用于工業生物反應器給料的穩定分散形式的硫生物適應的系統和方法
【專利摘要】本發明涉及用于工業生物反應器給料的穩定分散形式的硫（S）生物適應的系統，其包括：a）含有液體培養基的罐，所述液體培養基由上清液稀釋液或一部分硫氧化細菌培養物組成，b）從所述罐進料的再循環泵，和c）噴射器，在其進口處連接于再循環泵，并且在其出口處連接回罐，使再循環線路閉合。在噴射器給料途徑中存在細粉形式的S的供應。
【專利說明】用于工業生物反應器給料的穩定分散形式的硫生物適應的系統和方法
發明領域
[0001]本發明涉及用于工業生物反應器給料的穩定分散形式的硫生物適應的系統。此外，公開了用于工業生物反應器給料的穩定分散形式的硫生物適應的方法。
[0002]發明背景
[0003]生物浸取是生物采礦中最重要的過程，并且被定義為利用直接或間接微生物作用，將來自復合基質的金屬溶解于酸性介質中的方法。用于這些過程中的微生物可以屬于細菌或古細菌域，并且可以根據它們對于特定過程的實用性來歸類。例如，我們可以區分硫和鐵氧化微生物，其通常用于生物浸礦中。
[0004]對于生物采礦操作，一般慣例是引入生物反應器，以產生生物質。這些生物反應器是基于細菌在其中增殖的液相(傳統反應器)，或基于含有粘附細菌的固體填充床，溶液通過其進行滲濾(細胞柱反應器)。鑒于生物采礦細菌的鐵和硫氧化過程的重要性，我們可以找到用于鐵和硫氧化微生物的生物反應器，硫氧化微生物是本發明的焦點。
[0005]在硫氧化微生物中，在涉及硫或還原硫化合物的工業過程中最常見和最廣泛發現的是嗜酸氧化硫硫桿菌(Acidithiobacillus thiooxidans)。
[0006]培養這些微生物中的必需步驟是給反應器供應細菌的天然底物，硫。所用的硫是細粉，大小在30至300 μ m之間，并且具有各種操作問題:
[0007]首先，其是疏水的，因此不能溶解于生物反應器的含水酸性環境中；
[0008]其次，當細粉與含氧空氣，如大氣接觸時，其變成易燃的和爆炸性的，其使得需要連續進料的反應器定量進料變得復雜化；
[0009]最后，工業生物反應器的大尺寸牽涉暫停用于將硫分配至反應器中的裝載操作。如果發生風吹或其他相似現象，進料操作必須暫停。
[0010]第一個陳述在生物質產生中具有重要后果。在任何硫氧化細菌培養物中，從添加接種物和硫的時間點開始，存在潛伏期，直至指數生長期。這很大程度上是由于硫的疏水性引起的，這意味著其作為用于微生物的底物不是立即可被生物利用的。
[0011]對克服所有這些不便利性的硫進料系統存在需求。
[0012]發明人已經設計了用于工業生物反應器進料的穩定分散形式或濃稠漿液的硫生物適應的系統和方法。所獲得的硫分散體不再具有細硫粉末的易燃/爆炸特性。作為液體，可以將其摻入罐中，而沒有與風吹或其他相似現象相關的操作問題。令人驚訝地，這種分散體確保細菌對硫的立即生物利用。這顯著縮短了停滯期，并且可以縮短硫氧化細菌生物反應器中的生物質產生時間。
[0013]本發明的系統包括通過連接到再循環線路的噴射器摻入細硫粉，再循環線路與輔助罐連接。所述液體介質是上清液稀釋液或硫氧化細菌培養物的一部分。
[0014]該系統提供了容易操作的均勻的硫液體懸浮液，因此避免了細硫粉的危險。所得到的硫分散體可以直接用作液相`反應器的底物。此外，如果使硫分散體變稠，并且將所得到的漿液用于制備生長培養基，則其可以用作填充床反應器的底物。此外，發明人已經發現了這種分散體或漿液允許硫的立即生物利用。如果所述分散體或漿液直接作為底物加入硫氧化細菌生物質產生生物反應器，則縮短了停滯期，因此也縮短了生物質產生時間。
現有技術
[0015]在現有技術中尚未發現有文獻解決了本發明中提出的技術問題，本發明的目的是獲得工業生物反應器給料中穩定分散形式的硫。
