Acidithiobacillus thiooxidans культуральные признаки
В последние время широко использует ацидофильных микроорганизмов в процессе окисления сульфидных минералов. Объектами исследований являлись аборигенные штаммы хемолитотрофных микроорганизмов, распространенные в растворах после кучного выщелачивания уранового месторождения «Восток». В результате выполненных исследований изучены ареалы и численность Acidithiobacillus ferrooxidans, Thiobacillus thiooxidans, осуществляющих бактериальное выщелачивание окисленных и забалансовых руд месторождения «Восток». Установлено, что численность Аcid. ferrooxidans и Th. thiooxidans – составляет в количестве от 10 2 кл./мл до 10 7 кл./мл. Последовательные пассажи аборигенных культур Acidithiobacillus ferrooxidans приводят к активации окислительного процесса. Аcid. ferrooxidans заметно активизировался уже после второго пассажа и окисление закисного железа завершилось на двенадцатые сутки, т.е. на пять суток раньше исходной культуры. Последующие пассажи еще больше активировали эту культуру. Максимальное активирование было достигнуто после третьего пассажа, когда окисление железа завершалось на третьи сутки.
До настоящего времени в условиях кучного выщелачивания урана микробиологическое обследование и изучение участия микроорганизмов в процессах извлечения урана не проводились. Для понимания физиологических и биохимических механизмов приспособляемости определенных видов микроорганизмов и их природных популяций к геохимическим условиям среды необходимо определение основных точек приложения химических элементов среды к процессам метаболизма, установление вызываемых ими изменений обменных процессов и биологических реакций [1, 5]. Такие исследования вскрывают биотехнологическую сущность воздействия химических элементов естественной среды обитания на организмы на популяционном и организменном уровнях [2].
Все это повышает ценность способа бактериально-химического выщелачивания урана из забалансовых и бедных руд, сочетающего высокую эффективность с малым загрязнением окружающей среды.
Большое значение имеют изучение физиологии Acidit hiobacillus ferrooxidansс целью получения наиболее активную культуру для создания биотехнологии извлечения цветных и благородных металлов из руд и продуктов их флотации.
Материалы и методы исследования
Окислительно-восстановительный потенциал и рН среды измеряли на рН- метре ЭВ-74.
Забор материалов для исследования производили по общепринятой методике из растворов под штабелем № 4, 5, 6 и маточного раствора, а также из испарительных карт № 1, 2, 3, 4, 5.
Результаты исследования и их обсуждение
Нами были проведены химико-микробиологические исследования растворов, вытекающих из- под штабеля и испарительных карт с целью лучше представить микробиологическую обстановку, в которой происходят процессы окисления урансодержащих руд.
Раствориз под штабелями
Раствор из испарительных карт
Рис. 1. Точки отбора проб растворов
Руды месторождения «Восток» относятся к комплексным урано-молибденовым. Кроме основного компонента – урана, практическое значение имеет молибден, содержание которого связано с распределением урана корреляционной зависимостью. Тенденция такова, что доля основного металла в руде уменьшается с понижением глубины отработки рудных залежей месторождения. Содержание молибдена в руде изменяется от тысячных долей процента в рядовых и бедных рудах до десятых в богатых, составляя в среднем 0,038 %.
Содержание в растворах, г/л
В маточном растворе количество достигает 10 5 кл/мл, тогда как в растворах испарительной карты – всего 10 2 кл/мл. Такая малая численность, по-видимому, была связана с низкой аэрацией раствора испарительной карты. Возможно, что в застойных кислых растворах, скопившихся на испарительных картах, солнечные лучи оказывают ингибирующее или даже стерилизующее действие на клетки бактерий Acid.ferrooxidans.
Мы сочли необходимым изучить их основные признаки: морфологию клеток, характер роста на твердой питательной среде, окислительную способность на жидкой среде Сильвермана и Лундгрена 9К.
Всего проведено три последовательных пассажа. Результаты приведены на рис. 3.
Выводы
Источник
Особенности применения аэробных бактерий в гидрометаллургии
|
| 1. /магистр.диссертация.Ширжанова.doc | Особенности применения аэробных бактерий в гидрометаллургии |
Рис.3 Междисциплинарная наука биотехнологии
Характеризуя перспективы и роль биотехнологии в человеческом обществе, уместно прибегнуть к высказыванию на одном из Симпозиумов по биотехнологии японского профессора К. Сакагучи, который говорил следующее: «. ищите все, что пожелаете, у микроорганизмов, и они не подведут вас. Изучение и применение в промышленности культур клеток млекопитающих и растений, иммобилизация не только одноклеточных, но и клеток многоклеточных организмов, развитие энзимологии, генетической инженерии, вмешательство в сложный и недостаточно изученный наследственный аппарат растений и животных все больше расширят области применения существующих направлений биотехнологии и создадут принципиально новые направления» [9].
