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1、 微生物湿法冶金 什么是微生物湿法冶金？ 微生物湿法冶金微生物湿法冶金，又称，又称生物浸出技术生物浸出技术，通常指矿石的细菌，通常指矿石的细菌氧化或生物氧化，由自然界存在的微生物进行。这些微生物氧化或生物氧化，由自然界存在的微生物进行。这些微生物被称作适温细菌，大约有被称作适温细菌，大约有0.52.0微米长、微米长、0.5微米宽，只能微米宽，只能在显微镜下看到，靠无机物生存，对生命无害。这些细菌靠在显微镜下看到，靠无机物生存，对生命无害。这些细菌靠黄铁矿、砷黄铁矿和其他金属硫化物如黄铜矿和铜铀云母为黄铁矿、砷黄铁矿和其他金属硫化物如黄铜矿和铜铀云母为生。生。适温细菌和其他靠吃矿石为生细菌如何氧
2、化酸性金属的适温细菌和其他靠吃矿石为生细菌如何氧化酸性金属的机理不得而知。机理不得而知。化学和生物作用化学和生物作用将酸性金属氧化变成将酸性金属氧化变成可溶性可溶性的硫酸盐的硫酸盐，不可溶解的贵金属不可溶解的贵金属留在残留物中，铁、砷和其他留在残留物中，铁、砷和其他贱金属，如铜、镍和锌进入溶液。溶液可与残留物分离，在贱金属，如铜、镍和锌进入溶液。溶液可与残留物分离，在溶液中和之前，采取传统的加工方式，如溶剂萃取，来回收溶液中和之前，采取传统的加工方式，如溶剂萃取，来回收贱金属，如铜。残留物中可能存在的金属，经细菌氧化后，贱金属，如铜。残留物中可能存在的金属，经细菌氧化后，通过通过氰化物氰化物提
3、取。提取。微生物冶金工业流程基本情况基本情况国外在生物冶金方面的研究起步较早，目前许多国家已国外在生物冶金方面的研究起步较早，目前许多国家已实现了铜实现了铜 矿、油矿、金矿等一系列矿种的微生物工业化浸出生产矿、油矿、金矿等一系列矿种的微生物工业化浸出生产。此外，。此外， 已有大量的现代生物学手段被引入工业化生产，对其中的金矿微已有大量的现代生物学手段被引入工业化生产，对其中的金矿微 生物进行有效监控。如用免疫荧光标记技术来活体检测菌体的吸生物进行有效监控。如用免疫荧光标记技术来活体检测菌体的吸 附过程，用蛋白质定量分析来确定菌体对矿石的吸附量等。附过程，用蛋白质定量分析来确定菌体对矿石的吸附量
4、等。国内系统研究适于国内系统研究适于1959年。年。1972年开始有微生物湿法冶金技术年开始有微生物湿法冶金技术 应用于工业化生产（细菌应用于工业化生产（细菌浸出铜铀半生矿浸出铜铀半生矿）。）。1977年完成年完成高硫锰高硫锰 矿和锡矿矿和锡矿的微生物浸出半工业化生产。的微生物浸出半工业化生产。1994年在陕西进行年在陕西进行吨位黄吨位黄 铁矿类型贫瘠矿的细菌堆浸实验，金回收率提高铁矿类型贫瘠矿的细菌堆浸实验，金回收率提高58（原矿含金（原矿含金 量只有量只有0.54g/吨）；吨）；1995年以后有更多的开发应用。年以后有更多的开发应用。但跟国外比还有很大差距，如对浸矿微生物菌种没有监控，对菌
