耐氟浸矿菌组合及其工程连续扩大培养方法及应用
技术领域
本发明涉及生物冶金技术领域,具体涉及一种耐氟浸矿混合菌组合及其工程连续扩大培养方法和应用。
背景技术
生物冶金技术具有清洁、短流程、低成本的特点,常用于矿石中有价金属如铜、铀、钼、钒、钴、锌等金属的提取。目前,浸矿细菌大约有二十几种,且大都属于化能自养菌。最常用的浸矿细菌有嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)、嗜酸氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans)和钩端螺旋菌(Leptospirillum ferriphilum)等。这些细菌在生长和繁殖过程中全靠各种无机盐生存,能通过氧化二价铁、单质硫、以及还原态的化合物等来获得生命过程所需的能量,不需要任何有机营养物质。大部分浸矿菌种具有在酸性条件下生长的属性,且有不同嗜好的生长温度,如中温菌为20℃~35℃,中等嗜热菌为40℃~55℃,极端嗜热菌为55℃~85℃。
含氟矿石如萤石、氟磷灰石等常伴生于铜、铀矿石中,在酸性条件下易溶解出氟。氟对细菌活性有很强的抑制作用。为了提高含氟矿石中有价金属的浸出效率,采用生物冶金技术时需要得到对氟具有较强耐受性的菌种。特别是在工程应用过程中,需要细菌氧化活性稳定的菌种。
在实验室培养与驯化的菌种到工程应用的新环境后,往往存在适应时间长,细菌活性低等问题。常规的方法有调控保持适宜的温度、pH、通气量、接种量等来获得最佳的培养效果。尽管改善细菌的生长外部条件,能在一定程度上缩短细菌生长的缓滞期,细菌活性仍然受到一定的限制。而且在生物冶金过程中引入的菌种常常不是连续化生产的,这对细菌活性的保持有一定的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐氟浸矿菌组合,该菌组合可快速氧化Fe2+为Fe3+,并且可以耐受总氟浓度为3.0g/L的环境,表现出稳定的细菌氧化活性,适于伴生含萤石、氟磷灰石等的矿石冶金。
本发明的另一目的在于提供一种实验室驯化和/或培养耐氟浸矿菌组合的培养基和培养方法。
本发明的又一目的在于提供一种上述耐氟浸矿混合菌组合的工程连续扩大 培养方法和设备。
本发明的第四个目的在于提供一种上述耐氟浸矿混合菌组合的应用。
为达到上述目的,本发明采用以下技术方案:
本发明提供一种耐氟浸矿菌组合,该菌组合由Retech KF-Ⅰ、KF-Ⅱ以及RetechKF-Ⅲ按1:1:1的比例组成;
其中,Retech KF-Ⅰ的菌种分类名称为:Acidithiobacillus ferrivorans RetechKF-Ⅰ,保藏单位为:中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,地址为:北京市朝阳区北辰西路1号院3号,中国科学院微生物研究所,保藏日期为:2013年7月1日,保藏编号为:CGMCC No.7835;
Retech KF-Ⅱ的菌种分类名称为:Acidithiobacillus ferrooxidans RetechKF-Ⅱ,保藏单位为:中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,地址为:北京市朝阳区北辰西路1号院3号,中国科学院微生物研究所,保藏日期为:2013年7月1日,保藏编号为:CGMCC No.7836;
Retech KF-Ⅲ为亚铁氧化酸硫杆状菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)和嗜铁钩端螺菌(Leptospirillum ferriphilum)的混合培养物,保藏单位为:中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,地址为:北京市朝阳区北辰西路1号院3号,中国科学院微生物研究所,保藏日期为:2014年11月14日,保藏编号为:CGMCC No.9998。
