用於微生物浸出的轉鼓式生物反應器的製作方法

2023-04-23 05:19:51 1

專利名稱：用於微生物浸出的轉鼓式生物反應器的製作方法
技術領域：
本發明屬於礦物的生物處理技術領域，更具體的說，本發明涉及一種用 於硫化礦微生物浸出的生物反應器，其中該反應器能夠處理高濃度礦漿，並 且實現有效混合和供氧。
背景技術：
在富礦、易處理礦日漸減少、環保要求不斷提高、現代工業對金屬的需 求與日俱增的條件下，傳統冶金工藝不能適應需要，有關微生物浸出的研究 受到普遍關注。目前，研究最多、應用最廣的當屬用微生物浸出金屬硫化礦 中的有價金屬。
與傳統冶金工藝相比，生物浸出具有如下優勢
(1) 反應溫和，過程相對簡單，因此操作和維持費用相對較低。
(2) 應用範圍廣。無論是精礦還是火法冶金不能處理的貧礦、廢礦、表外 礦及難採、難選、難冶煉礦都能處理。
(3) 環境友好。傳統的火法冶金工藝中，會排放大量的二氧化硫和灰塵， 而生物浸出就可避免二氧化硫和灰塵汙染環境；由於浸礦微生物能在礦石上 生長，因此易培養和循環利用。生物浸出還能以穩定的形式處理砷。
微生物浸出礦物中有價金屬的模式有 (1)堆浸把礦石堆積在礦坑外浸出，將待浸礦石從底部開始以梯形堆 積，然後從上部噴灑浸出液。溶液流經礦堆而發生生物浸出反應，隨後經堆 底斜坡流至集液池。隨著浸出的進行，礦石的品位逐漸下降，此時可在上部 重新設置堆積層繼續浸出。該浸出工藝的特點是規模大、浸出時間長。堆浸 工藝的生產成本比較低。
(2) 槽浸待浸礦石置於攪拌反應器中浸出的一種方法。浸出的礦粉粒 度很細，固液比較低。浸出過程中可通過機械或空氣不斷攪拌使礦物與浸出 劑充分混合。浸出過程分為連續和半連續二種， 一般用於大型冶煉廠。該法 成本比堆浸法高，但比堆浸反應速度快，金屬回收率高，較容易控制。
(3) 就地浸出又稱原位浸出或礦床內浸出，它是將含有氧化亞鐵硫杆
菌等細菌的酸性硫酸鐵溶液淋灑於礦區地表，再均勻向下滲濾以溶解礦石中 的金屬。有時也可簡單地定期用水衝洗礦坑內的礦柱及工作面，利用礦坑水 中的微生物進行浸出。由於受礦脈、水文地質條件及礦石埋藏深度所限，就 地浸工藝的應用遠少於堆浸和槽浸，已不是細菌浸出的主要發展方向。
目前，生物槽浸已在許多廠礦獲得工業應用，用於多種精礦的生物浸出。 儘管生物槽浸已經取得了顯著的進展，但仍存在浸出速度慢、效率低等不足。
生物槽浸過程一般要4 5天甚至7天時間，而同樣礦物粒度的化學浸出幾個 小時就可完成。所以要充分發揮微生物冶金的環境友好的優勢，迫切需要大 幅度提高生物浸出的速度，這就要求強化氣液傳質，同時儘可能提高礦漿濃 度。礦漿的細菌槽浸不同於一般的礦漿化學浸出，其主要特點是在浸出過程 中必需維持微生物生長的適宜條件，即要求其既適於細菌生長，又利於礦物 的浸出。目前的生物槽浸的反應器僅僅是化工和冶金工業反應器的簡單延伸， 沒有考慮到適應細菌的生長。微生物浸出體系中除了氣泡、浸出液、礦物顆 粒外，在浸出液中和礦物顆粒表面還有細菌，而反應器必須為細菌提供一個 低剪切的環境。
