CN107881081A - 一种浸矿微生物连续扩大培养装置及其培养方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种浸矿微生物连续扩大培养装置，培养装置包括筒体，筒体包括依次连接的可收集溢流排出料液的上筒体、可连续扩大培养微生物的中筒体和可收集排出沉淀物的下筒体连接组成，中筒体的内部设有可拆卸的多层填料组件，多层填料组件由多层的填料箱体和装载于填料箱体内的填料组成，多层填料组件的下方设有加热装置、营养液分布盘和设于营养液分布盘下方的曝气装置。该培养装置，设计简单，可以实现连续培养，提高成熟菌液的微生物浓度，在维持高浓度菌液连续生产的同时有效缓解了反应器内菌种的流失问题，提高了浸矿微生物的培养效率，具有安全高效、占地小、功耗低、操作简单且容易可以实现多个培养装置组合培养等特点。

Description

一种浸矿微生物连续扩大培养装置及其培养方法
技术领域
本发明属于生物冶金技术领域，尤其涉及一种浸矿微生物连续扩大培养装置及其培养方法。
背景技术
生物冶金技术是以湿法冶金和微生物学为基础的交叉学科，是选冶领域发展最快的一项新技术，具有能处理低品位复杂矿石、反应温和、经济安全和低碳环保等优势，拥有广阔的工业应用前景。该技术是利用矿区广泛存在的极端嗜酸性铁硫氧化细菌与矿石中的硫化矿物作用将矿物溶解，有价值的金属元素保留在浸出渣中或以离子形态进入溶液，再通过富集、分离和提取等工艺成为可供销售的工业产品，已成功用于低品位铜、金、铀矿石的浸出。然而，生冶金工业化应用却往往受到微生物扩大培养的制约，因其菌液产量往往达不到堆浸或搅拌浸出的需求。工业化实施中，不仅在浸矿细菌转入堆浸场或浸出反应器前的接种过程需要大量浸矿微生物，在生物浸出过程调控也需要补充大量的浸矿微生物。因此，浸矿菌种的工业化培养是生物冶金技术的一项核心内容。
目前，工业化的细菌放大培养最常见的方法主要包括细菌培养池培养、搅拌槽培养和气升式反应器培养等。（1）培养池培养是在池中加入微生物及其营养液进行曝气培养，存在受天气影响大、占地面积大、微生物生长速率慢、效率低、调控难等缺点。专利CN1121116A公开了一种生物冶金微生物放大培养装置，主要有三级放大培养装置和送气装置组成，工业上能实现菌液的扩大培养，但该装置培养的细菌浓度较低、周期较长、培养工序复杂。（2）搅拌装置培养，相对于细菌池培养，在传质传热、条件控制、培养效率方面具有不可比拟的优势，但该装置培养微生物的能耗相对较高，过高的搅拌速率对微生物有较高的剪切作用，不利于微生物的生长。中国专利CN203683622 U公开了一种用于浸矿微生物放大培养的搅拌反应槽，该反应槽能有效解决实验室采用摇瓶、烧杯培养微生物传质传热等问题，但难以满足工业化的培养需求。（3）有采用气升式反应器培养浸矿微生物，但该反应器高径比一般大于3，对反应器的耐腐蚀能力及抗压能力要求较高，成本较高。美国专利US20110045581 A 浸矿微生物的气升式培养反应器，反应器主体包括反应区、气液分离区和固体沉降区，实现了浸矿铁硫氧化微生物的高效培养，但该反应装置仍然具有微生物流失大、曝气强度高、反应器高径比大等问题。专利CN101016584公开了一种多导流筒气环流生物反应器，具有搅拌柔和、对细胞损伤小、传质效果好、结构简单，矿砂沉积现象不明显等优点，但该反应器需要严格控制曝气的均匀性，形成的铁钒沉淀不易排出。以上的传统培养均为粗放开放式的培养，微生物的生长速率本身也不高，导致占地体面积大，培养效率低等问题。
此外，也有一些新型反应器，专利CN202379992 U公开了一种用于微生物浸出的槽浸反应器，将搅拌槽和气升式反应器相结合，在低剪切力的同时实现了气液高效传质，促进了微生物的生长和繁殖，大大提高了生物浸出效率。专利CN202039060 U公开了一种生物浸出基础工业化应用过程中使用的浸矿细菌放大培养反应器，主要特点是在气升式反应器上端添加了气液交换器，适合多种环境条件下浸矿细菌的培养，具有安全高效、能耗低、操作简单和适应性强等特点。但这些技术尚没有考虑连续培养过程中的细胞流失和细胞生长之间的平衡关系，尤其是浸矿微生物体系中的黄钾铁矾形成问题，最终导致培养效率难以进一步提高。
