用于工业生物反应器给料的稳定分散形式的硫生物适应的系统和方法
【专利摘要】本发明涉及用于工业生物反应器给料的稳定分散形式的硫（S）生物适应的系统，其包括：a）含有液体培养基的罐，所述液体培养基由上清液稀释液或一部分硫氧化细菌培养物组成，b）从所述罐进料的再循环泵，和c）喷射器，在其进口处连接于再循环泵，并且在其出口处连接回罐，使再循环线路闭合。在喷射器给料途径中存在细粉形式的S的供应。
【专利说明】用于工业生物反应器给料的稳定分散形式的硫生物适应的系统和方法
发明领域
[0001]本发明涉及用于工业生物反应器给料的稳定分散形式的硫生物适应的系统。此外，公开了用于工业生物反应器给料的稳定分散形式的硫生物适应的方法。
[0002]发明背景
[0003]生物浸取是生物采矿中最重要的过程，并且被定义为利用直接或间接微生物作用，将来自复合基质的金属溶解于酸性介质中的方法。用于这些过程中的微生物可以属于细菌或古细菌域，并且可以根据它们对于特定过程的实用性来归类。例如，我们可以区分硫和铁氧化微生物，其通常用于生物浸矿中。
[0004]对于生物采矿操作，一般惯例是引入生物反应器，以产生生物质。这些生物反应器是基于细菌在其中增殖的液相(传统反应器)，或基于含有粘附细菌的固体填充床，溶液通过其进行渗滤(细胞柱反应器)。鉴于生物采矿细菌的铁和硫氧化过程的重要性，我们可以找到用于铁和硫氧化微生物的生物反应器，硫氧化微生物是本发明的焦点。
[0005]在硫氧化微生物中，在涉及硫或还原硫化合物的工业过程中最常见和最广泛发现的是嗜酸氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans)。
[0006]培养这些微生物中的必需步骤是给反应器供应细菌的天然底物，硫。所用的硫是细粉，大小在30至300 μ m之间，并且具有各种操作问题:
[0007]首先，其是疏水的，因此不能溶解于生物反应器的含水酸性环境中；
[0008]其次，当细粉与含氧空气，如大气接触时，其变成易燃的和爆炸性的，其使得需要连续进料的反应器定量进料变得复杂化；
[0009]最后，工业生物反应器的大尺寸牵涉暂停用于将硫分配至反应器中的装载操作。如果发生风吹或其他相似现象，进料操作必须暂停。
[0010]第一个陈述在生物质产生中具有重要后果。在任何硫氧化细菌培养物中，从添加接种物和硫的时间点开始，存在潜伏期，直至指数生长期。这很大程度上是由于硫的疏水性引起的，这意味着其作为用于微生物的底物不是立即可被生物利用的。
[0011]对克服所有这些不便利性的硫进料系统存在需求。
[0012]发明人已经设计了用于工业生物反应器进料的稳定分散形式或浓稠浆液的硫生物适应的系统和方法。所获得的硫分散体不再具有细硫粉末的易燃/爆炸特性。作为液体，可以将其掺入罐中，而没有与风吹或其他相似现象相关的操作问题。令人惊讶地，这种分散体确保细菌对硫的立即生物利用。这显著缩短了停滞期，并且可以缩短硫氧化细菌生物反应器中的生物质产生时间。
[0013]本发明的系统包括通过连接到再循环线路的喷射器掺入细硫粉，再循环线路与辅助罐连接。所述液体介质是上清液稀释液或硫氧化细菌培养物的一部分。
[0014]该系统提供了容易操作的均匀的硫液体悬浮液，因此避免了细硫粉的危险。所得到的硫分散体可以直接用作液相`反应器的底物。此外，如果使硫分散体变稠，并且将所得到的浆液用于制备生长培养基，则其可以用作填充床反应器的底物。此外，发明人已经发现了这种分散体或浆液允许硫的立即生物利用。如果所述分散体或浆液直接作为底物加入硫氧化细菌生物质产生生物反应器，则缩短了停滞期，因此也缩短了生物质产生时间。
现有技术
[0015]在现有技术中尚未发现有文献解决了本发明中提出的技术问题，本发明的目的是获得工业生物反应器给料中稳定分散形式的硫。
