CN101191154B - 用于微生物浸出的转鼓式生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明属于矿物的生物处理技术领域，更具体的说，本发明涉及一种用于硫化矿微生物浸出的生物反应器，其中该反应器能够处理高浓度矿浆，并且实现有效混合和供氧。该生物反应器包括一带有中心固定轴的转鼓、固定在转鼓上且围绕转鼓轴心转动的挡板，以及在转鼓旋转时保持静止的连接在固定轴上的控制温度的换热器、电极及带有微孔的气体分布装置。该反应器能够提供适宜的环境供微生物生长、繁殖，同时能处理更高的矿浆浓度，提高微生物浸出的效率。本发明的生物反应器适用于其他含有固体颗粒，如煤的微生物脱硫和固定化酶的生物反应体系。

Description

用于微生物浸出的转鼓式生物反应器

技术领域

本发明属于矿物的生物处理技术领域，更具体的说，本发明涉及一种用于硫化矿微生物浸出的生物反应器，其中该反应器能够处理高浓度矿浆，并且实现有效混合和供氧。

背景技术

在富矿、易处理矿日渐减少、环保要求不断提高、现代工业对金属的需求与日俱增的条件下，传统冶金工艺不能适应需要，有关微生物浸出的研究受到普遍关注。目前，研究最多、应用最广的当属用微生物浸出金属硫化矿中的有价金属。

与传统冶金工艺相比，生物浸出具有如下优势：

(1)反应温和，过程相对简单，因此操作和维持费用相对较低。

(2)应用范围广。无论是精矿还是火法冶金不能处理的贫矿、废矿、表外矿及难采、难选、难冶炼矿都能处理。

(3)环境友好。传统的火法冶金工艺中，会排放大量的二氧化硫和灰尘，而生物浸出就可避免二氧化硫和灰尘污染环境；由于浸矿微生物能在矿石上生长，因此易培养和循环利用。生物浸出还能以稳定的形式处理砷。

微生物浸出矿物中有价金属的模式有：

(1)堆浸：把矿石堆积在矿坑外浸出，将待浸矿石从底部开始以梯形堆积，然后从上部喷洒浸出液。溶液流经矿堆而发生生物浸出反应，随后经堆底斜坡流至集液池。随着浸出的进行，矿石的品位逐渐下降，此时可在上部重新设置堆积层继续浸出。该浸出工艺的特点是规模大、浸出时间长。堆浸工艺的生产成本比较低。

(2)槽浸：待浸矿石置于搅拌反应器中浸出的一种方法。浸出的矿粉粒度很细，固液比较低。浸出过程中可通过机械或空气不断搅拌使矿物与浸出剂充分混合。浸出过程分为连续和半连续二种，一般用于大型冶炼厂。该法成本比堆浸法高，但比堆浸反应速度快，金属回收率高，较容易控制。

(3)就地浸出：又称原位浸出或矿床内浸出，它是将含有氧化亚铁硫杆菌等细菌的酸性硫酸铁溶液淋洒于矿区地表，再均匀向下渗滤以溶解矿石中的金属。有时也可简单地定期用水冲洗矿坑内的矿柱及工作面，利用矿坑水中的微生物进行浸出。由于受矿脉、水文地质条件及矿石埋藏深度所限，就地浸工艺的应用远少于堆浸和槽浸，已不是细菌浸出的主要发展方向。

目前，生物槽浸已在许多厂矿获得工业应用，用于多种精矿的生物浸出.尽管生物槽浸已经取得了显著的进展，但仍存在浸出速度慢、效率低等不足.生物槽浸过程一般要4～5天甚至7天时间，而同样矿物粒度的化学浸出几个小时就可完成.所以要充分发挥微生物冶金的环境友好的优势，迫切需要大幅度提高生物浸出的速度，这就要求强化气液传质，同时尽可能提高矿浆浓度.矿浆的细菌槽浸不同于一般的矿浆化学浸出，其主要特点是在浸出过程中必需维持微生物生长的适宜条件，即要求其既适于细菌生长，又利于矿物的浸出.目前的生物槽浸的反应器仅仅是化工和冶金工业反应器的简单延伸，没有考虑到适应细菌的生长.微生物浸出体系中除了气泡、浸出液、矿物颗粒外，在浸出液中和矿物颗粒表面还有细菌，而反应器必须为细菌提供一个低剪切的环境.

