CN107557279A - 一种高效培养浸矿微生物的反应器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效培养浸矿微生物的反应器和方法，方法包括如下步骤：(1)将营养液导入反应器中，接入浸矿微生物，曝气培养；(2)开启反应器中膜组件的抽吸泵，同时开启反应器进液泵，进行连续培养；增大出液和进液流量，然后稳定运行；(3)开启反应器的排泥泵，排出浓缩菌液；(4)收集浓缩菌液和硫酸高铁浸出剂；本发明显著增加了培养体系中的生物量，而且可混合菌组合培养，提高培养体系单位生物得率，同时解除了高铁离子对浸矿微生物的抑制效应，不仅解决了浸矿微生物培养过程细胞密度低、周期长、亚铁氧化效率低等问题，而且培养过程中连续获取了硫酸高铁浸出剂，解决铁钒和菌分离的问题。

Description

一种高效培养浸矿微生物的反应器和方法

技术领域

本发明涉及生物冶金技术微生物培养工程应用领域中的一种微生物培养装置和方法，特别是一种高效培养浸矿微生物的反应器和方法，并同时获取高密度浸矿微生物和硫酸高铁浸出剂的方法。

技术背景

微生物冶金技术是一种从矿物中提取金属的方法，具有成本低、投入小、能耗低、环境污染小等突出优点，特别适于处理低品位矿物。目前除了铜、金、铀的三类典型生物冶金工艺获得大规模工业应用外，对于镍、钴、锌、铝、锰、铊、镓、钛、铟等的生物浸出仍在研究中。随着矿物资源的日益枯竭和人们对环境保护意识的加强，人们也越来越青睐于利用浸矿微生物来处理废矿、贫矿和城市固体废物。但由于生物冶金所用到的浸矿微生物大多属于极端微生物，具有生长缓慢、代时长、细胞得率低等特点，导致生物湿法冶金工艺较传统的处理方法生产周期长，在一定程度上降低了其成本优势。

微生物冶金的过程机理有：(1)直接作用，即微生物直接浸蚀某种矿物，与矿物发生氧化或还原反应，使反应产物溶解，进入溶液；(2)间接作用，即微生物(一种或多种微生物)催化氧化黄铁矿或Fe²⁺，产生Fe³⁺，通过Fe³⁺氧化的间接作用，浸出金属矿物；(3)直接作用和间接作用的联合。微生物反应与化学反应如下：

生物冶金工艺主要包括堆浸(Heap Leaching)、废石堆浸(Dump Leaching)和搅拌浸出(Tank Leaching)等，堆浸工艺主要通过浸出液的循环满足浸矿微生物的生长，而搅拌浸出则是通过控制一定的停留时间及回流比来确保体系中的生物量。虽然这些传统的手段在一定程度上维持了浸矿微生物的持续性浸出作用，但应对突发事件或设备周期性维护的适应性较差，必然面临补充高活性菌液的问题。因此，在微生物浸出中，微生物培养、繁殖技术以及浸出剂制备和再生技术非常重要。

浸矿微生物主要包括一些在酸性环境中生长的铁或硫氧化细菌，此类微生物主要以还原态的铁或硫为能源来进行生长代谢，对矿物具有优良的浸出特性，同时也会形成代谢产物Fe³⁺或SO₄ ^2-等，而H₂SO₄和Fe₂(SO₄)₃又是一种理想的酸性浸出剂，广泛应用于矿物的浸出或工业固体废弃物中的金属浸出。目前，浸矿微生物主要有Acidianus brierleyi、Acidianus infernus、Acidianus sulfidivorans、Acidiferrobacter thiooxydans、Acidimicrobium ferrooxidans、Acidiphilium cryptum、Acidiplasma cupricumulans、Acidithiobacillus albertensis、Acidithiobacillus caldus、Acidithiobacillusferrivorans、Acidithiobacillus ferrooxidans、Acidithiobacillus thiooxidans、Alicyclobacillus disulfidooxidans、Alicyclobacillus GSM、Alicyclobacillustolerans、Ferrimicrobium acidiphilum、Ferrithrix thermotolerans、Ferroplasmaacidarmanus、Ferroplasma acidiphilum、Leptospirillum ferriphilum、Leptospirillumferrooxidans、Metallosphaera hakonensis、Metallosphaera prunae、Metallosphaerasedula、Picrophilus torridus、Sulfobacillus acidophilus、Sulfobacillusbenefaciens、Sulfobacillus sibiricus、Sulfobacillus thermosulfidooxidans、Sulfobacillus thermotolerans、Sulfolobus acidocaldarius、Sulfolobus metallicus、Sulfolobus solfataricus、Sulfolobus tokodaii、Sulfolobus yangmingensis、Sulfurococcus mirabilis、Sulfurococcus yellowstonensis、Thermoplasmaacidophilum、Thermoplasma volcanium、Thiomonas cuprina等。这些微生物往往在极端环境下生长，具有个体小、生长缓慢、生物量低、培养难等特点。

生物冶金工业应用中，浸矿微生物培养方法主要包括：泡罩塔、气升式反应槽、曝气池、生物接触氧化池、通气搅拌培养等，这些培养方法基本能够满足生物冶金启动过程的需要，但具有细菌浓度低、运行成本高、应急能力差等特点，不容易实现生物冶金过程产业化。

美国专利US20110045581A1公开了一种气升式连续培养浸矿微生物的装置，装置顶部设置了三相分离系统，并通过硅藻土、硫粉、精铜矿或黄钾铁矾等颗粒吸附固定化连续培养浸矿菌，提高了体系中微生物的浓度。但该反应器的运行需要严格控制，且对于微生物高密度的维持、高铁离子反馈抑制及营养盐的利用率低等问题尚未解决。

