CN107858507B - 一种提高硫氧化菌种浸出黄铜矿效率的复合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高硫氧化菌种浸出黄铜矿效率的复合方法，属于生物技术领域。本发明方法，包括在以Starkey‑黄铜矿复合培养基的基础上，培养中后期采用脉冲式补加外源能源底物单质硫，实现对氧化硫硫杆菌的高密度培养；并在细胞接种的同时加入适量单质硫和铁离子，加速浸出的生化反应循环的启动，缩短延滞期，适当提高接种量；在浸出后期维持较低的恒定pH，抑制黄钾铁矾胁迫，并补充加入硫氧化菌种细胞，改善硫代谢的同时促进铁代谢，进而改善浸出微环境。本发明方法可以更高效培养硫氧化菌种、缩短浸出的延滞期，并更好的维持浸出微环境活跃的生化反应状态，从而提升浸出率，并且操作简单易行，适于类似生物浸出过程的大规模推广应用。

Description

一种提高硫氧化菌种浸出黄铜矿效率的复合方法
技术领域
本发明涉及一种提高硫氧化菌种浸出黄铜矿效率的复合方法，属于生物技术领域。
背景技术
由于缺乏合理有效的开采方法以及传统冶炼的高成本，低品位的矿石大部分丢弃和浪费，进而导致环境的重金属污染。伴随高品位富矿的开采量增大和储备量的下降，更有效的利用品位矿石变得愈来愈迫切。而黄铜矿是储量最丰富的铜矿资源，但通常品位偏低、结构复杂，常规高温冶炼难以实现其经济价值，使得这种必然性在铜矿资源的开采上显得更为重要。与传统的火电冶炼相比，生物浸出具有运行简单、基础设施投资低以及环境污染低等优点，已经成为废弃矿石金属资源循环利用的绿色技术之一。
由于大多金属矿物中，尤其是硫化矿物常伴随较高比例的硫元素，使得硫氧化菌种成为浸出过程的关键微生物之一。以黄铜矿为例，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。由此得知，活跃的硫代谢对黄铜矿浸出过程非常重要。但是由于化能自养菌的生长速率较慢，尤其是对由于黄铜矿的晶体结构，致密性较强，利用效率低下，大致细胞培养效率偏低，需要借助外源手段干预调控该类微生物的生物浸出过程。
因此，进一步探索新的提高硫氧化菌种的生物浸出方法，从提升硫杆菌的微生物效能方面着手，对于改善生物浸出过程的硫代谢活跃度，最终提升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，提供一种提高硫氧化菌种生物浸出的复合方法，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提高硫氧化菌种生物浸出的复合方法，所述方法是将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，并适当提高接种量以及在接种的同时加入适量的铁离子和单质硫；在浸出的中期控制恒定较低的pH，并补充加入硫氧化菌种细胞。
在本发明的一种实施方式中，所述黄铜矿复合培养基是在Starkey基础培养基中添加2～4％(w/v)贫黄铜矿。
在本发明的一种实施方式中，所述硫氧化菌种细胞是将硫氧化菌种在Starkey复合培养基中培养，培养过程中补加单质硫；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硫氧化菌种细胞。
在本发明的一种实施方式中，所述Starkey复合培养基包括三部分：第一部分为Starkey基础培养基；第二部分：单质硫3～5g/L；第三部分0.5～2％(w/v)贫黄铜矿；第一部分和第二部分灭菌混合后调节pH至1.0～3.0。
在本发明的一种实施方式中，所述培养过程中补加单质硫是当复合培养基中当还原态硫低于初始浓度时，补加1～2g/L单质硫，多次补料后菌体浓度出现下降时结束补料。
在本发明的一种实施方式中，所述低速离心是指2000rpm；高速离心是指8000rpm。
在本发明的一种实施方式中，所述的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，初始细胞浓度为1.0～5.0×107个/mL。
在本发明的一种实施方式中，所述接种的同时加入适量的铁离子和单质硫是指在接种的同时加入1.5～2.5g/L铁离子和0.5～1.5g/L单质硫。
在本发明的一种实施方式中，所述在浸出的中期控制恒定较低的pH是指控制浸出体系酸度维持在恒定pH 0.5～1.5。
在本发明的一种实施方式中，所述硫氧化菌种为氧化亚铁硫杆菌CCTCC M2012104(Acidithiobacillus thiooxidans ZJJN)，筛得于生物浸出铜矿的酸性废液。
