专利名称：一种稳定输出Fe3+的生物反应装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种稳定输出Fe3+的生物反应装置和方法，具体说是一种用于催化 Fe2+生成Fe3+，并稳定输出Fe3+的生物反应装置和方法，这种装置能与消耗Fe3+的化学反应 兼容，属于环保技术领域。
背景技术：
近几年来，氧化亚铁硫杆菌等微生物在硫化氢和二氧化硫的治理、金属矿石的浸 出等工业都有广泛的应用。例如在硫化氢处理过程中，这些微生物就发挥了重要的作用2FeS04+l/202+H2S04 — Fe2 (SO4) 3+H20 生物反应系统(需要微生物参与)①H2S+Fe2 (SO4) 3 — Fe2 (SO4) 3+H2S04+S I 化学反应系统②生物反应系统性能的优劣、系统内嗜酸性微生物的生长状况直接影响到嗜酸性微 生物转变Fe2+为Fe3+的能力，进而对实际应用效果产生极大影响。为了构建相对稳定的生 物反应装置，Ebrahimi等[1]采用内循环式流化床，以反应过程中形成的黄铁矾沉淀为载体 形成生物膜颗粒，从而构筑了一种高效的生物反应装置。意大利学者Mazuelos等[2]在大量 实验的基础上提出了一种高效的Fe2+氧化固定床反应装置，该反应装置有利于气液传质， 一定程度上避免生物颗粒的过度挤压，提高了反应效率。但至目前为止，包括上述研究的大 多数学者都是相对孤立的针对微生物或生物反应装置进行研究，如何从整体出发，建立更 为实用的化学反应系统_生物反应系统兼容的反应装置却未有报道，例如怎么采用更系统 完善的生物反应系统装置，以便为细胞反应提供更好的条件；怎么更为方便反应器内部的 固定化细胞的装卸；特别是在实际应用当中，输送到生物反应器内部以亚铁离子为代表的 溶液离子浓度有极大的不稳定性，在这种情形下，如何更稳定地输出Fe3+ ；另外，在处理硫 化氢时，当硫化氢浓度不稳定的情况下，生物反应装置又如何与之适应，也就是说如何更好 的实现化学反应与生物反应的兼容和统一，是目前急需解决的难题，这就需要采用更为具 体可行的反应装置和方法来实现。参考文献1、Ebrahimi S.High-Rate Acidophilic Ferrous Iron Oxidation in a BiofilmAirlift Reactor and the Role of the Carrier Material. Biotechnology andbioengineering, 2005,90 462-472.2、Mazuelos A,Carranza F,Palencia I, et al. High efficiency reactor forthe biooxidation of ferrous iron. Hydrometallurgy,2000,58 :269-275.
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题，提出一种可与化学反应更好兼容统一、方便高 效的、稳定输出Fe3+的生物反应实验装置系统。为了达到这个目的，本发明采用的技术方案 为一种稳定输出Fe3+的生物反应装置和方法，装置包括固定床反应器、可拆卸反应盒、把手、固定螺栓、出气口、进料口、进气口、循环泵、回流输液管道、缓冲储液罐、出液口 (具体细节见说明书附图1)。固定床反应器为立方体结构，共分多层，每层为可拆卸反应 盒(说明书附图2)，可用螺栓固定于反应器主体，两者间用橡胶垫密封。盒间距为盒高的 1/3-1/6，一定的盒间距可保证反映其内部填料的均一性，气体和料液从罐底通入，装置内 是适合微生物生长的反应液，反应液初始PHI. 0-2. 5，含有l-30g/L的Fe2+离子，操作温度 设定在5-75°C，并以稀释率0. l-2/h的速度在生物反应器内循环。