浸鈾菌群掛膜連續(xù)培養(yǎng)工藝研究

陳 川，孫占學，李 江

（東華理工大學 水資源與環(huán)境工程學院，江西 撫州 344000）

微生物浸礦技術(shù)是近幾十年來興起的以濕法冶金和微生物學為基礎(chǔ)的一門新興交叉學科［1－2］。細菌浸礦的優(yōu)勢在于：反應(yīng)溫和、環(huán)境友好、能耗低、流程短。細菌浸礦技術(shù)已被廣泛用于低品位鈾、銅、金礦石的浸出［3－6］。近年來隨著細菌堆浸技術(shù)的成熟，一些科研團隊相繼在國內(nèi)的一些鈾礦成功進行了工業(yè)化細菌堆浸試驗［7］。然而，細菌堆浸的工業(yè)化應(yīng)用卻受浸鈾細菌擴大培養(yǎng)的制約，因其菌液產(chǎn)量往往達不到堆浸的需求［8］。這主要是對細菌生長規(guī)律、掛膜條件及生物膜熟化規(guī)律缺乏認識，并在細菌的培養(yǎng)過程中無法確定較準確對應(yīng)的工藝參數(shù)所導(dǎo)致的。細菌培養(yǎng)是細菌浸出前期的主要工作，為了獲得浸礦所需的大量菌液，必須解決細菌的快速培養(yǎng)問題［9］。

但一些工業(yè)化細菌堆浸試驗一般采用生物接觸氧化槽以批次培養(yǎng)的方式生產(chǎn)浸鈾用菌。在批次培養(yǎng)過程中，細菌通常要經(jīng)過潛伏期（或稱遲緩期）、對數(shù)期、穩(wěn)定期和衰減期。在細菌的培養(yǎng)過程中，由于菌接種后的適應(yīng)性和生長后期有害代謝物積累的影響，在遲緩期和衰亡期時間較長且菌活性較差。而對數(shù)期是細菌生長最旺盛的時期，養(yǎng)分轉(zhuǎn)化速度也最高。我們就想通過連續(xù)補充營養(yǎng)物質(zhì)同時及時排除有害代謝產(chǎn)物，使培養(yǎng)系統(tǒng)中細菌數(shù)量和營養(yǎng)狀態(tài)保持恒定，這就是連續(xù)培養(yǎng)方式。連續(xù)培養(yǎng)可縮短培養(yǎng)周期，提高設(shè)備利用率，能在較長時間內(nèi)使微生物群體的生長保持恒定［10］。

本文設(shè)計了一套小型工業(yè)化接觸氧化槽進行浸鈾用菌的連續(xù)培養(yǎng)，探索連續(xù)培養(yǎng)工藝的工藝參數(shù)。

1 試驗

1.1 材料

本試驗菌種直接采用礦上千噸級堆浸試驗所用菌群（氧化亞鐵鉤端螺旋菌和氧化亞鐵硫桿菌的混合菌群），培養(yǎng)基由堆浸試驗的尾液、工業(yè)硫酸和工業(yè)硫酸亞鐵配制而成，氧化槽中用聚氨酯泡沫作填料。

1.2 裝置

一臺大型蠕動泵，三臺電磁振蕩充氣泵和一臺螺旋攪拌器，采用工業(yè)堆浸試驗所用的小型接觸氧化槽四個，每個有效體積2m3，長2m，寬1.4m，高0.7m。三個用于連續(xù)培養(yǎng)的氧化槽中分別加入10%體積的聚氨酯泡沫，另一個用作承接三槽溢流出的合格菌液。每個氧化槽底部5×5均勻分布著充氣頭。浸鈾用菌的連續(xù)培養(yǎng)裝置如圖1所示，示圖中進液槽提供用螺旋攪拌泵攪拌尾液、工業(yè)硫酸和工業(yè)硫酸亞鐵配成的培養(yǎng)基，蠕動泵控制進液流量，電磁振蕩式充氣泵向槽中充氣，菌液逐級溢流，3槽出合格菌液并溢流到出液槽再出流到配液槽用于工業(yè)生產(chǎn)。