[0016]然而，現有技術中已經認識到硫粉問題，如其易燃性和爆炸性。例如，美國專利3，779，884 (1974)公開了用于農業目的的硫分散體的方法。在此，將水相湍流用于使硫霧化，并且在水中產生細分散體。該系統含有循環設計，其中使硫通過泵，其對分散體施壓。本發明不同于美國專利3，779，884，因為其使用由上清液稀釋液或一部分硫氧化細菌培養物組成的液體培養基來代替水。此外，其使用噴射器系統來產生分散體。
[0017]這些區別產生了可生物適應的硫分散體，其最終是穩定的，并且作為可以通過機械攪拌重懸浮的細粉輕輕倒出。另一方面，該分散體在水中是不穩定的，并且隨著攪拌停止，硫依然保持漂浮在水表面上，產生肉眼可見的硫絮凝物。
[0018]隨后，我們發現了美國專利4，372，872(1983)，其描述了如何借助于強烈攪拌將熔融硫注入水流中來產生細硫懸浮液。然而，同一篇文獻還提及了由于聚集在水中制備硫分散體有多么困難。此外，其表明了外部表面活性劑將是有幫助的，但沒有對所述表面活性劑進行鑒定，也沒有將其摻加到該過程中。
[0019]美國申請2003/0185637A1 (2003)描述了用于運輸含有硫粉的硫顆粒并且除去所述粉末的方法。該方法包括使用噴射器系統在硫顆粒上泵水，以產生含有硫顆粒和粉末的水溶液。然后，將含有硫粉和其他雜質的水與運送硫顆粒的水分離。最終，將水與硫顆粒分離，并且貯存干的硫顆粒。
[0020]噴射器系統是現有技術公知的，并且用于將液體、氣體或粉末物質摻入液體組合物中。例如，美國專利4，695，378(1987)描述了用于處理礦水的系統，其由噴射器組成來充氣并將粉末狀中和劑加入處理過的水中。在第二個實例中，美國專利6，988，823B2 (2006)描述了用于“潤濕細固體”的系統，并且表明了通過所述技術，不溶性化合物可以產生均勻的分散體。該系統結合噴射器來混合粉末和水流。該文獻沒有使用再循環；而是描述了使用內部攪拌棒來混合溶液/分散體。
[0021]總之，盡管存在一些解決方法來作為分散體運送硫粉，但這些已經證明了其在水中，與使用本發明的系統和方法獲得的可生物適應的硫分散體相比不太穩定。
[0022]現有技術中沒有解決本發明中提出的技術問題，以獲得用于給工業生物反應器給料的穩定分散體中的可生物適應的硫。所分析的文獻中描述的用于細硫粉漿液或分散體的用途是用于農業部門，其中將硫用作殺真菌劑，并且從未如本發明那樣，考慮用作反應器的進料，或用作微生物生長培養基。
[0023]本發明的概述
[0024]本發明涉及用于工業生物反應器給料的穩定分散形式的硫(S)生物適應的系統，其包括:
[0025]a)含有液體培養基的罐，所述液體培養基由上清液稀釋液或一部分硫氧化細菌培養物組成，[0026]b)從罐進料的再循環泵，和[0027]c)噴射器，在其進口處連接于再循環泵，并且在其出口處連接回罐，使再循環線路閉合。
[0028]在噴射器的進料通路中，存在細粉形式的S供應。
[0029]上清液或一部分硫氧化細菌培養物在含硫培養基中被稀釋100至10倍。
[0030]第二個方面，本發明公開了一種用于工業生物反應器給料的穩定分散形式的硫生物適應的方法，其包括:
[0031]a)在含有液體培養基的罐中，啟動通過再循環泵的再循環，所述液體培養基由上清液稀釋液或一部分硫氧化細菌培養物組成；
[0032]b)將細硫粉的供應連接到噴射器，噴射器在其進口處連接于再循環泵，在其出口處連接回存儲器。通過噴射器內產生的抽吸使摻入的硫霧化。
[0033]附圖簡述
[0034]圖1顯示了本發明優選配置的流程圖，并且包括:含有液體培養基的罐(1)，所述液體培養基含有上清液稀釋液或一部分硫氧化細菌培養物；從罐(I)進料的再循環泵(2)，和在其進口處連接于再循環泵(2)并且在其出口處連接回罐(I)的噴射器(3)，使再循環回路閉合，并且其中噴射器(3)在其給料途徑中有細硫粉的供應。
[0035]圖2顯示了本發明的第二個優選配置的流程圖。除了圖1中所述的系統以外，這個配置還含有:在再循環泵(2)的出口處，用于指引流動的裝置(4)，使得可替換地指引直接流動至罐(I )，而沒有通過噴射器。
