Физические, химические и биологические методы интенсификации деятельности бактерий

ЛЕКЦИЯ 7. Физические, химические и биологические методы       интенсификации деятельности бактерий

План:

1.Основныеспособы интенсификации деятельности бактерий                                        

 2.Влияние  газового режима, питательной среды ОВП и ПАВ

3.Влияние адаптации микроорганизмов к условиям среды обитания                     

Цель занятий:

Ознакомить  студентов  с физическими, химическими и биологическими методами интенсификации деятельности бактерий

Рекомендуемые материалы

                                        

Опорные слова:

 интенсификация, оптимизация, фаза, культура, соотношение, схема, крупность, вскрытия, механоактивация, структура, активность.

1. Одним из основных недостатков процессов бактериального окисления и выщелачивания является довольно большая продолжительность (90-120 часов), что создает определенные трудности при комбинировании этого процесса с методами обогащения, предшествующими ему, и методами гидрометаллургии, которые применяются для переработки продуктов выщелачивания. Кроме того, большая продолжительность процесса повышает капитальные затраты на оборудование и эксплуатационные расходы. Поэтому основные исследования последних лет наряду с разработкой технологии БВ различных концентратов, направлены на разработку методов интенсификации процесса. В основном эти методы базируются на создании благоприятных условий для роста и жизнедеятельности микроорганизмов, на стимулировании окислительной активности биомассы, оптимизации коррозионных взаимодействий минералов в условиях бактериального выщела-чивания, оптимизации параметров и технологических приемов процесса.

Основные способы интенсификации процессов чанового бактериального выщелачивания, известные в настоящее время, можно условно разделить по методам воздействия на четыре основные группы:

- твердую фазу;

- жидкую фазу;

- газообразную фазу;

- бактериальную культуру.

Одним из основных факторов, определяющим эффективность протекания бактериального окисления, является количество и состояние исходных концентратов. Это, прежде всего,   минералогический состав концентратов и их крупность. Как показала практика действующих установок БВ и проведенные исследования, большое значение для кинетики и полноты бактериального окисления и выщелачивания сульфидных концентратов имеет не только  содержание в них железа, серы, мышьяка, но и соотношение минералов, и их генетические особенности.

Особое значение при чановом методе бактериального выщелачивания приобретает крупность выщелачиваемого материала - один из основных параметров, который определяет кинетику и полноту вскрытия сульфидных минералов. Для большинства золотомышьяковых концентратов наиболее целесообразной, с точки зрения экономики, считается крупность исходного концентрата 90-95% класса  минус 0.074 мм (80-85%  минус  0.044 мм), при которой достигается достаточно большая скорость выщелачивания при умеренных расходах на измельчение. Иногда требуется доизмельчение  концентратов до крупности 80-85%  минус 0.032 мм.

В последние годы рассматривалась возможность интенсификации процесса выщелачивания при сверхтонком измельчении и особенно механохимической активации. При механохимической активации концентрата, содержащего 9,5% мышьяка, при Т:Ж= 1:10 и концентрации биомассы 10 г/л за 22 часа содержание мышьяка снижено до 1,7%, в то время как без активации оно составило 3,8%. При Т:Ж =1:5 и времени выщелачивания 44 часа содержание мышьяка снижалось соответственно до 2,0 и 4,9%.

При сверхтонком измельчении пирита в планетарной мельнице степень окисления пирита с 53% (-0,044+0,020 мм) возрастает до 83% при увеличении удельной поверхности с 0,8 до 3,9 м²/г.

При механоактивации пирита происходит не только увеличение поверхности зерен пирита, но и изменяется его кристаллическая структура, что значительно увеличивает скорость его выщелачивания. Однако использование механоактивации для измельчения большой массы исходных концентратов значительно увеличивает расходы на весь процесс выщелачивания и делает его малорентабельным.

При воздействии на жидкую фазу оптимизируются прежде всего такие параметры как рН, окислительно-восстановительный потенциал, содержание двух- и трехвалентного железа, температура, наличие питательных веществ, содержание микроэлементов и ингибирующих ионов и т.п.