膜生物反应器(Membrane Bioreactor，简称MBR)是一种将生化过程和膜分离过程相结合，溶液中的目标底物首先被生物转化或降解，在压力差的作用下，水和小于膜孔径的小分子物质透过膜而排出，而微生物及大分子物质被膜截留，可以代替沉淀池完成泥水分离。而且，利用膜的高效截留作用能够有效截留不同类型微生物和大分子有机物，延长其停留时间，获得污染物最大限度的去除。膜生物反应器相比于传统的培养方式具有独特的优势，已被广泛应用于细胞浓度低、富集时间长、富集效率低的微生物的培养。

专利CN104630200 A公开了一种用膜生物反应器高密度培养诱变枯草芽孢杆菌的方法，提高了发酵速率。

专利CN 101386443 A公开了一种膜生物反应器中好氧颗粒污泥的快速培养方法，采用连续进水和出水，可大大缩短好氧颗粒污泥的培养时间，最短5天可获得好氧颗粒污泥。

专利CN102061281 A公开了一种利用膜生物反应器富集培养厌氧氨氧化细菌的方法，实现了厌氧氨氧化细菌的快速富集，使厌氧氨氧化细菌的富集效率提高80～95％。

专利CN102674539 A公开了一种基于膜生物反应器的硝化污泥高效富集培养系统及方法，使用膜生物反应器系统对硝化污泥进行半封闭式富集培养，与硝化菌剂的发酵培养相比，大幅度降低了硝化菌的培养成本，并实现了硝化菌与培养基质的彻底分离，有效避免了硝化菌在培养过程中的不必要流失。

对于膜生物反应器在培养类似浸矿微生物的方面的应用研究，仅有专利CN104607443 A提出了一种通过膜生物反应器培养生物淋滤液的方法，增加了反应器中微生物的浓度，解决了淋滤菌株生长缓慢和生物氧化效率低下的问题，而且提高了生物浸提效率，运行周期上接近甚至达到了强酸浸提的水平。但该法局限于固体废弃物处理领域氧化亚铁硫杆菌、氧化硫杆菌和氧化亚铁钩端螺旋菌的生物浸出工艺，且以浸提金属为目的，由于该方法中微生物在浸提体系中再生，运行过程中逐渐增加的金属离子及代谢物容易带来了新的瓶颈问题。运行过程中的硫磺或者黄铁矿产生的残渣等颗粒物容易造成膜的堵塞和损害，嗜酸菌菌株一直处于膜生物反应器中，且一直循环含有重金属的失效淋滤液，难以富集得到高密度的浓缩菌液。

发明内容

本发明目的在于强化生物冶金过程，缩短工艺周期，提出了一种高效培养浸矿微生物的反应器和方法，能有效实现浸矿微生物与高铁底物的分离，减少了底物抑制作用，控制培养过程中的生物量在一个较高的浓度范围。

本发明的高效培养浸矿微生物的反应器包括培养槽、设置在培养槽底部的锥形收集筒、用于培养槽进液的进液泵和排出锥形收集筒底部沉降物的排泥泵；

所述培养槽内设置有至少1个膜组件，所述膜组件包括反应筒、位于反应筒内的膜元件、位于膜元件下方的曝气组件以及设置在曝气组件下方的隔离层，所述反应筒的壁上设置有上部开口的用于收集颗粒物的收集腔；

还包括抽出膜元件内液体的抽吸泵。

所述隔离层内部优选的设置有连通反应筒内外的通道，所述通道的孔径优选为2-7mm。

所述排泥泵连通锥形收集筒底端的出口；隔离层为聚酯海绵、蜂窝陶瓷或六角蜂窝斜管制成。

所述培养槽上还设置有抽出培养槽内气体的排气风机。所述曝气组件连通有给曝气组件输送气体的曝气风机。

所述培养槽或者反应筒可以为圆柱或方柱形，膜元件为平板膜、中空纤维膜或管式膜，膜孔径为0.01～0.4μm，清液优选由膜组件顶部抽吸排出。

本发明的高效培养浸矿微生物的方法，包括如下步骤：

(1)将营养液导入反应器的培养槽中，控制pH值至浸矿微生物适宜pH值，控制温度至浸矿微生物适宜的温度，接入浸矿微生物，曝气培养；浸矿微生物的细胞浓度控制在0.5～5×10⁷cell/mL为佳，曝气培养以0.05～2.0v/vm为佳。pH值和温度以浸矿微生物的适宜值为准，pH值一般在1～2之间，温度为25～80℃。优选的，所述营养液为基础培养基和亚铁离子的混合物。

(2)当反应器中氧化还原电位升至680mV以上或细胞浓度达到1×10⁸cell/mL，此时，亚铁离子基本上氧化完全，开启反应器中膜组件的抽吸泵，同时开启反应器进液泵，进行连续培养；控制氧化还原电位稳定大于650mV，此时，膜组件的抽吸泵排出的液体中，c(Fe²⁺)＜0.1g/L；增大出液和进液流量，最后调节流量至最大流量的50-80％范围内稳定运行；控制稳定运行时的氧化还原电位稳定大于650mV时，溶液中可溶的亚铁浓度已经低于1g/L，需要补充新鲜能源，同时，透过膜的650mV的体系为高铁浸出剂，高的氧化还原电位可以直接用于矿物或重金属废物的浸出。本发明的氧化还原电位出现的明显下降时的流量为最大流量。

