微生物湿法冶金.ppt

第六章微生物湿法冶金,,基本情况,国外在生物冶金方面的研究起步较早，目前许多国家已实现了铜矿、油矿、金矿等一系列矿种的微生物工业化浸出生产。此外，已有大量的现代生物学手段被引入工业化生产，对其中的金矿微生物进行有效监控。如用免疫荧光标记技术来活体检测菌体的吸附过程，用蛋白质定量分析来确定菌体对矿石的吸附量等。国内系统研究始于1959年。1972年开始有微生物湿法冶金技术应用于工业化生产（细菌浸出铜铀伴生矿）。1977年完成高硫锰矿和锡矿的微生物浸出半工业化生产。1994年在陕西进行吨位黄铁矿类型贫瘠矿的细菌堆浸实验，金回收率提高58％（原矿含金量只有0.54g/吨）；1995年以后有更多的开发应用。但跟国外比还有很大差距，如对浸矿微生物菌种没有监控，对菌种生理状态等也缺乏全面认识，不能很好指导浸矿。我国还没有真正建立起一家细菌浸矿工厂。,第一节与微生物冶金有关菌类的开发,与微生物冶金有关的菌类微生物冶金的原理浸矿用菌的开发途径,1.与微生物冶金有关的菌类,硫杆菌属包括至少14种，最重要的是氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌。硫杆菌属无机化能营养型，细胞为革兰氏阴性，棒状。直径0.30.8μm,长0.92.0μm。菌体通过单极生鞭毛进行运动，许多菌体表面还有粘液层。钩端螺菌属所有的钩端螺菌属菌都是严格好氧微生物，专一性地通过氧化溶液中的Fe3＋或矿物质中的Fe2＋来获取能量。硫化杆菌属能量来源是Fe2＋、硫磺和其它矿物。该属菌严格好氧且极度嗜酸。嗜酸嗜热古生菌纲该类群中，一共有四个属的菌（硫化叶菌属、酸菌属、生金球菌属及硫球菌属），均为好氧菌，极度嗜热嗜酸，球形，不具运动性，不具有鞭毛，兼性无机化能自养。,嗜酸硫杆菌的煎鸡蛋形菌落,2.微生物冶金的原理,细菌直接作用浸矿细菌对矿石存在着直接氧化的能力，细菌与矿石之间通过物理化学接触把金属溶解出来。某些靠有机物生活的细菌，可以产生一种有机物，与矿石中的金属成分嵌合，从而使金属从矿石中溶解出来。细菌间接作用浸矿细菌能把金属从矿石中溶浸出来是细菌生命活动中生成代谢物的间接作用，例如细菌作用产生硫酸和硫酸铁，然后通过硫酸或硫酸铁作为溶剂浸提出矿石中的有用金属。,3.浸矿用菌的开发途径,从已有菌群中开发,基因工程构建和重组,获得新性状菌株（工程菌）,接矿小试验及扩大试验,效果不明显,抛弃,效果明显,菌种保藏,野外采样开发,不断驯化培养,接矿小试验扩大试验,效果不明显,继续驯化,效果明显,细致研究,基因改造,改善浸出条件提高浸出效率,工业化生产,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第二节浸矿微生物开发,1.选择适合的采样地点浸矿微生物可能存在的地点矿山、矿堆或尾矿中流淌出来的酸性水矿石本身热泉水样或矿浆微生物一般集中选择在低pH条件下，其最适生长温度分为30℃（中温菌）、45℃（中度嗜热菌）或70～80℃（极度嗜热菌）的类群。堆矿环境呈酸性，温度60～80℃，是理想的采样地点。这些菌活跃在浸矿液、矿石表面等区域。,2.在合适条件下培养样品,培养基的选择刚采集到的样品一般不直接用于接矿培养基来培养。通常选择一些易于菌体分解利用的培养物来扩大菌体数量。由于冶金菌多为自养型细菌，培养基中一般加入硫酸胺或硝酸钾、磷酸钾、硫酸镁、硫酸铁、硫等作为N及矿物质来源。培养温度的初步确定培养温度根据菌种来源而定。有适合30℃培养的，但中度嗜热菌的最佳生长温度约50℃，极度嗜热菌最适生长温度6070℃。通过初步设定培养温度可以有选择地获得一些适于特定环境浸出的微生物类群。培养基pH以3～4为宜。还必须通气，避免阳光照射等以利繁殖。,3.