[0016]然而，现有技术中已经认识到硫粉问题，如其易燃性和爆炸性。例如，美国专利3，779，884 (1974)公开了用于农业目的的硫分散体的方法。在此，将水相湍流用于使硫雾化，并且在水中产生细分散体。该系统含有循环设计，其中使硫通过泵，其对分散体施压。本发明不同于美国专利3，779，884，因为其使用由上清液稀释液或一部分硫氧化细菌培养物组成的液体培养基来代替水。此外，其使用喷射器系统来产生分散体。
[0017]这些区别产生了可生物适应的硫分散体，其最终是稳定的，并且作为可以通过机械搅拌重悬浮的细粉轻轻倒出。另一方面，该分散体在水中是不稳定的，并且随着搅拌停止，硫依然保持漂浮在水表面上，产生肉眼可见的硫絮凝物。
[0018]随后，我们发现了美国专利4，372，872(1983)，其描述了如何借助于强烈搅拌将熔融硫注入水流中来产生细硫悬浮液。然而，同一篇文献还提及了由于聚集在水中制备硫分散体有多么困难。此外，其表明了外部表面活性剂将是有帮助的，但没有对所述表面活性剂进行鉴定，也没有将其掺加到该过程中。
[0019]美国申请2003/0185637A1 (2003)描述了用于运输含有硫粉的硫颗粒并且除去所述粉末的方法。该方法包括使用喷射器系统在硫颗粒上泵水，以产生含有硫颗粒和粉末的水溶液。然后，将含有硫粉和其他杂质的水与运送硫颗粒的水分离。最终，将水与硫颗粒分离，并且贮存干的硫颗粒。
[0020]喷射器系统是现有技术公知的，并且用于将液体、气体或粉末物质掺入液体组合物中。例如，美国专利4，695，378(1987)描述了用于处理矿水的系统，其由喷射器组成来充气并将粉末状中和剂加入处理过的水中。在第二个实例中，美国专利6，988，823B2 (2006)描述了用于“润湿细固体”的系统，并且表明了通过所述技术，不溶性化合物可以产生均匀的分散体。该系统结合喷射器来混合粉末和水流。该文献没有使用再循环；而是描述了使用内部搅拌棒来混合溶液/分散体。
[0021]总之，尽管存在一些解决方法来作为分散体运送硫粉，但这些已经证明了其在水中，与使用本发明的系统和方法获得的可生物适应的硫分散体相比不太稳定。
[0022]现有技术中没有解决本发明中提出的技术问题，以获得用于给工业生物反应器给料的稳定分散体中的可生物适应的硫。所分析的文献中描述的用于细硫粉浆液或分散体的用途是用于农业部门，其中将硫用作杀真菌剂，并且从未如本发明那样，考虑用作反应器的进料，或用作微生物生长培养基。
[0023]本发明的概述
[0024]本发明涉及用于工业生物反应器给料的稳定分散形式的硫(S)生物适应的系统，其包括:
[0025]a)含有液体培养基的罐，所述液体培养基由上清液稀释液或一部分硫氧化细菌培养物组成，[0026]b)从罐进料的再循环泵，和[0027]c)喷射器，在其进口处连接于再循环泵，并且在其出口处连接回罐，使再循环线路闭合。
[0028]在喷射器的进料通路中，存在细粉形式的S供应。
[0029]上清液或一部分硫氧化细菌培养物在含硫培养基中被稀释100至10倍。
[0030]第二个方面，本发明公开了一种用于工业生物反应器给料的稳定分散形式的硫生物适应的方法，其包括:
[0031]a)在含有液体培养基的罐中，启动通过再循环泵的再循环，所述液体培养基由上清液稀释液或一部分硫氧化细菌培养物组成；
[0032]b)将细硫粉的供应连接到喷射器，喷射器在其进口处连接于再循环泵，在其出口处连接回存储器。通过喷射器内产生的抽吸使掺入的硫雾化。
[0033]附图简述
[0034]图1显示了本发明优选配置的流程图，并且包括:含有液体培养基的罐(1)，所述液体培养基含有上清液稀释液或一部分硫氧化细菌培养物；从罐(I)进料的再循环泵(2)，和在其进口处连接于再循环泵(2)并且在其出口处连接回罐(I)的喷射器(3)，使再循环回路闭合，并且其中喷射器(3)在其给料途径中有细硫粉的供应。
[0035]图2显示了本发明的第二个优选配置的流程图。除了图1中所述的系统以外，这个配置还含有:在再循环泵(2)的出口处，用于指引流动的装置(4)，使得可替换地指引直接流动至罐(I )，而没有通过喷射器。
