ЛЕКЦИЯ 6. Факторы, влияющие на жизнедеятельность и активность тионовых микроорганизмов

План:

1. Охарактеризовать все основные параметры, влияющие на           процессы бактериального  окисления и выщелачивания.

2.Физико - химические  параметры, влияющие на активность    микроорганизмов.

3. Биологические и технологические параметры,  влияющие на    активность микроорганизмов.

Цель занятий:

 Ознакомить студентов с основными параметрами процессов бактериального окисления и выщелачивания  сульфидных минералов и концентратов.

Опорные слова.

     кислотность среды, минеральный состав, активность биомассы, плотность пульпы, концентрация биомассы, ОВП, крупность исходного материала, газовый состав среды,  выщелачивание, температура среды.

Рекомендуемые материалы

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 (табл. 6.1).                                

                                                                                         Таблица 6.1

Основные параметры процессов бактериального окисления и                                                         выщелачивания сульфидных минералов и концентратов

2. Как известно, в процессе развития бактерий в периодических условиях выделяются следующие фазы роста ( рис. 6.1).

Рис.6.1 Фазы роста периодической культуры Acidithiobacillus  ferrooxidans

I - лаг-фаза,                                                        IV- фаза замедления,

II- фаза ускорения роста,                                   V- стационарная фаза,

III- фаза экспоненциального роста,                  VI- фаза отмирания.

Лаг-фаза - начальная фаза развития бактерий, определяемая  их способностью адаптироваться к окружающей среде. Фаза экспоненциального роста, включающая фазу ускорения и замедления роста, характеризуется максимальной скоростью роста, а следовательно, максимальной скоростью процесса. В стационарной фазе скорость роста клеток снижается и в конечном счете рост прекращается, наступает фаза отмирания. Выделенные фазы можно четко разграничить только в случае периодической культуры, однако в непрерывном процессе с возвратом биомассы необходимо поддерживать постоянную скорость роста бактерий и их активность. Этого можно достичь применением непрерывного хемостатного культивирования, когда объем культуры в пульпе остается постоянным и фаза их развития в основном экспоненциальная.

 Применение принципа хемостатного культивирования позволяет значительно повысить концентрацию клеток в пульпе и поддерживать их активность на постоянно высоком уровне.

Одним из наиболее важных параметров, определяющих биологическую активность микроорганизмов, является концентрация водородных ионов. 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.

Известно, что процесс бактериального окисления железа и сульфидных минералов осуществляется наиболее активно при рН 1,5-3,5, для арсенопирита оптимальное значение рН составляет 1,7-2,1, для халькопирита 2,2-2,5. Однако эти оптимальные значения рН установлены для отдельно взятых сульфидных минералов без учета необходимости селективного выщелачивания их из сложных сульфидсодержащих продуктов и кинетики их выщелачивания. Однако следует различать оптимальные значения рН для роста клеток и для выщелачивания сульфидных минералов. Так для роста клеток и их высокой активности оптимальное значение рН обычно составляет 2,2-2,5. В эти же пределы укладывается значение рН при бактериальном окислении арсенопирита (рН 2-2,5), когда количество выщелоченного мышьяка в 1,2 раза больше, чем при рН 2 и в 1,4 раза больше ,чем при рН 2,5. В процессе бактериального окисления сульфидных минералов величина рН растворов не является постоянной, она начинает изменяться после того, как бактерии, пройдя лаг-фазу, начинают активно окислять минерал. При выщелачивании арсенопирита через 24 часа рН раствора изменяется только на 0,1-0,15 единиц, через 72 часа рН изменяется уже на 0,5-0,6 единиц, когда происходит активное бактериальное окисление арсенопирита и гидролиз активного железа, при котором образуется серная кислота. В это время идет также бактериальное окисление элементной серы до сульфат-ионов. Максимальная скорость роста бактерий при окислении закисного железа также приходится на рН 2,2-2,5.

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. 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.

Установленные зависимости скорости роста, активности микроорганизмов и степени окисления железа (II) и сульфидных минералов позволили сделать очень важный практический вывод. При росте биомассы, скорость которой максимальна в начале процесса , необходимо поддерживать значение рН на оптимальном уровне ( 2,0-2,5). В дальнейшем процесс должен осуществляться при естественном установившемся значении рН, когда происходит естественная адаптация клеток к повышенной кислотности и создаются наиболее благоприятные условия для коррозионного взаимодействия сульфидных минералов в присутствии большого количества основного окислителя их - сульфата окисного железа.