(3)当细胞浓度达到5×10¹⁰cell/mL时，开启反应器的排泥泵，排出浓缩菌液，进一步加大反应器进液泵、膜组件的抽吸泵和反应器的排泥泵的流量，连续培养过程中维持反应器的细胞浓度大于1×10¹⁰cell/mL；

(4)收集反应器的排泥泵的浓缩菌液和反应器中膜组件的抽吸泵的硫酸高铁浸出剂。

所述浓缩菌液主要为高密度的菌液，其次为黄钾铁矾，可直接用于低品位硫化铜矿、低品位含硫金矿、低品位铀矿以及高硫尾矿渣等难处理物料的生物强化浸出；硫酸高铁浸出剂，主要含硫酸铁，可直接用于铀矿、线路板废渣、电子垃圾、废旧电池、冶炼废渣等物料中有价金属的浸出。

所述营养液包括如下组分：(NH₄)₂SO₄ 1.5～4.5g/L、MgSO₄ 0.25～0.75g/L、K₂HPO₄0.25～0.75g/L、KCl 0.05～0.15g/L、Ca(NO₃)₂ 0.005～0.015g/L，FeSO₄ 10～50g/L，营养液中还包括单质硫0～10g/L。

营养液中还包括胁迫因子，所述胁迫因子为煤油、金属萃取剂、F^-、Cl^-、Br^-、Cr⁶⁺和As³⁺中的一种或多种，避免菌种的退化或种群结构的变化。

所述反应器中的膜组件包括平板膜、中空纤维膜或管式膜，膜孔径为0.01～0.4μm。浸矿微生物为极端微生物，和传统的微生物相比，菌体更小，膜孔径为0.01～0.4μm时，能有效的保证截留住微生物。膜材质优选为偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚砜(PSF)或陶瓷等。

所述浸矿微生物包括钩端螺旋菌属(Leptospirillum spp.，主要为Leptospirillum ferrooxidans、Leptospirillum ferriphilum、Leptospirillumferrodiazotrophum等)、铁微菌属(Ferrimicrobium spp.，主要为Ferrimicrobiumacidiphilum)、酸微菌属(Acidimicrobium spp.主要为Acidimicrobium ferrooxidans)、铁原体属(Ferroplasma spp.，主要为Ferroplasma acidiphilum、Ferroplasmaacidarmanus、Ferroplasma thermophilum)、酸质菌属(Acidiplasma spp.，主要为Acidiplasma cupricumulans、Acidiplasma aeolicum等)，硫杆菌属(Acidithiobacillusspp.主要为Acidithiobacillus ferrooxidans、Acidithiobacillus ferrivorans、Acidithiobacillus thiooxidans、Acidithiobacillus caldus、Acidithiobacillusalbertensis等)、硫单胞菌属(Thiomonas spp.，主要为Thiomonas cuprina)、金属球菌属(Metallosphaera spp.，主要为Metallosphaera cuprina)、酸双面菌属(Acidianus spp.，主要为Acidianus brierleyi、Acidianus manzaensis等)、硫化杆菌属(Sulfobacillusspp.，主要为Sulfobacillus acidophilus、Sulfobacillus thermosulfidooxidans等)、硫化叶菌属(Sulfolobus spp.主要为Sulfolobus acidocaldarius、Sulfolobusmetallicus、Sulfolobus solfataricus、Sulfolobus tokodaii、Sulfolobusyangmingensis等)、脂环酸芽孢杆菌属(Alicyclobacillus spp.，主要包括Alicyclobacillus disulfidooxidans、Alicyclobacillus GSM、Alicyclobacillustolerans等)、热原体属(Thermoplasma spp.主要为Thermoplasma acidophilum、Thermoplasma volcanium等)和嗜酸菌属(Acidiphilum spp.主要为Acidiphiliumcryptum)中的一种或多种。

所述反应器的体积为0.2～30m³，反应器整体采用聚丙烯(PP)、均聚聚丙烯(PPH)或316不锈钢材料，或者反应器内壁涂有沥青、氯磺酸化聚乙烯或聚烯烃，适用于温度25～80℃，pH值0.1～3.0。

硫酸高铁浸出剂，其含有硫酸铁，直接用于铀矿、线路板废渣、电子垃圾、废旧电池或冶炼废渣中有价金属的浸出，浓缩菌液直接用于低品位硫化铜矿、低品位含硫金矿、低品位铀矿或者高硫尾矿渣难处理物料的生物强化浸出。

本发明的温度控制范围25～80℃、曝气组件的曝气量范围为0.05～2.0v/vm。

本发明的有益效果是，

本发明在维持细菌适当的比生长速率的前提下，通过膜组件截留浸矿微生物，在提高反应器内细胞的浓度的同时，营养液及亚铁离子、硫的利用效率也将明显增加，实现了生物冶金用高密度菌液和浸出剂的高效制备，从而改善生物冶金中生物量不足和浸出效率低的现状。另外，获得的硫酸高铁浸出剂，由于不含有浸矿微生物，不易形成沉淀，利于浸出剂的工业应用。该法不仅适合小型的浸出剂和菌剂的制备，也适合生物冶金工艺现场细菌再生过程，容易实现模块化运行，具有升级改造潜力。

本发明在浸矿微生物培养过程中通过膜截留作用将细菌与硫酸高铁溶液分离，显著增加了培养体系中的生物量，解除了高铁离子对浸矿微生物的抑制效应，不仅解决了浸矿微生物培养过程细胞密度低、周期长、亚铁氧化效率低等问题，而且培养过程中连续获取了硫酸高铁浸出剂。该法将实现浸矿微生物培养可控化、高效化和模块化生产，显著改善微生物浸出过程中控制难、活性差的问题，对生物冶金产业化应用具有重要意义。