因此，研发一种综合改善以上不足的高效浸矿微生物反应器，对本领域来说具有十分重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，针对现有浸矿微生物工业化培养难的问题，提供一种用于维持高浓度菌液连续生产的同时可有效缓解反应器内菌种流失的浸矿微生物连续扩大培养装置及其培养方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为提供一种浸矿微生物连续扩大培养装置，所述培养装置包括筒体，所述筒体包括依次连接的可收集溢流排出料液的上筒体、可连续扩大培养微生物的中筒体和可收集排出沉淀物的下筒体，所述中筒体的内部设有可拆卸的多层填料组件，所述多层填料组件包括多层填料箱体和装载于填料箱体内的填料，所述多层填料组件的下方设有加热装置、营养液分布盘和设于所述营养液分布盘下方的曝气装置。
通过曝气装置不仅实现了微生物的生长提供氧气和二氧化碳，还充分利用气体上升作用带动液体流动，提高了传质效果，同时使填料随气流移动，避免造成堵塞。填料组件实现微生物在培养装置内的固定化培养，减少了微生物在连续培养过程中的流失，进一步提高了微生物培养的效率，同时采用的分层填料组件容易实现填料的更换与新一轮的挂膜生长，延长了反应器的连续运行周期，且接种扩培更加方便。培养装置顶部溢流设计可以对大颗粒物进行重力沉降，菌体和浸出剂由顶部流出系统，培养装置结构紧凑，培养效率高于一般的曝气池培养。
浸矿微生物连续扩大培养装置的内部设有可拆卸的多层填料组件具有如下优势：1）形成多层流化床体系，部分微生物形成生物膜，固定培养，另一部分微生物悬浮培养，脱落的固定培养的微生物可以作为悬浮培养微生物的菌种来源；2）采用多层培养，老化的填料容易替换，拆卸方便；3）多层培养可以提高培养装置中气体的利用效率，气体流程更长。
上述的浸矿微生物连续扩大培养装置，优选的，所述多层填料组件包括至少两层填料箱体堆叠，所述填料箱体底部开设有孔径小于填料的孔。
优选的，所述填料为悬浮生物填料，所述悬浮生物填料为聚氨酯海绵球填料、高密度聚乙烯填料和聚丙烯填料中的一种或多种填料；所述多层填料组件的填料箱体通过支撑固定件可拆卸式支撑固定在中筒体的内壁上。
优选的，所述多层填料组件的上方设有填料组件盖板，所述填料组件盖板上设有若干孔径为5~8mm的孔。
优选的，所述营养液分布盘为环形分布盘，所述营养液分布盘的一端穿过筒体与筒体外部的进料口连接；所述加热装置为带温控的加热管；所述曝气装置为管式微孔曝气器。环形分布盘的进料更加均匀。
优选的，所述中筒体的顶端设有锯齿状的溢流堰装置，所述溢流堰装置中空式内嵌于上筒体的底端；所述中筒体的底端侧壁上设有采样口；所述中筒体的外壁设有保温夹套层。溢流堰装置具有维持板上液层及使液体均匀溢出的作用，提高培养效率；采样口便于定期取样观察微生物的生长情况。
优选的，所述上筒体的顶端设有顶盖和观察窗，所述顶盖上设有顶盖出气口，所述上筒体的底端侧壁上设有料液出口。顶盖可以保证微生物培养过程与外界的适当隔离，观察窗便于事实监控料液收集情况。
优选的，所述下筒体为锥形漏斗下筒体，其漏斗底端设有排渣口；所述下筒体的外壁包裹有保温隔热材料。锥形漏斗下筒体为黄钾铁矾沉淀收集区，脱落的黄钾铁矾定期由排渣口排出，锥形的设计更方便黄钾铁矾沉淀物及大颗粒物的顺利排出，还便于培养装置的清洗。
更优选的，所述浸矿微生物连续扩大培养装置的各部件均为耐腐蚀材料或表面覆盖有耐腐蚀材料，料液出口、排渣口、出气口和进料口处分别设有阀门开关。
基于一个总的技术构思，本发明还提供了一种利用上述浸矿微生物连续扩大培养装置培养微生物的培养方法，包括如下步骤：
