CN103602809B - 一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽 - Google Patents
一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽，包括顶部开口且中空的内筒、保温装置、气体分散器和挡板，所述的保温装置设置于内筒外，所述的气体分散器为通气管，通气管的一端连接到外部气源，另一端由内筒的顶部开口伸入并延伸至内筒底部，所述的挡板设置于内筒的内侧壁上。本发明的技术效果在于，搅拌槽自带的保温装置能最大程度的实现均匀传热。搅拌槽内部的挡板能消除漩涡，将液体的旋转运动改为垂直旋转运动，增加了轴向和径向速度分量，使搅拌器排出流具有更宽的流动半径，实现良好的混合和浸出效果。搅拌槽内气体分散器位于搅拌槽底部，能充分地补充氧气和二氧化碳。
Description
技术领域
本发明涉及微生物湿法冶金技术领域，特别是涉及一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽。
背景技术
微生物冶金是一项能显著的提高低品位，复杂难处理矿产资源的开发利用的高新技术，能够大幅度提高矿产资源的开发利用率和资源的保障程度。微生物利用矿物为营养物质将矿物氧化分解，使金属进入溶液后再通过进一步分离、富集、纯化而提取金属的高新技术，它有很多显著地优点如流程短，低成本，环境友好和低污染等等。
目前浸矿微生物种子一直采用摇瓶培养，但由于摇瓶体积小，每次只能培养少量的菌种，而工业需求大量生长良好、浸矿效率高的微生物，此过程缺乏有效的过渡培养装置。不仅如此，用于工业生产的菌种，需在低矿浆浓度下培养以适应环境实现接种后快速生长。而现有的过渡培养装置只有简单的摇瓶和烧杯，通过外加空气泵送入空气实现对菌体的扩大培养以及浸矿。传统的过渡装置存在传质传热不均匀，密封性不够易感染杂菌的缺点。当矿浆浓度提高时，矿浆变稠，不利于气体扩散传送，通过增加转速使得溶氧量升高，同时也增大了剪切力。
发明内容
为了解决采用摇瓶、烧杯进行微生物培养存在传质传热不均匀，密封性不够、易感染杂菌的技术问题，本发明提供一种为浸矿微生物的放大培养及 生物浸出提供了结构简单，能耗少及柔和的搅拌环境的用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽，包括顶部开口且中空的内筒、保温装置、气体分散器和挡板，所述的保温装置设置于内筒外，所述的气体分散器为通气管，通气管的一端连接到外部气源，另一端由内筒的顶部开口伸入并延伸至内筒底部，所述的挡板设置于内筒的内侧壁上。
所述的一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽，所述的气体分散器由内筒顶部伸入并沿内筒轴线方向紧贴内筒内壁向下延伸，在延伸到底部后再沿内筒底部径线方向水平延伸至内筒底部中心。
所述的一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽，所述的气体分散器在内筒底部的水平延伸长度为内筒直径的1/2-3/4。
所述的一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽，所述的气体分散器在内筒底部的水平延伸管道上开有多个微孔，所述的微孔的半径为0.05-0.5cm。
所述的一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽，所述的挡板的数量至少为一个，并竖直固定于内筒的内侧壁上。
所述的一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽，挡板的宽度为内筒内径的1/12，挡板的高度为内筒高度的3/5-3/4。
所述的一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽，内筒内径为内筒高度的1/2-4/5。
所述的一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽，所述的保温装置包 括紧贴内筒外壁设置的保温层和套装于内筒外的加热装置。
本发明的技术效果在于，搅拌槽自带的保温装置能最大程度的实现均匀传热。搅拌槽内部的挡板能消除漩涡，将液体的旋转运动改为垂直旋转运动，增加了轴向和径向速度分量，使搅拌器排出流具有更宽的流动半径，实现良好的混合和浸出效果。搅拌槽内气体分散器位于搅拌槽底部，能充分地补充氧气和二氧化碳。本新型搅拌槽既可以用于纯种微生物的扩大培养，又可以用于混合微生物扩大培养。与此同时还能用于湿法冶金工业，生物发酵及化工生产等。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明挡板处剖视图；
图2为本发明气体分散器处剖视图；
图3为本发明俯视图；
图4为本发明中不同温度对镍的化学浸出；
图5为本发明中不同温度对钴的化学浸出；
图6为S.t，A.f，L.f菌生长曲线；
图7为S.t，A.f，L.f菌6%矿浆浓度电位变化曲线；
图8为S.t菌6%矿浆浓度扩大培养与摇瓶培养pH变化；
