CN107794368B - 一种基于微生物生长和化学调控增强黄铜矿浸出的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微生物生长和化学调控增强黄铜矿浸出的方法，属于生物技术领域。本发明包括将纯培养的铁氧化菌种和硫氧化菌种细胞接种至黄铜矿复合培养基，进行生物浸出黄铜矿，浸出中期补加适量的亚铁和铁离子，补充由于黄钾铁矾生成导致的铁氧化剂匮乏，并为铁氧化菌种补充能源底物；同时调控恒定pH并补加适量的单质硫，改善硫代谢的同时，增强了酸度，抑制黄钾铁矾的生成；并按适当比例逐步加入纯培养过程收集的铁氧化菌种和硫氧化菌种的细胞，改善生物浸出过程的微生物的生长，优化微生物群落结构，以及铁和硫代谢活跃度，进而改善浸出微环境。该方法操作简单、对设备要求低，适于类似生物浸出过程的大规模推广应用。

Description

一种基于微生物生长和化学调控增强黄铜矿浸出的方法
技术领域
本发明涉及一种基于微生物生长和化学调控增强黄铜矿浸出的方法，属于生物技术领域。
背景技术
相比于传统高温冶炼方式，生物浸出提炼低品位矿物中的金属离子具有基础建设投入少、操作简单、运行成本低等优势，已成为提炼废弃矿石金属资源的绿色工艺技术。以铜金属为例，其储量最丰富的黄铜矿通常偏低，常规高温冶炼的高成本，难以实现其经济价值。然而其成分复杂、晶体结构致密，在生物浸出过程也存在浸出周期长、效率偏低等问题，因此，开发新的提高黄铜矿浸出效率的工艺也是势在必行。
生物浸出是微生物和矿物相互反应的生化过程，其主要功能微生物为铁氧化菌种和硫氧化菌种。在黄铜矿的浸出中，铁氧化菌种可氧化浸出体系中的亚铁，产生铁离子，作为氧化剂攻击黄铜矿，释放亚铁离子和铜离子。硫氧化菌种可氧化黄铜矿物中的还原态硫，生成氢离子，氢离子则会继续氧化黄铜矿生成铜离子，释放到溶液中。因此，浸出过程该类微生物的生长非常重要。而由于黄铜矿浸出过程，化学参数的不断波动，使得铁氧化和硫化菌种的比例在整个浸出过程中也不断演替。如何更好的平衡在不同阶段的铁氧化和硫化菌种的微生物比例，使其在浸出过程发挥最大的效能，则需要根据浸出过程微生物的生长和化学参数的变化，借助外源手段干预调控该类功能微生物的浸出进程。
因此，进一步探索基于微生物生长和化学调控增强黄铜矿浸出的方法，从提升铁氧化和硫氧化菌的微生物效能方面着手，对于改善生物浸出过程的微生物的生长以及铁和硫代谢活跃度，最终提升黄铜矿浸出效率具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的主要目的就是针对以上存在的问题与不足，提供一种基于微生物生长和化学调控增强黄铜矿浸出的方法，该方法操作简单、效果明显，适于大规模推广应用。
本发明的第一个目的是提供一种基于微生物生长和化学调控增强黄铜矿浸出的方法，所述方法是将铁氧化菌种和硫氧化菌种细胞接种至黄铜矿复合培养基中，进行生物浸出黄铜矿，浸出中期补加适量的亚铁和铁离子；同时调控恒定pH并补加适量的单质硫；并按适当比例逐步加入铁氧化菌种和硫氧化菌种的细胞。
在本发明的一种实施方式中，所述黄铜矿复合培养基是在9K基础培养基和Starkey基础培养基混合培养基中添加2～4％(w/v)贫黄铜矿。
在本发明的一种实施方式中，所述9K基础培养基和Starkey基础培养基混合培养基是由9K基础培养基和Starkey基础培养基按照1:2～2:1的比例混合而成。
在本发明的一种实施方式中，所述生物浸出黄铜矿的培养条件为pH为1.0～3.0，培养温度为28～35℃，转速为150～200rpm，浸出时间为30～50天。
在本发明的一种实施方式中，所述方法中铁氧化菌种和硫氧化菌种接种后初始菌体浓度均在2～3×107个/mL。
在本发明的一种实施方式中，所述浸出中期开始补加适量的亚铁和铁离子是指浸出中期按照0.5～1.5g/L加入亚铁离子和按照0.5～1.5g/L加入铁离子。
在本发明的一种实施方式中，所述同时调控恒定pH并补加适量的单质硫，是指浸出中期控制浸出体系酸度维持在恒定pH 0.5～1，并补加0.5～1.5g/L单质硫。