本发明人根据浸矿微生物培养的特点，选择以反应体系中的氧化还原电位作为控制的指标依据，特别是对含铁氧化浸矿菌培养体系，稳定运行时的氧化还原电位控制在650mV以上，能达到最大的产出效率。

本发明在培养槽的底部设置有锥形收集筒，收集浓缩菌液，减少浸矿微生物培养过程中的颗粒物积累堵塞膜孔，本发明的锥形收集筒位于曝气组件和隔离层的下部，颗粒物铁钒被隔离层所阻隔，被收集筒收集，浓缩菌液可以穿过隔离层的通道，实现了颗粒物和菌液的分离。

本发明在培养液中加入胁迫因子，使其对菌株驯化，保证菌株不退化。

本发明选择的是FeSO₄和单质硫，其纯度大于95％，而一般进行浸矿微生物培养时，选择的能源物质为黄铁矿和硫磺，FeSO₄和单质硫能保证菌株迅速的生长，且杂质少，不会造成膜的堵塞，延长使用寿命。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍。附图为本发明中培养设备的结构示意图。

图1表示的是本发明的反应器的结构示意图。

图2表示的是膜元件的结构示意图。

图3表示的是本发明的方法流程路线图。

图4为普通膜生物反应器的结构示意图。

图5为普通膜生物反应器改进的结构示意图。

附图说明：1反应筒，11收集腔、2膜元件，3曝气组件，31曝气风机、4隔离层，5抽吸泵，6排泥泵，7进液泵、8锥形收集筒、9培养槽、10排气风机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例1

一种PPH材质浸没式反应器，基本结构如图1-2所示，包括培养槽9、设置在培养槽9底部的锥形收集筒8、用于培养槽9进液的进液泵7和排出锥形收集筒8底部沉降物的排泥泵6；

所述培养槽9内设置有至少1个膜组件，所述膜组件包括反应筒1、位于反应筒1内的膜元件2、位于膜元件2下方的曝气组件3以及设置在曝气组件3下方的隔离层4，所述反应筒1的壁上设置有上部开口的用于收集颗粒物的收集腔11，所述隔离层4内部设置有连通反应筒1内外的通道；所述通道的孔径优选为2-7mm。

还包括抽出膜元件2内液体的抽吸泵5。

所述排泥泵6连通锥形收集筒8底端的出口；隔离层4为聚酯海绵、蜂窝陶瓷或六角蜂窝斜管制成。

所述培养槽9上还设置有抽出培养槽9内气体的排气风机10。所述曝气组件3连通有给曝气组件3输送气体的曝气风机31。

浸矿微生物在反应筒1内进行增殖，营养液加入到整个培养槽9内，在营养和气体的供应下，浸矿微生物大量增殖，产生铁钒等颗粒物和微生物菌团，在曝气组件3的作用下，铁钒等颗粒物和微生物菌团大部分被气体往上带走，从反应筒1的上部离开，由于铁钒等颗粒物较重，在气流的作用下，其大部分进入反应筒1的周边，然后掉落，正好进入收集腔11，微生物菌团较轻，进入反应槽9中，反应槽9中没有曝气组件3，其逐渐沉降，进入锥形收集筒8，被排泥泵6排出。往下沉降的铁钒颗粒物由于不能穿过隔离层4，堆积在隔离层4上，并在气流的作用下，进入收集腔11，往下沉降的微生物菌团穿过通道，直接进入锥形收集筒8，或者在气流的作用下上升进入培养槽9。本发明利用铁钒颗粒和微生物菌团不能的物理特性，采用较为简单的结构，实现两者的分离，大大的澄清了微生物增殖的水体环境，解决了膜元件2经常堵塞的问题，提高了收集的微生物菌团的细胞浓度和抽吸泵5抽出的硫酸高铁溶液的氧化还原电位值，具有很高的经济效益。

浸矿微生物在繁殖过程中会产生铁钒，铁钒会堵塞膜元件2和菌液排放口，并使得浸矿微生物大量的依附在铁钒上共同沉降，造成细胞浓度难以提升。本发明的曝气组件3的下方设置有隔离层4，颗粒物铁钒被隔离层4所阻隔，并在气流的作用下被带到收集腔11，浓缩菌液被带入到培养槽9，可以穿过隔离层4的通道，实现了颗粒物和菌液的分离。

本反应器的有效体积0.2m³，膜元件采用新加坡美能材料科技有限公司的SMM-1010中空纤维帘式膜，膜材料PVDF，膜孔0.1μm，膜组件的膜面积为2m²，培养的菌种为Leptospirillum ferriphilum YSK(保藏号：DSM14647)，Sulfobacillus acidophilusTPY(专利公开号：CN101210225A)，Acidithiobacillus caldus S2(保藏号：CCTCCAB207044)和Ferroplasma thermophilum L1(保藏号：CCTCC AB207143)，营养液为(NH₄)₂SO₄ 4.5g/L、MgSO₄ 0.6g/L、K₂HPO₄ 0.5g/L、KCl 0.1g/L、Ca(NO₃)₂ 0.01g/L、FeSO₄ 25g/L和单质S⁰ 1g/L，pH值调节至1.6，温度控制在45℃，以曝气量50L/min进行充气培养。

将180L营养液和20L含菌量1.2×10⁸cell/mL菌液混合后置于培养槽9内，控制营养液pH值1.60，温度45℃。曝气培养64小时，Eh值由438mV上升至710mV，细胞浓度达到3.8×10⁸cell/mL。

