CN101200695A - 用含黄铁矿的采矿废物和精矿培养铁氧化和硫氧化微生物 - Google Patents

用含黄铁矿的采矿废物和精矿培养铁氧化和硫氧化微生物 Download PDF

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Abstract

公开了含黄铁矿的采矿产物和次级产物(例如铜精矿)以及从其中得到这些精矿的过程中得到的废物(称作扫选尾矿)作为用于微生物组合体的大规模培养的能源的用途，所述微生物可用于矿石生物浸滤而且既包括分离的微生物也包括来自被处理矿石的天然微生物。特别涉及从浮选过程得到的被称为扫选尾矿的采矿废物在Acidithiobacillus ferrooxidans和Acidithiobacillus thiooxidans型的分离的微生物一起的组合体的培养中的用途，所述组合体可以含有也可以不含有得自被加工矿石的其它天然微生物。

Description

用含黄铁矿的采矿废物和精矿培养铁氧化和硫氧化微生物
技术领域
本发明涉及含有黄铁矿的采矿产物和次级产物(sub-products)(例如铜精矿)以及来自其中获得这些精矿的过程的废物(被称为“扫选尾矿(scavenger tail)”)，作为用于大规模培养微生物的组合体的能源的用途，所述那些微生物可用于矿石生物浸滤，而且它们既包括分离的微生物也包括被加工的矿石中存在的天然微生物。特别是，本发明涉及从浮选过程得到的采矿废物(被称为“扫选尾矿”)在培养Acidithiobacillus ferrooxidans和Acidithiobacillusthiooxidans型的分离的微生物的组合体中的用途，所述组合体含有或者不含有被加工的矿石的其它天然微生物。
背景技术
一般而言，在微生物的培养中，使用人造的或特意配制的培养基，常常是从高纯度的有机和/或无机化学产品开始。这一般有如下目的：将与微生物的需要有关的变量控制到最大值，以及避免所有潜在的污染源或微生物生长抑制作用。
例如，At.ferrooxidans和At.Thiooxidans的实验室规模的生长已经描述于Silverman，M.P.& Lundgren D.G.1959.“Studies onthe chemoautotrophic iron bacterium ferrobacillusferroooxidans L.An Improved Medium and a Harvesting Procedurefor Securing High Cell Yields”.Journal of Bacteriology.77：642-647，和Cook，T.M.1964.“Growth of Thiobacillusthiooxidans in shaken culture”.Journal of Bacteriology.88：620-623。
以前的方法特别适合于在实验室水平、甚至有时在中试水平上的微生物培养。然而，从经济因素考虑，这种方法就不实用了，最重要的是如果应对大规模的生物量生产的话。这个问题一般是通过采用技术-工业级的试剂而解决的，这就降低了培养基的成本，但是除了增加可能抑制微生物生长的杂质之外还增加潜在的污染源。
因此，为了在工业条件下培养微生物，已经描述了基于技术级的硫酸铵和磷酸钾的配方(Hackl等，美国专利号US 5,089,412)。类似地，在智利专利申请CL 2731-2004和CL 2101-2005中分别使用被称为9K改进型(3.0g/L的(NH4)2SO4、0.5g/L的K2HPO4、0.5g/L的MgSO4·7H2O、0.1g/L的KCl和0.1g/L的Ca(NO3)2、30g/L的FeSO4·7H2O)和9KS改进型(3.0g/L的(NH4)2SO4、0.5g/L的K2HPO4、0.5g/L的MgSO4·7H2O、0.1g/L的KCl、0.1g/L的Ca(NO3)2、1％的元素硫或者另一种还原硫化合物)的培养基。
人们已经知道这样一个事实，即，在例如上述那些培养基中培养微生物时，最终生物量浓度受到用作能源的基质的浓度的限制，还受到基质和微生物生长过程中产生的基质代谢产物这两者所施加的生长抑制作用的限制[LaCombe，J.，Lueking，D.1990.“Growth andmaintenance of Thiobacillus ferrooxidans cells”.Applied andEnvironmental Microbiology.56：2801-2806；Nagpal，S.1997.“Astructured model for Thiobacillus ferrooxidans growth on ferrousIron”.Biotechnology and Bioengineering.53.310-319]。
