一种用于生物氧化生产三价铁的立式细胞固定化反应器

摘要

本发明公开了一种三价铁生产的立式细胞固定化反应器，该固定化反应器主要由圆形顶盖(1)、上法兰(2)、反应器筒体(3)、气体分布器(4)、下法兰(5)、倒锥形底座(6)、进料口(7)、排废液口(8)、通气口(9)、取样口(10)、出料口(11)和气孔板(12)组成。这是一个以中度嗜热西伯利亚流感菌为固定化菌种，聚氨酯泡沫为载体，用于生产三价铁的细胞固定化反应器。本发明可解决黄金生产过程中矿物预氧化处理工艺中生物学过程细菌氧化Fe2+为Fe3+反应速率低以及受溶液中有毒离子毒害的问题，可提高细菌氧化Fe2+速率。本发明具有杂菌污染减少、供气均匀充足，可连续操作，氧化速率高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及黄金生产过程中矿物预氧化处理工艺中细菌氧化二价铁生成三价铁的生产设 备。

背景技术

生物浸出是难浸矿石的预处理工艺之一，随着富矿不断减少，难处理、低品位金矿将成 为我国黄金生产的主要原料，也即成为细菌氧化预处理的主要对象，低品位矿石主要为硫化 矿，浸出过程所涉及到的微生物是多种多样的。由于常温菌的反应温度最高为40～45℃，要 使硫化矿达到必要的氧化率一般需要4～5天，而生长在60℃以上的高温嗜热菌大部分缺少细 胞壁，难以耐受高矿浆浓度造成的较强剪切力，而最佳生长温度在44～55℃的中度嗜热菌则 较之具有较高矿浆浓度耐受能力，在硫化矿生物浸出工业应用中极用优势。过程工程的开发 和优化要求对细菌浸矿机理深入了解。细菌浸出机理分直接作用和间接作用，直接作用认为 矿石的浸出靠细菌细胞吸附于矿石表面，通过细胞分泌的酶促进矿石溶解；而间接作用是指 矿石在微生物代谢过程中所产生的硫酸高铁和硫酸作用下发生的化学溶解作用，所以生产大 量的三价铁成为浸矿效率高低的关键步骤。

反应通式如下：

MeS+2Fe³⁺→Me²⁺+2Fe²⁺+S⁰

该反应器针对间接浸出原理和两步法生物浸出工艺而设计，即将矿物的生物浸出过程分为细 菌氧化亚铁为三价铁的生物反应过程和三价铁参与矿物浸出的化学过程，分别控制反应的适 宜条件，减少矿物对细菌的剪切作用和毒害作用，可以显著提高矿物浸出速率。

高效反应器的构建是提高生物冶金生产效率的关键，搅拌槽生物反应器和气升式生物反 应器在工业上已得到广泛应用。搅拌槽生物反应器气液固混合程度较高，但不能高速的通气， 快速机械搅拌产生的剪切力对细菌有很大损害。气升式生物反应器具有高效的气相分散、传 热速率高、混合迅速、构造简单的优点，但是反应器内气液固均处于流动状态，细菌不能稳 定地发挥作用，同时，当气速增大时，因混合搅动造成的剪切力，也会对细菌造成损伤。所 以开发通气效率高，细菌能够稳定生长，减小剪切力的反应器和工艺是目前的研究热点。而 两步法生物浸出工艺极大程度的降低了矿物对细菌的直接剪切作用。此外，为了进一步的减 小剪切作用对细菌的损害，增大细菌的浓度，细胞固定化技术得到了广泛应用。因此，开发 适合的反应器成为重中之重，用于三价铁氧化的立式固定化反应器是专门为两步法中的生物 反应过程设计的反应器，它以廉价易得、具有大孔结构的聚氨酯泡沫为固定化载体，以中度 嗜热菌为固定化菌，不仅通气充足均匀，且由于固定化作用，减少了剪切力和有毒离子对细 菌的伤害，反应周期缩短，细菌氧化亚铁速率得到很大提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种立式细胞固定化反应器，以解决生物浸出中二价铁氧化速 率慢，浸出时间长等问题。

本发明的目的通过下列技术方案实现：

一种立式固定化反应器，由圆形顶盖1、上法兰2、反应器筒体3、气体分布器4、 下法兰5、倒锥形底座6组成，其特征是所述反应器筒体3为立式圆柱筒体，在反应器 筒体3的外壁中上方设有圆形出料口11，反应器筒体3下方设有圆形取样口10，在反应 器筒体3上方链接上法兰2，上法兰2与圆形顶盖1链接，在圆形顶盖1上分布着气孔 板12，与反应器筒体3相互链接的是气体分布器4，气体分布器4上均匀分布有气孔， 与气体分布器下连的是下法兰5，下法兰5与倒锥形底座6相链接，在倒锥形底座6正 底部设有通气口9，同时在倒锥形底座6两侧分别开有两孔，进料口7和排废液口8。