5、但跟国外比还有很大差距，如对浸矿微生物菌种没有监控，对菌种生理状态等也缺乏全面认识，不能很好指导浸矿。我国还种生理状态等也缺乏全面认识，不能很好指导浸矿。我国还 没有没有真正建立起一家细菌浸矿工厂。真正建立起一家细菌浸矿工厂。1.1.与微生物冶金有关的菌类与微生物冶金有关的菌类l 硫杆菌属硫杆菌属 包括至少包括至少14种，最重要的是种，最重要的是氧化亚铁硫杆菌氧化亚铁硫杆菌和和氧化硫硫杆菌。氧化硫硫杆菌。硫杆菌属无机化能营养型，细胞为革兰氏阴性，棒状。直径硫杆菌属无机化能营养型，细胞为革兰氏阴性，棒状。直径0.3 0.8 m ,长长0.92.0 m 。菌体通。菌体通过单过单极生鞭毛极生鞭毛进进
6、行运行运动动，许许多多菌体表面菌体表面还还有粘液有粘液层层。l钩端螺菌属钩端螺菌属 所有的所有的钩钩端螺菌属菌都是端螺菌属菌都是严严格好氧微生物，格好氧微生物，专专一性地通一性地通过过氧氧化溶液中的化溶液中的Fe3或或矿矿物物质质中的中的Fe2来来获获取能量。取能量。l硫化杆菌属硫化杆菌属 能量来源是能量来源是Fe2、硫磺和其它、硫磺和其它矿矿物。物。该该属菌属菌严严格好氧且极度嗜格好氧且极度嗜酸。酸。2.2.微生物冶金的原理微生物冶金的原理细菌直接作用浸矿细菌直接作用浸矿 细菌对矿石存在着直接氧化的能力，细菌与矿石之间通过细菌对矿石存在着直接氧化的能力，细菌与矿石之间通过物理化学接触把金属溶
7、解。从而使金属从矿石中物理化学接触把金属溶解。从而使金属从矿石中提取提取出来。出来。 n细菌间接作用浸矿细菌间接作用浸矿 细菌能把金属从矿石中溶浸出来是细菌生命活动中生成细菌能把金属从矿石中溶浸出来是细菌生命活动中生成代谢物的间接作用代谢物的间接作用 ，例如细菌作用产生硫酸和硫酸铁，然后，例如细菌作用产生硫酸和硫酸铁，然后通过硫酸或硫酸铁作为溶剂浸提出矿石中的有用金属通过硫酸或硫酸铁作为溶剂浸提出矿石中的有用金属 。3. 3. 浸矿用菌的浸矿用菌的开发途径开发途径从已有菌从已有菌群中开发群中开发基因工程基因工程构建和重组构建和重组获得新性状菌获得新性状菌株（工程菌）株（工程菌）接矿小试验接矿小
8、试验及扩大试验及扩大试验效果不明显效果不明显抛弃抛弃效果明显效果明显菌种保藏菌种保藏野外采野外采样开发样开发不断不断驯化培养驯化培养接矿小试验接矿小试验扩大试验扩大试验效果不明显效果不明显继续驯化继续驯化效果明显效果明显细致研究细致研究 基因改造基因改造改善浸出条件改善浸出条件提高浸出效率提高浸出效率工业化生产工业化生产浸矿微生物开发浸矿微生物开发1.选择适合的采样地点选择适合的采样地点浸矿微生物可能存在的地点：浸矿微生物可能存在的地点：矿山、矿堆或尾矿中流淌出来的酸性水矿山、矿堆或尾矿中流淌出来的酸性水矿石本身矿石本身热泉水样或矿浆热泉水样或矿浆 微生物一般集中选择在低微生物一般集中选择在低
9、pH条件下，其最适生长温条件下，其最适生长温度分为度分为30（中温菌）、（中温菌）、45（中度嗜热菌）或（中度嗜热菌）或7080（极度嗜热菌）的类群。（极度嗜热菌）的类群。 堆矿环境呈酸性，温度堆矿环境呈酸性，温度6080 ，是理想的采样地，是理想的采样地 点。这些菌活跃在浸矿液、矿石表面等区域。点。这些菌活跃在浸矿液、矿石表面等区域。2.在合适条件下培养样品在合适条件下培养样品培养基的选择培养基的选择 刚采集到的样品一般不直接用于接矿培养基来培养。通常选刚采集到的样品一般不直接用于接矿培养基来培养。通常选择一些择一些易于菌体分解利用的培养物来扩大菌体数量。易于菌体分解利用的培养物来扩大菌体数