另一方面，获得的微生物的类型取决于使用的能源的类型、Fe2+化合物形式的铁(对于铁氧化微生物)、以及硫化合物-呈-2、0和+4氧化态-(对于硫氧化微生物)。上述情况构成了混合的生物量(铁和硫氧化)生产过程的设计中的限制因素，因为它为每一菌株提出了不同的生产条件-基质和pH。
在想培养两种或两种以上微生物菌种的情况下，采用同一种培养基或者甚至在一起培养这些微生物似乎是有吸引力的。这样，所述过程中步骤的数目减少了，操作的复杂性简化了，而且在一些情况下，有可能利用基础生物化学的固有特点。
硫酸铁类，例如黄铁矿(FeS2)或含有它的物质，是还原的铁和硫的来源，因此构成了用于生产混合浸滤生物量的引人注意的替代物。
Schippers，A.，Jozsa，P.G.，Sand，W.1996.“Sulfur chemistryin bacterial leaching of pyrite”.Applied and EnvironmentalMicrobiology.62：3424-3431，提出了在黄铁矿降解(degradation)循环期间硫代硫酸根(S2O3 2-)的形成。该化合物可以经历一系列的非生物反应，或被硫氧化细菌用作能源，这提供了在含黄铁矿的材料上共同培养铁氧化和硫氧化微生物的机会。
最后，关于黄铁矿或含有它的物质的用途，现有的研究提出了不同的方法，例如，专利WO0136693、WO0071763和WO2004027100提出来它作为硫酸来源的用途。在文献WO0136693中，将黄铁矿的使用与其中没有添加硫酸的浸滤系统联系起来；在文献WO0071763中，将其使用与酸的补充(当矿石显示出对它的高需求时)联系起来；而在文献WO2004027100中，用它们代替一部分必需的酸。在其它文献例如专利US 6,110,253和申请US2005103162中，黄铁矿被用作升高矸石堆(heap)中温度的机制，因为当它被生物氧化时，它产生热量，根据前面提到的内容，这使它可能与嗜热微生物一起实施生物浸滤。
黄铁矿的其它用途见于例如如下著作：de Bacelar-Nicolau，P.&Jonson，B.1999.“Leaching of pyrite by acidophilicheterotrophic iron-oxidizing bacteria in pure and mixedcultures”.Applied and Environmental Microbiology.65：585-590，以及Chong，N.，Karamanev，D.G.，Margaritas，A.2002.“Effectof particle-particle shearing on the bfoleaching of sulfideminerals”.Biotechnology and Bioengineering.80：349-357，其中在实验室规模显示了微生物(例如At.ferrooxidans)在作为能源的黄铁矿上的生长。然而，在该物质中生长的速率似乎受到固体颗粒之间的摩擦力的影响。
因此，据我们所知，仍然没有低价的培养基能实现可用于生物浸滤的微生物的可行的大规模生产；而且我们也不知道其中黄铁矿被有效地用作生物量生长用能源的过程。
发明内容
为了更好地理解所述那些过程，如下表述应理解为：
a)ATCC：美国典型培养物保藏中心(American Type CultureCollection)
b)槽中的矿石生物浸滤：在带有假底层的槽内进行的一个过程，矿石装在槽内并用浸滤液淹没，在嗜酸微生物的存在下使所述浸滤液循环通过矿石颗粒，并且提取溶解在酸溶液中的铜。
c)堆积场内矿石的生物浸滤：在矿厂运行时或者在预破碎之后，将从露天矿提取的、在边际品位以下的矿石贮存在具有用于控制溶液渗入的适当特征的凹槽中或者贮存在已经预先安装了防水薄板的表面上。在嗜酸微生物的存在下，用浸滤液灌注表面，并且从底部提取溶解在酸溶液中的铜。