目前工業上生物浸出精礦所用的反應器主要為機械攪拌罐，攪拌式反應 器的礦漿質量體積濃度一般在20%(w/v)以內。氣升式反應器的傳遞性能略優 於機械攪拌式，但提高性能的空間也有限。攪拌式和氣升式的礦漿濃度難以 大幅度提高的原因有兩方面。 一是礦漿的質量體積濃度超過2(m(w/v)後，為 使礦物顆粒懸浮混合，不得不輸入更大的攪拌功率，造成較大的剪切力，對 菌體造成傷害。根本原因在於傳統意義的反應器是靠攪拌驅動液體流動、由 液體流動帶動顆粒懸浮，因此，顆粒密度或濃度的提高要求更大的攪拌功率； 二是礦漿濃度的提高使得礦漿變稠，粘度增大，不利於氣體分散，即需要更 大的攪拌功率才能提高氣液界面積，而這樣又導致剪切力的增加。所以，傳 統攪拌式浸礦反應器的根本問題在於高傳質與低剪切的矛盾。急需發展新型 的高礦漿濃度、高傳質速率、低剪切的細菌浸礦反應器。
關於微生物浸出的新型反應器研製的報導很少。先後報導的通氣槽生物 反應器(aerated trough bioreactor)、低能耗生物反應器(low energy bioreactor) 、 Delft餘鬥板式生物反應器(Delft inclined plate bioreactor) 等(如圖1， 2， 3所示)，與傳統的攪拌罐比較，它們具有耗能低、攪拌溫和 的特點，但仍然存在著剪切力大、氧傳遞速率低、礦槳濃度低的缺點。上述 通氣槽反應器、低能耗反應器、Delft斜板式反應器都沒有從根本上解決上述 兩個矛盾。通氣槽反應器相當於臥式攪拌，低能耗反應器相當於將傳統的徑 向混合改為軸向混合，仍是靠液流帶動顆粒懸浮，Delft斜板式反應器靠液體
降膜進行氣液傳質，難以滿足高浸出速率的要求，而且泵循環會帶來高剪切。 現有的生物浸出反應器的矛盾在傳統結構中難以克服，礦漿濃度難以提 高。要想大幅度提高礦漿濃度、提高傳質速率，同時又要滿足菌體的低剪切 要求，必須引入新的思路。本發明提出以固體提升的方式進行微生物浸出體 系的混合，而在直接固體提升的結構中，轉鼓加擋板的結構比較簡單，有類 似的工業裝置(如迴轉窯)供參考。申請人的研究還表明，與攪拌式浸出槽 相比，轉鼓式結構可以大大減緩顆粒對細胞的研磨損傷，固體濃度越高，與 攪拌式反應器相比較兩者的差別越顯著，轉鼓反應器的優勢越明顯，所以轉 鼓式可以滿足微生物浸出反應器低剪切力的要求；對於浸出體系氣液傳質的
要求，則採取氣體預分散的方式。由於微生物浸出體系的粘度較高，可以延 緩氣泡的聚合和上升，所以只要提供足夠量的氣泡並預先分散，就可以滿足 氣液傳質的要求。基於以上思路，本發明將高礦漿濃度浸出反應器的基本結 構定為氣體預分散的轉鼓式，以解決微生物浸出體系高傳質與低剪切的矛盾。 過程工業中有多種類型的轉鼓式反應器在應用，如轉鼓石灰窯、轉鼓混 和器、轉鼓乾燥器、固態發酵所用的轉鼓反應器等。轉鼓式裝置的獨特優勢
在於可以直接進行固體的混和，可以容許很高的固體濃度。Rossi小組和 Vargas小組進行了轉鼓反應器(rotating drum bioreactor)浸出精礦的探索 (Rossi G. The Design of Bioreactors [J]. Hydrometallurgy， 2001， 59(2 3):217 231。如圖4所示)。在30% (w/v)固體濃度下，礦物的溶解速率為 600g nf:ih—]，比到當時為止的最高浸出速率高一個數量級。Vargas小組用氧 化亞鐵硫桿菌浸出含金的精礦，在50% w/w(相當於259W/v)的礦漿濃度下， 轉速為0.5 1 rpm，其浸出時間達到80天，體現了轉鼓生物反應器的優點 ①混和完全，無死區；②剪切力僅由下降的液膜進入轉鼓底部礦漿時的相對 運動產生。