Микробиология занимается преимущественно изучением грибов, бактерий и вирусов. Исследование микроорганизмов внесло за последние годы существенный вклад в решение важнейших проблем общей биологии и биотехнологии.
Микроорганизмы – это обширная группа организмов, преимущественно одноклеточных, которые широко распространены в природе и встречаются повсеместно в воздухе, в почве, в водной среде. Микроорганизмы обнаружены даже в космических образцах.
В основу классификации бактерий положены условия их существования и жизнедеятельности. Они разделяются по типу источника энергии, источнику углерода, кислотности среды обитания, температуре роста, по отношению к кислороду, давлению и многим другим факторам [10].
Источником углерода для автотрофных микроорганизмов служит углекислота, а для гетеротрофных – органические вещества.
Кислотность среды: Микроорганизмы могут развиваться в широком диапазоне рН среды, т.е. имеются микроорганизмы способные к росту и развитию в нейтральных условиях (самая обширная группа микроорганизмов), имеется группа микроорганизмов, способная к росту при значениях рН от 8 и выше. Ацидофильные микроорганизмы развиваются в сильно кислой среде при рН 1-2, в то время как большинство бактерий предпочитают среду с нейтральным значением рН.
Температура роста: По отношению к температуре микроорганизмы принято делить на: психрофилы – растущие при температуре до – 6 0 С, мезофилы – растущие при температуре 25-35 0 С (максимально до 38-45 0 С) и термофилы – растущие при температуре до 70-90 0 С.
Отношение к кислороду: По отношению к кислороду микроорганизмы делятся на строгие аэробы, факультативные аэробы и анаэробы. Аэробы осуществляют окислительные дыхательные процессы с участием кислорода, который является акцептором электронов. Анаэробы осуществляют дыхательные процессы при окислении органических веществ за счет восстановления неорганических соединений, содержащих связанный кислород (углекислота, сульфаты, нитраты). Для строгих анаэробов свободный кислород токсичен.
Отношение к давлению: Микроорганизмы могут существовать при значительном давлении, так, барофилы осуществляют свою жизнедеятельность при давлении 100 МПа. Максимально бактерии выдерживают давление до 2000 МПа.В месторождениях полезных ископаемых микроорганизмы принимают участие в трансформации различных минеральных форм, превращениях элементов, в их осаждении и растворении, в образовании новых химических соединениях, в миграции элементов и их соединений и, наконец, в образовании самих месторождений полезных ископаемых.
2.2. Общие сведения о бактериях, их строении, способе размножения и условиях жизнедеятельности.
Бактерии принадлежат к одноклеточным микроорганизмам, чаще имеющим форму палочки. В меньшей степени распространены клетки шаровой формы (кокки), нередко собранные в цепи (стрептококки) или в скопления изометрической формы (стафилококки). Некоторые виды бактерий известны в виде запятых или завитков (спириллы и вибрионы).
Некоторые бактерии имеют жгутики, размещенные вдоль или поперек удлинения клетки, и реснички. Вместе они образуют аппарат движения клетки. Количество жгутиков определяет характер движения клеток или ее неподвижность в случае отсутствия жгутиков. Поверхность клетки может быть покрыта слизистой капсулой. Слизистый слой состоит из воды (98%) и органического (полисахаридного) вещества. Он служит средством захвата и прикрепления к другим особям (образование колоний) и к косному субстрату (поверхности сульфидного минерала). В ней, начиная со смачивания минерала слизью капсулы, начинается процесс его окисления. Слизистое вещество обладает высокой ферментативной активностью.
Наконец, основную часть клетки составляет цитоплазма (протоплазма с диффузным ядром). В цитоплазме сосредоточен генетический аппарат клетки: здесь протекают процессы, приводящие клетку к делению, совершается конструктивный метаболизм, т.е. биохимические превращения, сопровождаемые накоплением биомассы. Размножение бактерий, происходящее делением, совершается весьма интенсивно: через 20–30 мин количество клеток обычно удваивается. За сутки одна особь дает 60–70 поколений.
2.3. Микроорганизмы, распространенные в сульфидных рудах.
Следует отметить, что до 2000 года бактерии рода Acidithiobacillus относились к роду Thiobacillus.
Тионовые бактерии, распространенные на рудных месторождениях, принимают участие в окислении соединений с восстановленной формой серы – сульфидов, арсенидов, серы самородной, а также тиосульфатных и сульфитных образований в растворе. Большинство из них – аэробы, живущие в кислородсодержащей среде.
Наибольшее значение в процессах выщелачивания имеют бактерии, относящиеся к роду Acidithiobacillus, который включает такие виды микроорганизмов, как Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans и Acidithiobacillus acidophilus.
