专利名称：在生物辅助的堆浸操作中引入微生物的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于从矿石中回收金属的生物辅助的堆积物(heap)的氧化和浸提。
背景技术：
生物辅助的堆积物和废物堆(dump)浸提在从矿石中回收金属方面占据日益重要的位置。商业上金属回收在铜、镍和铀矿上进行并且作为金回收的预处理工艺。
众所周知的是，在堆积物内存在细菌或原始细菌(achae)对于这些堆积物的有效操作来说是重要的。微生物在氧化反应中起到催化剂作用，从而促进矿物的溶解。在堆积物内建立可存活的微生物菌落对于这些堆积物的有效操作来说是重要的。在实践中，细菌并不总是在操作开始时被特别地引入到堆积物中。这导致堆积物性能变差，因为缺少基本的催化剂。
可在堆积物的形成过程中将微生物引入到堆积物内，在粉碎材料的堆积物的形成过程中引入微生物不是有效的，因为常见的做法是混合酸与粉碎的矿石。这种酸破坏微生物，从而使得它们的引入是无效的。
在堆积物已经形成之后将微生物引入堆积物中不是有效的。众所周知的是，细菌在其表面上具有粘合剂物质，所述粘合剂物质使得它们粘合到表面上。多孔材料，如在矿石堆积物或废物堆中呈现的那些，具有高的单位体积的表面积。通过灌注堆积物而引入的微生物将快速地附着到堆积物顶部的矿石表面上，而不能渗透到堆积物的主体内。发现微生物的粘合通常是不可逆的，其结果是即使随着时间的流逝，微生物也不可能充分大量地渗透到堆积物的本体内。在这一现有技术知识的证实过程中，MacLeod等(在“Plugging of a model rock systemby using starved bacteria” ，Applied and EnvironmentalMicrobiology，1988，第54卷，1365-1372页中)发现，微生物的渗透在多孔介质中在数厘米内显著减少。另外，US6,383,458述及当引入方法是藉助在堆积物上喷洒或滴落含微生物的溶液时，微生物仅集中在堆积物顶部的一或两英尺内。
因此，一旦堆积物已经被制造，将微生物引入到堆积物内会导致在堆积物或废物堆顶部处微生物的“表皮(skin)”，而细菌没有通过堆积物有效地渗透。
由于堆积物在大多数情况下深度大于6米，因此细菌渗透的效率非常低。将微生物引入到堆积物内的现有技术的方法导致差的扩散和分布，其结果是可在堆积物内出现死区，从而导致从矿石中金属的提取差。
当使用卡车堆垛堆积物或废物堆，如在残留废物堆上堆垛未压碎的矿石时，产生进一步实际的困难。在此情况下，有效引入微生物仅可通过灌注矿石材料进行，这产生的问题是形成微生物的“表皮”，而不是它们通过堆积物或废物堆的深度进行渗透。
若在堆积物内的温度升高，则产生进一步的困难。这是一种所需的状态，因为浸提反应的速度取决于温度。温度越高，浸提速度越大。然而，微生物具有它们在其中有效的特定温度范围。确实，高于临界温度的温度将导致微生物的死亡。当堆积物内的温度升高时，需要引入在那些温度下最佳地适于催化氧化过程的微生物。然而，由于以上提及的形成“表皮”层的问题，这些微生物的引入不是有效的。由于温度升高可引起微生物死亡和随后引入微生物是低效的，因此存在堆积物操作失败的可能性。
发明目的本发明的目的是提供至少部分减轻上述问题中的一些的方法。
发明概述根据本发明，提供将微生物引入到堆积物材料内以供生物辅助的堆浸的方法，该方法包括
a)制备在其外细胞壁上没有外聚合物(exopolymer)的微生物；b)将根据步骤a)制备的微生物加入到堆积物中；c)在堆积物内，辅助或未辅助的再活化以在微生物的外细胞壁上生产外聚合物。
进一步提供步骤a)包括将微生物暴露于低营养环境下或使微生物挨饿。
