用于微生物浸出的转鼓式生物反应器制造技术

本发明专利技术属于矿物的生物处理技术领域，更具体的说，本发明专利技术涉及一种用于硫化矿微生物浸出的生物反应器，其中该反应器能够处理高浓度矿浆，并且实现有效混合和供氧。该生物反应器包括一带有中心固定轴的转鼓、固定在转鼓上且围绕转鼓轴心转动的挡板，以及在转鼓旋转时保持静止的连接在固定轴上的控制温度的换热器、电极及带有微孔的气体分布装置。该反应器能够提供适宜的环境供微生物生长、繁殖，同时能处理更高的矿浆浓度，提高微生物浸出的效率。本发明专利技术的生物反应器适用于其他含有固体颗粒，如煤的微生物脱硫和固定化酶的生物反应体系。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于矿物的生物处理
，更具体的说，本专利技术涉及一种用 于硫化矿微生物浸出的生物反应器，其中该反应器能够处理高浓度矿浆，并 且实现有效混合和供氧。
技术介绍
在富矿、易处理矿日渐减少、环保要求不断提高、现代工业对金属的需 求与日俱增的条件下，传统冶金工艺不能适应需要，有关微生物浸出的研究 受到普遍关注。目前，研究最多、应用最广的当属用微生物浸出金属硫化矿 中的有价金属。与传统冶金工艺相比，生物浸出具有如下优势(1) 反应温和，过程相对简单，因此操作和维持费用相对较低。(2) 应用范围广。无论是精矿还是火法冶金不能处理的贫矿、废矿、表外 矿及难采、难选、难冶炼矿都能处理。(3) 环境友好。传统的火法冶金工艺中，会排放大量的二氧化硫和灰尘， 而生物浸出就可避免二氧化硫和灰尘污染环境；由于浸矿微生物能在矿石上 生长，因此易培养和循环利用。生物浸出还能以稳定的形式处理砷。微生物浸出矿物中有价金属的模式有 (1)堆浸把矿石堆积在矿坑外浸出，将待浸矿石从底部开始以梯形堆 积，然后从上部喷洒浸出液。溶液流经矿堆而发生生物浸出反应，随后经堆 底斜坡流至集液池。随着浸出的进行，矿石的品位逐渐下降，此时可在上部 重新设置堆积层继续浸出。该浸出工艺的特点是规模大、浸出时间长。堆浸 工艺的生产成本比较低。(2) 槽浸待浸矿石置于搅拌反应器中浸出的一种方法。浸出的矿粉粒 度很细，固液比较低。浸出过程中可通过机械或空气不断搅拌使矿物与浸出 剂充分混合。浸出过程分为连续和半连续二种， 一般用于大型冶炼厂。该法 成本比堆浸法高，但比堆浸反应速度快，金属回收率高，较容易控制。(3) 就地浸出又称原位浸出或矿床内浸出，它是将含有氧化亚铁硫杆菌等细菌的酸性硫酸铁溶液淋洒于矿区地表，再均匀向下渗滤以溶解矿石中 的金属。有时也可简单地定期用水冲洗矿坑内的矿柱及工作面，利用矿坑水 中的微生物进行浸出。由于受矿脉、水文地质条件及矿石埋藏深度所限，就 地浸工艺的应用远少于堆浸和槽浸，已不是细菌浸出的主要发展方向。目前，生物槽浸已在许多厂矿获得工业应用，用于多种精矿的生物浸出。 尽管生物槽浸已经取得了显著的进展，但仍存在浸出速度慢、效率低等不足。生物槽浸过程一般要4 5天甚至7天时间，而同样矿物粒度的化学浸出几个 小时就可完成。所以要充分发挥微生物冶金的环境友好的优势，迫切需要大 幅度提高生物浸出的速度，这就要求强化气液传质，同时尽可能提高矿浆浓 度。矿浆的细菌槽浸不同于一般的矿浆化学浸出，其主要特点是在浸出过程 中必需维持微生物生长的适宜条件，即要求其既适于细菌生长，又利于矿物 的浸出。目前的生物槽浸的反应器仅仅是化工和冶金工业反应器的简单延伸， 没有考虑到适应细菌的生长。微生物浸出体系中除了气泡、浸出液、矿物颗 粒外，在浸出液中和矿物颗粒表面还有细菌，而反应器必须为细菌提供一个 低剪切的环境。目前工业上生物浸出精矿所用的反应器主要为机械搅拌罐，搅拌式反应 器的矿浆质量体积浓度一般在20%(w/v)以内。气升式反应器的传递性能略优 于机械搅拌式，但提高性能的空间也有限。搅拌式和气升式的矿浆浓度难以 大幅度提高的原因有两方面。 一是矿浆的质量体积浓度超过2(m(w/v)后，为 使矿物颗粒悬浮混合，不得不输入更大的搅拌功率，造成较大的剪切力，对 菌体造成伤害。根本原因在于传统意义的反应器是靠搅拌驱动液体流动、由 液体流动带动颗粒悬浮，因此，颗粒密度或浓度的提高要求更大的搅拌功率； 二是矿浆浓度的提高使得矿浆变稠，粘度增大，不利于气体分散，即需要更 大的搅拌功率才能提高气液界面积，而这样又导致剪切力的增加。所以，传 统搅拌式浸矿反应器的根本问题在于高传质与低剪切的矛盾。