在本发明的一种实施方式中，所述按适当比例逐步加入铁氧化菌种和硫氧化菌种的细胞是指从浸出中期开始，铁氧化菌种与硫氧化菌种的细胞按照1:1～2的比例混合，每隔1～3天脉冲式加入混合后的铁氧化菌种和硫氧化菌种的细胞，直至浸出结束。
在本发明的一种实施方式中，所述铁氧化菌种的细胞是指将铁氧化菌种培养在9K培养基中，培养结束后先低速离心除去大部分未利用完全的铁矾沉淀，获得的上清液采用高速离心收集细胞，再使用新鲜9K基础培养基将细胞重新悬浮，振荡，采用低速离心除去残余的铁矾沉淀，将获得的上清液采用高速离心收集得到不含铁矾的细胞，用于后续接种。
在本发明的一种实施方式中，所述硫氧化菌种的细胞是指将硫氧化菌种培养在Starkey培养基中，培养结束后先低速离心除去大部分未利用完全的单质硫沉淀，获得的上清液采用高速离心收集细胞，再使用新鲜Starkey基础培养基将细胞重新悬浮，振荡，采用低速离心除去残余的单质硫沉淀，将获得的上清液采用高速离心收集得到不含硫渣的细胞，用于后续接种。
在本发明的一种实施方式中，所述低速离心是指2000rpm；所述高速离心是指8000rpm。
在本发明的一种实施方式中，所述铁氧化菌种为氧化亚铁硫杆菌CUMT-1，硫氧化菌种为氧化硫硫杆菌ZJJN；氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillusferroxidans)CUMT-1为中国矿业大学赠予，相关文章发表于工业微生物，2011，41(4)，“嗜酸氧化亚铁硫杆菌的高效培养及浸出黄铜矿初探”；氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans)ZJJN筛选于工业生物堆浸硫化矿的浸出液，保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏编号为CCTCC NO：M2012104。
在本发明的一种实施方式中，所述方法具体是：将铁氧化菌种和硫氧化菌种细胞接种至9K基础培养基和Starkey基础培养基按照1:1混合后加入2％(w/v)贫黄铜矿的黄铜矿复合培养基中，进行生物浸出黄铜矿，浸出中期按照1.0g/L加入亚铁离子和按照1.0g/L加入铁离子。；同时将pH控制为0.7，并补加1.0g/L的单质硫；并每隔2天脉冲式加入按1:2比例混合的铁氧化菌种和硫氧化菌种的细胞，直至浸出结束。
本发明的第二个目的是提供所述方法在黄铜矿浸出中的应用。
本发明的有益效果：
本发明采用典型浸矿微生物，氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌浸出黄铜矿。针对浸出中后期的黄钾铁矾钝化导致的氧化剂铁离子的损失，采用补加适量亚铁和三价铁离子的策略促进铁的代谢的同时增强铁氧化菌种-氧化亚铁硫杆菌的微生物生长。针对中后期的黄钾铁矾和硫膜形成会阻碍硫代谢，从而抑制浸出的现象，通过pH-stat/S°调节加强硫氧化菌种对硫的氧化利用，产生更多的氢离子也有助于溶解黄钾铁矾沉淀。针对营养逐渐贫瘠引起的功能微生物细胞浓度下滑现象，通过按适当的比例，逐步补加氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌细胞策略直接调控微生物群落结构，适度平衡微生物群落结构和促进微生物二次生长。通过以上的整合策略，维持了浸出过程生物和化学浸出性能之间更好的平衡，有效减弱了黄钾铁矾等钝化效应，改善了黄铜矿的生物浸出过程。
本发明实现了通过调整浸出中后期的微生物的生长和化学状态，削弱黄钾铁矾钝化效应，更好地维持了微观生物学效应与铁/硫代谢的浸出效能权衡，改善了低品位黄铜矿的生物浸出过程。这种新颖的策略在类似生物浸出过程的商业化应用中可能具有巨大的潜力。发明人应用多株铁氧化菌种和硫氧化菌种进行试验，发现本发明方法具有普适性，以嗜酸硫杆菌属CCTCC M2012104、氧化硫硫杆菌ZJJN为硫氧化菌种时，采用本发明方法可将浸出效率提高30％以上。此外，本发明方法操作简单易行、对设备要求低，提升同类的生物浸出过程提供了一种新的技术方法。