Поддержание кислотности на необходимом для роста бактерий уровне значительно стабилизирует их активность и определяет кинетику процесса. Ранее считалось, что кислотность среды должна поддерживаться во время всего процесса на уровне не менее 1,8-1,7. Однако проведенными исследованиями в последние годы показано, что значение рН должно стабильно поддерживаться только в начале процесса, когда происходит активный рост бактерий (рН 2,0-2,2). В дальнейшем при окислении сульфидов происходит естественное подкисление пульпы за счет окисления сульфидной серы до сульфат-ионов, происходит увеличение концентрации Fe (III), являющегося окислителем сульфидов. В этой части основная роль принадлежит химическому выщелачиванию сульфидов при участии оксидного железа. Поэтому поддержание кислотности среды не требуется. И даже при снижении количества биомассы и ее активности окисление сульфидов идет активно и рН снижается до 1,0-1,2. Такое постепенное снижение рН позволяет культуре адаптироваться к повышенной кислотности, без значительной потери ее потенциальной активности.  

2. Не менее важным фактором интенсификации активности бактериальных растворов является поддержание в среде оптимального значения окислительного потенциала, который характеризует интенсивность происходящих в пульпе реакций окисления и восстановления и зависит в основном от соотношения Fe²⁺ к Fe³⁺, источником которых в пульпе являются сульфидные минералы. Кроме того, оксидное железо является не только окислителем сульфидных минералов, но при концентрации более 9-10 г/л  подавляет активность микроорганизмов.

Значительно лимитируют активность микроорганизмов питательные вещества. Для тионовых бактерий наличие необходимых для роста и жизнедеятельности минеральных солей (сульфат аммония, фосфат калия, сульфат магния, хлорид калия, нитрат кальция) значительно интенсифицирует активность клеток. Наиболее необходимыми для микроорганизмов являются такие элементы как магний, калий, кальций, которые должны добавляться в пульпу в небольших количествах. Например, концентрация магния 2 мг/л вполне достаточна для клеток в количестве 10⁸ кл/мл. Иногда при культивировании микроорганизмов вместо сульфата аммония возможна подача карбоната аммония, а вместо фосфорнокислого калия - аммофоса или других фосфорсодержащих удобрений.

Одним из направлений интенсификации процесса БВ является повышение активности применяемой биомассы тионовых микроорганизмов. Это достигается, во-первых, повышением концентрации биомассы, во-вторых, адаптацией ее к условиям выщелачивания каждого конкретного концентрата, в-третьих, использованием сообщества культур и, в-четвертых, применением термофильных микроорганизмов.

При использовании обычной культуры А.ferrooxidans активность окислительных процессов значительно повышается при увеличении концентрации биомассы до 2,5 г/л. Соотношение концентрации биомассы и закисного железа в пульпе рекомендуется поддерживать на уровне 1:4. А увеличение скорости процесса БВ более чем на 30% достигается при увеличении плотности биомассы с 1-2 до 3-6 г/л.

Интенсифицировать деятельность микроорганизмов при содержании в пульпе большого количества ионов тяжелых металлов можно, как уже было показано выше, путем адаптации или выделением уже адаптированной культуры из месторождений, связыванием ингибирующих ионов и удалением их из раствора и, наконец, путем добавки химических модификаторов. Так токсичное действие урана на бактерии может быть снижено подачей в среду    солей цинка, никеля, магния или марганца, а также сульфатов калия, натрия, лития и аммония. Ингибирующее действие ионов меди, никеля, железа может быть снижено путем понижения температуры.

Комплексообразователи могут также значительно снизить токсичность металлов. Так этилендиаминтетрауксусная кислота снижает эффект ингибирования окисления железа при концентрации всего 20 мм. Цистеин в количестве 10^-4М предотвращает ингибирование окисления закисного железа азотнокислым серебром. Подобное действие оказывает дрожжевой экстракт в средах для термофилов. Перспективно применение хелатных соединений, обладающих высокой кислотоемкостью.

 Интенсифицируется процесс выщелачивания меди, цинка, никеля, кобальта, урана, ванадия и молибдена из бедных руд при подаче в бактериальный раствор карбамидфосфорной кислоты в количестве 0,01-25 мг/л, которая содержит смесь фосфатов и тиомочевины, а также фосфат аммония .

Иногда на кинетику БВ оказывают влияние поверхностно-активные вещества (ПАВ), действие которых объясняется улучшением контакта между фазами, особенно при выщелачивании руд, отличающихся малой пористостью. Наиболее эффективным является твин. Например, при подаче твина-20 (0,01%) из халькопирита выщелачивается при обычном режиме за 33 дня 2,32 г/л меди, а без него только 0,96 г/л. Однако применение ПАВ не дало ожидаемого эффекта, что связано, вероятно, с тем, что бактерии выделяют при своей жизнедеятельности также ПАВ, например липиды, и введение подобных им соединений не дает ощутимых положительных результатов.