更进一步地,所述耐氟浸矿菌组合的总氟耐受浓度为3.0g/L。
本发明还提供一种实验室阶段驯化和/或培养上述耐氟浸矿菌组合的培养基,所述培养基组成为:Ca(NO3)2 0.01g/L~0.10g/L,MgSO4·7H2O0.50g/L~20.0g/L,K2HPO4·3H2O 0.10g/L~1.0g/L,Al2(SO4)3·18H2O10.0g/L~50.0g/L,Fe2(SO4)30.0g/L~1.90g/L,NH4F 1.60g/L~10.0g/L和FeSO4·7H2O14.70g/L~44.20g/L。
本发明还提供一种工程应用现场驯化和/或培养所述耐氟浸矿菌组合的方法,利用含氟矿坑水或尾液接种上述耐氟浸矿菌组合,pH为1.5~2.5,温度30~35℃,充入空气量为0.5~5.0m3/(m2·h),成熟菌液返回接种量为5%~30%,控制Fe2+浓度范围为0.5g/L~5.0g/L。
本发明还提供一种工程扩大培养上述耐氟浸矿菌组合的工艺,包括如下步骤:
1)配制培养液:在配料槽中采用含氟矿坑水或尾液,控制溶液中Fe2+浓度范围为0.5g/L~5.0g/L制成所述耐氟浸矿菌组合生长所需要的培养液;
2)接种细菌:在接种槽中接入步骤1)配制的培养液和所述耐氟浸矿菌组合的菌液,菌液的接种体积为培养液体积的5%~30%;
3)快速氧化生长:溶液氧化还原电位达到350mV以上表示所述耐氟浸矿菌组合度过适应期,然后进入氧化槽进行快速氧化生长至菌液浓度达到108个/mL以上,溶液氧化还原电位达到450mV以上,表示菌液生长进入稳定期;
4)成熟菌液使用及返回接种:稳定期菌液进入成品槽,其中5%~30%的成熟菌液返回接种槽,其余进行浸矿作业;
其中,接种槽、氧化槽、成品槽控制培养条件:pH1.5~2.5,生长温度30~35℃,充入空气量为0.5~5.0m3/(m2·h)。
本发明还提供一种工业连续扩大培养浸矿细菌的***,包括:配料槽、接种槽、氧化槽、成品槽;
其中,该配料槽、接种槽、氧化槽、成品槽均设有pH监控装置和氧化还原电位监控装置,并各槽依次通过连接管进行连接,各连接管均设有阀门进行流量控制;该接种槽、氧化槽、成品槽均安装升温装置、温度监控装置、空气流量计和微孔曝气器;该接种槽、氧化槽均设有排污口;
该配料槽内安装一搅拌装置,用于混合培养基成分;一连接管位于该配料槽上部,用于输入培养基成分;
该接种槽还连接一菌液返回管,用于接收成品槽返回的部分菌液
该成品槽连接菌液排出管,该菌液排出管上设有一耐酸泵和一流体计量计,经过计量的菌液一部分输出进行浸矿处理,一部分通过菌液返回管返回到接种槽。
更进一步地,所述pH监控装置为酸度计,氧化还原电位监控装置为氧化还原电位计,所述升温装置为加热棒,所述温度监控装置为温度传感器,所述温度控制范围为10℃~90℃。
该设备具有连续培养浸矿细菌的功能,能培养中温菌、中度嗜热菌和极端嗜热菌,每日可生产成品菌液1.0m3~50.0m3,细菌浓度达到107~109个/mL,菌种返回接种量为5%~30%。
本发明还提供上述的耐氟浸矿菌组合在含氟矿山的生物冶金中的应用。
本发明使用的耐氟浸矿菌组合采用如下方式获得:
一、耐氟浸矿菌的获得
本发明所使用的上述耐氟浸矿菌种,分别富集自含氟矿区。菌种的耐氟驯化采用异步驯化,通过逐渐提高氟的浓度来提高菌种的耐受性。
1.实验室阶段驯化/培养:
实验室驯化阶段是对耐氟浸矿菌组合中各菌分别进行低氟驯化和高氟驯化,使其各自均达到对耐受总氟浓度为3.0g/L。
1)低氟浓度下的驯化:
在9K培养基中添加可溶性氟化物至F-浓度为0.05g/L,调节pH值为2.0~2.5,接种菌种,放入空气浴恒温振荡培养箱中,温度33℃、摇床转数160rpm,显微镜计数细菌生长至对数期,培养液中Fe2+浓度低于0.2g/L时,进行5-10次耐氟离子浓度为0.05g/L培养,当使菌种氧化Fe2+成Fe3+的时间缩短到2d以内,细菌浓度达到106个/mL以上,菌体耐氟生长稳定时,提高F-浓度,F-浓度每次提高100~200mg/L,重复上述驯化步骤至菌种对F-的耐受力达到1.0g/L。
其中9K培养基成分和浓度分别为:(NH4)2SO4 3.0g/L,KCl 0.1g/L,K2HPO4 0.5g/L,MgSO4·7H2O 0.5g/L,Ca(NO3)2 0.01g/L,FeSO4·7H2O 44.20g/L,以氟化铵(或其它可以溶解在水中并产生游离氟的物质,如氟化钠、氟化钾等)为氟源,通过配制F-浓度为0.05g/L至1.0g/L,每个驯化间隔视驯化情况而定,同时监测总氟浓度,当菌种耐氟能力达到1.0g/L后,进行高氟浓度下的驯化。
2)高氟浓度下的驯化:
配制高氟培养基:该培养基以含氟矿区生产废水成分为参考值,成分如下:Ca(NO3)2 0.01g/L~0.10g/L,MgSO4·7H2O 0.50g/L~20.0g/L,K2HPO4·3H2O0.10g/L~1.0g/L,Al2(SO4)3·18H2O 10.0g/L~50.0g/L,Fe2(SO4)3 0.0g/L~1.90g/L,NH4F 1.60g/L~10.0g/L和FeSO4·7H2O 14.70g/L~44.20g/L。
调节高氟培养基pH值为2.0~2.5,接种经低氟浓度驯化后的菌种,放入空气浴恒温振荡培养箱中,温度33℃、摇床转数160rpm,显微镜计数细菌生长至对数期,培养至菌种氧化Fe2+成Fe3+的时间缩短至2d以内,细菌浓度达到106个/mL以上,菌体耐氟生长稳定时,提高F-浓度,F-浓度每次提高200~500mg/L,重复上述驯化步骤至菌种对F-最终耐受3.0g/L。
该步骤进一步提高浸矿菌的耐氟性和适应性。
2.工程现场的驯化和培养
将经实验室驯化的耐氟浸矿菌按照比例进行混合成为耐氟浸矿菌组合,进行工程现场的驯化和培养。
1)工程应用现场的驯化
在含氟矿坑水或尾液中接种经实验室耐氟驯化的耐氟浸矿菌组合,控制pH为1.5~2.5,温度30~35℃,充入空气量为0.5~5.0m3/(m2·h),溶液中氟浓度范 围为0.5g/L~5.0g/L,控制Fe2+浓度范围为0.5g/L~5.0g/L,当细菌氧化活性达到0.5g/(L·h)以上,表示驯化完成。
工程现场驯化菌种可使之适应工业堆浸现场生产废水生长,使细菌活性得到适应及保持提高,同时可节约水资源,有利于环境保护。
通过该培养工艺可以连续生产成熟菌液,保持细菌活性稳定,同时使菌种得到扩大培养。
2)工程连续扩大培养
使用一种工程连续扩大培养浸矿细菌的***进行耐氟浸矿菌组合的连续扩大培养。
在配料槽中配制所述耐氟浸矿菌组合生长所需要的营养液,具体为含氟矿坑水或尾液,溶液中氟浓度范围为0.5g/L~5.0g/L,控制Fe2+浓度为0.5g/L~5.0g/L;在接种槽中接入所配制的培养液和所述耐氟浸矿菌组合的菌液,菌液的接种体积为培养液体积的5%~30%;溶液氧化还原电位达到350mV以上表示所述耐氟浸矿菌组合度过适应期,然后进入氧化槽进行快速氧化生长至菌液浓度达到108个/mL以上,溶液氧化还原电位达到450mV以上,表示菌液生长进入稳定期;稳定期菌液进入成品槽,其中5%~30%的成熟菌液返回接种槽,其余进行浸矿作业;
其中,接种槽、氧化槽、成品槽安装有pH监控装置、氧化还原电位监控装置、升温装置、温度监控装置、空气流量计和微孔曝气器,用于控制培养条件为:pH为1.5~2.5,生长温度为30~35℃,充入空气曝气量为0.5~5.0m3/(m2·h),其中成品槽进行0.5m3/(m2·h)的微曝气以防止细菌衰亡。