但他們並沒有解決如何提高生物反應器效率的關鍵問題。Rossi的 氣體分布裝置沒有浸沒到液體中，氣液接觸不充分，氣液傳質界面小(僅僅通 過液上空間的氣液界面和擋板上的降膜進行氧傳遞)，並且降低了反應器的有 效體積(裝料係數低於50%)。 Herrera等提出的反應器同樣沒有有效的氣體 分散裝置(Herrera M N， Escobar B， Parra N, et al. Bioleaching of Refractory Gold Concentrates at High Pulp Densities in a Nonconventional Rotating-Drum Reactor [J]. Minerals and Metallurgical Processing. 1998， 15(2): 15 19。)，而且其反應體系液固體積和反應器體 積之比僅為13%左右，這樣就導致反應器的利用效率極低，沒有實際的應用價 值。
綜上所述，本發明吸取工業上轉鼓式反應器的優點並彌補其不足，提出
用於細菌浸礦的新型高效轉鼓式反應器。其出發點是①通過轉鼓及其內壁 安裝的擋板的轉動，將礦物顆粒提升後自然下落，完成顆粒的混合過程，而 顆粒的混合和擋板的轉動也推動液體完成混合；②拋棄靠攪拌等機械力打碎 氣泡的過程，代之以氣體預先分散，即通過特殊的氣體分布器，使氣體直接 以微小氣泡進入礦漿，而高粘度礦漿反而可以延緩氣泡的聚並、減慢其上升
速度，從而保證氣液界面積和相接觸時間。③裝液量可以達到75。/。以上，使得
擋板降膜過程持續時間更短，造成的剪切力更低，也進一步延長了氣液相的
接觸時間。裝液量超過75%後，不再依靠液體降膜進行氣液傳質。

發明內容
本發明的目的是針對微生物浸出中所使用的反應器的不足與缺陷，提供 一種高效的微生物浸出的轉鼓式生物反應器，該反應器能夠處理高濃度礦槳， 並且實現有效混合和供氧，提高微生物浸出的效率。
本發明的微生物浸出的轉鼓式生物反應器為一種圓筒式的生物反應器， 包括轉鼓、固定在轉鼓上且圍繞轉鼓軸心轉動的擋板，以及在轉鼓旋轉時保 持靜止的連接在固定軸上的控制溫度的換熱器、電極、帶有微孔的氣體分布 裝置(連接在氣體導管上)。
一帶有中心固定軸的轉鼓，在轉鼓的壁上開有進出料口及安裝有一伸入 轉鼓內的氣體導管；在轉鼓的內壁上安裝有擋板，在轉鼓裡安裝有固定在中 心固定軸上的控制溫度的換熱器、電極，及通過連接導管與伸入轉鼓內的氣 體導管相連通的帶有微孔的氣體分布裝置。
所述的擋板的數量可以根據轉鼓直徑的大小進行選擇， 一般為3 40塊。 所述的擋板的安裝方向與固定軸的方向平行，擋板與該擋板安裝位置處轉鼓 的切線之間的夾角為20° 160° ;所述的擋板的寬度與轉鼓直徑的比例為 0. 05 0. 35。
所述的氣體導管是安裝在轉鼓固定軸處。
所述的轉鼓的長度與直徑的比例在0. 5 15之間。
所述的帶有微孔的氣體分布裝置是一個以上；帶有微孔的氣體分布裝置 離軸心的距離和轉鼓直徑之比為0 0. 47;所述的氣體分布裝置微孔的孔徑在 0.5 100微米之間。
所述的帶有微孔的氣體分布裝置的形狀是管狀、球狀、橢球狀、半球狀 或半橢球狀。所用材料可以是陶瓷、不鏽鋼、玻璃以及聚合物。
本發明的微生物浸出的轉鼓式生物反應器在使用時，其生物反應器中的
液體和固體的總體積與生物反應器的體積之比為0. 1 0. 85。