[0036]图3显示了用于工业过程中的硫生物适应的优选配置。该配置考虑了图1和2中所述的流程图。然而，其包括作为上清液或培养物稀释液来源的工业生物反应器，以获得可生物适应的硫，其随后打算用于工业生物反应器的给料。
[0037]图4显示了三个条件下的IX KMD培养基中的硫分散体等份试样:图4a)本发明的硫生物适应，完全地轻轻倒出了硫，图4b)使用机械分散的对照，硫没有形成大的结块，倒出小部分，而大部分保留在悬浮固体聚集形成的絮凝物的表面上。图4c)没有使用机械分散的对照，硫保留在大结块形式的表面上。
[0038]图5显示了接种106细胞/ml Licanantay菌株DSM17318的3个硫氧化细菌生物反应器中的PH和生物质的演化，其中对照()给料普通的细硫粉(不可生物适应的)，(A)表示通过高压灭菌灭菌的可生物适应硫，和(.)表示灭菌的可生物适应硫。在图5A中，显示了随着时间的PH，表明可生物适应硫比对照更快地降低了 pH。图5B显示了随着时间的生物质，显示了可生物适应硫比对照更快地增加了生物质，将停滞期从75小时降至24小时。
[0039]图6 显示了使用两种不同的硫浓度:2.35G_S/Kg_Quartz 和 4.65G_S/Kg_Quartz,在石英柱上聚集的硫中硫转换成硫酸的百分比。其中对照(▲)聚集了普通细硫粉(不可生物适应的)，而本发明的柱聚集了可生物适应硫(令)。图6A显示了使用较低硫浓度2.35G_S/Kg_Quartz柱的硫转化成硫酸的百分比，而图6B显示了使用较高硫浓度4.65G_S/Kg_Quartz柱的相同结果。在两种情况下，使用可生物适应硫时，硫转化成硫酸更快，并且更有效。
[0040]图7显示了含有不可生物适应的细硫粉的烧瓶中的细菌生长，图7A，和可生物适应硫，图7B，在不同的硫酸铝浓度的存在下:0g/L (#)U5g/L (A)U8g/L (?)和20g/L(□)。使用可生物适应硫作为底物时，硫酸铝的毒性作用。
[0041]发明详述
[0042]如本发明背景中所示，培养硫氧化微生物需要将硫给料于生物反应器。硫是30至300 μ m之间的细粉，并且具有多个操作问题，如疏水性以及易燃性和爆炸特性。
[0043]发明人设计了用于工业生物反应器给料的稳定分散形式的硫生物适应的系统和方法。
[0044]a)本发明涉及用于工业生物反应器给料的稳定分散形式的硫生物适应的系统，并且包括:含有液体培养基的罐(I)，所述液体培养基含有上清液稀释液或一部分硫氧化细菌培养物，
[0045]b)从罐(I)进料的再循环泵(2)，和
[0046]c)喷射器(3)，在其进口处连接于再循环泵(2)，并且在其出口处连接回罐(1)，使再循环线路闭合，并且其中喷射器(3)给料途径含有细硫粉的供应。
[0047]在稀释上清液或一部分硫氧化细菌培养物的情况下，使用培养基中稀释100至10倍来分散硫。这在图1中有显示。
[0048]此外，本发明的可替换配置包括:在再循环泵(2)出口处，放置用于引流(4)的装置，其替换地将所述的流引向罐(1)，而没有经过喷射器。这种优选的配置显示于图2中。
[0049]在第二个方面中，本发明涉及用于工业生物反应器给料的稳定分散形式的硫生物适应的方法，其包括:
[0050]a)通过再循环泵(2 )，在罐(I)内启动再循环，再循环泵循环含有上清液稀释液或硫氧化细菌培养物的液体培养基，和`
[0051]b)将细硫粉的供应连接到喷射器(3)，其在其进口处连接于再循环泵(2)，并且在其出口处连接回罐(I)。
[0052]此外，对于本发明的优选配置，该方法可以包括这些其他步骤:
[0053]c)连接于再循环泵(2)出口处的用于引流(4)的装置，其可以选择性地引流，和
[0054]d)通过引流(4)装置，选择性地转换流动，以通过再循环流运行喷射器(3 )或将所述的流直接从再循环泵(2)引至罐(I)。