该***和工艺根据浸矿细菌的生长周期(分为停滞期、对数生长期、稳定期和衰退期)划分功能区,进行合理控制:(1)配制培养液区,配制浸矿细菌生长所需要的营养物质,配以搅拌装置,混匀物料;(2)接种细菌区,接入浸矿菌种和其生长所需要营养液,配以曝气装置,辅以加热装置;(3)快速氧化生长区,配以曝气装置,辅以加热装置,其容积可以根据生产的需要而进行调整;(4)成熟菌液输出及返回接种。培养条件:pH=1.5~2.5,温度30~35℃,充入空气量为0.5~5.0m3/(m2·h),成熟菌液返回接种量为5%~30%。耐氟浸矿菌优选的扩大培养工艺:pH=2.1,温度33℃,充入空气量为2.0m3/(m2·h),成熟菌液返回接种量为10%。
本方法培养的含有耐氟浸矿菌和Fe3+的溶液,对还原态的金属矿物均有氧化作用。
本发明所Acidithiobacillus ferrivorans Retech KF-Ⅰ、Acidithiobacillusferrooxidans Retech KF-Ⅱ、及嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillusferrooxidans)和钩端螺旋菌(Leptospirillum ferriphilum)的混合培养物Retech KF-Ⅲ通常存在于酸性矿坑水中,是比较常见的浸矿菌种,对环境、人均无毒无害。
本发明的有益效果是:
本发明提供的一种耐氟浸矿菌组合,该菌组合中的各个菌种抗氟能力强、细菌氧化活性高。采用的工程连续扩大培养方法,有效地保持了菌种氧化活性,方便灵活地提供的新鲜菌液,扼制细菌因进入衰亡期而导致的损失,防止铁矾等沉淀物的生成,生物冶金应用效果好。
附图说明
图1为本发明提供的耐氟浸矿菌组合工程连续扩大培养***的示意图。
图2为本发明提供的耐氟浸矿菌组合及其工程连续扩大培养过程中细菌铁氧化活性保持情况。
附图标记:
1:配料槽;2:接种槽;3:氧化槽;4:成品槽;5:搅拌装置;6:微孔曝气器;7:加热棒;8:温度传感器;9:pH酸度计:10:氧化还原电位计;11:空气流量计;12:液体流量计;13:耐酸泵;14:连接管;15:排污口;16:注入管;17:菌液接入管;18:菌液返回管;19:菌液输出管;20:空气。
具体实施方式
以下结合实施例详细地说明本发明。实施方案便于更好的理解本发明,并非对本发明的限制,任何等同替换或公知改变均属于本发明保护范围。
如图1所示,使用本发明提供的工程连续扩大培养***进行连续扩大培养的过程为:将浸矿细菌生长所需的无机化学成分或生产废水通过注入管16投放入配料槽1,使用搅拌装置5混匀,使用pH酸度计9调整溶液pH值至适合细菌生长的范围,使用氧化还原电位计10控制氧化还原电位在适于细菌生长的范围,制成培养基;培养基通过连接管14进入接种槽2,菌液通过接入管17接入到接种槽2中,通过微孔曝气器6进行曝气,使用空气流量计11控制空气20的进入量,通过温度控制装置(如加热棒7及温度传感器8)调节至适合细菌生长的温度,使用pH酸度计9和氧化还原电位计10控制接种槽2中的pH和氧化还原电位;细菌度过适应期后通过连接管14进入氧化槽3中,使用微孔曝气器6、pH酸度计9、氧化还原电位计10和温度控制装置,调控细菌生长条件,最终培养出成熟菌液,进入成品槽4,成品菌液通过耐酸泵13和流体计量 计12进行分类,部分菌液通过菌液输出管19道进行引种作业,部分菌液通过菌液返回管18连接到菌液接入管17,回到接种槽2,同时完成一个培养循环。
实施例1耐氟浸矿菌组合的耐氟驯化与扩大培养
1)采集:
从含氟矿山的矿坑水和矿石中采集浸矿菌液,将浸矿菌菌液在9K培养基中接种,接种溶液占20%,调节pH值为2.0,在空气浴恒温振荡培养箱中,温度33℃、摇床转数160rpm。显微镜计数细菌生长至对数期、培养液中Fe2+浓度低于0.2g/L时,将浸矿菌液浓缩,再接种入新的9K培养基中培养。如此操作至浸矿菌生长周期缩短到2d以内,并趋于稳定。
将培养好的浸矿菌液用置于Eppendorf Centrifuge 5804R型冷冻离心机中,将菌液先低速1000rpm离心5min除黄钾铁矾等固体沉淀物,然后采用高速11000rpm离心5min收集得到菌体,然后对三种菌分别进行耐氟驯化。
2)低氟浓度下的驯化:
配制9K培养基,加入氟化铵至氟离子浓度为0.05g/L,调节pH值为2.0,接种浸矿菌,放入空气浴恒温振荡培养箱中,温度33℃、摇床转数160rpm,显微镜计数细菌生长至对数期、培养液中Fe2+浓度低于0.2g/L时,进行5次以上耐氟离子浓度为0.05g/L培养,如此操作至浸矿菌生长周期缩短到2d以内,细菌浓度达到106个/mL以上,使菌体耐氟生长稳定时;提高提高F-浓度,每次提高F-浓度100mg/L,按该水平重复上述驯化操作,直至浸矿菌耐氟离子浓度达到1.0g/L。
3)高氟浓度下的驯化:
更换高氟培养基进行驯化,具体培养基为:Ca(NO3)20.01g/L,MgSO4·7H2O12.54g/L,K2HPO4·3H2O 0.50g/L,Al2(SO4)3·18H2O 40.0g/L,Fe2(SO4)3 1.90g/L,NH4F 5.85g/L和FeSO4·7H2O 44.20g/L。
调节高氟培养基pH值为2.0~2.5,接种经低氟浓度驯化后的菌种,放入空气浴恒温振荡培养箱中,温度33℃、摇床转数160rpm,显微镜计数细菌生长至对数期,培养至菌种氧化Fe2+成Fe3+的时间缩短至2d以内,细菌浓度达到106个/mL以上,菌体耐氟生长稳定时,提高F-浓度,F-浓度每次提高500mg/L,重复上述驯化步骤至菌种对F-最终耐受3.0g/L。
该步骤进一步提高浸矿菌的耐氟性和适应性。
4)工程现场驯化:
将经过驯化的三种菌按比例1:1:1混合,使用含氟矿坑水或尾液进行培养, 培养条件为:pH为2.1,生长温度33℃,充入空气量为2.0m3/(m2·h),细菌氧化亚铁活性达到0.5g/(L·h)以上,表示驯化完成。
在工业生产现场进行,再提高浸矿菌种的耐氟性和对现场环境的适应。
实施例2工业化扩大培养
利用本发明提供的连续扩大培养***进行,如图1所示,在配料槽1中加入提铀尾液,并补加工业硫酸亚铁22.10Kg/m3以补充Fe2+。通过搅拌装置5混匀,调节pH2.1±0.05,进入接种槽2接入细菌,接入耐氟浸矿菌组合总量为10%,曝气量为2.0m3/(m2·h),温度33±1℃;细菌度过适应期后进入氧化槽3中,曝气量为2.0m3/(m2·h),温度33±1℃,进入快速生长阶段;最后进入成品槽4中,进行微曝气,曝气量为0.5m3/(m2·h),防止细菌衰亡。最后,通过耐酸泵13进行菌种返回和引种作业。每日连续生产成品菌液1.2m3,镜检细菌浓度达到108个/mL以上,能满足引种的需要。
如图2所示,规模为1.20m3/d工程扩大培养连续运行一个月,每日测得细菌氧化Fe2 +为Fe3+的最高速率达到1.4g/(L·h)左右,表现出较为稳定的细菌氧化活性。
实施例3:某含氟铀矿生物堆浸
某铀矿石生物堆浸,其筑堆规模为4500t,矿石中氟含量为2.2%,铀品位为0.2%。
由本发明提供的耐氟浸矿菌,经工程连续扩大培养后,用于该铀矿的生物堆浸试验。铀的常规浸出率由85%左右提高到90%以上,浸出时间比现有技术缩短了30~50天,硫酸消耗量由原来的6%左右降低到4%左右。
本发明的优点是:本发明提供的一种耐氟浸矿菌组合,经工程连续扩大培养后快速氧化Fe2+为Fe3+,为生物堆浸提供新鲜的菌种,能明显改善浸出效率,降低生产成本。利用废水培养菌种,实现废液再循环,减轻环保压力。