在本发明的一种实施方式中，所述方法具体是：(1)将硫氧化菌种接种到Starkey-复合基础培养基培养中，当还原态硫低于5g/L时，补加1g/L单质硫，同时添加2mL的Starkey基础培养基，经3次补料后，当菌浓再次出现下降趋势的时候结束培养过程；(2)在2000r/min下离心除去大部分未利用的硫渣及矿物沉淀，将获得的上清液采用8000r/min离心收集细胞，然后加入新鲜Starkey基础培养基将细胞重新悬浮，振荡处理，采用2000r/min下离心除去残余的硫和矿物沉淀，将获得的上清液采用8000r/min收集细胞；(3)采用黄铜矿复合培养基进行生物浸出黄铜矿，温度30℃，摇床转速170rpm，通过接种控制初始细胞浓度5.0×107个/mL，并加入2.0g/L铁离子和1.0g/L单质硫，浸出30天；其中在浸出开始后15d开始，控制浸出体系酸度维持在恒定pH 1.0，并且每隔3天补加5.0×107个/mL按步骤(2)收集的硫氧化菌种细胞。
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。
本发明有益效果：
本发明实现了硫氧化菌种的高密度培养，在快速提升了硫氧化菌种的细胞浓度同时，缩短了延滞期时间，加强了铁和硫代谢，并通过后期的恒定强酸降低铁矾钝化威胁，提升了黄铜矿的浸出效率。发明人应用多株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％。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是提高硫氧化菌种生物浸出黄铜矿的工艺流程图。
具体实施方式
实施例1氧化硫硫杆菌的高密度培养及不含硫渣和矿渣的细胞收集
Starkey复合培养基包括三部分，第一部分含有(NH4)2SO4 0.3g，KH2PO4 3.0g，MgSO4·7H2O 0.5g，CaCl2 0.25g，Fe2(SO4)3·7H2O 0.018g，H2O 1000mL；第二部分：单质硫5g/L；第三部分0.5％(w/v)贫黄铜矿；第一部分和第二部分灭菌混合后调节pH至2.0。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。然后将两部分混合后摇匀，用2mol/L的盐酸调节溶液的pH至2.0。将氧化硫硫杆菌ZJJN接种到Starkey复合基础培养基培养。当Starkey复合培养基中当还原态硫低于5g/L时，补加1g/L单质硫，多次补料后菌体浓度出现下降时结束补料。氧化硫硫杆菌的不同培养模式参数对比如表1。
生物量从常规分批培养的1.3×108个/mL提高至3.0×108个/mL，生产强度则显著提升至常规培养的2.27倍。培养至对数期末期，采用低速离心(2000r/min)除去大部分硫渣及其他沉淀。将获得的上清液采用高速离心(8000r/min)收集细胞。加入新鲜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。上述结果均表明，通过氧化硫硫杆菌的高效培养，在培养过程很好的保证了细胞浓度的持续上升，为后续浸出提供了足够生物量。
表1氧化硫硫杆菌的不同培养模式参数对比
实施例2浸出前期适当补充铁离子和单质硫缩短延滞期
黄铜矿复合培养基是采用Starkey基础培养基(配方(NH4)2SO4 0.3g，KH2PO4 3.0g，MgSO4·7H2O 0.5g，CaCl2 0.25g，Fe2(SO4)3·7H2O 0.018g，H2O 1000mL)，控制黄铜矿浆浓度为2.0％；温度30℃，摇床转速170rpm，通过接种控制初始细胞约5.0×107个/mL。在浸出体系的接种过程中加入2.0g/L铁离子和2.0g/L单质硫(接种量为5.0×107个/mL)，浸出过程的菌体生长的关键参数和浸出结果如表2所示。最大比生长速率由0.40d-1提高至0.52d-1，而达到比生长速率最大值所需的时间则由11.5d缩减至9.5d。添加2.0g/L Fe3+和1.0g/L单质硫获得了最大的浸出的铜离子浓度(如表2所示)。该结果表明，接种后的浸出前期，矿物中的能源底物还未能得到释放，菌种很难获取足够的营养，导致较长的延滞期。而加入适量的铁离子，可以氧化黄铜矿，释放出还原态硫供硫氧化菌种生长，同时活跃铁代谢，缩短延滞期的耗时，更快的步入浸出稳定阶段。然后如果补充亚铁离子过多，如4.0g/L，尽管前期菌种生长更快，但是会导致后期产生较多的黄钾铁矾，反而降低浸出效果。同时，如补充过多的单质硫，如2.0g/L，也会导致菌种对矿物本身的能源底物利用效率偏低，导致浸出效果不佳。因此，添加2.0g/L Fe3+和1.0g/L单质硫是协助提高硫氧化生物浸出效率的更佳选择。
表2采用不同启动方式生物浸出关键参数比较
实施例3恒定pH的耦联脉冲式补加硫氧化菌种细胞强化浸出后期铁/硫代谢