Универсальным микроорганизмом, окисляющим сульфиды, и являющимся лидером в процессах выщелачивания, считается бактерия Acidithiobacillus ferrooxidans которая может использовать в качестве энергетического субстрата практически все сульфидные минералы, Этот микроорганизм был открыт около 50 лет назад в кислой шахтной воде, которая после 2–3 дней стояния на воздухе выделяла ржавый осадок гидроксидов железа. Было доказано, что окисление сульфата закиси железа, содержащегося в шахтной воде, происходит с помощью A. ferrooxidans.
Acidithiobacillus ferrooxidans присутствуют повсеместно в различных сульфидных месторождениях. Это неспорообразующие, подвижные клетки, имеют один жгутик, строгий аэроб. Размножается этот организм путем поперечного деления. Для него характерны небольшие колонии, на которых в растворе обычно возникает янтарно-желтый осадок гидроокислов железа. Установлено, что клетки этого организма мало проницаемы для некоторых токсичных металлов, например, для меди и цинка, и отличаются сравнительно высокой адаптацией к среде.
Источники энергии для роста в хемолитоавтотрофных условиях: сера, тиосульфат, железо двухвалентное, уран, медь и др. металлы, сульфидные минералы.
Acidithiobacillus acidiphilus (organoparus). Источником энергии является элементная сера, которую они окисляют при рН 3 и температуре 25-30 0 С. Источник азота – соли аммония и мочевина. В конструктивном метаболизме источниками углерода помимо углекислоты являются глюкоза, галактоза, ксилоза и ритоза.
2.4 Закономерности развития микроорганизмов данной группы.
Экспоненциальная или лог (логарифмическая) фаза роста характеризуется постоянной максимальной скоростью деления клеток, высокой геохимической активностью в случае бактериального окисления сульфидов.
Стационарная фаза начинается тогда, когда число клеток перестает увеличиваться, переход от экспоненциальной к стационарной фазе происходит постепенно.
Скорость роста в этой фазе зависит от концентрации субстрата. Поэтому при уменьшении этой концентрации наблюдается снижение роста клеток. Количество биомассы, достигнутое в стационарной фазе, называют выходом или урожаем клеток.
Ф
аза отмирания клеток и причины гибели клеток в нормальных питательных средах изучены недостаточно полно. Часто отмечается гибель клеток под действием собственных ферментов или веществ, образующихся в результате метаболизма микроорганизмов.
Рис. 4. Фазы роста периодической культуры A.ferrooxidans:
I-лаг-фаза; II-фаза ускорения роста; III-фаза экспоненциального роста; IY-фаза замедления; Y-стационарная фаза; YI-фаза отмирания.
В статической культуре (периодический режим выщелачивания) условия все время меняются: плотность популяции микроорганизмов увеличивается, а концентрация субстрата уменьшается. Для того чтобы микроорганизмы длительное время находились в фазе экспоненциального роста при постоянной концентрации субстрата, следует многократно переносить клетки через короткие промежутки времени на новую питательную среду или в сосуд с бактериями непрерывно вносить новый питательный раствор и одновременно удалять из него соответствующее количество бактериальной суспензии. Такой метод положен в основу непрерывного культивирования в хемостатах и турбидостатах.
Хемостат обычно состоит из сосуда культиватора, в который из особого резервуара поступает с определенной скоростью питательный раствор. Благодаря аэрации и механическому перемешиванию в культиваторе создаются оптимальные условия для снабжения кислородом и для более быстрого и равномерного распределения питательных веществ, поступающих с новой порциями раствора. По мере поступления в сосуд питательного раствора из сосуда вытекает бактериальная суспензия.
Рост бактериальной культуры в хемостате контролируется концентрацией субстрата. На таком ограничении роста основывается стабильность системы. Принципы хемостатной культуры положены в основу чанового бактериального выщелачивания.
2.5 Факторы влияющие на жизнедеятельность и активность тионовых микроорганизмов. Методы селекции, адаптации и выработки полезных свойств.
Как установлено многочисленными исследованиями, процессы бактериального окисления и выщелачивания могут протекать активно только при создании благоприятных для жизнедеятельности бактерий условий среды обитания. Все основные параметры, определяющие эти условия можно разделить на три большие группы (таблица 4).
Основные параметры процессов бактериального окисления и выщелачивания сульфидных минералов и концентратов
| Физико-химические параметры | Биологические параметры | Технологические параметры |
| Кислотность среды; Окислительно-восстановительный потенциал среды; Электродный потенциал минералов; Минеральный состав продуктов; Соотношение сульфидных минералов; Характер сростков сульфидных минералов; Газовый состав среды. | Минеральный состав среды; Адаптационные свойства культуры; Использование сообщества культур. | Крупность исходного материала; Способ перемешивания и аэрации; Использование оборотных растворов; Требования к продуктам выщелачивания |
Одним из наиболее важных параметров, определяющих биологическую активность микроорганизмов, является концентрация водородных ионов (рН). Это объясняется тем, что плазматические мембраны клеток труднопроницаемы для ионов H+ и ОН-, в силу чего рН в среде и внутри клетки не уравновешивается. Это создает трансмембранный градиент концентрации ионов водорода, который вместе с электрическим потенциалом мембраны определяет “протонную движущую силу”, управляющую мембранными реакциями.