10、量。 由于冶金菌多为自养型细菌，培养基中一般加入由于冶金菌多为自养型细菌，培养基中一般加入硫酸胺或硝硫酸胺或硝酸钾、磷酸钾、硫酸镁、硫酸铁、硫酸钾、磷酸钾、硫酸镁、硫酸铁、硫等作为等作为N及矿物质来源。及矿物质来源。n培养温度的初步确定培养温度的初步确定 培养温度根据菌种来源而定。有适合培养温度根据菌种来源而定。有适合30培养的，但中度嗜热培养的，但中度嗜热菌的最佳生长温度约菌的最佳生长温度约50，极度嗜热菌最适生长温度，极度嗜热菌最适生长温度6070。通过通过初步设定培养温度可以有选择地获得一些适于特定环境浸出初步设定培养温度可以有选择地获得一些适于特定环境浸出的微生物类群。的微生物类群。培
11、养基培养基pH以以34为宜。还必须通气，避免阳光照为宜。还必须通气，避免阳光照射等以利繁殖。射等以利繁殖。 3.驯化培养驯化培养驯化培养就是驯化培养就是不断提高目的矿样在培养基中的浓度不断提高目的矿样在培养基中的浓度，同时不，同时不断减少其他易于被菌体分解利用的化合物的量，直至完全停断减少其他易于被菌体分解利用的化合物的量，直至完全停止。止。驯化培养实际上是定向选择抗性菌体的过程，一开始可能所驯化培养实际上是定向选择抗性菌体的过程，一开始可能所需时间比较长，但随着目的菌数的不断增多，驯化培养的周需时间比较长，但随着目的菌数的不断增多，驯化培养的周期会不断缩短。期会不断缩短。当当菌体对某种金属离
12、子具有较强的耐受力，或菌数在一个较菌体对某种金属离子具有较强的耐受力，或菌数在一个较短周期内到达短周期内到达10108 810109 9个个/ml/ml时时，驯化菌样就可用于生物浸矿驯化菌样就可用于生物浸矿试验。试验。4.浸矿试验浸矿试验浸矿试验要注意以下因素：浸矿试验要注意以下因素：酸度：酸度： 细菌氧化过程中，细菌氧化过程中，pH的选择非常重要。有菌体培的选择非常重要。有菌体培 养养 物、处理硫化矿物及氧化工艺造成的影响。物、处理硫化矿物及氧化工艺造成的影响。 大部分控制大部分控制pH23。 通气通气 ： 对好氧嗜酸菌很重要。对好氧嗜酸菌很重要。 当溶解氧下降至当溶解氧下降至0.51.0m
13、g/L时，细菌氧化很时，细菌氧化很 快停止。但堆矿工艺不通气，只在矿堆上撒水。快停止。但堆矿工艺不通气，只在矿堆上撒水。 温度：温度： 一般情况下，细菌最适生长温度并不等于最适浸出温度。一般情况下，细菌最适生长温度并不等于最适浸出温度。每种细菌都有最适生长温度与浸出温度。每种细菌都有最适生长温度与浸出温度。硫化矿物的量：硫化矿物的量：搅拌浸出法矿浆浓度并非越高越好。搅拌浸出法矿浆浓度并非越高越好。较高矿浆浓较高矿浆浓度度下，需氧量高，需提高搅拌速度，对细菌剪切力随之增加，使细下，需氧量高，需提高搅拌速度，对细菌剪切力随之增加，使细菌难于吸附到矿物表面；同时在同样条件下矿浆浓度越高，相对吸菌难于