由于前期引入部分的铁离子，增强了铁代谢的同时，后期会产生黄钾铁矾，覆盖于矿物表面将使浸出无法进行，是黄铜矿生物浸出率偏低的关键因素。在浸出开始后15d开始(其他步骤与实施例2的添加2.0g/LFe3+和1.0g/L单质硫体系一致)，每天采用6mol/L盐酸调节浸出液的pH至1.0，维持较为稳定的酸性环境，减少黄钾铁矾的生成。与此同时，每隔三天添加5.0×107个/mL的氧化硫硫杆菌细胞，可持续强化浸出过程的生物效应，增强硫代谢同时产生的氢离子也可抵御后期的钝化胁迫，进而增强铁代谢的活跃度。采用恒定pH的耦联脉冲式补加硫氧化菌种强化浸出后期硫代谢结果如表3。无处理的对照体系的浸出后期最大铁离子浓度仅为0.56g/L，最大硫酸根离子浓度为2.89g/L。而耦联工艺体系中酸性环境增强，抑制了黄钾铁矾的生成，铁离子浓度提高至1.32g/L，这也意味着铁代谢得到很好的强化；与此同时硫酸根离子浓度提高至3.68g/L，说明脉冲式流加细胞在浸出后期提升了硫代谢的活跃度，最终的铜离子浓度提升至29.8mg/L，比无任何处理的对照体系(22.5mg/L)提高了32％。
结果表明，通过以上一系列耦联工艺处理，适当的缩短了延滞期，并在后期抑制了黄钾铁矾的生成，并通过脉冲式补加细胞提升了硫代谢活跃度。以上工艺可有效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，进而提升“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。
表3不同浸出模式强化浸出后期铁/硫代谢的关键参数对比
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)

1.一种提高硫氧化菌种生物浸出的复合方法，其特征在于，所述方法是硫氧化菌种在Starkey复合培养基中培养，培养过程中补加单质硫；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硫氧化菌种细胞；将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，并接种控制初始细胞浓度为1.0～5.0×107个/mL以及在接种的同时加入适量的铁离子和单质硫；在浸出的中期控制浸出体系酸度维持在恒定pH 0.5～1.5，并补充加入硫氧化菌种细胞；所述接种的同时加入适量的铁离子和单质硫是指在接种的同时加入1.5～2.5g/L铁离子和0.5～1.5g/L单质硫；所述黄铜矿复合培养基是在Starkey基础培养基中添加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Starkey复合培养基包括三部分：第一部分为Starkey基础培养基；第二部分：单质硫3～5g/L；第三部分0.5～2％w/v贫黄铜矿；第一部分和第二部分灭菌混合后调节pH至1.0～3.0。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述培养过程中补加单质硫是当复合培养基中当还原态硫低于初始浓度时，补加1～2g/L单质硫，多次补料后菌体浓度出现下降时结束补料。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的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，初始细胞浓度为1.0～5.0×107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：(1)将硫氧化菌种接种到Starkey-复合基础培养基培养中，当还原态硫低于5g/L时，补加1g/L单质硫，同时添加2mL的Starkey基础培养基，经3次补料后，当菌浓再次出现下降趋势的时候结束培养过程；(2)在2000r/min下离心除去大部分未利用的硫渣及矿物沉淀，将获得的上清液采用8000r/min离心收集细胞，然后加入新鲜Starkey基础培养基将细胞重新悬浮，振荡处理，采用2000r/min下离心除去残余的硫和矿物沉淀，将获得的上清液采用8000r/min收集细胞；(3)采用黄铜矿复合培养基进行生物浸出黄铜矿，温度30℃，摇床转速170rpm，通过接种控制初始细胞浓度5.0×107个/mL，并加入2.0g/L铁离子和1.0g/L单质硫，浸出30天；其中在浸出开始后15d开始，控制浸出体系酸度维持在恒定pH 1.0，并且每隔3天补加5.0×107个/mL按步骤(2)收集的硫氧化菌种细胞。
6.权利要求1所述方法在黄铜矿浸出中的应用。
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