Исходное значение рН в среде оказывает большое влияние, во-первых, на продолжительность лаг-фазы и, таким образом, определяет скорость роста клеток. Во-вторых, благодаря своему действию на диссоциацию различных соединений, рН оказывает влияние на их ингибиторные свойства. Величина рН также регулирует активность и количество ферментов, принимающих участие в окислительных процессах, степень хелатирования выщелачиваемых металлов, состав продуктов метаболизма и т.д. Кислотность среды оказывает влияние на состояние поверхности минерала и его электродный потенциал, а также на состояние химических соединений, являющихся продуктами жизнедеятельности бактерий (железо, мышьяк, сера и т.п.), которые могут быть в зависимости от рН как в растворенном виде, так и в виде осадков, и оказывать различное действие на активность клеток.
Изучение влияния активной кислотности среды на скорость и полноту выщелачивания мышьяка из золотомышьякового концентрата Кок-Патасского месторождения показало, что наиболее высокое извлечение мышьяка достигается при рН 1,6-2,25. При рН 3 извлечение мышьяка снижается с 97 до 72 %, а при рН 1,5 до 56%.
Чрезвычайно важным в процессе чанового бактериального выщелачивания является вопрос о регулировании значения рН на всем протяжении процесса, которое в зависимости от содержания сульфидов изменяется с 2-2,5 до 1,5 и даже 1,1. При бактериальном выщелачивании золотомышьякового концентрата Нежданинской ЗИФ значение рН снижается с 2,2 до 1,2, однако активность биомассы в пульпе выше, чем активность при регулировании рН, выше и концентрация выщелоченного мышьяка (8,1 г/л) в конце процесса, а скорость роста бактерий в 2,5 раза больше, чем при регулировании рН (до 1,8), скорость потребления кислорода также в 1,5-2 раза выше. При выщелачивании концентрата Майского месторождения рН изменялась с 1,6 в начале процесса, до 1,3 в конце процесса. Такое же снижение рН наблюдалось при выщелачивании концентратов Олимпиадинского, Бакырчикского и др. месторождений [4]. Заметное снижение значения рН происходит при высоком содержании в концентратах пирротина, когда большое количество серы окисляется до сульфат-ионов. Имеющиеся данные позволяют сделать весьма ценный вывод о необходимости поддержания оптимального значения рН при росте клеток, когда в начале процесса происходит накопление активной биомассы. Последующее выщелачивание, когда происходит отбор наиболее устойчивых к кислотности среды штаммов и снижение количества сульфидов- энергетического источника для бактерий, должно происходить при естественном значении рН.
Во всех случаях бактериального окисления железа и сульфидных минералов наблюдается оптимизация значения рН, т.е. кривая влияния кислотности имеет колоколообразную форму, что является характерным для ферментативных процессов. Это объясняется, во-первых, истинным обратимым влиянием рН на скорость ферментативных реакций, во-вторых, сродством фермента к субстрату и, в-третьих, влиянием на стабильность фермента, который может необратимо инактивироваться при изменении рН.
Механизм электрохимического окисления смеси сульфидных минералов обычно объясняется теорией микрогальванических или локальных элементов, по которой растворение электрода с меньшим потенциалом ускоряется, а с большим потенциалом уменьшается. Это явление имеет большое значение для объяснения селективности процесса бактериального выщелачивания.
Так марказит в контакте со сфалеритом окисляется в 4-6 раз медленнее, а сфалерит в 10-12 раз быстрее, чем в мономинеральных суспензиях. На бактериальное окисление сульфидных минералов влияет структура кристаллов, их проводимость, электрохимические свойства, а также наличие дислокаций, изоморфных примесей, вид сростков и т.п [4].
Исследования изменения потенциалов сульфидных минералов при химическом и бактериальном окислении, позволили составить ряд селективности по величине потенциала минералов:
Большое значение при выщелачивании сульфидных минералов имеет их химическая и минералогическая неоднородность, наличие примесей, тип проводимости, характер сростков. При исследовании бактериального окисления пирита показано, что пирит, обладающий дырочным типом проводимости, интенсивно окисляется бактериями при разности его потенциала и ОВП среды около 0,5 В. В то же время при выщелачивании пирита с электронным типом проводимости значения электродного потенциала и ОВП среды быстро выравниваются (при начальной их разности 0,2 В), и выщелачивание практически прекращается.