d)矿石堆生物浸滤(Ore heap bioleaching)：在该过程中，已经被碾碎至特定分级的矿石被收集在具有轻微斜坡的防水表面上，而且在嗜酸微生物的存在下在表面以上进行浸滤液的灌注，并且从底部提取溶解在酸溶液中的铜。
e)现场矿石的生物浸滤：直接地现场浸滤呈天然状态的或者已经在前面的采矿操作中被破碎的矿床，在嗜酸微生物的存在下，用浸滤液灌注表面，并且从底部提取溶解在酸溶液中的铜。
f)在搅拌釜或反应器中的矿石生物浸滤：该生物浸滤过程发生在机械搅拌的釜中，在嗜酸微生物的存在下，细分的矿石在釜内与浸滤液混合，形成固体含量至多20％的浆液，提取溶解在酸溶液中的铜。
g)尾矿池的生物浸滤：起源于浮选过程并且含有少量存在于矿石中的金属的尾矿被贮存在坝中，然后从坝提取矿石，在嗜酸微生物的存在下，用于在矸石堆内或通过搅拌进行浸滤，并且提取溶解在酸溶液中的铜。
h)生物量：在特定面积或体积内产生的活生物体的质量。
i)扫选尾矿：从来自主矿石精选回路的砂的浮选室回路得到的砂。
j)DSM：“Deutsche Sammlung von Mikroorganismen undZellkulturen GmbH”德国典型微生物保藏中心。
k)接种物：纯的或混合的细菌培养物，在生物浸滤过程中它将充当活性生物物质。
l)钝化：由于硫和聚硫层在矿石表面的堆积而造成的矿石浸滤速率的降低。
m)PLS：在生物浸滤过程中产生的水溶液，它含有已经从矿石中浸出的金属离子。该溶液构成用于PLS溶剂提取工厂的进料。
n)萃余液：得自铜溶剂提取过程的贫铜水溶液。
o)混合的能源：允许铁和硫氧化微生物同时生长的基质。
p)混合的生物量：能够氧化被还原的铁和硫化合物的微生物的质量。
为了大规模生产能用于硫化物金属矿石的生物浸滤的分离的微生物，已经开发了一种基于生物反应器的使用的方法，其中可能降低为生长这些微生物的培养基的费用。这种费用降低基于使用来自矿石浮选过程的精矿或含黄铁矿的废矿石(例如被称为扫选尾矿的废物)来部分地代替标准的培养基，作为一起生长的两种不同类型的微生物Acidithiobacillus ferrooxidans和Acidithiobacillus thiooxidans的能源。
这个方法还提供了关于微生物的量、它们对固相的适应性的优点，还提供了与铜回收、与获得氧化态+3的铁有关的优点。
在可以使用的废产物中，来自浮选过程的扫选尾矿具有表1中所示的典型组成。该组成含有大约20％的大量黄铁矿，它可以有利地用于共同培养上述的那些微生物。
表1：扫选尾矿的矿物学组成，考虑了100％的不透明矿石
  矿石     ％重量     ％Vol.     ％S     ％Cu     ％Fe     ％Mo     ％Zn
  黄铜矿辉铜矿铜蓝斑铜矿黄铁矿辉钼矿闪锌矿磁铁矿褐铁矿金红石脉石     2.080.5 30.621.3719.280.940.050.210.200.1774.54     1.510.290.410.8211.760.610.040.120.160.1284.16     0.730.110.210.3510.300.380.02     0.720.430.410.86     0.630.158.980.150.13 0.57 0.04
  总计     100.00     100.00     12.08     2.42     10.05     0.57     0.04
正如长期以来人们已经知道的那样，黄铁矿可以被Acidithiobacillus ferrooxidans型微生物用作能源，其活性可以用下式表示：
FeS2+6Fe3++3H2O→7Fe2++S2O3 2-+6H+
7Fe2++7/4 O2+7H+→7Fe3++7/2 H2O+At.ferrooxidans
FeS2+7/4 O2+H+→Fe3++S2O3 2-+1/2 H2O+At.ferrooxidans反应(i)
如反应(i)中观察到的那样，产物之一是硫代硫酸盐，它涉及中间氧化态的硫，而且它可以按照如下反应用作Acidithiobacillusthiooxidans型微生物的能源：
S2O3 2-+H2O+2O2→2SO4 2-+2H++At.thiooxidans反应(ii)
因此，同时培养Acidithiobacillus ferrooxidans型和Acidithiobacillus thiooxidans型微生物、连同其它微生物，分别利用了可用作能源的物质(即，铁(II)和硫代硫酸盐)的存在和形成.