（1）在营养液分布盘中加入微生物培养液，使其浸没加热装置并达到多层填料组件的最底部，通过加热装置设定培养温度，从培养装置顶部接入浸矿微生物菌液，启动曝气装置，开始进行浸矿微生物培养，并定期取样观察微生物的生长情况；
（2）待浸矿微生物生长达到对数期后期，通过营养液分布盘加入培养液开始流加培养；
（3）继续挂膜培养，待浸矿微生物完成挂膜且细胞浓度达到2.4×108个/mL时，启动连续培养，在保证排液细胞浓度在2×108个/mL的前提下适当提高流速，培养得到的浸矿微生物菌液通过料液出口流出收集；
（4）待出口的微生物细胞得率达到饱和且亚铁氧化速率达到1g/L·h以上，控制流速条件，稳定培养；
（5）待细胞浓度开始下降，且最底层填料因铁钒吸附而完全沉降，取出最底层填料组件，将其他填料组件依次下移一层，最上层填料组件放置新换的填料组件，脱落的黄钾铁矾由培养装置底部排出，启动下一轮挂膜培养，按照上述方式继续提高流速，待出口的微生物细胞得率达到饱和且亚铁氧化速率达到1g/L·h以上，如此重复进行连续培养。新一轮的挂膜过程中细胞浓度虽然有所下降，但经过1周的培养后，细胞浓度开始恢复正常，而采用传统的挂膜恢复需要2周以上的时间。
上述的培养方法，优选的，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；
所述步骤（1）中，所述浸矿微生物菌液的接入量为微生物培养液体积的20%，所述培养液包括无机盐和/或有机物，其pH控制在2以下，培养温度控制在35-45℃，曝气量控制在0.3-0.4vvm；
所述步骤（3）中，挂膜培养时间为7~21天；
所述步骤（5）中，最底层填料完全沉降是指通过顶盖的观察窗观察培养液无填料漂浮。
本发明工作原理：
1、浸矿微生物填料挂膜生长
挂膜后菌群密度往往是挂膜前密度的几十倍甚至上百倍，能够大大提高菌群的氧化能力，提高工业生产效率，生物膜的挂膜生长分为四个阶段：1）细菌在载体表面吸附；2）初期吸附到载体表面的细菌通过分泌大量胞外多聚物（EPS）使吸附变得牢固，并在EPS作用下形成微菌落；3）具有高度组织结构的成熟生物膜形成，成熟生物膜具有不均质性，其微菌落之间分布着输水通道，可以运送养料、酶、代谢产物和排出废物等；4）后期生物膜的自然脱落，不仅使生物膜维持较高的活性，提高Fe2+的氧化速率，而且还可以减少培养装置的堵塞和水力短流现象。
2、生物膜填料组件的维护
采用可拆卸的填料组件，当最底层填料因铁钒吸附而完全沉降，底层填料上的微生物出现老化脱膜的情况下，通过吊装的方式从培养装置的顶部依次取出填料组件，直至将最底层的填料组件取出，实现底层填料即时更换和清洗，上层填料层替代原来的底层模块，其上再装入新填料模块，在菌液不排放的情况下，保证装置内有一个高活性的生物膜填料组件，达到不间断继续培养目的。
3、多孔生物膜填料组件
每层填料组件底部隔板上分布有大量的小孔，孔径略小于填料直径，从装置底部曝气的过程中气泡会在填料组件底部隔板上重新分布，延长了气泡的停留时间，利于气液传质。
4、黄钾铁矾的排放
由于铁硫氧化微生物培养体系中往往会有大量的黄钾铁矾的生成，黄钾铁矾沉淀附着于填料或者装置内壁上，不仅会破坏生物膜的脱落与再生的平衡，而且阻断了空隙内附着微生物与外界营养物质的接触，导致细胞膜老化。同时，黄钾铁矾会增加悬浮填料的重量使其下沉，不利于反应器内的填料流动和物质传递。因此，需要定期加大曝气，用气流冲刷填料表面的黄钾铁矾沉淀物，脱落的黄钾铁矾沉淀由锥底收集后定期排放。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的浸矿微生物连续扩大培养装置，设计简单，利用填料组件的分层，通过更换调料组件可以实现连续培养，可以缩短浸矿微生物培养周期，提高设备利用率，能在较长时间内保持微生物群体的生长，可实现装置内微生物吸附与脱吸附形成动态平衡，提高成熟菌液的微生物浓度，在维持高浓度菌液连续生产的同时有效缓解了反应器内菌种的流失问题，提高了浸矿微生物的培养效率，具有安全高效、占地小、功耗低、操作简单且容易可以实现多个培养装置组合培养等特点。