Рис.5. Схема гальванического эффекта при бактериальном выщелачивании арсенопирита и пирита.
При выщелачивании сростков сульфидных минералов наблюдается гальванический эффект, описанный выше. Схематическое изображение протекания процессов в случае сростка арсенопирита и пирита представлено на рисунке 5, где видно, что гальванический эффект усиливается не только за счет каталитического окисления арсенопирита, но и в результате бактериального окисления серы до сульфат – ионов [7].
Одним из основных параметров при бактериальном выщелачивании является температура среды, т.к. от нее зависит протекание биологических процессов, в которых температура влияет на скорость ферментативных процессов, стабильность фермента, скорость распада фермент-субстратного комплекса, сродство фермента к субстрату, сродство фермента к активаторам и ингибиторам, изменение концентрации растворенного кислорода и углекислого газа. При изменении температуры изменяется растворимость ферментов, происходит модификация клеточных структур, инактивация ферментов, изменяется состав липидов и т.п.
Известно, что оптимальной для жизнедеятельности мезофильных бактерий А. ferrooxidans является температура 28-35 0 С. При 40 0 С прекращается их рост, а при 50 0 в результате денатурации белка происходит инактивация ферментов и мезофильные бактерии погибают. При низких температурах скорость роста бактерий замедляется ввиду того, что клетка становится неспособной синтезировать более высоконасыщенные жирные кислоты, входящие в состав липидов. При этом естественно снижается их окислительная активность.
Наибольшая скорость выщелачивания мышьяка из арсенопирита наблюдается при температуре 35 0 С, когда его извлечение в 1,3 и 4,3 раза больше, чем при температуре 30 и 20 0 С. Наблюдаемая во всех случаях колоколообразная форма кривой зависимости активности микроорганизма от температуры, характерна для ферментативного механизма окисления, т.к. одной из специфичных особенностей действия ферментов катализаторов является их строгая термолабильность. Температурный коэффициент Q10 при окислении железа составляет 2,0, а при выщелачивании сульфидных минералов 2…3.
Проведенные исследования по влиянию воздуха на бактериальное окисление железа показали, что активность бактерий не подавляется даже при такой степени аэрации как 300 объемов воздуха на один объем среды в час при его высокой степени диспергации. В промышленных условиях считалось, что расход воздуха должен быть не менее одного объема на один объем пульпы в минуту. Такой расход воздуха значительно повышает затраты на процесс выщелачивания. Поэтому считается, что остаточная концентрация кислорода в пульпе не должна быть менее 2 мг/л.
В условиях бактериального выщелачивания сульфид-содержащих продуктов, когда растворимость кислорода в пульпе по сравнению с питательной средой 9К уменьшается из-за высокой концентрации различных соединений, как органических, так и неорганических, и большого количества в пульпе твердых частиц- сульфидов, абсорбция кислорода в жидкую фазу становится фактором, лимитирующим процесс выщелачивания. При выщелачивании одного из золотомышьяковых концентратов на каждый объем пульпы поглощается кислорода в 3-4 раза больше, чем его содержание в том же объеме бактериального раствора. А при выщелачивании в пачуках с количеством биомассы в жидкой фазе пульпы 108-109кл/мл расход воздуха составляет не менее 1-2 объемов на один объем пульпы в минуту. При таком расходе концентрация кислорода не снижается ниже 4 г/л. При бактериальном выщелачивании золотомышьякового концентрата Олимпиадинского месторождения расход воздуха составил 0,6 м 3 на 1 м3 пульпы в минуту, а на некоторых зарубежных установках он равен 0,25-0,30 м3 на 1 м3 пульпы. При выщелачивании медно-цинковых продуктов остаточная концентрация кислорода определена не менее 1,6 мг/л.
Для повышения активности микроорганизмов и интенсификации окислительных процессов необходимо в воздушной смеси, подаваемой на аэрацию поддерживать концентрацию СО2 в пределах 0,1-0,15%. При этом активность микроорганизмов возрастает на 35 %.
Иногда вместо FeSO4·7H2O используют соль Мора FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O (63г/л) в этом случае (NH4)2SO4 в среду не добавляют. При таком составе содержание Fe 2+ в среде составляет около 9 г/л. Иногда используют среду 9К/2, в которой содержание Fe 2+ уменьшается в 2 раза, или 9К/4, в которой количество Fe 2+ уменьшается в 4 раза. При бактериальном выщелачивании сульфидсодержащих концентратов железо не подается, а вместо солей азота и фосфора применяются удобрения типа аммофоса (0,5 г/л). Если же в концентратах содержится фосфор, например в виде апатита, то соли фосфора можно в среду не подавать.