考虑到一部分常规培养基被诸如没有成本的扫选尾矿这样的废产物所替代，该培养物显然比采用常规培养基的培养物费用低。此外，由于两种微生物是同时培养的，所以与设备、反应器、控制系统等有关的费用得以进一步降低，如果没有本发明这些费用就不得不加倍。
另外，采用扫选尾矿的共同培养法使人们可以获得比分别培养同样的微生物时通常可以获得的浓度更高的微生物。这具有经济意义，这可以通过如下优点得以评价：当设计新设备时为实现给定的目标浓度所需的装置的减少，或者在目前操作的设备中更高的生产能力。
基于下文实施例中进行的研究可以确认，微生物组合体(它包括与来自矿石的天然微生物混合的分离微生物)在用扫选尾矿废物改进的培养基中正常地生长。上述情况构成了与现有技术相比的进步，因为它通过降低培养基的费用而降低了培养费用。
此外，根据前文所述的反应，必将产生更高浓度的Acidithiobacillus thiooxidans菌种，或类似地，还必将出现Acidithiobacillus thiooxidans菌种的更高相对生长。这可能是也可能不是一个优点，要取决于关于其中使用产生的生物量的后继过程的考虑因素。然而，如果需要或必要，可以通过掺入硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)形式的Fe+2来平衡微生物生长。
如所示，在实践中，本发明是通过用废物代替一部分标准微生物培养基得到证实的，所述废物含有黄铁矿，例如从矿石浮选过程得到的扫选尾矿。被替代的培养基的比例是这样的，它对应于铁和硫物质，而且可能替代培养基相当大的部分。例如，在根据本发明改进的培养基中，可以使用1至100g/L的扫选尾矿。
此外，而且由于废物例如扫选尾矿含有固体，所以微生物能够适应固相硫氧化。这种适应性是有用的，而且也代表了技术上的进步，理由是，由于微生物适应了固相，它们将迅速地移居在位于其中使用它们的矸石堆、堆积场、尾矿坝或其它现场操作中的物质上，缩短与它们的浸滤有关的时间。
另外，含黄铁矿的废物中、特别是扫选尾矿(其中铜占几乎2.5％)中的铜应当被释放入溶液，可以自由地利用通常的铜回收法予以回收，而且因此增加了所述过程的总生产率。再一次，这意味着技术进步，因为在现有技术方法中该废物中所发现的铜被丢失了。
最后，而且根据前文所述的反应，培养基中产生了达到+3氧化态的铁富集。正如技术上已知的那样，Fe3+的存在能促进次生矿的浸滤，因此这也代表了相对于其它方法的优点。
附图说明
图1：该图表示，在通过掺入扫选尾矿而改进的培养基中微生物组合体的间歇方式生长曲线，如实施例1中所述。
图2：该图表示，在生物量增殖生物反应器中At.ferrooxidansWenelen DSM 16786(黑条)和At.thiooxidans Licanantay DSM 17318(白条)的含量，所述生物反应器按连续方式操作，采用通过掺入扫选尾矿而改进的培养基，如实施例2中所述。
具体实施方式
实施例1
为了确定Wenelen DSM 16786和Licanantay DSM 17318微生物的组合体的生长动力学和生物量产量，采用通过掺入扫选尾矿而改进的培养基，使用下述方案进行实验：
方案
细菌生长发生在6m3有效体积的反应器中。
通过在由下列物质组成的营养液中悬浮扫选尾矿(在1.25％矿浆浓度下)而制备用于繁殖微生物的培养基：75g FeSO4/L、0.99g(NH4)2SO4/L、0.128g NaH2PO4·H2O/L、0.0525g KH2PO4/L、0.1gMgSO4·7H2O/L、0.021g CaCl2/L。将培养基的pH调节到1.8。
为了开始培养，将5,400L的培养基与带有Wenelen DSM 16786和Licanantay DSM 17318微生物的600L细菌接种物混合。
为了使微生物能在反应器中生长，提供富含0.5％CO2的空气。将反应器的温度控制在30℃。通过添加H2SO4来控制反应器中的pH。