急需发展新型 的高矿浆浓度、高传质速率、低剪切的细菌浸矿反应器。关于微生物浸出的新型反应器研制的报道很少。先后报道的通气槽生物 反应器(aerated trough bioreactor)、低能耗生物反应器(low energy bioreactor) 、 Delft余斗板式生物反应器(Delft inclined plate bioreactor) 等(如图1， 2， 3所示)，与传统的搅拌罐比较，它们具有耗能低、搅拌温和 的特点，但仍然存在着剪切力大、氧传递速率低、矿桨浓度低的缺点。上述 通气槽反应器、低能耗反应器、Delft斜板式反应器都没有从根本上解决上述 两个矛盾。通气槽反应器相当于卧式搅拌，低能耗反应器相当于将传统的径 向混合改为轴向混合，仍是靠液流带动颗粒悬浮，Delft斜板式反应器靠液体降膜进行气液传质，难以满足高浸出速率的要求，而且泵循环会带来高剪切。 现有的生物浸出反应器的矛盾在传统结构中难以克服，矿浆浓度难以提 高。要想大幅度提高矿浆浓度、提高传质速率，同时又要满足菌体的低剪切 要求，必须引入新的思路。本专利技术提出以固体提升的方式进行微生物浸出体 系的混合，而在直接固体提升的结构中，转鼓加挡板的结构比较简单，有类 似的工业装置(如回转窑)供参考。申请人的研究还表明，与搅拌式浸出槽 相比，转鼓式结构可以大大减缓颗粒对细胞的研磨损伤，固体浓度越高，与 搅拌式反应器相比较两者的差别越显著，转鼓反应器的优势越明显，所以转 鼓式可以满足微生物浸出反应器低剪切力的要求；对于浸出体系气液传质的要求，则采取气体预分散的方式。由于微生物浸出体系的粘度较高，可以延 缓气泡的聚合和上升，所以只要提供足够量的气泡并预先分散，就可以满足 气液传质的要求。基于以上思路，本专利技术将高矿浆浓度浸出反应器的基本结 构定为气体预分散的转鼓式，以解决微生物浸出体系高传质与低剪切的矛盾。 过程工业中有多种类型的转鼓式反应器在应用，如转鼓石灰窑、转鼓混 和器、转鼓干燥器、固态发酵所用的转鼓反应器等。转鼓式装置的独特优势在于可以直接进行固体的混和，可以容许很高的固体浓度。Rossi小组和 Vargas小组进行了转鼓反应器(rotating drum bioreactor)浸出精矿的探索 (Rossi G. The Design of Bioreactors . Hydrometallurgy， 2001， 59(2 3):217 231。如图4所示)。在30% (w/v)固体浓度下，矿物的溶解速率为 600g nf:ih—]，比到当时为止的最高浸出速率高一个数量级。Vargas小组用氧 化亚铁硫杆菌浸出含金的精矿，在50% w/w(相当于259W/v)的矿浆浓度下， 转速为0.5 1 rpm，其浸出时间达到80天，体现了转鼓生物反应器的优点 ①混和完全，无死区；②剪切力仅由下降的液膜进入转鼓底部矿浆时的相对 运动产生。但他们并没有解决如何提高生物反应器效率的关键问题。Rossi的 气体分布装置没有浸没到液体中，气液接触不充分，气液传质界面小(仅仅通 过液上空间的气液界面和挡板上的降膜进行氧传递)，并且降低了反应器的有 效体积(装料系数低于50%)。 Herrera等提出的反应器同样没有有效的气体 分散装置(Herrera M N， Escobar B， Parra N, et al. Bioleaching of Refractory Gold Concentrates at High本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微生物浸出的转鼓式生物反应器，该转鼓式生物反应器为圆筒式的生物反应器，包括转鼓、固定在转鼓上且围绕转鼓轴心转动的挡板，以及在转鼓旋转时保持静止的连接在固定轴上的控制温度的换热器、电极、带有微孔的气体分布装置，其特征是：一带有中心固定轴的转鼓，在转鼓的壁上开有进出料口及安装有一伸入转鼓内的气体导管；在转鼓的内壁上安装有挡板，在转鼓里安装有固定在中心固定轴上的控制温度的换热器、电极，及通过连接导管与伸入转鼓内的气体导管相连通的带有微孔的气体分布装置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丛威，金建，刘国梁，石绍渊，方兆珩，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]