[0055]尽管喷射器的主要功能是给系统提供硫粉，一旦将所有粉末引入系统中，喷射器开始将小气泡引入所述的流中。这是由于所述的流与大气之间的压力差引起的。这些气泡在喷射器卸流以及在罐内都引起湍流，使得硫在罐内分散。
[0056]在阀指引直接流入罐内而没有通过喷射器并且全部硫粉已经引入并有效地接触上清液的情况下，由于再循环引起的流动特征可以获得或维持稳定的硫分散，这是由于上清液或硫氧化细菌培养物中“生物表面活性剂”化合物的存在。由于存在喷射器“旁路”，泵避免了喷射器的水力阻力，这避免了由于悬浮液中细硫聚集形成的硫絮凝物的形成。
[0057]此外，用于引流的装置(4)可以是3-通阀，或一组双阀，各自控制进入相应回路方向的流动。
[0058]本发明的这两个方面，系统和方法，它们之间非常相关，允许稳定的硫分散，这称为可生物适应的硫，其不再具有可燃/爆炸性细硫粉的特征。其为液体这一事实意味着可以将其掺入罐中，而不需要考虑风吹问题。其还可以用来制备稠的硫浆液，用于构建细菌生长的填充床。令人惊讶地，这种硫分散体或浆液确保微生物的立即生物利用性，并且显著缩短了停滞期。此外，还可以缩短硫氧化细菌生物反应器中的生物质产生。
[0059]如现有技术分析中看到的，所报道的硫分散体包括水作为液体载体的用途。尽管认为使用表面活性剂能提高硫分散，但这涉及将外部试剂加入培养物中，在一些情况下，证明了这对微生物是有害的(Bouffard Sylvie.C.，Tshilombo, Paul and ffest-Sells, PaulG., Mineral Engineering, 2009, Vol92,100-103)。在工业情况中，添加外部试剂提高了成本，使得难以广泛使用。此外，如果培养物必须用于采矿操作，那么外部试剂的添加将复杂化，因为它们会干扰随后的采矿过程，如金属阴极的溶剂提取或电解提取。发明人通过使用液体培养基或硫氧化细菌培养物的上清液稀释液(这两者与工业过程完全相适)解决了这个技术问题。在稀释上清液或一部分硫氧化细菌培养物的情况下，使用培养基中的100至10倍稀释来分散硫。在这种情况下，不存在给过程添加任何外部试剂。图3中显示了工业水平的优选配置。
[0060]已知上清液，其对应于细菌在其中生长的并将细菌倾析后的液体培养基，是非常复杂的溶液，因为它们含有多种由细菌代谢产生的生物分子。已知硫氧化细菌培养物的上清液含有具有生物表面活性剂特性的化合物。硫氧化细菌，如嗜酸氧化硫硫杆菌，分泌磷月旨，其中通常为磷脂，并且特别是磷脂酰乙醇胺、磷脂酰甘油、磷脂酰肌醇，已经在文献中被引用为通过硫氧化细菌产生的物质，其促进硫在水中的分散。
[0061]为了研发本发明，发明人考虑了现有技术的知识，因为他们认识到了硫氧化细菌培养物用于生物适应硫的实际潜能。他们将硫氧化细菌的上清液中存在的生物表面活性剂化合物的分散优势结合了机械分散，这促进了表面活性剂化合物对硫的覆盖。这利用了两种机理的协同优势，以解决硫疏水性的固有问题。
[0062]如所示的，在硫氧化细菌培养物的上清液中发现了产生硫生物适应需要的要素。然而，不需要具有纯上清液，无细菌。发明人已经发现了通过使用上清液，或通过使用完整的培养物(其同时含有上清液和在其中生长的细菌)，实现了硫生物适应的作用。
[0063]通过作者测量的硫氧化细菌培养物的上清液的特征性组成含有:
[0064]?细菌和微生物的生长产物，如硫氧化细菌，如含有10g/L硫的培养基中的约5 X IO9 细胞 /mL 浓度的 Licanantay,
[0065]?用于在硫上形成生物膜的被细菌利用的外多糖(EPS)，如，例如，从5g/L硫的培养基中生长的Licanantay培养物可取出总共20mg/升EPS。硫中生长的Licanantay的EPS主要由葡萄糖、半乳糖、葡糖醛酸、半乳糖醛酸和阿拉伯糖组成。