14、吸附到矿物表面；同时在同样条件下矿浆浓度越高，相对吸附到矿体表面的细菌数目就少，从而降低细菌的氧化速率。附到矿体表面的细菌数目就少，从而降低细菌的氧化速率。其他（如营养物等）其他（如营养物等）5.5.细菌的进一步改造和重新构建细菌的进一步改造和重新构建n诱变育种：诱变育种： 分离获得的菌种，在改造上要选择具以下特征进行育种：分离获得的菌种，在改造上要选择具以下特征进行育种：1）具有很高的氧化铁或硫的能力）具有很高的氧化铁或硫的能力2）具再生生长能力）具再生生长能力3）已有相当程度的变异。）已有相当程度的变异。诱变后，挑选浸出效率提高，又具诱变后，挑选浸出效率提高，又具 稳定遗传性的突变菌株。稳
15、定遗传性的突变菌株。n基因工程构建新菌株基因工程构建新菌株 筛选合适酶的菌株筛选合适酶的菌株 确定酶基因的位置（基因或质粒）确定酶基因的位置（基因或质粒） 如基因组则提取及纯化基因组染色体如基因组则提取及纯化基因组染色体 将将纯化后的基纯化后的基因片段因片段克隆到大肠杆菌的质粒上克隆到大肠杆菌的质粒上 检出被转化的大肠杆菌检出被转化的大肠杆菌 从转化菌中提取质粒从转化菌中提取质粒，切割质粒上相关的酶基因片段，切割质粒上相关的酶基因片段 检测所获酶基因片段及由该基因表达的酶的氨基酸顺序检测所获酶基因片段及由该基因表达的酶的氨基酸顺序 构建穿梭质粒，构建穿梭质粒，将酶基因导入目的硫杆菌将酶基因导入
16、目的硫杆菌内内 表达。表达。6.6.细菌浸出扩大试验（工业级）细菌浸出扩大试验（工业级） 搅拌浸出、堆浸和原位浸出搅拌浸出、堆浸和原位浸出3种方法。种方法。1）搅拌浸出）搅拌浸出 半连续浸出半连续浸出 ：重复给料分批培养，即在浸出过程定期补加新鲜：重复给料分批培养，即在浸出过程定期补加新鲜培养液，并定期将浸出液取出，这样做的目的是补充作用菌，并培养液，并定期将浸出液取出，这样做的目的是补充作用菌，并将有害代谢产物排除和稀释。将有害代谢产物排除和稀释。 连续浸出连续浸出：将几个重复的给料浸出设备串连起来，第一个罐流：将几个重复的给料浸出设备串连起来，第一个罐流出物供给第二罐原料，直至最后一罐流出
17、较高浓度的产品。出物供给第二罐原料，直至最后一罐流出较高浓度的产品。 优缺点：优缺点：缺点缺点是生产成本高（需搅拌、加热、通气、冷却、耐酸是生产成本高（需搅拌、加热、通气、冷却、耐酸反应罐），适用处理单位价格高的矿种（如金矿）；反应罐），适用处理单位价格高的矿种（如金矿）； 优点优点是各项是各项浸出指标易达到最佳水平。浸出指标易达到最佳水平。2）堆浸）堆浸 主要用于主要用于处理大吨位的贫矿、废矿及尾矿处理大吨位的贫矿、废矿及尾矿，浸出，浸出时间长，矿石一般不需要破碎得很细或无需破碎。待时间长，矿石一般不需要破碎得很细或无需破碎。待处理的矿石被推在不透水的斜面地基上，矿石表面设处理的矿石被推在不