圖1 連續(xù)培養(yǎng)裝置Fig.1 Continuous culture apparatus

1.3 試驗方法

1.3.1 細菌培養(yǎng)控制條件

所用菌種的最適生長溫度為28～32℃，為了充分利用菌的活性提高生產(chǎn)效益，該試驗特意在溫度最高的7、8、9月份進行。三槽串聯(lián)流動培養(yǎng)，以第三級二價鐵氧化百分率至90%～95%為指標來控制流速。隨著填料上生物膜的逐漸成熟，加大進液流速。在整個培養(yǎng)過程中，保證足夠的曝氣量，同時每隔4h用便攜式溶氧儀監(jiān)測各級氧化槽中的溶解氧和液溫并取樣，用酸度計測定各級菌樣的pH和Eh，用EDTA測定Fe3＋和Fe2＋濃度。

1.3.2 菌種擴大培養(yǎng)

首先將菌種按20%接種量逐級擴大培養(yǎng)到3個氧化槽，流程如圖2。

圖2 菌液擴大培養(yǎng)流程Fig.2 The processes of bacterial expanding culture

1.3.3 三槽連續(xù)恒流培養(yǎng)試驗

在進液槽用尾液配好pH 1.7～1.8，F(xiàn)e2＋濃度（用∑Fe2＋表示）5g／L左右的培養(yǎng)基。

流速試驗

用擴大培養(yǎng)的菌液接種到三個氧化槽，實時監(jiān)測各槽Fe2＋濃度，當三槽Fe2＋氧化率都達到90%時流動試驗正式開始，在試驗過程中，每隔4h監(jiān)測計算一次各級培養(yǎng)槽中菌液的Fe2＋／∑Fe2＋比值，如果第一、二和三級培養(yǎng)槽中菌液的Fe2＋／∑Fe2＋值分別小于60%、30%或5%時（主要以第三級氧化槽Fe2＋氧化速率為指標），則適當增加流速，反之則減小流速，直到第三級培養(yǎng)槽中菌液的Fe2＋／∑Fe2＋值在5%左右。

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 掛膜前后Fe2＋氧化速率對比

試驗開始以日出液率0.2設(shè)定進液流速為0.8 L／min，在前50h，F(xiàn)e2＋氧化速率保持穩(wěn)定，隨后加大流速至1L／min，各級氧化槽Fe2＋氧化速率很快出現(xiàn)大幅度下降；在100h時立即調(diào)回初始流速，在此過程中，各槽Fe2＋氧化速率趨于平穩(wěn)；到240h各級Fe2＋氧化速率逐漸上升，此時不斷加大進液流速，在260h時流速加大至2L／min，隨后再加大進液流速，F(xiàn)e2＋氧化速率就開始下降，如圖3所示。

圖3 各級氧化槽Fe2＋氧化速率Fig.3 Fe2＋ oxidation rate of oxidation tanks

圖4 第一級氧化槽Fe2＋的氧化速率與進液流速關(guān)系圖Fig.4 The relationship between Fe2＋ oxidation rate and flow rate of the first tank

在掛膜初期，氧化槽中流動細菌細胞占主體，第一級氧化槽的Fe2＋氧化速率在0.1g／h上下浮動，但一旦加大進液流速，流動細胞被稀釋，菌密度就很快降低，導(dǎo)致Fe2＋氧化速率下降。到260h后，培養(yǎng)基流速和Fe2＋氧化速率達到最大并趨于穩(wěn)定，說明生物膜生成和脫落的動態(tài)平衡中，即掛膜完成。生物膜熟化后，進液流速達到2L／min，第一級氧化槽Fe2＋氧化速率0.21g／h，較之掛膜前翻了一倍，氧化槽中固定細胞數(shù)占據(jù)絕對優(yōu)勢，菌密度增加，而此試驗中填料只占10%體積就實現(xiàn)了日出液率0.48。

2.2 掛膜連續(xù)培養(yǎng)試驗效果與批次培養(yǎng)對比

在同樣的溫度、pH值和溶氧條件下，批次培養(yǎng)掛膜初期Fe2＋氧化速率只為0.04g／h，生物膜熟化后Fe2＋氧化速率最高只達到0.09g／h，即使在工業(yè)堆浸生產(chǎn)中，采用彈性絲狀填料的細菌批次培養(yǎng)方式下的Fe2＋氧化速率只在0.06g／h左右，相比之下，掛膜連續(xù)培養(yǎng)方式明顯優(yōu)于批次培養(yǎng)。