将连续曝气量提升至100L/min，膜组件的运行模式为抽吸8min，停止2min，以3L/h流量开启抽吸泵和营养液补给泵，稳定运行2小时后将流量提升至6L/h，在培养液Eh值大于650mV前提下，如此将流量依次提高至9L/h、12L/h、15L/h、18L/h、21L/h和24L/h等，过程中监测溶液中的细胞浓度和Eh值变化，经过48小时调整期后膜池细胞浓度达到5.1×10¹⁰cell/mL。

依据监测的Eh值出现明显下降的流量为最大控制流量，本实验为18L/h，进一步确定抽吸泵运行流量为12L/h，逐步开启排泥泵，并通过进料泵恒定膜池总体积恒定在0.2m³，以控制反应槽中的细胞浓度在1.5×10¹⁰cell/mL以上，确定最大排泥泵的流量，本实验为4L/h，调节排泥流量为3L/h，进料泵流量15L/h，抽吸泵流量12L/h进入稳定运行模式。由于浸矿微生物培养过程中容易形成黄钾铁矾，以7天为一运行周期对膜进行更换离线清洗。

在一个正常培养周期内，用200L反应器培养浸矿菌可以获得172.8L 1.5×10¹⁰cell/mL高密度浸矿菌和691.2L的氧化还原电位680mV以上的硫酸高铁浓溶液。而采用传统的培养方法，在相同大小的反应器内只能得到200L3.8×10⁸cell/mL菌液。具体反应流程工艺路线图如图3所示。

实施例2

本发明的反应器的结构示意图如图1-2所示，有效体积1m³，膜元件采用日本旭化成株式会社MUNC-600II束式，膜材料PVDF，平均膜孔0.1μm，组件膜面积为12.5m²，培养的菌种为Acidithiobacillus thiooxidans(保藏号：CCTCC AB 206196)、Acidithiobacillusferrooxidans(保藏号：ATCC23270)、Acidithiobacillus ferrivorans CS1(保藏号：CCTCCM 2015017)和Leptospirillum ferrooxidans CS9(保藏号：CCTCC M 2015007)混合菌，营养液为(NH₄)₂SO₄ 3g/L、MgSO₄ 0.5g/L、K₂HPO₄ 0.75g/L、KCl 0.15g/L、Ca(NO₃)₂ 0.01g/L、FeSO₄ 20g/L和单质S⁰ 2g/L，pH值调节至1.8，温度控制在30℃，以曝气量250L/min进行充气培养。

将900L营养液和100L含菌量3.5×10⁸cell/mL菌液混合后置于膜池内，控制营养液pH值1.80，温度30℃。曝气培养96小时，Eh值由450mV上升至698mV，细胞浓度达到5.04×10⁸cell/mL。

将连续曝气量提升至400L/min，膜组件的运行模式为抽吸9min，停止1min，以5L/h流量开启抽吸泵和营养液补给泵，稳定运行2小时后将流量提升至10L/h，在培养液Eh值大于650mV前提下，如此将流量依次提高至20L/h、40L/h、60L/h、80L/h和100L/h等，过程中监测溶液中的细胞浓度和Eh值变化，经过48小时调整期后膜池细胞浓度达到1.6×10¹⁰cell/mL。

依据监测的Eh值出现明显下降的流量为最大控制流量，本实验为80L/h，进一步确定抽吸泵运行流量为60L/h，逐步开启排泥泵，并通过进料泵恒定膜池总体积恒定在1m³，以控制反应槽中的细胞浓度在1×10¹⁰cell/mL以上，确定最大排泥泵的流量，本实验为18L/h，调节排泥流量为10L/h，进料泵流量70L/h，抽吸泵流量60L/h进入稳定运行模式。由于浸矿微生物培养过程中容易形成黄钾铁矾，以7天为一运行周期对膜进行更换离线清洗。

在一个正常培养周期内，用1m³反应器培养浸矿菌可以获得648L的1×10¹⁰cell/mL高密度浸矿菌和3888L的氧化还原电位在650mV的硫酸高铁浓溶液。而采用传统的培养方法，在相同大小的反应器内只能得到1m³ 2.68×10⁸cell/mL菌液。

实施例3

一种反应器，基本结构如图1-2所示，反应器为PP材质，有效体积10m³，膜元件采用江苏蓝天沛尔膜业公司PEIER-100平板膜，膜材料为PVDF，外框架采用ABS材料，平均膜孔0.11-0.12μm，组件膜面积为100m²，膜支架采用316L不锈钢，培养的菌种为Acidithiobacillus ferrooxidans(保藏号：ATCC23270)，营养液为(NH₄)₂SO₄ 3g/L、MgSO₄·5H₂O 0.5g/L、K₂HPO₄ 0.5g/L、KCl 0.1g/L、Ca(NO₃)₂ 0.01g/L、FeSO₄·7H₂O 44.7g/L，稳定运行后培养基逐渐添加碱式硫酸铬0.02～0.1g/L，pH值调节至1.9，温度控制在32℃，以曝气量1000L/min进行充气培养。

将9m³营养液和1m³含菌量2.0×10⁸cell/mL菌液混合后置于培养池内，控制营养液pH值1.90，温度32℃。曝气培养96小时，Eh值由439mV上升至701mV，细胞浓度达到3.25×10⁸cell/mL。