附图说明：
图1是基于微生物生长和化学调控增强黄铜矿浸出的工艺流程图。
具体实施方式
9K基础培养基成分：(NH4)2SO43.0g/L、K2HPO40.5g/L、MgSO4·7H2O 0.5g/L、KCl0.1g/L、Ca(NO3)20.01g/L。
Starkey基础培养基：含有(NH4)2SO40.3g，KH2PO43.0g，MgSO4·7H2O 0.5g，CaCl20.25g，Fe2(SO4)3·7H2O 0.018g，H2O 1000mL。
实施例1浸出中期不同亚铁和铁离子添加增强黄铜矿浸出
黄铜矿复合培养基包括两部分，第一部分：采用500mL9K基础培养基和500mlStarkey基础培养基混合；第二部分2％(w/v)贫黄铜矿。矿样取自于安徽铜陵山矿区，经初步破碎并采用钢筛过滤，矿石粒径约为<48μm。第一部分采用高压蒸汽灭菌法于121℃下灭菌20min。灭菌混合后调节pH至2.0。浸出条件为温度30℃，摇床转速170rpm，浸出40天。将分别在9K培养基和Starkey基础培养基纯培养的氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌细胞收集。培养至对数期末期，采用低速离心(2000r/min)除去铁矾沉淀和硫渣。将获得的上清液采用高速离心(8000r/min)收集细胞。加入新鲜9K或Starkey基础培养基将细胞重新悬浮，振荡处理，采用低速离心(2000r/min)除去残余的硫渣和矿渣沉淀，将获得的上清液采用高速离心(8000r/min)收集细胞。
考虑到黄钾铁矾形成过程中活化氧化剂的损失，在浸出中期采用不同的补充氧化剂的方式，如表1所示。与对照体系相比，外源添加铁离子和亚铁离子浸出系统的铁离子浓度由0.4g/L分别提升0.7g/L、1.2g/L和1.3g/L，这说明铁代谢显著增强。硫酸根离子浓度从3.15g/L略微增加到3.32g/L、3.45g/L和4.2g/L。通过更强的铁代谢积累更多的颗粒硫，进而促进硫代谢，最终提供更多的能源底物，可供浸矿微生物生长需要。调控体系的生物量也得到一定程度提升，更多的能源底物来源促进了微生物生长。然而最大的浸出效率出现在1g/LFe3+/Fe2+的体系，达到71.2mg/L。这可能是因为过多的引入外源铁离子参与黄钾铁矾形成，这反过来又抑制了后来的生物浸出性能。因此，1g/L Fe3+/Fe2+的外源添加量被确定用于促进浸出中后期的铁代谢。
表1浸出中期不同外源氧化剂添加方式的关键参数对比
实施例2浸出中期不同pH和外源单质硫调控黄铜矿浸出
强酸控制通常被认为是重新溶解黄钾铁矾沉淀和释放活化的铁离子的有效策略。在同时含有铁氧化菌种和硫氧化菌种的混合浸出体系，单独的强酸控制及时增大了对强酸适应能力更强的硫氧化菌的比例，也不能及时提供足够的营养满足其快速上涨的需要。因此，还需要考虑补加适量的外源单质硫作为能源底物，如表2所示。pH-stat 0.7、pH-stat0.7+1g/L S、pH-stat 0.7+2g/L体系的铁离子浓度分别显着提高到0.89、1.02和0.75g/L，表明黄钾铁矾沉淀在一定程度上溶解。有了外源单质硫的添加，由于强酸调控导致的生物量损失得到一定的抑制，仅由对照体系的2.25×108下降到2.02×108cells/mL，甚至在pH-stat 0.7+2g/L S的体系轻微提升至2.35×108cells/mL。尽管生物量较高，但pH-stat 0.7+2g/L S体系的最终铜离子浓度为62.1mg/L，甚至低于pH_stat 0.7系统的69.8mg/L。在2g/L S体系中产生过量硫酸根离子，形成黄钾铁矾，又会抑制后期的生物过程。因此，pH-stat0.7+2g/L S被用于活跃浸出过程的铁硫代谢和微生物生长。
表2不同调控pH和外源单质硫添加方式下生物浸出关键参数比较
实施例3微生物群落结构调控强化黄铜矿浸出