目前工业上生物浸出精矿所用的反应器主要为机械搅拌罐，搅拌式反应器的矿浆质量体积浓度一般在20％(w/v)以内。气升式反应器的传递性能略优于机械搅拌式，但提高性能的空间也有限。搅拌式和气升式的矿浆浓度难以大幅度提高的原因有两方面。一是矿浆的质量体积浓度超过20％(w/v)后，为使矿物颗粒悬浮混合，不得不输入更大的搅拌功率，造成较大的剪切力，对菌体造成伤害。根本原因在于传统意义的反应器是靠搅拌驱动液体流动、由液体流动带动颗粒悬浮，因此，颗粒密度或浓度的提高要求更大的搅拌功率；二是矿浆浓度的提高使得矿浆变稠，粘度增大，不利于气体分散，即需要更大的搅拌功率才能提高气液界面积，而这样又导致剪切力的增加。所以，传统搅拌式浸矿反应器的根本问题在于高传质与低剪切的矛盾。急需发展新型的高矿浆浓度、高传质速率、低剪切的细菌浸矿反应器。

关于微生物浸出的新型反应器研制的报道很少。先后报道的通气槽生物反应器(aerated trough bioreactor)、低能耗生物反应器(low energybioreactor)、Delft斜板式生物反应器(Delft inclined plate bioreactor)等(如图1，2，3所示)，与传统的搅拌罐比较，它们具有耗能低、搅拌温和的特点，但仍然存在着剪切力大、氧传递速率低、矿浆浓度低的缺点。上述通气槽反应器、低能耗反应器、Delft斜板式反应器都没有从根本上解决上述两个矛盾。通气槽反应器相当于卧式搅拌，低能耗反应器相当于将传统的径向混合改为轴向混合，仍是靠液流带动颗粒悬浮，Delft斜板式反应器靠液体降膜进行气液传质，难以满足高浸出速率的要求，而且泵循环会带来高剪切。

现有的生物浸出反应器的矛盾在传统结构中难以克服，矿浆浓度难以提高。要想大幅度提高矿浆浓度、提高传质速率，同时又要满足菌体的低剪切要求，必须引入新的思路。本发明提出以固体提升的方式进行微生物浸出体系的混合，而在直接固体提升的结构中，转鼓加挡板的结构比较简单，有类似的工业装置(如回转窑)供参考。申请人的研究还表明，与搅拌式浸出槽相比，转鼓式结构可以大大减缓颗粒对细胞的研磨损伤，固体浓度越高，与搅拌式反应器相比较两者的差别越显著，转鼓反应器的优势越明显，所以转鼓式可以满足微生物浸出反应器低剪切力的要求；对于浸出体系气液传质的要求，则采取气体预分散的方式。由于微生物浸出体系的粘度较高，可以延缓气泡的聚合和上升，所以只要提供足够量的气泡并预先分散，就可以满足气液传质的要求。基于以上思路，本发明将高矿浆浓度浸出反应器的基本结构定为气体预分散的转鼓式，以解决微生物浸出体系高传质与低剪切的矛盾。

过程工业中有多种类型的转鼓式反应器在应用，如转鼓石灰窑、转鼓混和器、转鼓干燥器、固态发酵所用的转鼓反应器等。转鼓式装置的独特优势在于可以直接进行固体的混和，可以容许很高的固体浓度。Rossi小组和Vargas小组进行了转鼓反应器(rotating drum bioreactor)浸出精矿的探索(Rossi G.The Design of Bioreactors[J].Hydrometallurgy，2001，59(2～3)：217～231。如图4所示)。在30％(w/v)固体浓度下，矿物的溶解速率为600g m^-3h^-1，比到当时为止的最高浸出速率高一个数量级.Vargas小组用氧化亚铁硫杆菌浸出含金的精矿，在50％w/w(相当于25％v/v)的矿浆浓度下，转速为0.5～1rpm，其浸出时间达到80天，体现了转鼓生物反应器的优点：①混和完全，无死区；②剪切力仅由下降的液膜进入转鼓底部矿浆时的相对运动产生.但他们并没有解决如何提高生物反应器效率的关键问题.Rossi的气体分布装置没有浸没到液体中，气液接触不充分，气液传质界面小(仅仅通过液上空间的气液界面和挡板上的降膜进行氧传递)，并且降低了反应器的有效体积(装料系数低于50％).Herrera等提出的反应器同样没有有效的气体分散装置(Herrera M N，Escobar B，Parra N，et al.Bioleaching ofRefractory Gold Concentrates at High Pulp Densities in aNonconventional Rotating-Drum Reactor[J].Minerals and MetallurgicalProcessing.1998，15(2)：15～19。)，而且其反应体系液固体积和反应器体积之比仅为13％左右，这样就导致反应器的利用效率极低，没有实际的应用价值。