Интенсифицирует биохимические процессы при БВ применение электрического и магнитного полей. При обработке, например, магнитным полем напряженностью 10,9 кА/м раствора закисного железа в течение 10 мин. скорость его бактериального окисления возросла в 1,6-1,7 раза.

3. При использовании бактерий в технологии чанового процесса в плотных пульпах одним из основных направлений, как отмечалось ранее, является применение высокоактивных штаммов бактерий, устойчивых к экстремальным условиям.

Поэтому адаптация микроорганизмов рассматривается как один из интенсивных факторов ускорения бактериальных окислительных процессов. Кроме адаптации для повышения активности штаммов А.ferrooxidans предлагалась направленная селекция микроорганизмов и индуцированный мутагенез. Для индуцированных мутантов, обладающих повышенной окисли-тельной активностью, в качестве мутагенов возможно применение ультрафиолетового облучения и различных химических соединений, например, этиленимина, нитрозогуанидина. Однако, при кучном выщелачивании применение мутантов не дало положительных результатов вследствие вытеснения их аборигенной микрофлорой. Одним из перспективных направлений повышения активности микробиологических процессов является использование смешанных культур с неодинаковым типом метаболизма и термофильных культур. Практика чанового процесса выщелачивания показала, что микрофлора представлена в основном культурой А.ferrooxidans. Однако обнаруживается присутствие А.thiooxidans и Leptospirillum ferrooxidans, которые принимают активное участие в окислении сульфидных минералов и железа, причем количество их может довольно значительным.

 В последние годы возрос интерес к группе микроорганизмов, обладающих способностью к окислению сульфидных минералов при повышенной температуре - термофильным, которые обнаруживаются в значительных количествах в зонах разогрева руд и в термах. Эти микроорганизмы по своей активности не уступают бактериям А.ferrooxidans, либо значительно превосходят их. Так, термофильные бактерии S. Brierley более устойчивы к высоким концентрациям молибдена (до 2 г/л) и активно окисляют молибденит.

В Институте микробиологии РАН выделена синтрофная ассоциация термоацидофильных бактерий, состоящая из культуры Sulfobacillus thermosulfidooxidans и Thiobacillus Sp. Эта ассоциация осуществляет свои окислительные функции при температуре до 50⁰С и рН 1,0-3,0. При бактериальном выщелачивании золотомышьяковых концентратов Бакырчикского месторождения испытано применение факультативно- термофильной культуры Sulfobacillus thermosulfidooxidans Subsp. Asporogenes при температуре 45⁰С. Степень окисления пирита и арсенопирита этой культурой при рН 2,5-1,5, ОВП 0,77-0,78 В и биомассе 1 г/л составила 87 и 96%, в то время как при использовании культуры А.ferrooxidans эти величины составили 72,7 и 92,5%.

Постоянным спутником бактерий Sulfobacillus thermo-sulfidooxidans являются автотрофные термоацидофильные бактерии Leptospirillum thermoferrooxidans, которые активно окисляют закисное железо при температурах 45-50⁰С. Сообщество этих культур позволяет увеличить скорость окисления сульфидных минералов в 1,5-2 раза.

Рассматривается возможность применения термоацидофильных архебактерий, способных окислять Fe²⁺, S⁰ и сульфидные минералы при температурах 40-80⁰С, а также других термофильных бактерий, осуществляющих окисление неорганических субстратов при температуре 50-70⁰С .

Однако в практике процессов бактериального выщелачивания предпочтение отдается применению ассоциации обычных мезофильных тионовых микроорганизмов. Так фирма Minprok Limited (Австралия) при выщелачивании золотомышьяковых концентратов Майского месторождения рекомендовала использовать мезофильные бактерии при температуре 35⁰С, хотя умереннотермофильные бактерии при температуре 45⁰С и рН 1,8-1,25 обеспечивали более высокую скорость извлечения в раствор железа.

Вопросы для повторения:

1. Перечислите основные недостатки процессов бактериального окисления и выщелачивания?

2. Перечислите основные способы интенсификации процессов чанового бактериального  выщелачивания?

3.Объясните влияние газового режима питательной среды на  окислительный  потенциал и поверхностно- активные вещества (ПАВ)?

4.На что влияет адаптация микроорганизмов?

                             Предмет: «Биотехнологические процессы в металлургии»

                                 Преподаватель: доц. Абдурахманов Э.  

                                 Количество студентов и курс: 48 студентов, 4 курс

                                 Продолжительность занятия: 80 минут

Технология «Смысл понятие»