2、本发明的浸矿微生物连续扩大培养装置，填料组件的分层可拆卸设计，让逐级扩大培养在同一个培养装置内得以实现，提高了设备的利用率；可拆卸的填料层更容易实现新老填料的更换，减少了反应器重新挂膜周期；填料分层组件底板分布的大量小孔利于气泡的再分布，不仅延长了气泡在反应器内的停留时间，而且增加了气液的接触面积，提高了细菌培养效率；从填料或培养装置内壁脱落的黄钾铁矾沉淀在重力作用下沉降至培养装置底部，可由底部出渣口定期排放，解决了浸矿微生物体系中的黄钾铁矾沉淀物排出的问题，减少了培养装置整体清洗次数，延长有效生产周期。
3、本发明的浸矿微生物连续扩大培养装置，具有安全高效、占地小、功耗低、操作简单且容易可以实现多个反应器组合培养等特点。
附图说明
为了更清楚地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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中浸矿微生物连续扩大培养装置的前视结构示意图。
图2是图1中的A-B剖视示意图。
图3是图1中的C-D剖视示意图。
图4是本发明中浸矿微生物连续扩大培养装置的填料组件前视结构示意图。
图5是本发明中浸矿微生物连续扩大培养装置的填料组件俯视结构示意图。
图6是本发明中浸矿微生物连续扩大培养装置的填料组件盖板俯视结构示意图。
图7是本发明中浸矿微生物连续扩大培养装置的曝气装置前视结构示意图。
图8是本发明中浸矿微生物连续扩大培养装置的曝气装置俯视结构示意图。
图9是对比例1中采用的浸矿微生物反应池结构示意图。
图例说明：1、筒体；2、进料口；3、营养液分布盘；4、加热装置；5、保温夹套层；6、曝气装置；7、填料组件；8、填料；9、填料组件盖板；10、溢流堰装置；11、料液出口；12、顶盖；13、顶盖出气口；14、下筒体；15、排渣口；16、采样口；17、支撑固定件；18、反应池进料口；19、反应池曝气装置；20、反应池溢流口。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种本发明的浸矿微生物连续扩大培养装置，如图1-3所示，包括筒体1，筒体1依次由可收集溢流排出料液的上筒体、可连续扩大培养微生物的中筒体和可收集排出沉淀物的下筒体14连接组成，上筒体的顶端设有顶盖12，顶盖12上设有顶盖出气口13和观察窗，保证微生物培养过程与外界的适当隔离，上筒体的底端侧壁上设有料液出口11；中筒体的顶端设有锯齿状的溢流堰装置10，具有维持板上液层及使液体均匀溢出的作用，溢流堰装置10中空式内嵌于上筒体的底端；中筒体的底端侧壁上设有采样口16，定期取样观察微生物的生长情况，中筒体的外壁设有保温夹套层5；下筒体14的底端设有排渣口15，当脱落的黄钾铁矾累计到一定程度后由底部排渣口排出，下筒体14的外壁包裹有保温隔热材料。
本发明的浸矿微生物连续扩大培养装置，中筒体的内部、溢流堰装置10的下方由上至下依次设有填料组件盖板9（如图6）、多层填料组件7（如图4和图5）、加热装置4、营养液分布盘3和曝气装置6；填料组件盖板9上设有若干孔径为5~8mm的孔；多层填料组件7至少有两层，每一层填料组件由填料箱体和装载于填料箱体内的填料8组成，填料箱体底部开设有孔径小于填料8的孔，填料8为高密度聚乙烯K1悬浮填料，填料组件7通过支撑固定件17可拆卸式固定在中筒体的内壁上；加热装置4为带温控的加热管，加热管材质优选地采用316L钢材；营养液分布盘3为环形分布盘，营养液分布盘3的一端穿过筒体1与筒体1外部的进料口2连接；曝气装置6为管式微孔曝气器（如图7和图8）。
本发明的浸矿微生物连续扩大培养装置，进料口2、料液出口11、采样口16和排渣口15处分别设有阀门，上述各部件均为耐腐蚀材料或表面覆盖有耐腐蚀材料。
本发明主要利用曝气过程气体上升作用带动液体流动，提升微生物生长过程中的三相传质效率；利用填料组件实现微生物在反应装置内的固定化培养，减少微生物在连续培养过程中的流失，进一步提高微生物培养的效率；利用分层填料组件容易实现填料的更换与新一轮的挂膜生长，延长反应器的连续运行周期。