[0036]圖3顯示了用于工業過程中的硫生物適應的優選配置。該配置考慮了圖1和2中所述的流程圖。然而，其包括作為上清液或培養物稀釋液來源的工業生物反應器，以獲得可生物適應的硫，其隨后打算用于工業生物反應器的給料。
[0037]圖4顯示了三個條件下的IX KMD培養基中的硫分散體等份試樣:圖4a)本發明的硫生物適應，完全地輕輕倒出了硫，圖4b)使用機械分散的對照，硫沒有形成大的結塊，倒出小部分，而大部分保留在懸浮固體聚集形成的絮凝物的表面上。圖4c)沒有使用機械分散的對照，硫保留在大結塊形式的表面上。
[0038]圖5顯示了接種106細胞/ml Licanantay菌株DSM17318的3個硫氧化細菌生物反應器中的PH和生物質的演化，其中對照()給料普通的細硫粉(不可生物適應的)，(A)表示通過高壓滅菌滅菌的可生物適應硫，和(.)表示滅菌的可生物適應硫。在圖5A中，顯示了隨著時間的PH，表明可生物適應硫比對照更快地降低了 pH。圖5B顯示了隨著時間的生物質，顯示了可生物適應硫比對照更快地增加了生物質，將停滯期從75小時降至24小時。
[0039]圖6 顯示了使用兩種不同的硫濃度:2.35G_S/Kg_Quartz 和 4.65G_S/Kg_Quartz,在石英柱上聚集的硫中硫轉換成硫酸的百分比。其中對照(▲)聚集了普通細硫粉(不可生物適應的)，而本發明的柱聚集了可生物適應硫(令)。圖6A顯示了使用較低硫濃度2.35G_S/Kg_Quartz柱的硫轉化成硫酸的百分比，而圖6B顯示了使用較高硫濃度4.65G_S/Kg_Quartz柱的相同結果。在兩種情況下，使用可生物適應硫時，硫轉化成硫酸更快，并且更有效。
[0040]圖7顯示了含有不可生物適應的細硫粉的燒瓶中的細菌生長，圖7A，和可生物適應硫，圖7B，在不同的硫酸鋁濃度的存在下:0g/L (#)U5g/L (A)U8g/L (?)和20g/L(□)。使用可生物適應硫作為底物時，硫酸鋁的毒性作用。
[0041]發明詳述
[0042]如本發明背景中所示，培養硫氧化微生物需要將硫給料于生物反應器。硫是30至300 μ m之間的細粉，并且具有多個操作問題，如疏水性以及易燃性和爆炸特性。
[0043]發明人設計了用于工業生物反應器給料的穩定分散形式的硫生物適應的系統和方法。
[0044]a)本發明涉及用于工業生物反應器給料的穩定分散形式的硫生物適應的系統，并且包括:含有液體培養基的罐(I)，所述液體培養基含有上清液稀釋液或一部分硫氧化細菌培養物，
[0045]b)從罐(I)進料的再循環泵(2)，和
[0046]c)噴射器(3)，在其進口處連接于再循環泵(2)，并且在其出口處連接回罐(1)，使再循環線路閉合，并且其中噴射器(3)給料途徑含有細硫粉的供應。
[0047]在稀釋上清液或一部分硫氧化細菌培養物的情況下，使用培養基中稀釋100至10倍來分散硫。這在圖1中有顯示。
[0048]此外，本發明的可替換配置包括:在再循環泵(2)出口處，放置用于引流(4)的裝置，其替換地將所述的流引向罐(1)，而沒有經過噴射器。這種優選的配置顯示于圖2中。
[0049]在第二個方面中，本發明涉及用于工業生物反應器給料的穩定分散形式的硫生物適應的方法，其包括:
[0050]a)通過再循環泵(2 )，在罐(I)內啟動再循環，再循環泵循環含有上清液稀釋液或硫氧化細菌培養物的液體培養基，和`
[0051]b)將細硫粉的供應連接到噴射器(3)，其在其進口處連接于再循環泵(2)，并且在其出口處連接回罐(I)。
[0052]此外，對于本發明的優選配置，該方法可以包括這些其他步驟:
[0053]c)連接于再循環泵(2)出口處的用于引流(4)的裝置，其可以選擇性地引流，和
[0054]d)通過引流(4)裝置，選擇性地轉換流動，以通過再循環流運行噴射器(3 )或將所述的流直接從再循環泵(2)引至罐(I)。
[0055]盡管噴射器的主要功能是給系統提供硫粉，一旦將所有粉末引入系統中，噴射器開始將小氣泡引入所述的流中。這是由于所述的流與大氣之間的壓力差引起的。這些氣泡在噴射器卸流以及在罐內都引起湍流，使得硫在罐內分散。