通过限制微生物可获得的碳量，仍进一步提供挨饿的微生物。
同样提供步骤b)包括一步或多步下述步骤在堆积物的形成过程中添加微生物到堆积物中，滴灌堆积物，喷洒堆积物，和加压灌注堆积物。
进一步提供辅助再活化步骤，包括将微生物暴露于富营养环境下，其中包括a)将固体营养物包埋在堆积物内，和优选固体营养物是缓慢释放的营养物；b)用富营养物的溶液灌注堆积物；c)用富营养物的气体给堆积物充气，优选一种或多种营养气溶胶和氨；和d)用富二氧化碳的气体给堆积物充气。
还提供未辅助再活化步骤，包括由于在堆积物内的一种或多种占主导的条件导致的再活化，和天然气体流经堆积物，包括二氧化碳流经该堆积物。
发明详述以下仅仅藉助实施例和参考本发明优选实施方案的实施例1来描述本发明。
本发明提供制备微生物的方法，其方式使得当通过在堆积物的顶部灌注含所制备的微生物的溶液将它们引入到堆积物中时，它们能渗透堆积物或废物堆的深度。
这通过制备在其外细胞壁上不产生外聚合物状态的微生物来实现，这一状态通常要求其制备在低营养环境下。
在本申请中，通过降低在微生物的生长介质内的营养物，使微生物挨饿到微生物降低在其外细胞壁上产生外聚合物的点。这使得细胞是非粘合性的，并适于引入到堆积物或废物堆内。
通常在生物辅助的浸提操作中发现的微生物是自养微生物。无碳生长介质的产生要求限制溶解在生长介质内的二氧化碳。
通过用富含所制备的微生物的溶液灌注，将非粘合性的微生物引入到堆积物上，并允许渗透堆积物或废物堆的深度。一旦到达堆积物内，使微生物活化，或通过环境的变化，例如，由于在堆积物氛围内二氧化碳的存在使微生物自然变得粘合，或者通过用富营养物溶液灌注堆积物，引起所制备的微生物形成外聚合物并粘合到堆积物内的矿石颗粒的外表面上，从而变得粘合。
在堆积物或废物堆内建立微生物菌落之后，或者添加缓慢释放的营养固体到矿石中，或者藉助用营养气溶胶和/或氨给堆积物充气，以及添加通过与矿石混合的碳酸盐或者加入到充气供料中的二氧化碳的碳源，将营养物供应到藉助堆积物的灌注溶液而引入到堆积物内的微生物中。
矿物的溶解速度取决于在堆积物内微生物的催化作用。在浸提操作的开始阶段和操作阶段二者中，这些微生物起到关键的作用。
通过简单地用富含这些微生物的溶液灌注堆积物，则微生物将不会渗透到堆积物的深度处。相反，它们将粘合到灌注或注入点处的岩石和矿物上，从而在堆积物的表面上形成微生物的“表皮”。这是因为微生物的外细胞壁涂布有外聚合物，所述外聚合物是一种粘合剂。实际上，微生物的这种粘合性质是通过砂滤器有效除去细菌以供水的纯化的基础。
因此，通过简单地用细菌培养液灌注堆积物，非常难以在整个堆积物上分散它们处于正常生长状态下的微生物；在更小的粒度下，将实际上变得不可能。
然而，经特别处理过以降低在其细胞壁的外表面上产生聚合物材料的微生物将渗透堆积物和将不会粘合到堆积物的矿物和岩石表面上。这样制备的微生物能在堆积物内均匀扩散和分配微生物。一旦富含缺少粘合剂涂层的微生物的溶液充分渗透到堆积物的堆积物主体内，则可恢复微生物的粘合性能。
可通过限制供应到微生物上的营养物来制备缺少粘合剂涂层的微生物。
营养物供应到微生物上的限制被称为细胞的“挨饿”。挨饿将导致降低在微生物的细胞壁上粘合剂聚合物涂层(外聚合物)的产生。其它制备可以是通过形成孢子或者通过形成超微细菌(UMB)。在这些状态下，已知微生物在其外细胞壁上不产生聚合物。本发明的这种挨饿处理的重要性不是生产超微细菌或孢子，而是制备对多孔介质不粘合的微生物，以便它们可被有效地引入和分散在堆积物内。