2.3 掛膜完成后的拐點研究

掛膜完成后Fe2＋氧化速率達到最大，但這種狀態(tài)在保持了一天后就隨著懸浮狀態(tài)的聚氨酯泡沫的下沉迅速改變，即氧化速率急劇下降。在此變化過程中，經(jīng)測樣分析，氧化槽中的∑Fe含量由8.2g／L下降到7.4g／L，總鐵濃度減少0.8g／L。經(jīng)分析是由于鐵沉淀附著于聚氨酯泡沫上，堵塞泡沫孔隙增加自量加速泡沫下沉，泡沫表面附著的鐵沉淀破壞了生物膜的脫落與再生平衡并阻斷了孔隙內(nèi)附著菌與外界營養(yǎng)物質(zhì)的接觸，導(dǎo)致固定菌細胞大量死亡進而降低了菌密度。

為了進一步驗證鐵沉淀與聚氨酯泡沫的關(guān)系，停泵清除池底沉淀并重新補加一批新的聚氨酯泡沫填料，經(jīng)過幾十個小時的培養(yǎng)，各級氧化槽Fe2＋氧化速率又開始慢慢回升。因此，在試驗過程中，要控制進液總鐵含量和pH值，避免引起填料沉淀。如果不慎產(chǎn)生沉淀，除了馬上改善培養(yǎng)條件還得及時清理池底沉淀防止形成板結(jié)，這些對將來的工業(yè)生產(chǎn)都很有指導(dǎo)意義。

2.4 各級氧化槽氧化速率差異分析及控制進液流速的重要性

生物膜熟化期間，控制進液流速，各級氧化槽由于菌密度和菌活性的不同，細菌氧化Fe2＋的速率隨時間而變化，如圖3所示。由圖可知，隨著菌種在填料上生物膜的逐漸形成并熟化，細菌密度和活性逐級提高，三級氧化槽Fe2＋氧化速率都逐漸上升，但氧化槽1由于菌種分裂繁殖所需養(yǎng)料的及時供應(yīng)，它的菌活性最高，而氧化槽3雖然菌密度大但養(yǎng)料供給少且滯后導(dǎo)致菌活性較差，因此三級氧化槽的氧化速率呈現(xiàn)逐級遞減趨勢。

掛膜期間，在培養(yǎng)基成分、溶解氧和溫度等條件不變的情況下，如果進液流速過大，細菌培養(yǎng)處于洗脫過程，此過程中Fe2＋／∑Fe2＋比值持續(xù)升高，菌密度減小，不利于生物膜的形成，而且造成各級氧化槽的菌的氧化還原電位下降，這與堆浸工業(yè)生產(chǎn)要求不相符；但如果進液流速過小，各級氧化槽中Fe2＋含量很低甚至沒有Fe2＋，這將導(dǎo)致菌老化活性降低，而且菌產(chǎn)量過低，滿足不了生產(chǎn)需求，一旦菌超過一定時間得不到營養(yǎng)物質(zhì)將大量死亡，所以細菌連續(xù)培養(yǎng)過程中，控制培養(yǎng)基的進液流速很關(guān)鍵，以保證掛膜成功并產(chǎn)出足夠的高氧化還原電位的合格菌液。

3 結(jié)論

1）連續(xù)培養(yǎng)生產(chǎn)方式是連續(xù)自流的，簡化了生產(chǎn)工序。節(jié)省了批次培養(yǎng)中所必須的成熟菌液的排放和接種供給新液所需的時間，跳過了由遲緩期至對數(shù)期的時間，因此縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。

2）在配液過程中要嚴格控制總鐵含量和pH值，它們關(guān)乎是否有鐵沉淀生成。

3）在培養(yǎng)過程中，控制進液流速是保證掛膜成功并生產(chǎn)足量合格菌液的關(guān)鍵。

4）野外溫度在25～32℃，聚氨酯填料掛膜完成需要11d，在生物膜熟化期間，F(xiàn)e2＋氧化速率、進液速率和合格菌液產(chǎn)量逐漸上升，但溶解氧逐漸降低，至生物膜成熟后都保持相對穩(wěn)定。

5）連續(xù)培養(yǎng)過程中，F(xiàn)e2＋最大氧化速率達到0.21 g／h，總體積6m3的氧化槽日最大出液量為2.88m3。

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