所述圆形顶盖1上均匀分布有气孔板12。

所述反应器筒体3中上端设有出料口11，下端设有取样口10。所述反应器筒体3下 端连有气体分布器4，气体分布器4和下法兰5链接。下法兰5与倒锥形底座6相链接

所述倒锥形底座6下端开有通气孔9，两侧分别开有进料口7和排废液口8。

所述立式固定化反应器，所用菌种为中度嗜热西伯利亚流感菌。

所述立式固定化反应器，所用的固定化载体为聚氨酯泡沫，不易堵塞取样口和气孔。

本发明有如下突出特点：

1 本发明将出料口11，取样口10和排废液口分开，减少杂菌污染。

2 本发明的结构有圆形顶盖1，可以减少空气中的灰尘，杂质的进入。

3 本发明有气体分布器，避免了部分细菌因空气不足而失去活性，有助于细菌的生 长。

4 本发明适以聚氨酯泡沫为固定化载体，密度小，容易悬浮，不易堵塞取样口和气 孔，不易随反应液从出料口流进化学反应器中。

5 本发明以中度嗜热西伯利亚流感菌为菌种。

附图说明：

图1，2为本发明的结构示意图。

其中，1为圆形顶盖、2为上法兰、3为反应器筒体、4为气体分布器、5为下法兰、6 为倒锥形底座、7为进料口、8为排废液口、9为通气口、10为取样口、11为出料口、12 为气孔板。

具体实施方式：

一种立式固定化反应器，由圆形顶盖1、上法兰2、反应器筒体3、气体分布器4、 下法兰5、倒锥形底座6组成，其特征是所述反应器筒体3为立式圆柱筒体，在反应器 筒体3的外壁中上方设有圆形出料口11，反应器筒体3下方设有圆形取样口10；在反应 器筒体3上方链接上法兰2，上法兰2与圆形顶盖1链接，在圆形顶盖1上均匀分布着 气孔；与反应器筒体3相互链接的是气体分布器4，气体分布器4上均匀分布着气孔， 与气体分布器下连的是下法兰5，为了保证气密性，下法兰5与倒锥形底座6相链接； 在倒锥形底座6正底部设有通气口9，同时在倒锥形底座6两侧分别开有两孔，进料口7 和排废液口8。从进料口7通入反应液流经反应器筒体3，与反应器筒体3内的固定化细 菌反应，反应后的液体经出料口11打出。该结构能够降低剪切力，解决细菌氧化率低， 实验过程中污染杂菌的难题，使得生物浸出得以连续化。

圆形顶盖1与上法兰2固定，上法兰2与反应器筒体3链接在一起

反应器筒体3上面的出料口11和取样口10是在反应器筒体3制作好之后打孔再连 上去的。

气体分布器4与反应器筒体3是垂直连在一起的，气体分布器4与下法兰5链接， 下法兰5与倒锥形底座6接在一起。

倒锥形底座6先制作好，再在它上面打孔接，再接进料口7，通气口9和排废液口8。

本发明的工作过程如下：

先在反应器筒体3中装好一定量的载体，配好含有一定比例的细菌和含有10g/L Fe²⁺的培养基并以一定速率通过进料口7通入倒锥形底座6中，等到接种液在反应器筒体3 中上升到一定高度后停止通液。打开空气压缩泵通入空气，并调节一定量的空气流量， 调节温度显示器到设定温度(30℃～100℃)。反应液在筒体内反应一定时间通过取样口 10检测反应液的pH，Eh，待Eh上升至500～600mV后，换新鲜培养基，如此循环进行挂 摸实验，直到细菌在载体上生长稳定，挂膜循环操作中，后几次的培养基中不加细菌。 随后进行连续操作，泵连续将不含细菌的培养基从进料口7输入到反应器筒体3中，同 时出料口11以相同的速率排液，每隔固定时间在取样口10取样测定溶液的pH，Eh以及 取样，直到Eh稳定，统计数据计算亚铁平均氧化速率。

立式固定化反应器通过加热带，电磁继电器和控温仪控制反应温度。

本发明所述反应液为添加有Fe²⁺的leathen培养基。

实施例一：

装填量为1/2的固定化中度嗜热西伯利亚流杆菌S.s连续氧化Fe²⁺的速率测定：

将聚氨酯泡沫剪成一定大小的立方体，装填到反应器筒体3中，装填量1/2。配置含10g/LFe²⁺、0.2g/L酵母浸粉、10％S.s菌液的leathen培养基，用1∶1的H₂SO₄调节pH为1.5，用泵 将调制好的培养基通过进料口7加到反应器筒体3中，开启空气压缩泵，调节空气转子流量 计到合适的流量，在30～100℃间设定好温度，运行反应器进行细菌固定化实验，当细菌在 载体上负载稳定时，进行连续操作.泵连续将培养基从进料口7输入到反应器筒体3中，同时 出料口11以相同的速率排液，每隔1～8h的固定时间在取样口10取样测定溶液的pH，Eh以 及取样，直到Eh稳定，统计数据计算亚铁氧化速率。测定二价铁的平均氧化速率为1.37 g/(L.h)。

实施例二：

装填量为3/4的固定化中度嗜热西伯利亚流杆菌S.s连续氧化Fe²⁺的速率测定：

将聚氨酯泡沫剪成一定大小的立方体，装填到反应器筒体3中，装填量3/4。配置含10 g/LFe²⁺、0.2g/L酵母浸粉、10％S.s菌液的leathen培养基，用1∶1的H₂SO₄调节pH为1.5， 用泵将调制好的培养基通过进料口7加到反应器筒体3中，开启空气压缩泵，调节空气转子 流量计到合适的流量，在30～100℃间设定好温度，运行反应器进行细菌固定化实验，当细菌 在载体上负载稳定时，进行连续操作。泵连续将培养基从进料口7输入到反应器筒体3中，同 时出料口11以相同的速率排液，每隔1～8h的固定时间在取样口10取样测定溶液的pH，Eh 以及取样，直到Eh稳定，统计数据计算亚铁氧化速率。测定二价铁的平均氧化速率为2.05 g/(L.h)。