图9为S.t菌6%矿浆浓度扩大培养与摇瓶培养电位变化；
其中1为内筒、2为气体分散器、3为挡板、4为保温层、5为加热装置。
具体实施方式
参见图1、图2、图3，本发明包括顶部开口且中空的内筒、保温装置、 气体分散器和挡板，保温装置设置于内筒外，气体分散器为通气管，通气管的一端连接到外部气源，另一端由内筒的顶部开口伸入并延伸至内筒底部，挡板设置于内筒的内侧壁上。气体分散器由内筒顶部伸入并沿内筒轴线方向紧贴内筒内壁向下延伸，在延伸到底部后再沿内筒底部径线方向水平延伸至内筒底部中心。气体分散器在内筒底部的水平延伸长度为内筒直径的1/2-3/4。气体分散器在内筒底部的水平延伸管道上开有多个微孔，微孔的半径为0.05-0.5cm。挡板的数量至少为一个，并竖直固定于内筒的内侧壁上。挡板的宽度为内筒内径的1/12，挡板的高度为内筒高度的3/5-3/4。内筒内径为内筒高度的1/2-4/5。保温装置包括紧贴内筒外壁设置的保温层和套装于内筒外的加热装置。
实际使用时，首先将搅拌桨安装在内筒内，且处于气体分散器上方，然后开始通过气体分散器向内筒内通入无菌空气，再向加热装置内注水并启动加热。预启动搅拌桨，检测各部件的运行情况，检查运行正常后，再向内筒加入试样，调节pH，加入微生物，搅拌反应即开始。根据实际情况要求，搅拌桨也可以类似部件替代以起到搅拌作用即可。
氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans简称A.f），氧化亚铁钩端螺旋菌（Leptospirillum ferrooxidans简称L.f），热氧化硫化杆菌（Sulfobacillus thermosulfidooxidans简称S.t），纯种菌株来自于中南大学生物冶金教育部重点实验室菌种保藏中心。其中A.ferrooxidans可同时氧化亚铁和硫；L.ferrooxidans可氧化亚铁；S.thermosulfidooxidans亦可同时氧化亚铁和硫，并且营养类型是自养或异养。
培养基采用经改进的9K培养基，其成分为(NH4)2SO43g/L，KCl0.1g/L， K2HPO40.5g/L，MgSO4·7H2O0.5g/L，Ca(NO3)20.01g/L，pH1.6。
实施例1
试验用云南墨江某镍矿，从XRD衍射图知试样的主要矿物依次为石英、黄铁矿、云母。对试样镍的物相分析结果为氧化镍0.12%，硫化镍0.44%，硅酸盐中镍0.040%，TNi0.60%。试验对比了摇瓶和反应器进行化学浸出的实验效果，验证了反应器能进行不同温度的化学浸出反应。
镍矿的试样的成分分析如表1-1
表1-1试样成分分析，%
| TFe | FeO | Fe2O3 | SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | MnO | K2O | Na2O | Cu |
| 13.34 | 1.60 | 17.30 | 56.14 | 6.76 | 0.62 | 0.86 | 0.084 | 1.81 | 0.064 | 0.038 |
| Pb | Zn | P | V2O5 | Co | Ni | Cr2O3 | C | S | Ig | |
| 0.010 | 0.021 | 0.026 | 0.037 | 0.036 | 0.60 | 0.92 | 0.028 | 14.46 | 11.83 |
选取3L的烧杯以及3L新型搅拌反应槽，云南墨江矿粉球磨至-0.074mm占90%，实验矿浆浓度为25%，调整pH在0.8左右，温度控制在45℃和65℃，搅拌桨的搅拌转速控制在150r/min。分别在加矿后的第5min，15min，30min，60min，120min，180min和240min取样，将水样和矿样送检到中南大学现代分析测试中心，测定墨江水样和酸浸矿渣中测定溶液中Ni和Co离子的浸出率。
图4图5给出了在不同温度下反应器中镍钴的化学浸出。实验结果表明：在45℃、65℃下，溶液中Ni的浸出率分别为：44.14%，51.17%。以矿渣测定可知，45℃下，墨江镍矿中Ni和Co的浸出率分别为：41.67%，22.22%。65℃下，墨江镍矿中Ni和Co的浸出率分别为：48.33%，30.56%。而烧杯中，在45℃、65℃下，溶液中Ni的浸出率分别为：41.34%，46.56%。以矿渣测 定可知，45℃下，墨江镍矿中Ni和Co的浸出率分别为：36.54%，13,76%。65℃下，墨江镍矿中Ni和Co的浸出率分别为：38.98%，27.45%。
试验结果表明：在同等条件下，反应器较烧杯有更好的浸出效果。
实施例2
菌种的扩大培养在一个10L的搅拌反应槽中进行，搅拌桨转速为300r/min。反应器夹槽水温恒定为45℃，由空气泵泵入空气。及时补充反应器内蒸发的水分。加入5000mL的9K培养基，加入200mL活化后的中度嗜热菌浸矿微生物，添加35g/L的硫酸亚铁和10g/L的硫单质作为能源物质。采用1:1的硫酸调节溶液pH至1.5。每天用pH酸度指示计检测溶液中pH值的变化情况，并用血细胞计数板检测溶液中浸矿菌数量的变化情况。