[0056]在閥指引直接流入罐內而沒有通過噴射器并且全部硫粉已經引入并有效地接觸上清液的情況下，由于再循環引起的流動特征可以獲得或維持穩定的硫分散，這是由于上清液或硫氧化細菌培養物中“生物表面活性劑”化合物的存在。由于存在噴射器“旁路”，泵避免了噴射器的水力阻力，這避免了由于懸浮液中細硫聚集形成的硫絮凝物的形成。
[0057]此外，用于引流的裝置(4)可以是3-通閥，或一組雙閥，各自控制進入相應回路方向的流動。
[0058]本發明的這兩個方面，系統和方法，它們之間非常相關，允許穩定的硫分散，這稱為可生物適應的硫，其不再具有可燃/爆炸性細硫粉的特征。其為液體這一事實意味著可以將其摻入罐中，而不需要考慮風吹問題。其還可以用來制備稠的硫漿液，用于構建細菌生長的填充床。令人驚訝地，這種硫分散體或漿液確保微生物的立即生物利用性，并且顯著縮短了停滯期。此外，還可以縮短硫氧化細菌生物反應器中的生物質產生。
[0059]如現有技術分析中看到的，所報道的硫分散體包括水作為液體載體的用途。盡管認為使用表面活性劑能提高硫分散，但這涉及將外部試劑加入培養物中，在一些情況下，證明了這對微生物是有害的(Bouffard Sylvie.C.，Tshilombo, Paul and ffest-Sells, PaulG., Mineral Engineering, 2009, Vol92,100-103)。在工業情況中，添加外部試劑提高了成本，使得難以廣泛使用。此外，如果培養物必須用于采礦操作，那么外部試劑的添加將復雜化，因為它們會干擾隨后的采礦過程，如金屬陰極的溶劑提取或電解提取。發明人通過使用液體培養基或硫氧化細菌培養物的上清液稀釋液(這兩者與工業過程完全相適)解決了這個技術問題。在稀釋上清液或一部分硫氧化細菌培養物的情況下，使用培養基中的100至10倍稀釋來分散硫。在這種情況下，不存在給過程添加任何外部試劑。圖3中顯示了工業水平的優選配置。
[0060]已知上清液，其對應于細菌在其中生長的并將細菌傾析后的液體培養基，是非常復雜的溶液，因為它們含有多種由細菌代謝產生的生物分子。已知硫氧化細菌培養物的上清液含有具有生物表面活性劑特性的化合物。硫氧化細菌，如嗜酸氧化硫硫桿菌，分泌磷月旨，其中通常為磷脂，并且特別是磷脂酰乙醇胺、磷脂酰甘油、磷脂酰肌醇，已經在文獻中被引用為通過硫氧化細菌產生的物質，其促進硫在水中的分散。
[0061]為了研發本發明，發明人考慮了現有技術的知識，因為他們認識到了硫氧化細菌培養物用于生物適應硫的實際潛能。他們將硫氧化細菌的上清液中存在的生物表面活性劑化合物的分散優勢結合了機械分散，這促進了表面活性劑化合物對硫的覆蓋。這利用了兩種機理的協同優勢，以解決硫疏水性的固有問題。
[0062]如所示的，在硫氧化細菌培養物的上清液中發現了產生硫生物適應需要的要素。然而，不需要具有純上清液，無細菌。發明人已經發現了通過使用上清液，或通過使用完整的培養物(其同時含有上清液和在其中生長的細菌)，實現了硫生物適應的作用。
[0063]通過作者測量的硫氧化細菌培養物的上清液的特征性組成含有:
[0064]?細菌和微生物的生長產物，如硫氧化細菌，如含有10g/L硫的培養基中的約5 X IO9 細胞 /mL 濃度的 Licanantay,
[0065]?用于在硫上形成生物膜的被細菌利用的外多糖(EPS)，如，例如，從5g/L硫的培養基中生長的Licanantay培養物可取出總共20mg/升EPS。硫中生長的Licanantay的EPS主要由葡萄糖、半乳糖、葡糖醛酸、半乳糖醛酸和阿拉伯糖組成。