盒内装载固定化微生物 或吸附微生物的填料，也可空载，使整个反应器培养悬浮细胞，微生物可以是氧化亚铁硫杆 菌、氧化亚铁钩端螺旋菌等能使催化剂Fe2+转变为Fe3+的某一微生物或者多种微生物群体。 在主体外部增设缓冲储液罐和外循环管道，并从缓冲储液罐输出Fe3+实现和化学反应部分 连接，缓冲储液罐中有效Fe3+浓度可由外循环调节控制。当缓冲储液罐中生成的Fe3+占总 铁离子的90%以下时，可开通反应装置的外循环，并通过该循环泵来控制外循环的循环流 量。外循环流速要根据未反应完的Fe3+的多少而正比例调整，实现对Fe2+连续催化生成并 稳定输出Fe3+。本发明的有益效果如下1、反应器主体采用立方体固定床反应器，催化床层设计成可有一定间距的方便拆 卸反应盒，方便装卸固定化细胞或填料，保证内部填料的均一性。2、回流反应的液体由生物反应器的底部流入生物反应器，其中的Fe2+经过微生物 的作用大多数转变为Fe3+后，再由生物反应器上部溢出。3、设置了外循环通道，具有更广的适应性和优良的灵活性。当生物反应器内大量 的Fe2+未能来 得及反应时，开通外循环，或者加速外循环可更有效地产生Fe3+，从而为后续 反应稳定输出Fe3+。4、更好的实现化学反应与生物反应的兼容和统一，能耗低，结构简单，操作维修方 便，无二次污染物产生。
附图1是本发明的主体结构示意图。固定床反应器(1)、可拆卸反应盒(2)、把手 (3)、固定螺栓(4)、出气口(5)、进料口(6)、进气口(7)、循环泵(8)、回流输液管道(9)、缓 冲储液罐(10)、出液口(11)。附图2是可拆卸反应盒俯视图。把手⑴、外板(2)、反应盒壁板(3)、筛孔⑷、密 封垫(5)，固定螺母(6)。实施例一该发明主体是立方形固定床反应器(附图1)，立方形固定床生物反应器底部 边长38cm、高200cm，设置5层反应盒，每层为可拆卸反应盒(附图2)，在整个反应过程 中，反应盒内装载的是经活化培养后的固定化氧化亚铁钩端螺旋菌(L印tospirillum ferrooxidans)颗粒或吸附填料，反应盒用螺栓固定于反应器主体，两者间用橡胶垫密封。 盒间距为盒高的1/4，保证反映其内部填料的均一性。料液和空气从罐底通入，为了防止因 通入的空气而造成的循环液的蒸发，通入的空气分别经过增湿处理。在反应器主体外部增 设缓冲储液罐和外循环管道，以循环泵为动力，并通过该循环泵来控制外循环的循环流量。 循环液相由保证细菌生长的9K培养液(反应液)组成，反应液初始pHl.O，含有lg/L的Fe2+离子，操作温度设定在35°C，并以稀释率0. Ι/h的速度在生物反应器内循环，循环液经生物 反应器后，溶液中的Fe2+转变为Fe3+，并流入缓冲储液罐，再从中为后续反应输出Fe3+。如果 此时，缓冲储液罐中Fe3+不足，即低于总铁离子含量的90%时，开通外循环通道，或者加速 其循环速度，从而充分利用生物反应催化生成Fe3+，当缓冲储液罐中Fe3+浓度偏高时，降低 循环速度或者关闭，保证缓冲储液罐中Fe3+浓度的满足后续反应的需要、持续稳定的输出 Fe3+，从而实现化学吸收和生物反应的协调统一，使两步反应形成有机的整体。实施例二 该发明主体是立方形固定床反应器(附图1)，立方形固定床生物反应器底部边长 38cm、高200cm，设置5层反应盒，每层为可拆卸反应盒(附图2)，在整个反应过程中，反应 盒内装载的是固定化微生物为氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferroxidans)，反应 液为9K培养液，菌的活力可通过分析其对亚铁离子的氧化速率判断，重铬酸钾滴定法检测 系统内Fe2+离子浓度，使其维持在1 8g/L，初始pHl. 8，温度保持在30°C、通气量20kg02/ m3d、水力停留时间(生物反应器)lh，在以上条件下连续操作，可连续催化输出Fe3+离子 180mol/d(以生物反应器容积计算)，输出Fe3+离子溶液直接输送到实验室铜、金、镍等贵重 金属硫化矿石浸出柱中，实现铜、金、镍的浸出。