按间歇方式操作反应器15天。在反应器操作过程中，采用Petroff-Hausser室、通过显微镜计数法来监测微生物生长。
结果
如图1中所观察到的那样，在用扫选尾矿改进的培养基中微生物的浓度迅速升高，在6天内达到最高微生物浓度1.7×109个细胞/毫升。基于指数生长期间获得的数据，可以确定0.069h-1的比生长速率。
实施例2
为了证明可以采用通过掺入扫选尾矿而改进的培养基能有效地使Wenelen DSM 16786和Licanantay DSM 17318微生物的组合体连续地增殖，采用如下方案进行实验。
方案
细菌生长发生在50m3工业反应器中。
通过在由下列物质组成的营养液中悬浮扫选尾矿(在0.125％矿泥浓度下)而制备用于微生物繁殖的培养基：8g FeSO4/L、0.99g(NH4)2SO4/L、0.128g NaH2PO4·H2O/L、0.0525g KH2PO4/L、0.1gMgSO4·7H2O/L、0.021g CaCl2/L。将培养基的pH调节到1.8。
为了开始培养，将44m3的培养基与带有Wenelen DSM 16786和Licanantay DSM 17318微生物的6m3细菌接种物混合。
为了使微生物能在反应器中生长，提供富含0.5％CO2的空气。将反应器的温度控制在30℃。通过添加H2SO4来控制反应器中的pH。
在反应器操作过程中，采用Petroff-Hausser室、通过显微镜计数法来监测微生物生长。
使用定量PCR(qPCR)技术进行反应器中存在的微生物的鉴定。
按照间歇方式操作反应器7天，其后通过以360L/h的速率提供所示组成的培养基而连续操作反应器。
在反应器的连续操作阶段期间，为了用qPCR法鉴定而进行取样。
结果
如图2所示，采用通过掺入扫选尾矿而改进的培养基的生物反应器连续操作，有效地使At.ferrooxidans和At.thiooxidans微生物菌种得以增殖。
本发明的优点：
为了评价通过掺入扫选尾矿而得到的培养基的更低费用，设想一个2,000吨的矸石堆，在365天内以480L/h的流速进行灌注，以1×108个细胞/毫升的浓度进行连续接种。
所述条件决定了，需要在360L/h下、以1.3×108个细胞/毫升的浓度生产微生物。如果考虑在8g/l硫酸亚铁浓度下、每吨硫酸亚铁价值为US$350，那么用扫选尾矿完全替代该试剂就会每年节省8,830美元，因为扫选尾矿没有成本。典型的铜开采操作涉及每年生物浸滤两百万吨以上的矿石(例如，在智利的Cerro Colorado操作)，因此，与使用黄铁矿代替硫酸亚铁和单独硫源相关的费用节省达每年八百万美元以上，使得能够负担向所述过程连续接种细菌的费用。
在含黄铁矿的铜精矿用作细菌生长用能源的情况下，将这部分生物浸滤的铜与所述微生物一起掺入生物浸滤液，而留在所述精矿中的铜可以更高级铜精矿的形式被送至熔炼炉，因为在细菌生长期间大部分的黄铁矿被消除了。

Claims (4)

1.含有黄铁矿的采矿废物和精矿的用途，其特征在于，在其中矿石在反应器中被生物浸滤的过程中所述采矿废物和精矿作为细菌生长用能源用于铁氧化和硫氧化微生物的培养。
2.如权利要求1所述的含有黄铁矿的采矿废物和精矿的用途，其特征在于，所述用于微生物的培养、含有黄铁矿的废物是扫选尾矿，它对应于得自浮选室矿石精选回路的砂。
3.如权利要求1或2所述的含有黄铁矿的采矿废物和精矿的用途，其特征在于，所述铁氧化和硫氧化微生物是分离的微生物与从被加工的矿石得到的天然微生物的混合物。
4.如权利要求3所述的含有黄铁矿的采矿废物和精矿的用途，其特征在于，采用的分离的微生物是Wenelen DSM 16786和LicanantayDSM 17318。
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