Не менее важным параметром процесса бактериального окисления и выщелачивания является поддержание в среде оптимального значения окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), характеризующего протекание в пульпе реакций окисления-восстановления. Максимальная скорость выщелачивания многих сульфидных минералов наблюдается при величине ОВП 0,5-0,7 В. При величине ОВП ниже 0,4 В из сульфидных минералов выщелачивается преимущественно железо, при ОВП более 0,7 В - сера.

При бактериальном выщелачивании в плотных пульпах бактериальные растворы имеют сложный ионный состав, представленный ионами как в окисленной, так и в восстановленной форме, поэтому величина ОВП таких растворов является усредненной и характеризует окислительную способность раствора. А так как основными ионами в растворе является окисленная форма железа (Fe³⁺ ) и восстановленная форма (Fe²⁺), то величина ОВП определяется их соотношением. При бактериальном выщелачивании сульфидных минералов концентрация Fe³⁺ может достигать 20-30 , а иногда 40 г/л, при высокой активности биомассы Fe²⁺ в растворе практически отсутствует, поэтому в таких растворах значение ОВП составляет 0,6-0,8 В. Этот параметр служит для контроля процесса выщелачивания наряду с величиной рН и температурой.

Большое значение при бактериальном выщелачивании приобретает соотношение величины ОВП среды и электрохимического потенциала сульфидных минералов. Установлено, что разница между этими величинами должна быть не менее 0,1-0,2 В. Более низкая разность характеризует невысокую эффективность окисления минерала, а их равенство - отсутствие процесса окисления.

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.

Исследования изменения потенциалов сульфидных минералов при химическом и бактериальном окислении, позволили составить ряд селективности по величине потенциала минералов:

Пирротин < ковеллин < сфалерит < пентландит < арсенопирит < халькопирит <   пирит.

При химическом окислении в присутствии окисного железа величина электродных потенциалов значительно повышается, например, для ковеллина на 0,08-0,09 В; для пирита на 0,2 В. Подобная закономерность их изменения сохраняется и в присутствии микроорганизмов, когда потенциал ковеллина при рН 2,5 составляет 0,18 В; арсенопирита 0,4 В; пирита 0,53 В. В соответствии с рядом селективности, в основу которого положены значения электродных потенциалов минералов, наиболее легко выщелачиваемым является пирротин, а наиболее упорными халькопирит и пирит. При бактериальном окислении и выщелачивании смеси сульфидных минералов выщелачивание минерала с меньшим электродным потенциалом должно ускоряться, а с большим - снижаться. Например, в присутствии более электроотрицательного ковеллина из арсенопирита выщелачивается мышьяка в 2,8 раза больше, чем в присутствии более электроположительного халькопирита.

Этот факт необходимо учитывать при организации технологии бактериального выщелачивания многокомпонентных сульфидных продуктов. Например, при бактериальном выщелачивании золотомышьяковых концентратов, содержащих помимо арсенопирита и пирита еще и пирротин, прежде всего будет выщелачиваться пирротин. Это приводит, во-первых, к увеличению общего времени выщелачивания, а, во-вторых, к появлению в пульпе большого количества элементной серы, при бактериальном окислении которой образуется большое количество сульфатионов (резко снижается значение рН),  наличие серы резко ухудшает процесс цианирования за счет образования роданидионов. Поэтому пирротин желательно удалить из продукта, направляемого на бактериальное выщелачивание. Примером могут служить золотомышьяковые концентраты Олимпиадинского месторождения, в которых содер-жание пирротина более 30%, в то время как пирита содержится 12%, а арсенопирита - 8%. Много пирротина содержится в концентратах, перерабатываемых на фабрике Сан - Бенто (Бразилия) – до 19% и Ашанти (Гана) - до12,9%.

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 6.2. 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 2, где видно, что гальванический эффект усиливается не только за счет каталитического окисления арсенопирита, но и в результате бактериального окисления  серы до сульфат - ионов.

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 28-35⁰С. При 40⁰С прекращается их рост, а при 50⁰ 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 35⁰С, когда его извлечение в 1,3 и 4,3 раза больше, чем при температуре 30 и 20⁰С. 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.

Практика бактериального выщелачивания золотомышьяковых концентратов показала, что наиболее интенсивно процесс идет при температуре 40⁰С , когда помимо мезофильных бактерий А.ferrooxidans, А.thiooxidans и Leptospirillum ferrooxidans при-сутствуют умеренные термофилы, которые принимают участие в окислении сульфидов при температуре 40…45⁰С.