18、透水的斜面地基上，矿石表面设置喷淋管道，向矿石堆连续或间断的喷淋微生物浸出置喷淋管道，向矿石堆连续或间断的喷淋微生物浸出液进行浸出，并在较低处建筑收集槽收集浸出液。优液进行浸出，并在较低处建筑收集槽收集浸出液。优点成本低，最成功得例子是生物浸铜。点成本低，最成功得例子是生物浸铜。3）原位浸出）原位浸出 利用自然的或人工爆破形成的地面裂缝，利用自然的或人工爆破形成的地面裂缝，将能氧将能氧化矿物的细菌酸性水注入矿床化矿物的细菌酸性水注入矿床，使目的金属溶解到细使目的金属溶解到细菌浸液中，然后再回收金属。目前用于浸出铜和铀。菌浸液中，然后再回收金属。目前用于浸出铜和铀。7.7.菌种保藏菌种保藏保藏要
19、求保藏要求：不死亡、不变异：不死亡、不变异矿砂保藏法矿砂保藏法 菌体培养物（或矿浆）菌体培养物（或矿浆） 转移到无菌试管（砂土和硫铁矿转移到无菌试管（砂土和硫铁矿比例比例1 1：3 3） 用蜡封死管口用蜡封死管口 室温保藏达室温保藏达2.52.53 3年年n冰冻干燥法冰冻干燥法 菌体培养物（或矿浆）菌体培养物（或矿浆） 离心收集（含部分矿物质）离心收集（含部分矿物质） 用用蒸馏水快速漂洗蒸馏水快速漂洗pHpH达到达到7 7左右左右转移到安管中转移到安管中加入细胞加入细胞保护剂保护剂7070冰冻冰冻24h24h 冰冻干燥冰冻干燥24h24h 封口封口低温保藏低温保藏 PS:PS:可用细菌法来处理
20、的矿石类型可用细菌法来处理的矿石类型 银矿银矿：当包括有元素银或金的难处理矿物被细菌氧化后，金银就释放：当包括有元素银或金的难处理矿物被细菌氧化后，金银就释放 出来（氧化亚铁硫杆菌）。出来（氧化亚铁硫杆菌）。锌矿锌矿：在硫铁矿存在下，：在硫铁矿存在下，硫化型锌矿的细菌浸出速率可提高硫化型锌矿的细菌浸出速率可提高。 锌单位价格较锌单位价格较 低，一般用堆浸和原位浸出法。低，一般用堆浸和原位浸出法。锑矿锑矿：单位价格也低。一些难处理金矿如：单位价格也低。一些难处理金矿如黄铁矿有时也会和辉锑相互伴生黄铁矿有时也会和辉锑相互伴生，因，因 此伴随铁、砷离子的锑组分会被溶解出来。此伴随铁、砷离子的锑组分会
21、被溶解出来。 锡矿锡矿:以锡石形式存在（以锡石形式存在（ SnS2)。如单一锡矿不太适合细菌浸出。如单一锡矿不太适合细菌浸出 法，但法，但一种同一种同 时含有铜、铁、锡的硫化型矿物黄锡矿适合。时含有铜、铁、锡的硫化型矿物黄锡矿适合。铜矿铜矿：用微生物浸出已有：用微生物浸出已有30年历史，年历史，是细菌冶金比较成功得金属是细菌冶金比较成功得金属。镍矿镍矿：含铁的硫化型镍矿最适合细菌氧化法处理含铁的硫化型镍矿最适合细菌氧化法处理。金矿金矿：有：有1530的黄金被别的一些矿物如黄铁矿、硫铁矿、白铁矿等。如的黄金被别的一些矿物如黄铁矿、硫铁矿、白铁矿等。如 30100g/t的精用搅拌浸出工艺。其他低品质的可用堆浸法处理。的精用搅拌浸出工艺。其他低品质的可用堆浸法处理。钼矿钼矿：单位价格高可用搅拌浸出法进行。硫化叶菌，但菌种对其敏感，要多驯：单位价格高可用搅拌浸出法进行。硫化叶菌，但菌种对其敏感，要多驯 化提高耐受能力、目前硫化叶菌已可耐受化提高耐受能力、目前硫化叶菌已可耐受8 mmol/L.细菌处理缺点细菌处理缺点：产物都呈酸性，后续处理首先需碱中和，环境也有：产物都呈酸性，后续处理首先需碱中和，环境也有 污染。污染。 谢谢大家的观赏！谢谢大家的观赏！ O(_)O
