专利名称：细菌搅拌浸出实验装置及用于测定氧传质系数的方法
技术领域：
本发明涉及一种细菌搅拌浸出实验装置及其用于测定氧传质系数的方法，特别是
利用嗜热菌搅拌浸出黄铜矿精矿时的实验装置和针对氧传质系数、细菌耗氧速率及饱和溶 氧浓度的测定。
背景技术：
在生物冶金领域研究细菌生长和浸矿特性时， 一般是先从摇瓶实验开始，该实验 操作简单，易于控制，并且稳定性好，但是不足之处在于无法进行在线控制和测量。黄铜矿 的细菌浸出一直是个难题，利用常温菌或中温菌浸出时会存在明显的钝化现象，从而影响
铜的浸出。到目前为止，人们对利用嗜热菌浸出黄铜矿已进行了广泛的研究，有人在48t:
条件下利用中等嗜热菌浸出时可得到96. 4%的铜浸出率，但是也有人认为浸出初期过后有 大量黄钾铁矾沉淀生成，会阻碍浸出的继续进行。而对极端嗜热菌浸出黄铜矿，人们普遍认 为可以得到很高的浸出率，并且浸出速率高，一般浸出10d以内可以达到90%以上的铜浸 出率。目前国外已有利用极端嗜热菌搅拌浸出黄铜矿精矿和堆浸处理黄铜矿原矿的工业实 践。但是由于浸出速率高，细菌的耗氧速率就高，从而溶氧浓度会成为浸出的限速步骤，所 以有必要对浸出过程中的氧气供给和消耗以及传质现象进行研究。相比摇瓶浸出和柱浸， 搅拌浸出可以满足这方面的需要，因此有必要提供一种合适的搅拌浸出实验装置，保证浸 出过程中对温度、pH、氧化还原电位、氧气和COJ共给等影响因素进行有效的控制和调节，并 且还需要对如何确定氧气的传质和消耗提供一种测量方法。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种细菌搅拌浸出实验装置，该装置与以往的有关实 验装置及摇瓶浸出和柱浸相比，可以有效调控温度、pH、氧化还原电位、氧气和C02气体供给 等影响条件，同时进行有关参数的在线测量和实时记录，而且能够保证实验过程的稳定性 和可操作性。 本发明的第二个目的是提供一种针对搅拌浸出过程中氧传质系数、细菌耗氧速率 及饱和溶氧浓度的测定和计算方法。 为达到上述发明目的本发明采用以下技术方案 本发明中的搅拌浸出实验装置有以下八部分组成搅拌装置、温控系统、pH值控 制系统、氧化还原电位(0RP)控制系统、溶氧浓度(D0)测定装置、记录仪、充气装置和冷凝 回流装置。其中温控系统、pH值控制系统和氧化还原电位(0RP)控制系统各有自己的控制 器，控制器分别为Biometek-TC1000型温度/转速控制器、Suntex-PC300型pH/0RP控制器， 而不另外使用单片机进行在线控制。
其中各部分结构如下所述 (1)搅拌装置中，搅拌罐采用不锈钢材料制成，由罐体、罐盖、充气管、空气分布器 和内壁挡板构成。其中罐体上下各有一个矿浆进出孔道，分置罐体两边，罐体内壁附有三块挡板，以增加矿浆的搅拌混合效果，挡板数量和宽度符合全挡板结构，即W Z = 0. 4D(W为
挡板宽度、D为搅拌罐内径、Z为挡板数量)；充气管从罐体上部通入，沿罐体内壁向下，与位
于搅拌桨正下方的环状空气分布器相连接；罐盖上留有出气孔和相应的传感器插入孔，并
且中间装有轴封；另外，在搅拌罐内部接触到矿浆的部位均涂有抗腐蚀物质——聚四氟乙
烯(简称PTFE或Teflon)。搅拌装置中电动机通过支撑柱安置在罐盖上，轴体下部装有具
有一定形状和尺寸的搅拌器，如螺旋桨、斜叶浆，搅拌转速由控制器调控。 (2)温控系统包括缠绕在罐体外壁的自阻式电热带、温度传感器和温度调控器。 (3)pH控制系统包括pH值传感器、控制器、蠕动泵及酸碱储液瓶。 (4)氧化还原电位控制系统包括ORP传感器、控制器、液氮储存罐及充氮调节开关。 (5)溶氧浓度测定装置包括DO传感器和控制器。 (6)记录仪用于在线记录温度、pH、 0RP和溶氧浓度等参数数据。 (7)充气装置包括空气充气泵、转子流量计、C02储存罐及调节开关。 (8)冷凝回流装置包括冷凝回流管和冷水循环管，从而避免水蒸发损失并减少了