实施例2：
一种利用本发明的浸矿微生物培养装置（容量300L）培养氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC 23270，菌种保藏号：ATCC 23270，购自美国典型微生物菌种保藏中心）、嗜酸异养菌（Acidiphilium acidophilum ATCC 27807，菌种保藏号：ATCC 23270，购自美国典型微生物菌种保藏中心），培养液组成：(NH4)2SO4，2.5 g/L；MgSO4·7H2O，0.6g/L；K2HPO4，0.5 g/L；KCl，0.1 g/L；Ca(NO3)2，0.01g/L；FeSO4·7H2O，50g/L。
培养方法的具体操作包括如下步骤：
（1）通过进料口和营养液分布盘加入微生物培养液，使其浸没加热装置并达到最底层填料组件的底部，通过进料培养基酸度调节控制pH为1.5，通过加热装置设定培养温度35℃，然后揭开顶盖按照培养液体积的20%从培养装置顶部接入浸矿微生物菌液，盖上顶盖，启动曝气装置，设定曝气量0.3 vvm（每分钟通气量与罐体实际料液体积的比值），开始进行浸矿微生物培养，并通过取样口定期取样观察微生物的生长情况；
（2）待浸矿微生物生长达到对数期后期，通过进料装置和营养液分布盘加入培养液开始流加培养；
（3）继续挂膜培养17天（7天后培养液到达溢流围堰，继续挂膜培养10天），待浸矿微生物完成挂膜且细胞浓度达到2.4×108个/mL时，启动连续培养，在保证排液细胞浓度在2×108个/mL的前提下适当提高流速，培养得到的浸矿微生物菌液通过料液出口流出收集；
（4）培养5天后，待出口的微生物细胞得率达到饱和且亚铁氧化速率达到1g/L·h以上，控制流速条件，稳定培养；
（5）由于控制的培养液pH值始终小于2.0，生成的黄钾铁矾量较少，待细胞浓度开始下降，且通过顶盖的观察窗观察培养液无填料漂浮，表明最底层填料因铁钒吸附而完全沉降，依次揭开顶盖、填料组件盖板和上层的填料组件后，取出最底层填料组件，将其他填料组件依次下移一层，最上层填料组件放置新换的填料组件，脱落的黄钾铁矾由培养装置底部的排渣口排出，盖上填料组件盖板和顶盖，启动下一轮挂膜培养，按照上述方式继续提高流速，直到排液细胞浓度饱和稳定，如此重复进行连续培养。新一轮的挂膜过程中细胞浓度虽然有所下降，但经过1周的培养后，细胞浓度开始恢复正常，而采用传统的挂膜恢复需要2周以上的时间。
微生物连续培养过程水力停留时间由原来的48小时缩短至24小时，培养两个月，排液细胞浓度仍然能够稳定在3×108个/mL，氧化还原电位650mV以上，停留时间约为20~25小时。
实施例3：
一种利用本发明的浸矿微生物培养装置（容量300L）培养培养氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC 23270，菌种保藏号：ATCC 23270，购自美国典型微生物菌种保藏中心）、嗜铁钩端螺旋杆菌（Leptospirillum ferriphilum CS13，菌种保藏号：M2015010，保藏地点：中国典型培养物保藏中心）、嗜酸硫化杆菌（Sulfobacillus acidophilus CS5，菌种保藏号：M2015006，保藏地点：中国典型培养物保藏中心）。培养液组成培养液组成：(NH4)2SO4，2.5 g/L ；MgSO4·7H2O， 0.6g/L ；K2HPO4，0.5 g/L；KCl，0.1 g/L；Ca(NO3)2，0.01g/L ；FeSO4·7H2O，50g/L。
培养方法的具体操作包括如下步骤：
（1）通过进料口和营养液分布盘加入微生物培养液，使其浸没加热装置并达到最底层填料组件的底部，控制pH为1.5，通过加热装置设定培养温度35℃，然后揭开顶盖按照培养液体积的20%从培养装置顶部接入浸矿微生物菌液，盖上顶盖，启动曝气装置，设定曝气量0.3 vvm（每分钟通气量与罐体实际料液体积的比值），开始进行浸矿微生物培养，并通过取样口定期取样观察微生物的生长情况；