驯化培养,驯化培养就是不断提高目的矿样在培养基中的浓度，同时不断减少其他易于被菌体分解利用的化合物的量，直至完全停止。驯化培养实际上是定向选择抗性菌体的过程，一开始可能所需时间比较长，但随着目的菌数的不断增多，驯化培养的周期会不断缩短。当菌体对某种金属离子具有较强的耐受力，或菌数在一个较短周期内到达108～109个/ml时，驯化菌样就可用于生物浸矿试验。,4.浸矿试验,浸矿试验要注意以下因素酸度细菌氧化过程中，pH的选择非常重要。有菌体培养物、处理硫化矿物及氧化工艺造成的影响。大部分控制pH2～3。通气对好氧嗜酸菌很重要。当溶解氧下降至0.51.0mg/L时，细菌氧化很快停止。但堆矿工艺不通气，只在矿堆上撒水。温度一般情况下，细菌最适生长温度并不等于最适浸出温度。每种细菌都有最适生长温度与浸出温度。硫化矿物的量搅拌浸出法矿浆浓度并非越高越好。较高矿浆浓度下，需氧量高，需提高搅拌速度，对细菌剪切力随之增加，使细菌难于吸附到矿物表面；同时在同样条件下矿浆浓度越高，相对吸附到矿体表面的细菌数目就少，从而降低细菌的氧化速率。其他（如营养物等）,5.细菌的进一步改造和重新构建,诱变育种分离获得的菌种，在改造上要选择具以下特征进行育种1）具有很高的氧化铁或硫的能力2）具再生生长能力3）已有相当程度的变异。诱变后，挑选浸出效率提高，又具稳定遗传性的突变菌株。基因工程构建新菌株筛选合适酶的菌株→确定酶基因的位置（基因或质粒）→如基因组则提取及纯化基因组染色体→将纯化后的基因片段克隆到大肠杆菌的质粒上→检出被转化的大肠杆菌→从转化菌中提取质粒，切割质粒上相关的酶基因片段→检测所获酶基因片段及由该基因表达的酶的氨基酸顺序→构建穿梭质粒，将酶基因导入目的硫杆菌内→表达。,6.细菌浸出扩大试验（工业级）,搅拌浸出、堆浸和原位浸出3种方法。1）搅拌浸出半连续浸出重复给料分批培养，即在浸出过程定期补加新鲜培养液，并定期将浸出液取出，这样做的目的是补充作用菌，并将有害代谢产物排除和稀释。连续浸出将几个重复的给料浸出设备串连起来，第一个罐流出物供给第二罐原料，直至最后一罐流出较高浓度的产品。优缺点缺点是生产成本高（需搅拌、加热、通气、冷却、耐酸反应罐），适用处理单位价格高的矿种（如金矿）；优点是各项浸出指标易达到最佳水平。,,2）堆浸主要用于处理大吨位的贫矿、废矿及尾矿，浸出时间长，矿石一般不需要破碎得很细或无需破碎。待处理的矿石被推在不透水的斜面地基上，矿石表面设置喷淋管道，向矿石堆连续或间断的喷淋微生物浸出液进行浸出，并在较低处建筑收集槽收集浸出液。优点成本低，最成功得例子是生物浸铜。3）原位浸出利用自然的或人工爆破形成的地面裂缝，将能氧化矿物的细菌酸性水注入矿床，使目的金属溶解到细菌浸液中，然后再回收金属。目前用于浸出铜和铀。,7.菌种保藏,保藏要求不死亡、不变异“矿砂保藏法”菌体培养物（或矿浆）→转移到无菌试管（砂土和硫铁矿比例13）→用蜡封死管口→室温保藏达2.5～3年冰冻干燥法菌体培养物（或矿浆）→离心收集（含部分矿物质）→用蒸馏水快速漂洗→pH达到7左右→转移到安管中→加入细胞保护剂→－70℃冰冻24h→冰冻干燥24h→封口→低温保藏,第三节适用细菌法进行预氧化处理的矿石,1.细菌氧化法处理目的矿物的流程2.细菌氧化分类3.可用细菌法来处理的矿石类型,（矿体）,开采矿石,原位浸矿,低品味矿,高品味矿,破碎矿石,浸堆,尾矿,富集,富金属溶液,精矿,搅拌浸出,富金属固形物,及,废液,金属分离,中和,金属,废弃尾矿,废水,废矿,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,流程,2、细菌氧化分类,金属释放各种包裹金及银颗粒的矿物质被氧化溶解，暴露出目的金属。