本發明的微生物浸出的轉鼓式生物反應器在處理礦漿時的濃度可以達到 50% (w/v)。同時，該微生物浸出的轉鼓式生物反應器也同樣適用於煤的微生 物脫硫和固定化酶生物反應體系。
本發明的生物反應器能夠提供適宜的環境供微生物生長、繁殖，同時能 處理更高的礦漿濃度，提高微生物浸出的效率。本發明所涉及的生物反應器 的主體為一水平放置的圓筒，在外力驅動下繞其中心軸轉動。在生物反應器 內安裝擋板使高濃度的礦物顆粒懸浮，並加強氣液固以及微生物的混合。氣 體通過微孔的氣體分布裝置高效分散到液體當中，為其中的微生物提供充足 的氧氣。本發明的生物反應器適用於其他含有固體顆粒，如煤的微生物脫硫 和固定化酶的生物反應體系。
本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果
(1) 本發明的生物反應器為高效的微生物浸出裝置，處理的礦漿濃度可以 達到50% (w/v)，遠高於一般反應裝置18 20% (w/v)的能力。
(2) 本發明的生物反應器由於混合好，傳質性能高。
(3) 本發明的生物反應器由於操作轉速較低，通常為1 10r/min，因而功 耗低。


圖1現有通氣槽生物反應器。
圖2現有低能耗生物反應器。
圖3現有Delft傾斜板式生物反應器。
圖4現有轉鼓生物反應器。
圖5A為本發明生物反應器的結構示意圖(主視圖)。 圖5B為本發明生物反應器的結構示意圖(右視圖)。 圖6A為擋板的一種安裝方式，轉鼓逆時針方式轉動。 圖6B為擋板的一種安裝方式。
圖7A為本發明生物反應器中的3根氣體分布裝置的一種安排方式示意圖。
圖7B為本發明生物反應器中的5根氣體分布裝置的一種安排方式示意圖。
附圖標記
1、 2、 3.氣體分布管 4.固定軸 5.氣體導管進氣口 6.氣體導管出氣口7.擋板 8.電極9.換熱器IO.進出料口
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
請參見圖5A、 5B所示的微生物浸出的轉鼓式生物反應器。在該帶有中心 固定軸4的轉鼓側壁上開有進出料口 10，及在轉鼓固定軸處安裝有一伸入轉 鼓內的氣體導管，該氣體導管的進氣口 5在轉鼓外，出氣口6在轉鼓裡；在 轉鼓的內壁上安裝有8塊擋板7，且擋板安裝固定到反應器的兩個端面上，擋 板的長度方向與固定軸的方向平行；在轉鼓裡安裝有固定在中心固定軸4上 的控制溫度的換熱器9、電極8,及通過連接導管與伸入轉鼓內的氣體導管相 連通的3根帶有微孔的氣體分布裝置，分別為氣體分布裝置1、氣體分布裝置 2和氣體分布裝置3，氣體分布裝置微孔的孔徑在1 2微米之間；轉鼓的長 度與直徑的比例在1 2之間。需要注意的是，固定軸與生物反應器器壁之間 的連接不能有縫隙，以防止生物反應器內的液體外流。生物反應器上的其它 接口 (如連續反應時可根據需要進一步在反應器上開有進料口 、出料口等)、 傳動裝置以及檢測控制裝置(如反應器轉動速度、pH、溶解氧、溫度等參數的 檢測及控制裝置等)沒有在圖中表示出。
圖6A所示的是8塊擋板與擋板安裝位置處轉鼓的切線之間的夾角為62 ° ，擋板的寬度與轉鼓直徑的比例為0.13。
圖6B所示的是8塊擋板與擋板安裝位置處轉鼓的切線之間的夾角為90 ° ，擋板的寬度與轉鼓直徑的比例為0.13。