（2）待浸矿微生物生长达到对数期后期，通过进料装置和营养液分布盘加入培养液开始流加培养；
（3）继续挂膜培养17天（7天后培养液到达溢流围堰，继续挂膜培养10天），待浸矿微生物完成挂膜且细胞浓度达到2.4×108个/mL时，启动连续培养，在保证排液细胞浓度在2×108个/mL的前提下适当提高流速，培养得到的浸矿微生物菌液通过料液出口流出收集；
（4）培养5天后，待出口的微生物细胞得率达到饱和且亚铁氧化速率达到1g/L·h以上，控制流速条件，稳定培养；
（5）由于控制的培养液pH值始终小于2.0，生成的黄钾铁矾量较少，待细胞浓度开始下降，且通过顶盖的观察窗观察培养液无填料漂浮，表明最底层填料因铁钒吸附而完全沉降，依次揭开顶盖、填料组件盖板和上层的填料组件后，取出最底层填料组件，将其他填料组件依次下移一层，最上层填料组件放置新换的填料组件，脱落的黄钾铁矾由培养装置底部的排渣口排出，盖上填料组件盖板和顶盖，启动下一轮挂膜培养，按照上述方式继续提高流速，直到排液细胞浓度饱和稳定，如此重复进行连续培养。新一轮的挂膜过程中细胞浓度虽然有所下降，但经过1周的培养后，细胞浓度开始恢复正常，而采用传统的挂膜恢复需要2周以上的时间。
停留时间由原来的48小时缩短至24小时，培养两个月，排液细胞浓度仍然能够稳定在5×108个/mL，氧化还原电位670mV，停留时间约为20~25小时。最终细胞浓度可达3.6×108个/mL，并能稳定2~3个月，而采用传统的培养方式挂膜连续培养最大氧化速率只能维持数天。
实施例4：
一种利用本发明的浸矿微生物培养装置（容量10m3）混合培养嗜铁钩端螺旋杆菌Leptospirillum ferriphilum CS13 （保藏于中国典型培养物保藏中，保藏号：M2015010），嗜酸氧化亚铁硫杆菌Acidithiobacillus ferrooxidans CS9 （保藏于中国典型培养物保藏中，保藏号：M2015007），嗜酸硫化芽孢杆菌Sulfobacillus acidophilus（保藏于中国典型培养物保藏中，保藏号：M2015017），嗜酸铁质菌Ferroplasma acidiphilum CS5（保藏于中国典型培养物保藏中，保藏号：M2015006），培养液组成培养液组成：(NH4)2SO4，2.5 g/L ；MgSO4·7H2O， 0.6g/L ；K2HPO4，0.5 g/L；KCl，0.1 g/L ；Ca(NO3)2，0.01g/L ；FeSO4·7H2O，50g/L；酵母粉0.05g/L。
培养方法的具体操作包括如下步骤：
（1）通过进料口和营养液分布盘加入微生物培养液，使其浸没加热装置并达到最底层填料组件的底部，控制pH为1.5，通过加热装置设定培养温度45℃，然后揭开顶盖按照培养液体积的20%从培养装置顶部接入浸矿微生物菌液，盖上顶盖，启动曝气装置，设定曝气量0.3 vvm（每分钟通气量与罐体实际料液体积的比值），开始进行浸矿微生物培养，并通过取样口定期取样观察微生物的生长情况；
（2）待浸矿微生物生长达到对数期后期，通过进料装置和营养液分布盘加入培养液开始流加培养；
（3）继续挂膜培养17天（7天后培养液到达溢流围堰，继续挂膜培养10天），待浸矿微生物完成挂膜且细胞浓度达到2.4×108个/mL时，启动连续培养，在保证排液细胞浓度在2×108个/mL的前提下适当提高流速，培养得到的浸矿微生物菌液通过料液出口流出收集；
（4）培养5天后，待出口的微生物细胞得率达到饱和且亚铁氧化速率达到1g/L·h以上，控制流速条件，稳定培养；