最经常的是通过减少碳源，来实现通过挨饿生产具有降低的外聚合物的微生物。在适于堆浸的微生物的情况下，碳源常常是溶解在溶液内的二氧化碳。可通过从溶液中除去二氧化碳或者限制溶解的二氧化碳的浓度，例如通过从微生物生长所要求的空气源中除去二氧化碳，或在供应到生长培养物的气体中通过使用纯氧气和氮气，来实现非粘合性细胞的制备。也可通过限制除碳源以外的营养物，来实现外聚合物的减少。非粘合性细胞也可通过将它们转移到低营养环境下来制备。
或者通过提供微生物营养物，或者由于在堆积物内存在的条件导致允许微生物恢复这一性能，从而实现微生物粘合性能的恢复。
因此，本发明涉及通过合适的挨饿方法在反应器内制备微生物，将它们注射到堆积物或废物堆内，然后或者通过注射富营养的溶液到堆积物或废物堆内，或者通过允许微生物自然回复到其粘合状态，从而恢复它们的方法。利用本发明的这一方面，可在其操作寿命期间再注入(reinoculate)堆积物或废物堆。例如，不能合适的控制会导致引入有毒物质或者使微生物中毒或杀死它的高温；可利用本发明，在这一事件之后再注入堆积物和在其后重新开始浸提。另外，可利用本发明的这一方面再注入旧的堆积物或废物堆，浸提该堆积物或废物堆和从中提取进一步的价值。
根据本发明，已发现在生物辅助的堆浸中重要的微生物是自养细菌和原始细菌，它们属于，但不限于硫芽孢杆菌属(Thiobacillus)、酸性硫芽孢杆菌属(Acidothiobacillus)、钩端螺旋菌属(Leptospirillum)、硫化叶菌属(Sulfolobus)、酸菌属(Acidianus)、生金球菌属(Metallosphaera)。微生物的生长和挨饿这两种工艺可连续、半连续在分批供料或分批反应器中进行。
一旦通过本发明在堆积物内建立菌落，则微生物必须具有充足的营养物供应，以维持健康的微生物环境。将营养物与浓缩物一起连续添加到处理浓缩物的罐体系中。但在堆浸情况下，当矿石被堆垛时，固体形式的营养物仅仅可一次添加。应当特定地设计这种营养物，缓慢释放到溶液内，以供浸提循环的全部持续时间。或者，营养物可与灌注溶液一起添加，但尤其在高堆积物中，化学方面的考虑因素使得营养物可能难以到达堆积物的下部。同样可预见的是，可藉助气溶胶和/或氨形式的空气添加来添加营养物。另外，微生物要求用于细胞生长的碳源。可通过矿石内的碳酸盐或者通过添加与矿石堆积物混合的碳酸盐或者通过添加二氧化碳到充气供料中，来方便地供应碳。选择所添加的碳和其它营养物的用量，以维持微生物生长的高速度和硫化物的氧化。特别地，当在循环开始时微生物菌落正在建立时，和当温度转移到其中中等嗜热微生物和嗜热微生物具有活性的范围内时，碳的供应必须充足。Bouffard和Dixon(在S.C.Bouffard和D.G.Dixon，On the rate-limiting steps of pyritic refractory gold ore heapleachingResults from small and large column tests，MineralsEngineering，Vol.15，no.11，2002)表明在细菌生长阶段每千克开始要求约0.2g碳。在浸提循环的合适时间处，用添加二氧化碳气体到介于0-至5％体积的气流中来补充空气，或者添加足量碳酸盐到矿石中，将可能是满足这一要求的最好方式。
在堆积物或废物堆内微生物菌落的维持可要求除去残留的溶剂萃取有机物、铁，以及有毒元素和有机醚，以便或者显著促进高的微生物活性和高的亚铁到铁转化率，或者部分降低亚铁到铁的转化率，在堆积物内实现较低的氧化还原电势。