综上所述，本发明吸取工业上转鼓式反应器的优点并弥补其不足，提出用于细菌浸矿的新型高效转鼓式反应器。其出发点是：①通过转鼓及其内壁安装的挡板的转动，将矿物颗粒提升后自然下落，完成颗粒的混合过程，而颗粒的混合和挡板的转动也推动液体完成混合；②抛弃靠搅拌等机械力打碎气泡的过程，代之以气体预先分散，即通过特殊的气体分布器，使气体直接以微小气泡进入矿浆，而高粘度矿浆反而可以延缓气泡的聚并、减慢其上升速度，从而保证气液界面积和相接触时间。③装液量可以达到75％以上，使得挡板降膜过程持续时间更短，造成的剪切力更低，也进一步延长了气液相的接触时间。装液量超过75％后，不再依靠液体降膜进行气液传质。

发明内容

本发明的目的是针对微生物浸出中所使用的反应器的不足与缺陷，提供一种高效的微生物浸出的转鼓式生物反应器，该反应器能够处理高浓度矿浆，并且实现有效混合和供氧，提高微生物浸出的效率。

本发明的微生物浸出的转鼓式生物反应器为一种圆筒式的生物反应器，包括转鼓、固定在转鼓上且围绕转鼓轴心转动的挡板，以及在转鼓旋转时保持静止的连接在固定轴上的控制温度的换热器、电极、带有微孔的气体分布装置(连接在气体导管上)。

一带有中心固定轴的转鼓，在转鼓的壁上开有进出料口及安装有一伸入转鼓内的气体导管；在转鼓的内壁上安装有挡板，在转鼓里安装有固定在中心固定轴上的控制温度的换热器、电极，及通过连接导管与伸入转鼓内的气体导管相连通的带有微孔的气体分布装置。

所述的挡板的数量可以根据转鼓直径的大小进行选择，一般为3～40块。所述的挡板的安装方向与固定轴的方向平行，挡板与该挡板安装位置处转鼓的切线之间的夹角为20°～160°；所述的挡板的宽度与转鼓直径的比例为0.05～0.35。

所述的气体导管是安装在转鼓固定轴处。

所述的转鼓的长度与直径的比例在0.5～15之间。

所述的带有微孔的气体分布装置是一个以上；带有微孔的气体分布装置离轴心的距离和转鼓直径之比为0～0.47；所述的气体分布装置微孔的孔径在0.5～100微米之间。

所述的带有微孔的气体分布装置的形状是管状、球状、椭球状、半球状或半椭球状。所用材料可以是陶瓷、不锈钢、玻璃以及聚合物。

本发明的微生物浸出的转鼓式生物反应器在使用时，其生物反应器中的液体和固体的总体积与生物反应器的体积之比为0.1～0.85.

本发明的微生物浸出的转鼓式生物反应器在处理矿浆时的浓度可以达到50％(w/v)。同时，该微生物浸出的转鼓式生物反应器也同样适用于煤的微生物脱硫和固定化酶生物反应体系。

本发明的生物反应器能够提供适宜的环境供微生物生长、繁殖，同时能处理更高的矿浆浓度，提高微生物浸出的效率。本发明所涉及的生物反应器的主体为一水平放置的圆筒，在外力驱动下绕其中心轴转动。在生物反应器内安装挡板使高浓度的矿物颗粒悬浮，并加强气液固以及微生物的混合。气体通过微孔的气体分布装置高效分散到液体当中，为其中的微生物提供充足的氧气。本发明的生物反应器适用于其他含有固体颗粒，如煤的微生物脱硫和固定化酶的生物反应体系。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