（5）由于控制的培养液pH值始终小于2.0，生成的黄钾铁矾量较少，待细胞浓度开始下降，且通过顶盖的观察窗观察培养液无填料漂浮，表明最底层填料因铁钒吸附而完全沉降，依次揭开顶盖、填料组件盖板和上层的填料组件后，取出最底层填料组件，将其他填料组件依次下移一层，最上层填料组件放置新换的填料组件，脱落的黄钾铁矾由培养装置底部的排渣口排出，盖上填料组件盖板和顶盖，启动下一轮挂膜培养，按照上述方式继续提高流速，直到排液细胞浓度饱和稳定，如此重复进行连续培养。新一轮的挂膜过程中细胞浓度虽然有所下降，但经过1周的培养后，细胞浓度开始恢复正常，而采用传统的挂膜恢复需要2周以上的时间。
采用该方法，细胞浓度可稳定在6.7×108个/mL，氧化还原电位650mV以上，稳定周期1个月，通过更换填料组件后仍然可以继续循环培养，实现了浸矿微生物连续扩大培养，排液不仅具有较高的细胞浓度而且铁氧化能力较高，可以满足小规模的工业化堆浸生产过程中的连续接种需求。
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。
对比例1：
一种常规的浸矿微生物反应池，如图9所示，反应池的底部设有反应池进料口18，反应池内部设有反应池曝气装置19，反应池的上部设有反应池溢流口20。
采用常规的反应池培养的浸矿微生物，培养的浸矿微生物包括：嗜铁钩端螺旋杆菌（Leptospirillum ferriphilum CS13 ，保藏于中国典型培养物保藏中，保藏号：M2015010），嗜酸氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans CS9 ，保藏于中国典型培养物保藏中，保藏号：M2015007），嗜酸硫化芽孢杆菌（Sulfobacillus acidophilus，保藏于中国典型培养物保藏中，保藏号：M2015017)，嗜酸铁质菌（Ferroplasma acidiphilum CS5，保藏于中国典型培养物保藏中，保藏号：M2015006），培养液组成培养液组成：(NH4)2SO4，2.5 g/L ；MgSO4·7H2O， 0.6g/L ；K2HPO4，0.5 g/L；KCl，0.1 g/L ；Ca(NO3)2，0.01g/L；FeSO4·7H2O，50g/L；酵母粉0.05g/L。培养条件：pH至1.5，温度45℃，曝气量0.4 vvm。
培养方法的具体操作包括如下步骤：
（1）浸矿微生物的接种与扩大培养，在反应装置中首先加入一定量的微生物培养液，按照培养液量体积的20%接入浸矿微生物菌液，开启反应池曝气装置；
（2）待浸矿微生物生长达到对数期后期，逐步加入培养液，直到反应池溢流口，直至满槽周期为7天；
（3）逐步启动连续培养，培养液由反应池进料口进入反应器，直到细胞得率达到饱和，细胞浓度达到2×108个/mL且亚铁氧化速率达到1.5 g/L·h以上；
（4）重复上述步骤进行连续培养。
该方法培养，一次接种10%，培养细胞浓度至1.8×108个/mL需要7天，开启连续进料，微生物铁氧化效率可达1g/L·h，培养过程中最高细胞浓度未超过2×108个/mL，在培养20天后，由于黄钾铁矾的生成，细胞浓度下降至8×107个/mL，难以稳定连续培养。

Claims (10)

1.一种浸矿微生物连续扩大培养装置，其特征在于，所述培养装置包括筒体（1），所述筒体（1）包括依次连接的可收集溢流排出料液的上筒体、可连续扩大培养微生物的中筒体和可收集排出沉淀物的下筒体（14），所述中筒体的内部设有可拆卸的多层填料组件（7），所述多层填料组件（7）包括多层填料箱体和装载于填料箱体内的填料（8），所述多层填料组件（7）的下方设有加热装置（4）、营养液分布盘（3）和设于所述营养液分布盘（3）下方的曝气装置（6）。
2.根据权利要求1所述的浸矿微生物连续扩大培养装置，其特征在于，所述多层填料组件（7）包括至少两层填料箱体堆叠，所述填料箱体底部开设有孔径小于填料（8）的孔。
3.根据权利要求2所述的浸矿微生物连续扩大培养装置，其特征在于，所述填料（8）为悬浮生物填料，所述悬浮生物填料为聚氨酯海绵球填料、高密度聚乙烯填料和聚丙烯填料中的一种或多种填料；所述多层填料组件（7）的填料箱体通过支撑固定件（17）可拆卸式支撑固定在中筒体的内壁上。