[0066]分泌的蛋白質或硫/細菌界面,例如0.5_2mg/L的蛋白質,主要是Licanantasa,如專利申請 PCT W02011024096 所述，BioSigma S.A.[0067]?由細胞代謝產生的代謝物:可以有意識地分泌特定的代謝物，而其他由于細胞溶解可以在上清液中找到。例如，根據上清液中結合質譜的毛細管電泳(CEMS)進行的測量，谷氨酸、天冬氨酸、亞精胺、脯氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸是量最大的氨基酸。
[0068]?胞外脂質:嗜酸氧化硫硫桿菌培養物，如Licantantay細菌中，約60%的胞外脂質是中性脂質，而剩余40%是磷脂。在上清液中檢測到了磷脂酰乙醇胺、磷脂酰甘油和磷脂酰肌醇，并且測試了它們對硫的表面活性劑作用(Beebe, James L.和Umbreit, ffff, Journalof Bacteriology, 1971, V0IIO8 (I)，612-614)。
[0069]硫氧化細菌培養物的上清液中存在的一些成分具有表面活性劑特性，并且認為是胞外脂質。這些很可能負責本發明所述系統和方法中觀察到的硫生物適應。這個方法和系統的優勢是使用上清液或完整的培養基，因為這些促進了過程操作。
[0070]實施例1
[0071]硫生物適應
[0072]根據圖2中描述的優選配置來設定本發明的硫生物適應系統:50升罐(1)，連接于2.5Hp再循環泵(2)，其從罐(I)進料，其中3/4’ ’ (1,91cm)噴射器(3)在其進口處連接到再循環泵(2)，并且在其出口處連接于罐(1)，使再循環回路閉合，并且在再循環泵出口(2)處，安置用于引流的裝置(4)，在這種情況下，是三通閥，其允許通過簡單的管線，可替換地將所述的流直接引至罐(I)中。
[0073]這種配置維持罐的攪拌，而不使用噴射器。
[0074]一旦安裝好系統，進行了 3個實驗:
[0075]1.1本發明，即可生物適應硫的狀況。將38.8L表1中所述的IXKMD培養基加入罐中，罐中含有1.2L Licanantay硫氧化細菌培養物(在表1中所述的KMD培養基中的3%vol/vol)0培養基開始通過噴射器再循環，其加入總共800g劑量的細硫粉(濃度20g/L)。一旦加入硫，在罐中維持機械攪拌。再循環通過不含噴射器的途徑進行。
[0076]表1
[0077]
【權利要求】
1.用于工業生物反應器給料的穩定分散形式的硫生物適應的系統，其中包括下列各項: a)含有液體培養基的罐(I )，所述液體培養基由上清液稀釋液或一部分硫氧化細菌培養物組成， b )從罐(I)進料的再循環泵(2 )，和 c )噴射器(3 )，在其進口處連接于再循環泵(2 )，并且在其出口處連接回罐(I)，使再循環線路閉合，并且在噴射器(3)的給料途徑中有細硫粉的供應。
2.根據權利要求1的用于硫生物適應的系統，其中它含有用于引流的裝置(4)，其連接到再循環泵(2)出口，其允許選擇性地引流。
3.根據權利要求2的用于硫生物適應的系統，其中用于引流的裝置(4)對應于三通閥或一組雙閥，各自控制進入相應回路方向的流動。
4.用于工業生物反應器給料的穩定分散形式的硫生物適應的方法，其包括這些步驟: a)通過再循環泵(2)，在罐(I)內啟動再循環，再循環由含有上清液稀釋液或硫氧化細菌培養物的液體培養基組成，和 b)將細硫粉的供應連接到噴射器(3)，噴射器(3)在其進口處連接于再循環泵(2)，并且將其出口連接回 罐(I)。
5.根據權利要求4的用于硫生物適應的方法，其中包括額外的步驟: c)在再循環泵(2)出口處連接用于引流的裝置(4)，其允許選擇性地引流，和 d)通過引流裝置(4)選擇性地轉換流動，以通過再循環流操縱噴射器(3)或指引流動直接從再循環泵(2)至罐(I)。
【文檔編號】C12N1/20GK103687939SQ201280034057
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年5月24日 優先權日:2011年5月27日
【發明者】P·帕拉達瓦爾德堪托斯, S·加爾維斯阿芬達諾, R·巴蒂亞奧爾鮑姆, F·拉烏雷桑坦德爾 申請人:拜奧希格馬股份有限公司