При аэробном метаболизме тионовых микроорганизмов А.ferrooxidans кислород выполняет роль акцептора электронов при участии ферментов - оксидаз. Помимо кислорода эти бактерии, являющиеся строгими автотрофами, ассимилируют углерод из СО₂, который они потребляют из окружающей их среды. Поэтому при бактериальном выщелачивании с участием А.ferrooxidans газовый состав среды, т.е. количество находящегося в ней кислорода и углекислого газа, является одним из основных параметров, определяющих рост, активность бактерий и скорость биологического окисления. Количество О₂ и СО₂, находящихся в среде при обычных условиях (8,1 мг/л и 0,03%), явно недостаточно для поддержания активной жизнедеятельности микроорганизмов. Даже при окислении закисного железа объем потребляемого кислорода и углекислого газа превышает примерно в 180 и 80 раз максимальные количества их, растворенных в среде. Поэтому большое внимание при организации процесса бактериального выщелачивания должно уделяться аэрации пульпы, которая при чановом методе может осуществляться при механическом перемешивании, засасыванием воздуха из атмосферы и принудительной подачей его под давлением. Например, аэрация в чанах позволяет увеличить скорость окисления железа в 7 раз. Для окисления одного килограмма закисного железа бактериями необходимо 0,14 кг кислорода. Один килограмм элементной серы бактерии окисляют до сульфатионов, потребляя 2 кг кислорода. Такое количество кислорода в пульпе может обеспечить только принудительная аэрация.

Однако до сих пор опытным путем не установлена необходимая степень аэрации при чановом методе. Имеющиеся в литературе данные по этому важному вопросу крайне противоречивы. В одном случае показано, что при бактериальном окислении закисного железа необходимо продувание одного объема воздуха на один объем среды в час, в другом - три объема на объем в час. И в то же время из микробиологии известно, что при слишком интенсивной аэрации рост аэробных микроорганизмов может подавляться, особенно если они находятся в солевой питательной среде при концентрации клеток более 10⁷ кл/мл. Поэтому микробиологи рекомендуют начинать аэрацию таких бактериальных сред не ранее, чем через 1-1,5 часа, когда бактерии входят в экспоненциальную фазу.

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 сульфидсодержащих 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 выще-лачивании 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 бак-териальном выщелачивании золотомышьякового концентрата Олимпиадинского месторождения расход воздуха составил 0,6 м³ 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%.

С целью активации аэрирующего воздуха при подаче его в выщелачиваемую пульпу и повышении количества кислорода в ней возможна дополнительная подача активного окислителя - озона, при распаде которого образуются атомарный и молекулярный кислород. При подаче озоно - воздушной смеси, содержащей всего 0,01-0,02% озона, скорость бактериального окисления железа увеличивается в 20-60 раз. Значительно увеличивается скорость выщелачивания сульфидов.

3. Для нормального роста и развития бактерий требуется наличие в среде минеральных солей (биогенов), и в первую очередь соединений азота и фосфора, которые используются бактериями в энергетическом метаболизме. При бактериальном выщелачивании с использованием культуры А.ferrooxidans обычно используется среда Сильвермана и Лундгрена, называемая среда 9К, в состав которой входят, г/л: (NH₄)₂SO₄ -3,0 г; KCl -0,1г ; K₃PO₄  - 0,5 г; MgSO₄^. 7H₂O - 0,5 г Ca(NO₃)₂   - 0,01 г FeSO₄ ^. 7H₂O - 44,2 г.

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 Fe²⁺ в среде составляет около 9 г/л. Иногда используют среду 9К/2, в которой содержание Fe²⁺ уменьшается в 2 раза, или 9К/4, в которой количество Fe²⁺ 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.

Наиболее токсичным для бактерий А.ferrooxidans является трехвалентный мышьяк - сильный ингибитор железоокисляющей способности бактерий. Продолжительность лаг - фазы развития бактерий увеличивается при концентрации мышьяка 2 г/л до 48 часов и при концентрации 4 г/л до 120 часов. Адаптация лабораторных штаммов к мышьяку обычно производится путем последовательного пересева на среду с увеличением концентрации мышьяка. Адаптация и получение производственной культуры проводится в периодическом режиме на среде 9К при Т : Ж = 1:4, в присутствии Fe²⁺ (10 г/л) или без него. Количество посевного материала обычно составляет 10-15%.

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.