Одним из самых важных условий протекания бактериальных окислительных процессов является использование активной культуры клеток. Активность различных штаммов бактерий, выделенных из рудничных вод неодинакова при окислении неорганических субстратов- серы, железа, сульфидных минералов. Так, культура бактерий, выделенная непосредственно из рудничных вод месторождения и выросшая в них при определенных условиях среды обитания (рН, тип сульфидов, солевой состав вод, температурный режим, наличие ингибирующих соединений), как правило, более активна при выщелачивании металлов из руды этого месторождения.
В технологии чанового бактериального выщелачивания в плотных пульпах применение высокоактивных штаммов, устойчивых к экстремальным условиям, является одним из параметров, определяющих скорость процесса и, естественно, его экономичность. Имеются штаммы культур, устойчивые к следующим концентрациям металлов в растворах, г/л: мышьяк 6-10, железо 15-20, уран 12, медь 50, цинк 40-50, алюминий 20, никель 72, хлор-ион 10, молибден 0,2, серебро 0,01 и кадмий 0,82.
Известно, что некоторые металлы при низких концентрациях стимулируют рост многих микроорганизмов, но при повышении концентрации их сначала наступает ингибирование, а затем полное подавление активности и роста клеток. Объясняется это тем, что металлы могут связывать свободные SH-группы, подавляя ферменты, содержащие эти группы. Кроме того, некоторые металлы могут входить в активную часть ферментов (как медь и железо в цитохромы), другие являются активаторами ферментов. Однако при больших концентрациях металлы могут связываться с молекулами самого фермента и инактивировать его.
Все это свидетельствует о возможности получения культуры, обладающей свойствами, необходимыми для ее промышленного использования путем адаптации к повышенным концентрациям выщелачиваемых элементов. Такой штамм “производственной” культуры должен иметь высокую активность, хорошую кинетическую характеристику и устойчивость к высоким концентрациям элементов, переходящих в жидкую фазу при выщелачивании [8].
Адаптация микроорганизмов является чрезвычайно чувствительной и специфичной. Например, бактерии, адаптированные к арсенопириту, не окисляют остальные сульфидные минералы. Скорость окисления этими бактериями халькопирита ниже в 13 раз, а пирита в 38 раз.
Очень важное технологическое значение имеет тот факт, что приобретенные адаптивные свойства бактерий, т.е. их повышенная устойчивость к ингибирующим ионам происходит только за счет мутагенных изменений при реализации возможностей их организмов при изменении среды обитания, но без изменения их генотипа. Поэтому адаптивные свойства утрачиваются бактериями при изменении условий среды и для поддержания культуры в активном состоянии необходимо применение режима хемостатного культивирования в условиях выщелачивания продукта, т.е. культура должна находиться постоянно в тех условиях, к которым она была адаптирована.
Метода хемостатного культивирования заключается в том, что в среду с постоянной скоростью подается свежая среда с субстратом
( Fe2+, сульфиды, концентрат), объем которой поддерживается на постоянном уровне путем равномерного удаления части среды с культурой (рис. 6).
Хемостат является саморегулирующейся системой с идеальным перемешиванием, обладает высокой технологичностью, на его принципе осуществляется аппаратурное оформление биотехнологических процессов.
Х – концентрация биомассы, S – концентрация субстрата, F – скорость подачи раствора
F-величина потока среды или пульпы, л/ч;
V- полезный объем аппарата, л.
При бактериальном выщелачивании золотомышьяковых концентратов Dкрит составило 0,05-0,06. При выходе за пределы этих значений происходило вымывание клеток, снижение их количества в жидкой фазе и ОВП среды, повышалось значения рН и содержания мышьяка в кеках выщелачивания а также происходило накопление закисного железа.
Многочисленные исследования кинетики бактериальных процессов окисления и выщелачивания позволили сделать вывод о том, что скорость окислительных процессов, катализируемых ферментами, прямо пропорциональна концентрации биомассы в определенных пределах. Для окисления закисного железа этот предел составляет 0,05-2,5 г/л биомассы по сырому весу. Поэтому одним из путей интенсификации процессов бактериального окисления и выщелачивания является применение концентрированной биомассы. Это, во-первых, значительно ускоряет процесс, снижает эффект ингибирующего действия ионов, перешедших в раствор при выщелачивании, что особенно важно при выщелачивании сложных по составу продуктов. Для получения плотной популяции культуры используются методы цент-рифугирования, сепарирования, электрохимического, хемостатного культивирования, иммобилизации и применения оборотных растворов.
Известно, что во всех применяемых способах бактериального выщелачивания биомасса, активная и адаптированная, безвозвратно теряется либо с продукционными растворами при подземном и кучном выщелачивании, либо с пульпой при чановом.