4.根据权利要求1所述的浸矿微生物连续扩大培养装置，其特征在于，所述多层填料组件（7）的上方设有填料组件盖板（9），所述填料组件盖板（9）上设有若干孔径为5~8mm的孔。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的浸矿微生物连续扩大培养装置，其特征在于，所述营养液分布盘（3）为环形分布盘，所述营养液分布盘（3）的一端穿过筒体与筒体外部的进料口（2）连接；所述加热装置（4）为带温控的加热管；所述曝气装置（6）为管式微孔曝气器。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的浸矿微生物连续扩大培养装置，其特征在于，所述中筒体的顶端设有锯齿状的溢流堰装置（10），所述溢流堰装置（10）中空式内嵌于上筒体的底端；所述中筒体的底端侧壁上设有采样口（16）；所述中筒体的外壁设有保温夹套层（5）。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的浸矿微生物连续扩大培养装置，其特征在于，所述上筒体的顶端设有顶盖（12）和观察窗，所述顶盖（12）上设有顶盖出气口（13），所述上筒体的底端侧壁上设有料液出口（11）。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的浸矿微生物连续扩大培养装置，其特征在于，所述下筒体（14）为锥形漏斗下筒体，其漏斗底端设有排渣口（15）；所述下筒体（14）的外壁包裹有保温隔热材料。
9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的浸矿微生物连续扩大培养装置培养微生物的培养方法，包括如下步骤：
（1）在营养液分布盘中加入微生物培养液，使其浸没加热装置并达到多层填料组件的最底部，通过加热装置设定培养温度，从培养装置顶部接入浸矿微生物菌液，启动曝气装置，开始进行浸矿微生物培养，并定期取样观察微生物的生长情况；
（2）待浸矿微生物生长达到对数期后期，通过营养液分布盘加入培养液开始流加培养；
（3）继续挂膜培养，待浸矿微生物完成挂膜且细胞浓度达到2.4×108个/mL时，启动连续培养，在保证排液细胞浓度在2×108个/mL的前提下适当提高流速，培养得到的浸矿微生物菌液通过料液出口流出收集；
（4）待出口的微生物细胞得率达到饱和且亚铁氧化速率达到1g/L·h以上，控制流速条件，稳定培养；
（5）待细胞浓度开始下降，且最底层填料因铁钒吸附而完全沉降，取出最底层填料组件，将其他填料组件依次下移一层，最上层填料组件放置新换的填料组件，脱落的黄钾铁矾由培养装置底部排出，启动下一轮挂膜培养，按照上述方式继续提高流速，待出口的微生物细胞得率达到饱和且亚铁氧化速率达到1g/L·h以上，如此重复进行连续培养。
10.根据权利要求9所述的培养方法，其特征在于，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（Acidimicrobiumspp.）、铁原体属（Ferroplasma spp.）、酸质菌属（Acidiplasma spp.）、硫杆菌属（Acidithiobacillus spp.）、硫单胞菌属（Thiomonas spp.）、金属球菌属（Metallosphaeraspp.）、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；
所述步骤（1）中，所述浸矿微生物菌液的接入量为微生物培养液体积的20%，所述培养液包括无机盐和/或有机物，其pH控制在2以下，培养温度控制在35-45℃，曝气量控制在0.3-0.4vvm；
所述步骤（3）中，挂膜培养时间为7~21天；
所述步骤（5）中，最底层填料完全沉降是指通过顶盖的观察窗观察培养液无填料漂浮。
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