初级矿物氧化在氧化过程中，硫化型矿物被细菌氧化而溶解出来（或转变为不溶于水的硫酸盐类物质），Fe3＋和硫酸的参与可提高氧化速率次级矿物浸出指含有目的金属，但由于它们不具有二价铁或还原态硫（通常是碳酸盐矿或氧化矿，不能参与初级氧化），但其他初级氧化生成的3价铁和硫酸可将它们溶解。一般化能自养菌要求作用底物含二价铁、还原态硫化矿物等，决定了可在初级氧化阶段就被细菌溶出，而它们产生的氧化物（硫酸及三价铁）可用于次级矿物的溶解。,Roleofiron-oxidizingbacteriaintheoxidationofthemineralpyrite,Pyrite（黄铁矿-FeS2）oxidation,FeS231/2O2H2OFe22SO42-2HFe2ThiobacillusferrooxidansFe3FeS214Fe38H2O15Fe22SO42-16H,,,,3.可用细菌法来处理的矿石类型,银矿（Ag2S当包括有元素银或金的难处理矿物被细菌氧化后，金银就释放出来（氧化亚铁硫杆菌）。锌矿在硫铁矿存在下，硫化型锌矿的细菌浸出速率可提高。锌单位价格较低，一般用堆浸和原位浸出法。锑矿单位价格也低。一些难处理金矿如黄铁矿有时也会和辉锑相互伴生，因此伴随铁、砷离子的锑组分会被溶解出来。锡矿以锡石形式存在（SnS2。如单一锡矿不太适合细菌浸出法，但一种同时含有铜、铁、锡的硫化型矿物黄锡矿适合。铜矿用微生物浸出已有30年历史，是细菌冶金比较成功得金属。镍矿含铁的硫化型镍矿最适合细菌氧化法处理。金矿有15％～30％的黄金被别的一些矿物如黄铁矿、硫铁矿、白铁矿等。如30～100g/t的精用搅拌浸出工艺。其他低品质的可用堆浸法处理。钼矿单位价格高可用搅拌浸出法进行。硫化叶菌，但菌种对其敏感，要多驯化提高耐受能力、目前硫化叶菌已可耐受8mmol/L.细菌处理缺点产物都呈酸性，后续处理首先需碱中和，环境也有污染。,第四节菌体浸出反应的内在机制,1.菌体和矿物表面的接触①物理吸附阶段菌体与矿物表面之间的电荷吸引，如氧化亚铁硫杆菌吸附在铜锌精矿上一段时间，这些元素很容易被洗脱下来；②化学吸附阶段由于菌体和矿物表面形成化学键变得更牢固。另外菌体分泌的一些胞外代谢产物也会影响它们之间的吸附作用。,,2.菌体生长特征细菌以二分裂方式繁殖。不同的微生物生长条件不同，但它们对于不同的底物，其倍增时间有较大差异。如氧化亚铁硫杆菌用元素硫培养，倍增时间为12h～8天，用二价铁培养倍增时间为3～12h，用硫化矿培养时倍增时间2天。因此，决定菌体生长及矿物氧化最重要的因素是矿物性质。3.混合培养一般情况下，生物冶金都伴随其他杂菌污染。如异养菌、真菌、酵母菌甚至藻类在浸出系统中有较少数量，但可能会对细菌氧化冶金产生益处。但不是所有异养菌对细菌冶金菌都有益处，一些拮抗细菌就是不利的。4.菌体内酶作用,第五节浸矿微生物的分析监测,浸矿过程主要对作用菌进行有效监控。1）生物量的测定无机化能自养菌既可在含铁或还原态硫化物的培养基中生长。在液体培养时可用OD（600nm,如培养物不是矿物该方法不行，如对矿石表面菌（死活细菌），尝试对微生物元素和分子分析。2）分析蛋白质用lowry法测定。但该方法会受到二价铁和三价铁的影响，还有硫铁矿检测时加热产生颜色，造成干扰。3）游离细胞与附着细胞，活细胞与死细胞的区分将细菌从矿物表面剥离下来，采用去污法、超声波处理等。荧光显微镜区别吸附态和游离态细胞等。,第六节展望,微生物湿法冶金的价值微生物湿法冶金就是微生物地球化学循环反应的高效重演。微生物氧化预处理优点①减少资金花费②工艺流程更容易改变和控制③可以提高金属回收率④减少SO2排放，保护环境微生物湿法冶金中微生物资源的保护对于优良微生物菌种开发，具备极高商业价值。因此对于资源环境应加以保护，菌种DNA资源应加以保护。,