控制曝气量1.2m³/min，调整期膜组件的运行模式抽吸8min，停止2min，以10L/h流量开启抽吸泵和营养液补给泵，稳定运行1小时后将流量提升至50L/h，在培养液Eh值大于650mV前提下，如此将流量依次提高至100L/h、150L/h、200L/h、300L/h、500L/h、800L/h、1000L/h和1200L/h等，过程中监测溶液中的细胞浓度和Eh值变化，经过48小时调整期后培养反应器细胞浓度达到5.6×10¹⁰cell/mL。

依据监测的Eh值出现明显下降的流量为最大控制流量，本实验为1000L/h，进一步确定膜组件抽吸泵流量为800L/h，逐步开启排泥泵，并通过控制进料泵恒定培养液总体积在10m³，以控制反应槽中的细胞浓度在2×10¹⁰cell/mL以上，确定最大排泥泵的流量，本实验为150L/h。最终控制排泥流量为100L/h，进料泵流量900L/h，抽吸泵流量800L/h，进入稳定运行模式。由于浸矿微生物培养过程中容易形成黄钾铁矾，膜组件每隔7-14天取出膜组件，离线清洗一次。

在一个正常培养周期内，用10m³浸没式反应器培养工艺可以获近5760L的2×10¹⁰cell/mL高密度浸矿菌和约46m³的氧化还原电位在650mV的硫酸高铁溶液。而采用传统的培养方法，在相同大小的反应器内只能得到10m³的3×10⁸cell/mL菌液。

实施例4

一种反应器，基本结构如图1-2所示，有效体积300L，膜元件采用江苏蓝天沛尔膜业公司PEIER-80平板膜，膜材料为PVDF，外框架采用ABS材料，平均膜孔0.11-0.12μm，组件膜面积为4m²，培养的菌种为Ferroplasma thermophilum L1(保藏号：CCTCC AB207143)、Acidiplasma cupricumulans(保藏号：DSM 16551T)、Acidiplasma aeolicum(保藏号：DSM18409T)，营养液为(NH₄)₂SO₄ 3g/L、MgSO₄ 0.45g/L、K₂HPO₄ 0.5g/L、KCl 0.1g/L、Ca(NO₃)₂0.01g/L、FeSO₄ 50g/L，pH值调节至1.20，温度控制在50℃，以曝气量50L/min进行充气培养。

将280L营养液和200L含菌量2.0×10⁸cell/mL菌液混合后置于培养池内，控制营养液pH值1.50，温度50℃。曝气培养96小时，Eh值由441mV上升至698mV，细胞浓度达到3.2×10⁸cell/mL。

控制曝气量50L/min，调整期膜组件的运行模式抽吸8min，停止2min，以3L/h流量开启抽吸泵和营养液补给泵，稳定运行1小时后将流量提升至6L/h，在培养液Eh值大于650mV前提下，如此将流量依次提高至9L/h、12L/h、15L/h、18L/h、21L/h、24L/h、27L/h和30L/h等，过程中监测溶液中的细胞浓度和Eh值变化，经过48小时调整期后培养反应器细胞浓度达到5.5×10¹⁰cell/mL。

依据监测的Eh值出现明显下降的流量为最大控制流量，本实验为27L/h，进一步确定膜组件抽吸泵流量为20L/h，逐步开启排泥泵，并通过控制进料泵恒定培养液总体积在300L，以控制反应槽中的细胞浓度在1.5×10¹⁰cell/mL以上，确定最大排泥泵的流量，本实验为5L/h。最终控制排泥流量为3L/h，进料泵流量23L/h，抽吸泵流量20L/h，进入稳定运行模式。由于浸矿微生物培养过程中容易形成黄钾铁矾，膜组件每隔7天清洗一次。

在一个正常培养周期内，用300L浸没式反应器培养工艺可以获近172L的1.5×10¹⁰cell/mL高密度浸矿菌和约1m³的氧化还原电位在650mV的硫酸高铁溶液。而采用传统的培养方法，在相同大小的反应器内只能得到300L的3×10⁸cell/mL菌液。

实施例5

一种反应器，基本结构如图1-2所示，反应器内部衬胶，有效体积30m³，膜元件采用上海斯纳普膜分离科技有限公司的SINAP150平板膜，膜材料为聚偏氟乙烯PVDF，外框架采用ABS材料，平均膜孔<0.1μm，组件膜面积为300m²，膜支架采用316L不锈钢，培养的菌种为Leptospirillum ferriphilum(保藏号：DSM14647)、Leptospirillum ferrooxidans(保藏号：ATCC 49879)、Acidimicrobium ferrooxidans(保藏号：CCTCC AB207038)、Acidiplasmacupricumulans(保藏号：DSM 16651)、Acidithiobacillus caldus(保藏号：CCTCC AB206176)、Acidianus manzaensis(保藏号：CCTCC AB207048)，Alicyclobacillusdisulfidooxidans(保藏号：ATCC51911)、Thermoplasma acidophilum(保藏号：ATCC25905)、Sulfolobus metallicus(保藏号：CCTCC AB207047)和Acidiphilium cryptum(保藏号：ATCC 33463)，营养液为(NH₄)₂SO₄ 2g/L、MgSO₄·5H₂O 0.5g/L、K₂HPO₄ 0.5g/L、KCl0.1g/L、Ca(NO₃)₂ 0.01g/L、FeSO₄·7H₂O 30g/L、S⁰ 1g/L，pH值调节至1.60，温度控制在45℃，以曝气量3000L/min进行充气培养。将27m³营养液和3m³含菌量3.25×10⁸cell/mL菌液混合后置于培养池内，控制营养液pH值1.60，温度45℃。曝气培养96小时，Eh值由441mV上升至680mV，细胞浓度达到3.0×10⁸cell/mL。