补加蒸发水的操作步骤。 氧传质系数、细菌耗氧速率及溶氧饱和浓度的测定与计算方法介绍如下
该测定方法为动态法，即当细菌浸出体系中的溶氧浓度维持在一定水平时，停止 供气，溶氧浓度会随着细菌的不断耗氧而下降，当接近并高于细菌浸出所需要的临界溶氧 浓度时恢复供气，同时记录体系中溶氧浓度随时间的变化值。 根据溶氧方程^ M = ^^ '-ZX )-Q,Z，由于气体关闭时没有气泡存在，因此、a 为零，所以"00/力=-e。^ ，由下降曲线的斜率给出细菌耗氧速率2o,X。当恢复供气后，可有 上升曲线计算、a值。dD0/dt的值可以根据对上升曲线的拟合得到拟合曲线的导数求得。 以(必O/d+O^)对D0作图得到的直线斜率为lvi值，纵轴截距为相同条件下的饱和溶氧浓度 (D0*)。可用于高温菌浸出黄铜矿精矿的实验研究，为有效解决浸出过程中氧传输受限的难 题提供支持。 该方法在生物工程领域，特别是发酵工艺的研究中已有广泛的应用，但是在生物 冶金领域尚未有所使用。本方法的采用可以有效解决针对高温细菌浸出过程中，针对溶氧 浓度的有关研究难题。其特点是操作简单，所用设备和仪器少，通过测定溶氧浓度随时间的 变化值即可以获得结果。 本发明的优点是可以有效调控温度、pH、氧化还原电位、氧气和(A气体供给等影 响条件，同时进行有关参数的在线测量和实时记录，而且能够保证实验过程的稳定性和可 操作性。本方法的采用可以有效解决针对高温细菌浸出过程中，针对溶氧浓度的有关研究 难题。其特点是操作简单，所用设备和仪器少，通过测定溶氧浓度随时间的变化值即可以获 得结果。
图1为本发明中的细菌搅拌浸出实验装置图。
图2为溶氧浓度与时间关系曲线
图3为溶氧浓度与时间函数关系曲线
图4为溶氧浓度与7 + ^，J曲线
& 一 图2 、图3中，横座标为时间(分钟)纵座标为DO浓度(mg/L)
具体实施方式
实施例1 中等嗜热菌(请见中国专利，其申请号为200610078976. 6)搅拌浸出黄铜矿精矿， 矿物粒度小于30 ii m、矿浆浓度为5% (m/v)、充气量为0. 5m3/h的实验条件下，调节好矿浆 的PH值在细菌最适pH值(1. 70 2. 00);将已驯化和培养好的处于指数生长期的浸矿菌 种接入搅拌罐中，接种率一般在5%至10% (v/v)之间；开始通气，同时设置温度在细菌最 适生长温度，开始加热和测量细菌生长量、pH、 0RP和D0 ; 当细菌生长延滞期过后，浸出体系的溶氧浓度会维持在一定的范围内，此时停止 通气，等溶氧浓度下降到一定程度后(大于临界溶氧浓度)，再恢复通气，溶氧浓度随通气 时间的延长而逐渐升高，最后恢复到原先的水平，得到如图2所示的曲线。
当停止供气时，根据溶氧浓度变化速率求得细菌的耗氧速率为 20:X =8.2x10_3(wg'ZT' 's-')。 当恢复供气后，得到溶氧浓度随时间呈上升趋势的曲线，如图3所示，对该曲线进 行拟合得到图示中的曲线方程，通过该方程的导数方程可求得不同时间点的dDO/dt，然后 利用所获数据用于下步计算。 根据已知，由^ +仏2义对DO画图得 根据图4中的拟合直线方程可求得氧传质系数= 5. 52 X 10—3 (s—0 ，饱和溶氧浓 度00*= 14.3(mg丄—0。采用在国内已广泛使用的科学计算软件MATLAB进行计算。