经过7天的摇瓶培养，最高菌浓度达到8.0×108个/mL。而由于搅拌反应槽中相传质效果好，在混匀、通气等方面相对摇瓶中有较大提高，因此为微生物的生长提供了更合适的条件，使用搅拌反应槽扩大培养中，微生物仅用5天即达到1.0×109个/mL的最高菌浓度。实现了纯菌菌体的快速扩大培养。
实施例3
利用上述中度嗜热浸矿菌对某黄铜矿精矿进行浸出试验，首先在摇瓶中对该菌进行驯化培养，当最高菌浓度达到了纯菌摇瓶培养时的最大菌浓7.5×108个/mL时视为驯化完成。表明中度嗜热菌已经逐步适应以黄铜矿为能源物质生长，浸出黄铜矿的能力逐步增强。实验了不用搅拌转速下，黄铜矿的浸出率，得出最佳搅拌速度为350r/min。分别在300mL/min，400mL/min，500mL/min，600mL/min实验了最佳充气强度，得出充气强度为500mL/min时，采用驯化后的中度嗜热菌浸出黄铜矿精矿，浸出时间为30天，浸出液中 铜离子浓度为17.36g/L，铜的浸出率为85.6%。最高菌浓度达到1.1×109个/mL。
实施例4：
取3个100mL9K培养基于250mL锥形瓶中，分别单独加入已驯化的S.t，L.f，A.f各10mL，加入品位为15%的某黄铜矿精矿，3个摇瓶各在其最佳条件振荡培养1个月，期间观测其电位，菌体生长情况，并维持合适的pH。
在3L的反应器中进行试验，其有效容积为1.5L，使用中空可充水夹套维持反应器温度，其与超级恒温水浴箱相连，使微生物浸出过程温度维持在50℃左右。搅拌反应槽搅拌速度为200r/min，空气充入前在充气管间接入空气过滤膜滤掉粉尘。浸出反应初始pH值为1.6，接种量10%，加入某低品位黄铜矿90g（矿浆浓度6%），与此同时取100mL9K培养基于250mL锥形瓶中，细菌接种量为10%，pH调至1.6，加入矿粉6g，以此与搅拌反应槽浸出放大实验对比。测量浸出液中电位的工作电极是铂电极，参比电极是Ag/AgCl电极；采用pH酸度计测量浸出液中的pH值。浸出液中浸矿菌浓度则通过红细胞计数板在光学显微镜下计数。
S.t，L.f，A.f生长曲线可知，S.t，L.f，A.f三种菌经过约三天的调整期，进入对数生长期，其中A.f最高菌浓达到6.5×108个/mL，L.f最高菌浓达到5.8×108个/mL，S.t最高菌浓达到2.5×108个/mL。
S.t，A.f，L.f6%矿浆浓度电位变化曲线发现，A.f菌对于亚铁的氧化速率较快，S.t次之，L.f由于其生长速度也较慢，亚铁的氧化速度相比而言最慢。导致其电位比其他两种菌晚几天升高。不过最终三种浸矿菌产生的浸出液电位基本一样，说明三种菌对于亚铁的氧化能力基本相当。由S.t电位过高可看出S.t此时并不是纯菌，应该混有相当一部分的铁质菌。S.t浸混合矿样最终浸 出率为42.64%，A.f浸混合矿样最终浸出率为25.58%，L.f浸混合矿样最终浸出率为18.58%。
S.t菌在6%矿浆浓度扩大培养与摇瓶培养pH变化，电位变化基本一致，前两天开始，电位变化较慢，第二天开始变化加速，之后维持稳定。S.t菌浸6%矿浆浓度卢安夏矿样扩大培养最终铜浸出率为94.15%，平行摇瓶培养对比试验铜最终浸出率为87.72%。可以认为在基本条件类似的情况下，搅拌槽可能由于其更高的氧传质系数，浸出效率略高于摇瓶培养。
Claims (6)
1.一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽，其特征在于，包括顶部开口且中空的内筒、保温装置、气体分散器和挡板，所述的保温装置设置于内筒外，所述的气体分散器为通气管，通气管的一端连接到外部气源，另一端由内筒的顶部开口伸入并延伸至内筒底部，所述的挡板设置于内筒的内侧壁上，所述的挡板的数量至少为一个，并竖直固定于内筒的内侧壁上，挡板的宽度为内筒内径的1/12，挡板的高度为内筒高度的3/5-3/4。
2.根据权利要求1所述的一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽，其特征在于，所述的气体分散器由内筒顶部伸入并沿内筒轴线方向紧贴内筒内壁向下延伸，在延伸到底部后再沿内筒底部径线方向水平延伸至内筒底部中心。
3.根据权利要求2所述的一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽，其特征在于，所述的气体分散器在内筒底部的水平延伸长度为内筒直径的1/2-3/4。
4.根据权利要求2所述的一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽，其特征在于，所述的气体分散器在内筒底部的水平延伸管道上开有多个微孔，所述的微孔的半径为0.05-0.5cm。
5.根据权利要求1所述的一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽，其特征在于，内筒内径为内筒高度的1/2-4/5。
6.根据权利要求1所述的一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽，其特征在于，所述的保温装置包括紧贴内筒外壁设置的保温层和套装于内筒外的加热装置。
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