控制曝气量5m³/min，调整期膜组件的运行模式抽吸9min，停止1min，以50L/h流量开启抽吸泵和营养液补给泵，稳定运行1小时后将流量提升至50L/h，在培养液Eh值大于650mV前提下，如此将流量依次提高至100L/h、200L/h、400L/h、800L/h、1600L/h、2400L/h、3200L/h和4000L/h等，过程中监测溶液中的细胞浓度和Eh值变化，经过48小时调整期后培养反应器细胞浓度达到3.6×10¹⁰cell/mL。

依据监测的Eh值出现明显下降的流量为最大控制流量，本实验为24000L/h，进一步确定膜组件抽吸泵流量为2000L/h，逐步开启排泥泵，并通过控制进料泵恒定培养液总体积在10m³，以控制反应槽中的细胞浓度在1.5×10¹⁰cell/mL以上，确定最大排泥泵的流量，本实验为450L/h。最终控制排泥流量为300L/h，进料泵流量2300L/h，抽吸泵流量2000L/h，进入稳定运行模式。由于浸矿微生物培养过程中容易形成黄钾铁矾，膜组件每隔14天取出膜组件，离线清洗一次。

在一个正常培养周期内，用30m³浸没式反应器培养工艺可以获近5760L的2×10¹⁰cell/mL高密度浸矿菌和约46m³的氧化还原电位在650mV的硫酸高铁浓溶液。而采用传统的培养方法，在相同大小的反应器内只能得到10m³的3×10⁸cell/mL菌液。

实施例6

一种反应器，基本结构如图1-2所示，有效体积0.2m³，膜元件采用新加坡美能材料科技有限公司的SMM-1010中空纤维帘式膜，膜材料PVDF，膜孔0.1μm，组件膜面积为2m²，培养的菌种为Leptospirillum ferriphilum YSK(保藏号：DSM14647)，Sulfobacillus acidophilus TPY(专利公开号：CN101210225A)，Acidithiobacilluscaldus S2(保藏号：CCTCC AB207044)和Ferroplasma thermophilum L1(保藏号：CCTCCAB207143)，营养液为(NH₄)₂SO₄ 4.5g/L、MgSO₄ 0.6g/L、K₂HPO₄ 0.5g/L、KCl 0.1g/L、Ca(NO₃)₂ 0.01g/L、FeSO₄ 25g/L和S⁰ 1g/L，pH值调节至1.60，温度控制在45℃，以曝气量50L/min进行充气培养。

将180L营养液和20L含菌量1.2×10⁸cell/mL菌液混合后置于膜池内，控制营养液pH值1.60，温度45℃。曝气培养64小时，Eh值由438mV上升至710mV，细胞浓度达到3.8×10⁸cell/mL。

将连续曝气量提升至100L/min，膜组件的运行模式为抽吸8min，停止2min，以3L/h流量开启抽吸泵和营养液补给泵，稳定运行2小时后将流量提升至6L/h，在培养液Eh值大于650mV前提下，如此将流量依次提高至9L/h、12L/h、15L/h、18L/h、21L/h和24L/h等，过程中监测溶液中的细胞浓度和Eh值变化，经过48小时调整期后膜池细胞浓度达到5.08×10¹⁰cell/mL。

依据监测的Eh值出现明显下降的流量为最大控制流量，本实验为18L/h，进一步确定抽吸泵运行流量为12L/h，逐步开启排泥泵，并通过进料泵恒定膜池总体积恒定在0.2m³，以控制反应槽中的细胞浓度在1.5×10¹⁰cell/mL以上，确定最大排泥泵的流量，本实验为4L/h，调节排泥流量为3L/h，进料泵流量15L/h，抽吸泵流量12L/h进入稳定运行模式。由于浸矿微生物培养过程中容易形成黄钾铁矾，以7天为一运行周期对膜进行更换离线清洗。

实施例7

在本发明的稳定运行模式培养期间，在维持细胞浓度为1.0×10¹⁰cell/mL以上的前提下，添加CuSO₄，每隔7小时依次逐步提高营养液中Cu²⁺浓度为10mM、20mM、30mM、40mM、60mM、80mM和100mM等，在100mM铜离子环境压力下，最终稳定抽吸泵流量为8L/h，排泥泵流量1L/h，进料泵流量9L/h。

在一个正常培养周期3天内，用200L反应器培养浸矿菌可以获得57.6L能够耐受100mM铜离子的1.0×10¹⁰cell/mL高密度的浸矿菌和460.8L的氧化还原电位655mV以上的硫酸高铁浓溶液。而采用传统的培养方法，分批次驯化培养可能需要数个月，而且正常培养周期3-7天，也只能获得200L细胞浓度在1.0×10⁸cell/mL左右的菌液。

对比例1

如图4所示，普通的膜生物反应器包括反应筒1、位于反应筒1内的膜元件2、位于反应筒1内的曝气组件3、用于反应筒1进液的进液泵7、抽出膜元件2内液体的抽吸泵5和排出反应筒1底部沉降物的排泥泵6，所述曝气组件3位于膜元件2的旁边而不是底部，排泥泵6抽取沉降物的入口的高度和曝气组件3齐平，没有收集腔11和隔离层4。

将营养液导入膜生物反应器中，调节pH值2.0，温度30℃，接入浸矿微生物Acidithiobacillus ferrooxidans(保藏号：ATCC23270)，曝气培养；待细菌生长达到对数期后，开启膜生物反应器；连续运行获得高密度菌液。在一个正常培养周期内，膜生物反应器阻塞两次，用1m³膜生物反应器培养工艺只能获得6×10⁸cell/mL浸矿菌浓缩液。运行15天，膜清洗8次，且反应器底部积累大量铁钒堵塞菌液排放口，且大量细胞吸附于铁钒颗粒沉降于底部，槽体中的细胞浓度未超过8×10⁸cell/mL。