实施例三在处理含硫化氢的沼气和其他气体时时，以总体积Im3的5层立方形固定床反应 器作为主体(附图1)，设置5层反应盒，每层为可拆卸反应盒(附图2)，反应器内循环液 相由细菌生长的9K培养液组成，培养液中的Fe2+浓度在30g/L，反应液初始pH2. 5，操作 温度设定在20°C，并以稀释率2/h的速度在生物反应器内循环，接种氧化亚铁钩端螺旋菌 (Leptospirillum ferrooxidans)使整个反应器培养悬浮细胞，菌的活力可通过分析其对 亚铁离子的氧化速率判断，重铬酸钾滴定法检测系统内Fe2+离子浓度的变化，反应系统的 外循环以循环泵为动力，并通过该循环泵来控制外循环的循环流量。循环管道中设置有缓 冲储液罐，并从缓冲储液罐输出Fe3+实现和用于沼气处理的化学反应部分连接，缓冲储液 罐中有效Fe3+浓度低于90%时，由外循环调节控制，外循环流速要根据生物反应器中未反 应完的作用剂量的多少而调整。输出Fe3+离子处理含硫化氢5000ppm的沼气，处理效率可 以99%以上。
权利要求
1.一种稳定输出狗3+的生物反应装置和方法，有出气口、进料口、进气口，其特征是， 以多层立方形固定床反应器作为主体，包括可拆卸反应盒、把手、固定螺栓、循环泵、回流输 液管道、缓冲储液罐、出液口、外循环通道和缓冲储液罐，装置内装载反应液和微生物，实现 对!^2+连续催化生成并稳定输出狗3+。
2.根据权利要求1所述的一种稳定输出狗3+的生物反应装置和方法，其特征是可拆卸 反应盒用螺栓固定于反应器主体，两者间用橡胶垫密封，盒间距为盒高的1/3-1/6。
3.根据权利要求1所述的一种稳定输出狗3+的生物反应装置和方法，其特征是反应系 统中有外循环，外循环管道中设置有缓冲储液罐，并从缓冲储液罐输出Fe3+，实现和化学反 应部分连接，缓冲储液罐中有效!^3+浓度可由外循环调节控制。
4.根据权利要求1所述的一种稳定输出狗3+的生物反应装置和方法，其特征是装置内 是适合微生物生长的反应液，盒内装载固定化微生物或吸附有微生物的填料，也可空载，使 整个反应器培养悬浮细胞。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种稳定输出！^3+的生物反应装置和方法， 其特征是所使用的微生物可以是氧化亚铁硫杆菌、氧化亚铁钩端螺旋菌等能使催化剂1^2+ 转变为狗3+的某一微生物或者多种微生物群体。
6.根据权利要求1至4任意一项所述的一种稳定输出狗3+的生物反应装置和方法，其 特征是反应液初始PHI. 0-2. 5，含有l-30g/L的!^2+离子。
7.根据权利要求1至4任意一项所述的一种稳定输出狗3+的生物反应装置和方法，其 特征是生物反应装置内反应液的操作温度设定在20-35°C，并以稀释率0. l-2/h的速度循 环。
8.根据权利要求1至3任意一项所述的一种稳定输出!^3+的生物反应装置和方法，当 缓冲储液罐中生成的狗3+占总铁离子的90%以下时，可开通反应装置的外循环，并通过该 循环泵来控制外循环的循环流量。外循环流速要根据未反应完的的多少而正比例调整 ο
全文摘要
本发明为一种稳定输出Fe3+的生物反应装置和方法，主要涉及一种和化学反应相兼容的连续催化Fe2+生成Fe3+，并稳定输出Fe3+的生物反应装置和方法。催化Fe2+生成Fe3+的反应步骤在工业生产中有极大的应用潜力。该装置与方法以固定床反应器作为主体，催化床设计成可方便移动装卸的填充盒，在此基础上，增加外循环通道，外循环以泵为循环动力。使Fe3+得到更加高效稳定的输出，可在环保、冶金及其它领域广泛应用。
文档编号C22B3/18GK102127638SQ201010300198
公开日2011年7月20日 申请日期2010年1月12日 优先权日2010年1月12日
发明者李红玉, 王玉建 申请人:李红玉