(1)本发明的生物反应器为高效的微生物浸出装置，处理的矿浆浓度可以达到50％(w/v)，远高于一般反应装置18～20％(w/v)的能力。

(2)本发明的生物反应器由于混合好，传质性能高。

(3)本发明的生物反应器由于操作转速较低，通常为1～10r/min，因而功耗低。

附图说明

图1现有通气槽生物反应器。

图2现有低能耗生物反应器。

图3现有Delft倾斜板式生物反应器。

图4现有转鼓生物反应器。

图5A为本发明生物反应器的结构示意图(主视图)。

图5B为本发明生物反应器的结构示意图(右视图)。

图6A为挡板的一种安装方式，转鼓逆时针方式转动。

图6B为挡板的一种安装方式。

图7A为本发明生物反应器中的3根气体分布装置的一种安排方式示意图。

图7B为本发明生物反应器中的5根气体分布装置的一种安排方式示意图。

附图标记

1、2、3.气体分布管  4.固定轴  5.气体导管进气口

6.气体导管出气口    7.挡板    8.电极  9.换热器  10.进出料口

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

请参见图5A、5B所示的微生物浸出的转鼓式生物反应器.在该带有中心固定轴4的转鼓侧壁上开有进出料口10，及在转鼓固定轴处安装有一伸入转鼓内的气体导管，该气体导管的进气口5在转鼓外，出气口6在转鼓里；在转鼓的内壁上安装有8块挡板7，且挡板安装固定到反应器的两个端面上，挡板的长度方向与固定轴的方向平行；在转鼓里安装有固定在中心固定轴4上的控制温度的换热器9、电极8，及通过连接导管与伸入转鼓内的气体导管相连通的3根带有微孔的气体分布装置，分别为气体分布装置1、气体分布装置2和气体分布装置3，气体分布装置微孔的孔径在1～2微米之间；转鼓的长度与直径的比例在1～2之间.需要注意的是，固定轴与生物反应器器壁之间的连接不能有缝隙，以防止生物反应器内的液体外流.生物反应器上的其它接口(如连续反应时可根据需要进一步在反应器上开有进料口、出料口等)、传动装置以及检测控制装置(如反应器转动速度、pH、溶解氧、温度等参数的检测及控制装置等)没有在图中表示出.

图6A所示的是8块挡板与挡板安装位置处转鼓的切线之间的夹角为62°，挡板的宽度与转鼓直径的比例为0.13。

图6B所示的是8块挡板与挡板安装位置处转鼓的切线之间的夹角为90°，挡板的宽度与转鼓直径的比例为0.13。

图7A所示的是3根形状是管状，且端面为半球面的气体分布装置的一种安排方式，以固定轴中心为坐标原点，各点坐标分别为(-0.17D，-0.20D)，(0.17D，-0.20D)，(0，-0.30D)，其中，D为转鼓的直径。所用材料可以是陶瓷、不锈钢、玻璃以及聚合物。

图7B所示的是5根形状是管状，且端面为半球面的气体分布装置的一种安排方式，以固定轴中心为坐标原点，各点坐标分别为(-0.27D，-0.16D)，(0.27D，-0.16D)，(-0.13D，-0.25D)，(0.13D，-0.25D)，(0，-0.34D)，其中，D为转鼓的直径。所用材料可以是陶瓷、不锈钢、玻璃以及聚合物。

上述反应器能够处理高浓度矿浆，并且实现有效混合和供氧，提高微生物浸出的效率。

Claims (10)

1.一种微生物浸出的转鼓式生物反应器，该转鼓式生物反应器为圆筒式的生物反应器，包括转鼓、固定在转鼓上且围绕转鼓轴心转动的挡板、控制温度的换热器、电极、带有微孔的气体分布装置，其特征是：

一带有中心固定轴的转鼓，在转鼓的壁上开有进出料口及安装有一伸入转鼓内的气体导管；在转鼓的内壁上安装有挡板，在转鼓里安装有固定在中心固定轴上的且在转鼓旋转时保持静止的控制温度的换热器和电极，及安装有通过连接导管与伸入转鼓内的气体导管相连通的带有微孔的气体分布装置。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征是：所述的挡板的安装方向与中心固定轴的方向平行，挡板与该挡板安装位置处转鼓的切线之间的夹角为20°～160°。

3.根据权利要求1或2所述的反应器，其特征是：所述的挡板的宽度与转鼓直径的比例为0.05～0.35。

4.根据权利要求1所述的反应器，其特征是：所述的气体导管是安装在中心固定轴处。

5.根据权利要求1所述的反应器，其特征是：所述的转鼓的长度与直径的比例在0.5～15之间。

6.根据权利要求1所述的反应器，其特征是：所述的带有微孔的气体分布装置离转鼓轴心的距离和转鼓直径之比为0～0.47。

7.根据权利要求1或6所述的反应器，其特征是：所述的带有微孔的气体分布装置是一个以上。

8.根据权利要求1或6所述的反应器，其特征是：所述的气体分布装置微孔的孔径在0.5～100微米之间。

9.根据权利要求7所述的反应器，其特征是：所述的气体分布装置微孔的孔径在0.5～100微米之间。

10.根据权利要求8所述的反应器，其特征是：所述的带有微孔的气体分布装置的形状是管状、球状、椭球状、半球状或半椭球状。

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