即通过本发明提供的实验装置和测定及计算方法，在充气流量和其他实验条件 维持不变的情况下，最终得到中等嗜热菌搅拌浸出黄铜矿精矿的过程中，氧传质系数、a、 细菌耗氧速率仏2 X、饱和溶氧浓度DO*分别为5. 52X 10—3(s—0 、8. 2X 10—3(mg L—1 s—0 、 14. 3 (mg L—0 。
权利要求
一种细菌搅拌浸出的实验装置，其特征在于它包括搅拌装置、温控系统、pH值控制系统、氧化还原电位(ORP)控制系统、溶氧浓度(DO)测定装置、记录仪、充气装置和冷凝回流装置。其中，温控系统、pH值控制系统和氧化还原电位(ORP)控制系统各自具有控制器进行相关调控。
2. 根据权利要求1所述的细菌搅拌浸出实验装置，其特征在于其中搅拌装置采用不 锈钢搅拌罐，内壁附有挡板，充气管从罐体外壁上部通入，沿内壁向下与位于搅拌桨正下方 的环状空气分布器相连接，搅拌电动机安置于罐体正上方，搅拌轴与罐盖直接装有轴封，斜 叶浆安装在搅拌轴末端。
3. 根据权利要求1所述的细菌搅拌浸出实验装置，其特征在于其中温控系统采用在 不锈钢材料的罐体外壁缠绕自阻式电热带的加热和控制方式。
4. 根据权利要求1所述的细菌搅拌浸出实验装置，其特征在于出气孔采用冷凝回流 管，搅拌过程中的蒸发水经冷凝水冷凝后回流到搅拌罐中。
5. 根据权利要求1所述的细菌搅拌浸出实验装置，其特征在于pH和氧化还原电位均 可在线自动调控和记录变化值，其中PH值使用控制器和蠕动泵及软管，通过控制滴加稀硫 酸或氢氧化钠的方式进行调节。
6. 根据权利要求1所述的细菌搅拌浸出实验装置，其特征在于氧化还原电位采用通入氮气降低0RP值、恢复氧气供给提高0RP值的调控方式。
7. —种测定氧传质系数氧传质系数、细菌耗氧速率及饱和溶氧浓度的方法，其包括以下步骤(1) 、配制好矿浆浓度，调节好矿浆的pH值在细菌最适pH值，即1. 70 2. 00 ;(2) 、将已驯化和培养好的处于指数生长期的浸矿菌种接入搅拌罐中，接种率一般在5%至10% (V/V)之间;(3) 、开始通气，同时设置温度在细菌最适生长温度，开始加热和测量细菌生长量、pH、 0RP禾口 D0 ;(4) 细菌生长延滞期过后，待DO维持在一定水平时，停止供气，同时保持罐体密闭并记 录DO随时间的变化值，在DO接近并大于临界溶氧浓度时(通常为饱和溶氧浓度的5%左 右)，恢复供气并继续记录DO的变化值，最终得到一组DO的变化数据；(5) 利用科学计算软件MATLAB进行数据处理，求得DO下降曲线的斜率即为细菌耗氧速 率，又通过对DO上升曲线的拟合和求导得到不同时间点的dDO/dt，然后根据溶氧方程的变 化式由tfflOAA + 0^X对DO作图，得到拟合直线，该直线斜率即为氧传质系数值，截距即为饱和溶氧浓度值。
全文摘要
本发明提供一种细菌搅拌浸出实验装置及测定和计算氧传质系数、细菌耗氧速率和饱和溶氧浓度的方法。该装置适用于细菌搅拌浸出，尤其是高温情况下的细菌浸出，可提供温度、pH、ORP、DO的在线调控和测量，同时具有实时记录功能。本发明还利用发酵工艺研究中的动态法来测定和计算氧传质系数、细菌耗氧速率和饱和溶氧浓度。本发明优点除了提供一种可在线调控和记录相关参数的细菌搅拌浸出装置以外，尤其适用于研究高温细菌搅拌浸出过程中的氧气供给与消耗，从而为解决高温细菌浸出的限速因素提供有力支持。
文档编号G01N33/48GK101735950SQ20081022738
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月27日 优先权日2008年11月27日
发明者刘兴宇, 刘文彦, 陈勃伟, 黄松涛 申请人:北京有色金属研究总院