Процесс адаптации довольно длительный. В промышленных условиях он обычно совмещается с заполнением емкостей выщелачиваемой пульпы при Т:Ж = 1-4  … 1:5 в присутствии Fe²⁺, питательных солей, температуре 32-35⁰С, при высокой степени аэрации. Активность культуры по мере ее адаптации контролируется степенью окисления Fe²⁺ , повышением концентрации общего железа, изменением величины рН и ОВП, и обязательно скоростью подачи пульпы. Последнее тесным образом связано со скоростью роста бактерий и концентрацией биомассы.

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.6.3).

Рис .6.3. Cхема  хемостатного культивирования

Х – концентрация биомассы, S – концентрация субстрата,

F – скорость подачи раствора

Хемостат является саморегулирующейся системой с идеальным перемешиванием, обладает высокой технологичностью, на его принципе осуществляется аппаратурное оформление биотехнологических процессов.

В хемостате в установившемся режиме удельная скорость роста бактерий не должна быть меньше скорости разбавления

D,ч ^-1 которая определяется по формуле

                                       D = F/ V,                                                   (1)

где  D-скорость разбавления, ч ^-1;

 F-величина потока среды или пульпы, л/ч;

 V- полезный объем  аппарата, л.

Так, концентрация клеток при окислении закисного железа увеличивается с 10³-10⁴ до 10⁸ кл/мл при увеличении D с 0 до 0,04ч ^-1 и остается постоянной до D, равной 0,08 ч ^-1. При дальнейшем увеличении скорости разбавления (выше 0,08- 0,09 ч ^-1) концен-трация клеток уменьшается за счет их вымывания. При этом достигается скорость окисления железа 0,6 г/л.ч. Максимальная удельная скорость роста биомассы _m в этих условиях достигает

0, 15 ч ^-1. Получение более высоких скоростей окисления железа, значительно превышающих 0,6 г/л.ч, в условиях одностадиального хемостатного культивирования практически невозможно.

При бактериальном выщелачивании золотомышьяковых концентратов D_крит 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 концен-трированной 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 центрифугирования, 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:                           

                                                 x= m . 3,8 . 10⁹                                            (2)

где х - количество клеток в мл;

m - масса бактерий, г/л по сырому весу.

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.

С уменьшением крупности исходного продукта увеличивается скорость выщелачивания и активность микроорганизмов. Увеличение активности бактерий с уменьшением крупности выщелачиваемого продукта безусловно связано с тем, что при тонком измельчении значительно увеличивается поверхность минерального субстрата - сульфидных минералов, являющихся энергетическим источником для микроорганизмов.

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 в первые 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.

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 (2.10¹⁰ кл/мл). При этом, однако, в жидкой фазе наблюдается повышение до 40 г/л содержания Fe (III), которое также подавляет активность бактерий.

Отсюда следует очень важный технологический вывод: при выщелачивании золотомышьяковых концентратов с высоким содержанием мышьяка (более 8-10 %) для поддержания высокой активности биомассы необходимо выделение из жидкой фазы растворенных форм мышьяка и железа (III) - ингибиторов жизнедеятельности клеток. Для концентратов, содержащих 2-3% мышьяка соотношение Т:Ж может быть повышено до  1:3.

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 выще-лачивании. 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.

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.

Для переработки упорных золотомышьяковых концентратов разрабатываются новые конструкции биореакторов.

В институте “Иргиредмет” и на Балейской опытной фабрике для процесса бактериального выщелачивания исследовано применение пульсационных колонн с насадками жалюзийного типа с углом наклона лопаток 20⁰. При расходе воздуха 1 м³/мин на 1м³ рабочей емкости колонны происходит снижение энергозатрат в 1,5-2 раза. Весь цикл бактериального выщелачивания вместо 6 пачуков может осуществляться в одной колонне, имеющей удельную производительность в 2-3 раза больше по сравнению с пачуками.

Проведение процесса бактериального выщелачивания во вращающихся барабанах позволит значительно повысить эффективность выщелачивания, увеличить плотность пульпы и скорость бактериального

                                         Вопросы для повторения:

1. Перечислите все основные параметры процессов бактериального окисления и выщелачивания ?

2 Перечислите физико – химические параметры процессов бактериального окисления и выщелачивания ?

3. Перечислите биологические параметры процессов бактериального окисления и выщелачивания?

4 Перечислите технологические параметры процессов бактериального окисления и выщелачивания?

                              Предмет: «Биотехнологические процессы в металлургии»

                                  Преподаватель: доц. Абдурахманов Э.  

                                  Количество студентов и курс: 48 студентов, 4 курс

                                  Продолжительность занятия: 80 минут

Технология «Смысл понятие»