经过分析，一般的培养方法中，是否开启膜生物反应器的抽吸泵或者排泥泵的指标参数为细菌的生长期或者溶解氧的浓度，难以准确的反应浸矿菌的培养情况，本发明根据浸矿菌的培养情况，采用氧化还原电位值来作为指标参数，能很好的提高浸矿菌的细胞浓度。

本发明锥形收集筒8位于曝气组件3的下方，气流在上冲的过程中会使密度小的沉降物上浮，密度大的物质掉落到锥形收集筒9中被收集，从而增大了细胞浓度。将曝气组件3位于膜元件2的正下方，在曝气的过程中，气流对膜元件2的空隙进行冲击，能有效的解决膜元件2易堵塞的问题。

对比例2

即使普通技术人员在图4的基础上对图4进行改进，将曝气组件3放置在膜元件2正下方，如图5所示，其效果依然不理想。

将营养液导入膜生物反应器中，调节pH值2.0，温度30℃，接入浸矿微生物Acidithiobacillus ferrooxidans(保藏号：ATCC23270)，曝气培养；待细菌生长达到对数期后，开启膜生物反应器；连续运行获得高密度菌液。在一个正常培养周期内，膜生物反应器阻塞一次，用1m³膜生物反应器培养工艺只能获得6×10⁸cell/mL浸矿菌浓缩液。运行15天，膜清洗6次，且反应器底部积累大量铁钒，堵塞菌液排放口，且大量细胞吸附于铁钒颗粒沉降于底部，槽体中的细胞浓度未超过9×10⁸cell/mL。

经过分析，相对于对比例1，这种装置虽然有利于缓解堵塞，但是其实质效果并没有明显改善，铁钒依然会堵塞菌液排放口。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种高效培养浸矿微生物的反应器，其特征在于，包括培养槽(9)、设置在培养槽(9)底部的锥形收集筒(8)、用于培养槽(9)进液的进液泵(7)和排出锥形收集筒(8)底部沉降物的排泥泵(6)；

所述培养槽(9)内设置有至少1个膜组件，所述膜组件包括反应筒(1)、位于反应筒(1)内的膜元件(2)、位于膜元件(2)下方的曝气组件(3)以及设置在曝气组件(3)下方的隔离层(4)，所述反应筒(1)的壁上设置有上部开口的用于收集颗粒物的收集腔(11)；

还包括抽出膜元件(2)内液体的抽吸泵(5)。

2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述隔离层(4)内部设置有连通反应筒(1)内外的通道，所述通道的孔径为2-7mm。

3.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，所述隔离层(4)为聚酯海绵、蜂窝陶瓷或六角蜂窝斜管制成。

4.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，所述培养槽(9)上还设置有抽出培养槽(9)内气体的排气风机(10)，所述曝气组件(3)连通有给曝气组件(3)输送气体的曝气风机(31)。

5.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，所述培养槽(9)或者反应筒(1)为圆柱或方柱形。

6.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，所述膜元件(2)为平板膜、中空纤维膜或管式膜，膜孔径为0.01～0.4μm。

7.一种高效培养浸矿微生物的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将营养液导入反应器的培养槽中，控制pH值至浸矿微生物适宜pH值，控制温度至浸矿微生物适宜的温度，接入浸矿微生物至细胞浓度0.5～5×10⁷cell/mL，以0.05～2.0v/vm曝气量曝气培养；

(2)当反应器中氧化还原电位升至680mV以上或细胞浓度达到1×10⁸cell/mL，开启反应器中膜组件的抽吸泵，同时开启反应器的进液泵，进行连续培养；控制氧化还原电位稳定大于650mV，增大出液和进液流量，最后调节流量至最大流量的50-80％范围内稳定运行；

(3)当细胞浓度达到5×10¹⁰cell/mL时，开启反应器的排泥泵，排出浓缩菌液，连续培养过程中维持反应器的细胞浓度大于1×10¹⁰cell/mL；

(4)收集反应器的排泥泵的浓缩菌液和反应器中膜组件的抽吸泵的排出的硫酸高铁浸出剂。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述营养液包括如下组分：(NH₄)₂SO₄ 1.5～4.5g/L、MgSO₄ 0.25～0.75g/L、K₂HPO₄ 0.25～0.75g/L、KCl 0.05～0.15g/L、Ca(NO₃)₂0.005～0.015g/L、FeSO₄ 10～50g/L和单质硫0～10g/L。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：营养液中还包括胁迫因子，所述胁迫因子为煤油、金属萃取剂、F^-、Cl^-、Br^-、Cr⁶⁺和As³⁺中的一种或多种。

10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：所述浸矿微生物包括钩端螺旋菌属Leptospirillum spp.、铁微菌属Ferrimicrobium spp.、酸微菌属Acidimicrobium spp.、铁原体属Ferroplasma spp.、酸质菌属Acidiplasma spp.、硫杆菌属Acidithiobacillusspp.、硫单胞菌属Thiomonas spp.、金属球菌属Metallosphaera spp.、酸双面菌属Acidianus spp.、硫化杆菌属Sulfobacillus spp.、硫化叶菌属Sulfolobus spp.、脂环酸芽孢杆菌属Alicyclobacillus spp.、热原体属Thermoplasma spp.和嗜酸菌属Acidiphilum spp.中的一种或多种。