Использование возвращаемой биомассы дает возможность значительно повысить концентрацию активных клеток в пульпе, окислительную активность бактериальных растворов и производительность установок.
Метод электрохимического культивирования является наиболее производительным из всех известных методов, однако выращивание адаптированной культуры в электрохимическом культиваторе в течение 72-96 часов не изменяет адаптивные свойства культуры. Поэтому такая культура может применяться в технологии чанового бактериального выщелачивания вместо адаптированной на начальном этапе процесса, значительно сокращая время ввода его в оптимальный режим. В дальнейшем концентрирование биомассы лучше осуществлять при использовании оборотных растворов или биомассы, выделенной из этих растворов сепарированием или центрифугированием. При выщелачивании золотомышьяковых концентратов скорость выщелачивания арсенопирита напрямую зависит от концентрации биомассы. Если при плотности биомассы 0,025 г/л по сухому весу выщелачивается 0,5 г/л мышьяка за 30 часов, то при плотности 2,5 г/л в раствор перешло мышьяка в 9 раз больше. Оптимальное соотношение концентрации биомассы, концентрации закисного железа и количества твердого в исходной пульпе при выщелачивании золотомышьяковых концентратов как 1:4:100. При таком соотношении за 65 часов выщелачивания содержание сульфидного мышьяка снижается в 3,5 раза, что достигается в присутствии неконцентрированной культуры за 120 часов, т.е. почти в 2 раза медленнее.
Для определения биомассы в технологических процессах выщелачивания применяется экспрессный метод, основанный на центрифугировании, по которому количество клеток пересчитывается по формуле [8]:
Применяемые методы концентрирования клеток позволяют повысить их концентрацию до 3-5 г/л и более или 1010- 1011кл/мл.
При бактериальном окислении закисного железа использование иммобилизованной биомассы на твердом носителе позволяет в 2-3 раза уменьшить время окисления.
Среди параметров, определяющих эффективность бактериального выщелачивания чановым методом, особое значение приобретают такие специфичные для этого процесса параметры, как плотность выщелачиваемой пульпы, крупность и способ подготовки продукта к выщелачиванию, способ перемешивания и аэрации, схема выщелачивания, методы переработки оборотных растворов, требования к продуктам выщелачивания и т.п. Эти параметры определяют, прежде всего, технологическую схему, режим процесса и его аппаратурное оформление.
При выщелачивании концентратов и продуктов, имеющих не только сложный вещественный состав, но и различный характер и крупность вкрапленности выщелачиваемых минералов, гранулометрический состав этих продуктов является одним из основных параметров, определяющих кинетику и полноту выщелачивания.
Чановому выщелачиванию, как правило, подвергают продукты гравитационного и флотационного обогащения, имеющие различную крупность. Гравитационные золотосодержащие концентраты крупностью 1-2 мм перед бактериальным выщелачиванием доизмельчают до крупности 80-90% класса минус 0,074 мм, т.е. до крупности флотационных концентратов. При этом необходимо определить для каждого конкретного продукта полноту раскрытия минералов и доступность их для действия бактериальных выщелачивающих растворов.
Для золотомышьяковых концентратов различного минерального состава крупность перед выщелачиванием должна быть не менее 90-95% класса минус 0,074 мм (около 80-85% минус 0,044 мм), в некоторых случаях, например, при очень тонкой вкрапленности арсенопирита, она должна быть доведена до крупности 90-98% минус 0,0 44 мм.
Так, наиболее высокие показатели извлечения золота достигнуты при крупности выщелачиваемого концентрата 88% класса минус 0,044 мм. Для концентратов Майского месторождения крупность составляла в среднем 90-95% минус 75 мкм (86% минус 0,044 мм). При такой крупности концентратов значительно повышается скорость выщелачивания арсенопирита, увеличивается извлечение в раствор мышьяка и повышается извлечение золота цианированием.
Характерным является изменение гранулометрического состава выщелачиваемых концентратов. Так, если в исходном концентрате материала крупностью минус 0,044 мм содержится 57%, то уже после первой стадии выщелачивания выход материала этой крупности достигает 84%, а количество материала крупностью менее 0,020 мм увеличивается в два раза.
Изменение гранулометрического состава продуктов выщелачивания со временем может в значительной степени определить время, необходимое для оптимального вскрытия тонковкрапленного золота, а также всю технологическую схему выщелачивания. Как правило, основное количество сульфидов окисляется впервые 24-48 часов, степень окисления их при этом составляет 60-70%. Поэтому целесообразно выделение из выщелачиваемой пульпы уже разрушенных сульфидных минералов, имеющих крупность минус 0,044 мм, которые направляются на цианирование. Выход материала такой крупности составляет обычно 40-60% от исходного, а извлечение из него золота достигает 90 и более процентов. Так при бактериальном выщелачивании концентратов Майского месторождения при степени окисления сульфидов 67% извлечение золота достигает 96%.