圖7A所示的是3根形狀是管狀，且端面為半球面的氣體分布裝置的一種 安排方式，以固定軸中心為坐標原點，各點坐標分別為(-O. 17D, -0.20D)， (0. 17D， -0.20D), (0， -0.30D),其中，D為轉鼓的直徑。所用材料可以是陶 瓷、不鏽鋼、玻璃以及聚合物。
圖7B所示的是5根形狀是管狀，且端面為半球面的氣體分布裝置的一種 安排方式，以固定軸中心為坐標原點，各點坐標分別為(-0.27D， -0. 16D), (0.27D， -0.16D)， (-0.13D， -0. 25D) ， (0.13D， -0. 25D) ， (0， -0. 34D)， 其中，D為轉鼓的直徑。所用材料可以是陶瓷、不鏽鋼、玻璃以及聚合物。
上述反應器能夠處理高濃度礦漿，並且實現有效混合和供氧，提高微生物 浸出的效率。
權利要求
1.一種微生物浸出的轉鼓式生物反應器，該轉鼓式生物反應器為圓筒式的生物反應器，包括轉鼓、固定在轉鼓上且圍繞轉鼓軸心轉動的擋板，以及在轉鼓旋轉時保持靜止的連接在固定軸上的控制溫度的換熱器、電極、帶有微孔的氣體分布裝置，其特徵是一帶有中心固定軸的轉鼓，在轉鼓的壁上開有進出料口及安裝有一伸入轉鼓內的氣體導管；在轉鼓的內壁上安裝有擋板，在轉鼓裡安裝有固定在中心固定軸上的控制溫度的換熱器、電極，及通過連接導管與伸入轉鼓內的氣體導管相連通的帶有微孔的氣體分布裝置。
2. 根據權利要求1所述的反應器，其特徵是所述的擋板的安裝方向與固定軸的方向平行，擋板與該擋板安裝位置處轉鼓的切線之間的夾角為20 ° 160。。
3. 根據權利要求1或2所述的反應器，其特徵是所述的擋板的寬度與轉鼓直徑的比例為0. 05 0. 35。
4. 根據權利要求1所述的反應器，其特徵是所述的氣體導管是安裝在 轉鼓固定軸處。
5. 根據權利要求1所述的反應器，其特徵是所述的轉鼓的長度與直徑的比例在O. 5 15之間。
6. 根據權利要求1所述的反應器，其特徵是所述的帶有微孔的氣體分布裝置離轉鼓軸心的距離和轉鼓直徑之比為0 0. 47。
7. 根據權利要求1或6所述的反應器，其特徵是所述的帶有微孔的氣 體分布裝置是一個以上。
8. 根據權利要求1或6所述的反應器，其特徵是所述的氣體分布裝置微孔的孔徑在0. 5 100微米之間。
9. 根據權利要求7所述的反應器，其特徵是所述的氣體分布裝置微孔 的孔徑在0. 5 100微米之間。
10. 根據權利要求8所述的反應器，其特徵是所述的帶有微孔的氣體分布裝置的形狀是管狀、球狀、橢球狀、半球狀或半橢球狀。
全文摘要
本發明屬於礦物的生物處理技術領域，更具體的說，本發明涉及一種用於硫化礦微生物浸出的生物反應器，其中該反應器能夠處理高濃度礦漿，並且實現有效混合和供氧。該生物反應器包括一帶有中心固定軸的轉鼓、固定在轉鼓上且圍繞轉鼓軸心轉動的擋板，以及在轉鼓旋轉時保持靜止的連接在固定軸上的控制溫度的換熱器、電極及帶有微孔的氣體分布裝置。該反應器能夠提供適宜的環境供微生物生長、繁殖，同時能處理更高的礦漿濃度，提高微生物浸出的效率。本發明的生物反應器適用於其他含有固體顆粒，如煤的微生物脫硫和固定化酶的生物反應體系。
文檔編號C22B3/00GK101191154SQ20061014419
公開日2008年6月4日 申請日期2006年11月29日 優先權日2006年11月29日
發明者威 叢, 劉國梁, 方兆珩, 石紹淵, 建 金 申請人:中國科學院過程工程研究所