设有供取样用的溢流口。
全文摘要
一种硫化矿浸矿菌生长的高效电化学培养方法及装置，特别是适用于硫化矿精矿和含砷金精矿搅拌浸出的高效浸矿菌的电化学培养方法。该方法包括(1)经过预培养的硫化矿浸矿菌菌种在生物反应器中培养，反应器中的培养液含有氧气及二氧化碳气体，培养过程中由于细菌生长代谢，培养液中的Fe
文档编号C12N13/00GK1737114SQ200410056929
公开日2006年2月22日 申请日期2004年8月20日 优先权日2004年8月20日
发明者李宏煦, 阮仁满, 温建康, 董青海, 宋永胜 申请人:北京有色金属研究总院