При бактериальном выщелачивании концентрата Кокпатасского месторождения из материала крупностью минус 0,044 мм после первой стадии выщелачивания золото цианируется на 90-92%, в то время как из песковой части его извлечение не превышает 81%. Вывод из пульпы уже выщелоченного материала позволил снизить общее время выщелачивания в 2 раза, т.е. на 42 часа [4].
Плотность выщелачиваемой пульпы также имеет особое значение в технологии чанового выщелачивания, т.к. она определяет производительность процесса по твердому и в конечном итоге основные технико-экономические показатели процесса.
В статических условиях высокие показатели по извлечению металлов достигаются только в сильно разбавленных пульпах ( Т:Ж = 1:50 ). Так при выщелачивании золотомышьякового концентрата Кокпатасского месторождения, содержащего 10% мышьяка оптимальное соотношением Т:Ж в периодическом режиме составило от 1:30 до 1:50, при котором извлечение мышьяка в растворе достигало 88% за 100 часов. При увеличении Т:Ж до 1:10 извлечение мышьяка составляло всего 30%, а количество клеток снижается с 106 до 102 в мл. Значительно снижается и их активность. Одной из причин подавления бактериальной активности клеток является накопление в выщелачивающих растворах продуктов окисления арсенопирита и прежде всего мышьяка. Если при Т:Ж = 1:50 содержание его в растворе составляет 1,15 г/л, то при Т:Ж = 1:10 его концентрация повышается до 2,5 г/л.
Создание оптимальных условий для жизнедеятельности микроорганизмов в плотной пульпе возможно только при постоянной смене раствора, т.е. при проточной технологии в непрерывном режиме выщелачивания. Промышленная практика эксплуатации установок чанового выщелачивания показала, что высокая активность бактерий и высокая скорость выщелачивания наблюдается при оптимальном соотношении Т:Ж = 1:4-1:5. При таком соотношении концентрация мышьяка в жидкой фазе составляет от 3 до 8 г/л в зависимости от его содержания в исходном продукте и оборотных растворах. При концентрации мышьяка более 8 г/л активность бактерий снижается с 2-2,5 до 0,6 г/л*ч при высокой плотности биомассы (2*10 10 кл/мл). При этом, однако, в жидкой фазе наблюдается повышение до 40 г/л содержания Fe (III), которое также подавляет активность бактерий.
При выщелачивании в плотных пульпах большое значение приобретает режим перемешивания и аэрации, создающий благоприятные условия для насыщения пульпы кислородом и углекислым газом. А режим перемешивания и аэрации в свою очередь зависит от типа аппарата, применяемого при выщелачивании. Помимо необходимости оптимального перемешивания и аэрации выщелачивающие аппараты должны обеспечивать пропускную способность цикла выщелачивания с заданным временим выщелачивания, потребность в кислороде и углекислом газе, создание температурного режима.
Первые укрупненные исследования процесса бактериального выщелачивания в непрерывных условиях проводились в пневматических аппаратах типа “пачук”. Показана недостаточная эффективность перемешивания плотной пульпы и недостаточная степень аэрации в таких аппаратах, когда остаточная концентрация кислорода не превышала 1 мг/л. Поэтому в настоящее время основной тип аппаратов стальные гуммированные реакторы (чаны) с механическим перемешиванием и принудительной подачей воздуха [11].
Перемешивание пульпы в чанах осуществляется 6- лопастными турбинами, но в последнее время они заменяются импеллерами с осевым потоком. Турбины с радиальным потоком эффективно аэрируют пульпу, но имеют низкую перемешивающую способность и большое потребление энергии, в то время как импеллеры с осевым потоком обеспечивают хорошее перемешивание и потребляют меньше энергии, кроме того, при высоких скоростях вращения они не оказывают вредного влияния на биомассу. Производительность установки снабженной с импеллерами с осевым потоком почти в 2 раза выше, чем снабженной турбинами.
В реакторах с импеллерами, имеющих противозавихрительные перегородками, утилизация кислорода составляет в среднем 15% (максимум 25%) при концентрации растворенного кислорода 2,5 мг/л. Эффективность кислородного обмена составила 0,55/КВт*ч.
На фабрике “Конгресс” (Канада) при производительности 113 т/сутки и количестве чанов 10 (225 м3 каждый) удельный расход электроэнергии на перемешивание и подачу воздуха составил 104 квт*ч на 1 тонну концентрата. Снижение энергозатрат на процесс бактериального выщелачивания может осуществляться за счет уменьшения расхода воздуха, степени аэрации и перемешивания, увеличения плотности выщелачиваемой пульпы [4].
Для переработки упорных золотомышьяковых концентратов разрабатываются новые конструкции биореакторов.
Источник