采用直接外源干预微生物群落结构式另一种减弱黄铜矿生物浸出中后期胁迫现象严重的方法。由于增强对硫利用效率更高的硫杆菌的比例可更多的利用矿物表面累计的硫膜，并贡献酸度抑制黄钾铁矾生成，因此采用了三种方案调控微生物群落结构，纯硫氧化菌种细胞、硫氧化菌种和铁氧化菌种的混合细胞补加的方式调控混菌的比例。铁离子分别升高到0.89、0.92和0.83g/L，硫酸根离子从对照体系的3.15g/L升高到3.87、3.65和3.76g/L。最终生物量分别达到3.08×108、3.51×108和3.43×108个细胞/mL。调控体系中的浸出铜离子也显著增强，最高的浸出效果出现在1:2的比例体系。原因为纯硫氧化菌种或混合菌株(比例为3:1)的外源细胞添加，导致硫和铁代谢之间的平衡被过度破坏，这是不利于不同能源底物类型的浸矿菌之间的微生态协作效应的发挥。因此，铁氧化菌种：硫氧化菌种1:2比例的细胞添加被选用于后续的整合策略。
表3不同调控pH和外源单质硫添加方式下生物浸出关键参数比较
实施例4基于微生物生长和化学整合策略调控增强黄铜矿浸出
通过以上最优的条件建立的整合策略(1g/L Fe3+/Fe2+；pH-stat 0.7+1g/L S0；铁氧化菌：硫氧化菌1:2)，有效的在进初中后期抑制了黄钾铁矾的生成，并通过脉冲式补加铁和硫氧化细菌的细胞同步提升了铁/硫代谢活跃度，促进了两类菌体在浸出后期的生长，改善了微生物群落结构，也更有利于不同能源底物类型的浸矿微生物之间的协作。不仅在增强生物浸出过程的“直接接触”浸出机制，更好地利用矿石中铁、硫等能源物质，还提升“间接接触”机制效率，较长时期内维持浸出微环境较高的生化反应活跃度，进而提升生物浸出效率。相比于对照体系，最终浸出效率提升了约40％。
表4基于微生物生长和化学整合策略调控增强黄铜矿浸出的关键参数对比
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种基于微生物生长和化学调控增强黄铜矿浸出的方法，其特征在于，所述方法是将铁氧化菌种和硫氧化菌种细胞接种至黄铜矿复合培养基中，进行生物浸出黄铜矿，浸出中期按照0.5～1.5g/L加入亚铁离子和按照0.5～1.5g/L加入铁离子；同时控制浸出体系酸度维持在恒定pH 0.5～1，并补加0.5～1.5g/L单质硫；并按铁氧化菌种与硫氧化菌种的细胞按照1:1～2的比例混合，每隔1～3天脉冲式加入混合后的铁氧化菌种和硫氧化菌种的细胞，直至浸出结束；所述黄铜矿复合培养基是在9K基础培养基和Starkey基础培养基混合培养基中添加2～4％w/v贫黄铜矿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述9K基础培养基和Starkey基础培养基混合培养基是由9K基础培养基和Starkey基础培养基按照1:2～2:1的比例混合而成。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物浸出黄铜矿的培养条件为pH为1.0～3.0，培养温度为28～35℃，转速为150～200rpm，浸出时间为30～50天。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中铁氧化菌种和硫氧化菌种接种后初始菌体浓度均在2～3×107个/mL。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法具体是：将铁氧化菌种和硫氧化菌种细胞接种至9K基础培养基和Starkey基础培养基按照1:1混合后加入2％w/v贫黄铜矿的黄铜矿复合培养基中，进行生物浸出黄铜矿，浸出中期按照1.0g/L加入亚铁离子和按照1.0g/L加入铁离子；同时将pH控制为0.7，并补加1.0g/L的单质硫；并每隔2天脉冲式加入按1:2比例混合的铁氧化菌种和硫氧化菌种的细胞，直至浸出结束。
6.权利要求1所述方法在黄铜矿浸出中的应用。
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