实施例1基于在堆积物内预期的条件选择所要求的细菌菌落。例如，在堆积循环的开始阶段，认为在堆积物内的温度低于45℃。对于在较高温度下的操作来说，可选择中等嗜热、嗜热或非常嗜热的细菌。优选选择至少两种物质，一种氧化硫酸亚铁为硫酸铁，和另一种氧化还原的硫物质为硫酸盐，除非所选择的微生物既能氧化硫酸亚铁，又能还原硫。所选微生物在单一的反应器中一起生长或者在不同的反应器中独立地生长。必须控制在这些反应器内在生长介质内营养物的浓度，以便最终或流出溶液的浓度为最小。
或者直接用来自生长反应器的上清液，或者通过诸如离心之类的操作，从生长反应器中除去上清液，从而处理富含这些微生物的溶液，将或者含上清液或者不含它的微生物加入到挨饿反应器中，挨饿反应器具有有限供应的营养物，其中包括二氧化碳。或者纯氮气，或者纯氮气与纯氧气的结合被鼓泡进入反应器内，以防止大气中的二氧化碳溶解在反应器内的溶液中。若在挨饿反应器之前离心细胞，则可洗涤细胞并在低营养物溶液中再悬浮。微生物在挨饿反应中挨饿一段时间。选择挨饿的时间段，以便细胞停止在其细胞壁上大量生产聚合物材料，这通过测试其经岩石床的渗透来测定，所述岩石床类似于由其制造堆积物的那些。
将来自挨饿反应器的溶液灌注到堆积物的顶部。在已测定到微生物充分渗透到堆积物内的一段时间之后，可在堆积物上灌注富营养物的溶液，使微生物复活。或者，作为在堆积物内变化的条件的结果，微生物可能能在没有添加营养物的情况下复活。
制备微生物和引入微生物到堆积物内的这一方法可在堆积物的起始制造之后进行，或者在堆积物已操作了一段时间的情况下同时进行。
权利要求
1.一种将微生物引入到堆积物材料内以供生物辅助堆浸的方法，该方法包括a)制备在其外细胞壁上基本上没有外聚合物的微生物；b)将根据步骤a)制备的微生物加入到堆积物中；c)在堆积物内，至少一种辅助或未辅助的再活化以在微生物的外细胞壁上生产外聚合物。
2.权利要求1所述的方法，其中步骤a)包括将微生物暴露于低营养环境下或使微生物挨饿。
3.权利要求2所述的方法，其中通过限制微生物可获得的碳量，使微生物挨饿。
4.权利要求1-3任何一项的方法，其中步骤b)包括一步或多步下述步骤在堆积物的形成过程中添加微生物到堆积物中，滴灌堆积物，喷洒堆积物，和加压灌注堆积物。
5.权利要求1-4任何一项所述的方法，其中辅助的再活化包括将微生物暴露于富营养环境下。
6.一种使包埋在堆积物内的环境富微生物以供生物辅助的堆浸的方法，该方法包括下述步骤a)将固体营养物包埋在堆积物内；b)用富营养物的溶液灌注堆积物；c)用富营养物的气体给堆积物充气；和d)用富二氧化碳的气体给堆积物充气。
7.权利要求6的方法，包括在堆积物内包埋碳源的步骤。
8.权利要求7的方法，其中碳源包括碳酸盐。
9.权利要求6所述的方法，其中步骤a)的固体营养物包括缓慢释放的营养物。
10.权利要求6所述的方法，其中步骤c)的气体富含一种或多种营养物的气溶胶或氨。
11.权利要求5所述的方法，其中辅助的再活化包括使权利要求6-10所述的环境富含微生物。
12.权利要求1所述的方法，其中未辅助的再活化包括由于在堆积物内的一种或多种占主导的条件导致的再活化和自然气体流经堆积物。
13.权利要求12所述的方法，其中自然气体包括二氧化碳。
14.基本上参考此处实施例1所述的方法。
全文摘要
本发明公开了制备在其外细胞壁上没有外聚合物的微生物；将这种微生物加入到堆积物中；和在堆积物内，再活化以在微生物的外细胞壁上生产外聚合物，从而将微生物引入到堆积物材料内以供生物辅助的堆浸方法。本发明还延伸到使包埋在堆积物内的环境富含微生物以供生物辅助的堆浸方法。
文档编号C22B3/00GK1688729SQ03823918
公开日2005年10月26日 申请日期2003年9月15日 优先权日2002年9月17日
发明者F·K·克鲁德维利, A·E·诺顿 申请人:明特克公司, 矿物力能控股公司