[0066]分泌的蛋白质或硫/细菌界面,例如0.5_2mg/L的蛋白质,主要是Licanantasa,如专利申请 PCT W02011024096 所述，BioSigma S.A.[0067]?由细胞代谢产生的代谢物:可以有意识地分泌特定的代谢物，而其他由于细胞溶解可以在上清液中找到。例如，根据上清液中结合质谱的毛细管电泳(CEMS)进行的测量，谷氨酸、天冬氨酸、亚精胺、脯氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸是量最大的氨基酸。
[0068]?胞外脂质:嗜酸氧化硫硫杆菌培养物，如Licantantay细菌中，约60%的胞外脂质是中性脂质，而剩余40%是磷脂。在上清液中检测到了磷脂酰乙醇胺、磷脂酰甘油和磷脂酰肌醇，并且测试了它们对硫的表面活性剂作用(Beebe, James L.和Umbreit, ffff, Journalof Bacteriology, 1971, V0IIO8 (I)，612-614)。
[0069]硫氧化细菌培养物的上清液中存在的一些成分具有表面活性剂特性，并且认为是胞外脂质。这些很可能负责本发明所述系统和方法中观察到的硫生物适应。这个方法和系统的优势是使用上清液或完整的培养基，因为这些促进了过程操作。
[0070]实施例1
[0071]硫生物适应
[0072]根据图2中描述的优选配置来设定本发明的硫生物适应系统:50升罐(1)，连接于2.5Hp再循环泵(2)，其从罐(I)进料，其中3/4’ ’ (1,91cm)喷射器(3)在其进口处连接到再循环泵(2)，并且在其出口处连接于罐(1)，使再循环回路闭合，并且在再循环泵出口(2)处，安置用于引流的装置(4)，在这种情况下，是三通阀，其允许通过简单的管线，可替换地将所述的流直接引至罐(I)中。
[0073]这种配置维持罐的搅拌，而不使用喷射器。
[0074]一旦安装好系统，进行了 3个实验:
[0075]1.1本发明，即可生物适应硫的状况。将38.8L表1中所述的IXKMD培养基加入罐中，罐中含有1.2L Licanantay硫氧化细菌培养物(在表1中所述的KMD培养基中的3%vol/vol)0培养基开始通过喷射器再循环，其加入总共800g剂量的细硫粉(浓度20g/L)。一旦加入硫，在罐中维持机械搅拌。再循环通过不含喷射器的途径进行。
[0076]表1
[0077]
【权利要求】
1.用于工业生物反应器给料的稳定分散形式的硫生物适应的系统，其中包括下列各项: a)含有液体培养基的罐(I )，所述液体培养基由上清液稀释液或一部分硫氧化细菌培养物组成， b )从罐(I)进料的再循环泵(2 )，和 c )喷射器(3 )，在其进口处连接于再循环泵(2 )，并且在其出口处连接回罐(I)，使再循环线路闭合，并且在喷射器(3)的给料途径中有细硫粉的供应。
2.根据权利要求1的用于硫生物适应的系统，其中它含有用于引流的装置(4)，其连接到再循环泵(2)出口，其允许选择性地引流。
3.根据权利要求2的用于硫生物适应的系统，其中用于引流的装置(4)对应于三通阀或一组双阀，各自控制进入相应回路方向的流动。
4.用于工业生物反应器给料的稳定分散形式的硫生物适应的方法，其包括这些步骤: a)通过再循环泵(2)，在罐(I)内启动再循环，再循环由含有上清液稀释液或硫氧化细菌培养物的液体培养基组成，和 b)将细硫粉的供应连接到喷射器(3)，喷射器(3)在其进口处连接于再循环泵(2)，并且将其出口连接回 罐(I)。
5.根据权利要求4的用于硫生物适应的方法，其中包括额外的步骤: c)在再循环泵(2)出口处连接用于引流的装置(4)，其允许选择性地引流，和 d)通过引流装置(4)选择性地转换流动，以通过再循环流操纵喷射器(3)或指引流动直接从再循环泵(2)至罐(I)。
【文档编号】C12N1/20GK103687939SQ201280034057
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年5月24日 优先权日:2011年5月27日
【发明者】P·帕拉达瓦尔德堪托斯, S·加尔维斯阿芬达诺, R·巴蒂亚奥尔鲍姆, F·拉乌雷桑坦德尔 申请人:拜奥希格马股份有限公司