应用微生物第二章 第二节 微生物脱硫、湿法冶金和燃料电池 (1)
KH2PO4，Na2HPO4，FeCl3，CaCl2，MgCl2，NH4Cl，DBT 加入Glc能否生长？
菌株筛选：好气培养 富集培养： KH2PO4，Na2HPO4，FeCl3，CaCl2，MgCl2，NH4Cl， Glc，DBT（乙醇溶），pH 7.2 平板分离：
脱硫效果评价：
菌株 DBT
2－羟基联苯（与Gibb’s试剂反应在 OD610下呈蓝色）
加入采集样品
好气培养，30℃
菌体细胞
减少酵母膏等
加大Cu2S量
菌体细胞
去除酵母膏等
加大Cu2S量
108~109/ml菌液（完全自养，对Cu2+耐受）
五、细菌浸出扩大试验（工业级）
1、搅拌浸出
耐酸反应罐：搅拌，加热，通气，冷却
化能自养培养基，外加Fe2(SO4)3 Cu2S破碎颗粒，混合菌种 CuSO4溶液（Cu2+浸出液）
一、燃料油脱硫的必要性
全球工业化进程的迅猛发展使国内外燃料油用量越来越大
燃料油主要来自原油
不同来源的燃料油硫含量重量0.03-10%
含硫固体燃料或液体燃料 燃烧
H2S，SO3，SO2
危害：
1、腐蚀作用。H2S遇水成酸
H2S酸＋MgCl2或CaCl2
HCl酸（腐蚀设备）
2、SO2或SO3与水蒸气化合成H2SO3或H2SO4酸雨，严重影响生态 环境和人们的正常生活
定义：是一种利用微生物将有机物中的化学能直 接转化成电能的装置。 原理：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作 用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的 电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传 递，并通过外电路传递到阴极形成电流。
新的发电方式：细菌发电 一、化学燃料电池
A
e
e
-
-
H2
阳
催化剂
极 e-+H+
2、堆浸 处理大吨位贫矿，废矿，尾矿 美国纽蒙特矿业公司黄金公司 100万吨级处理低品味难选 冶金矿生物堆浸场
斜面地基
营养液 菌液
闸门
3、原位浸出 矿床
自然形成或人工爆破形成裂缝
注入营养液＋菌液 使金属溶解到细菌浸液中 浸铜、浸铀
第五节 微生物燃料电池
微生物燃料电池（MFC）
Microbiological fuel cell
四、燃料油生物脱硫的机理
1. Kodama途径 1973年 Korki Kodama
P. alcaligenes
1974年 VEB 缺点
2.“4S”途径
脱硫菌可以经过4步反应 将硫原子从DBT上脱下来， 生成硫酸根，而烃结构 以二羟联苯（2-HBP）的 形式得以保持，因此这 条途径被称之为“4S” 途径。
Gibb’s试剂：2,6-二氯醌-4-氯酰亚胺
用2－羟基联苯生成量，菌体细胞生长量评价脱硫效果
六、生物脱硫的转运模型
七、工程菌的遗传改造
DszA:DszB:DszC=11:3.3:1
七、工程菌的遗传改造
Overlap
七、工程菌的遗传改造
DszC
DszA
DszB
DBT
DBTO2
2-HPBS
2-HBP
五、脱硫细菌
能以4S途径脱硫的菌种：
1988年，Kilbane首次分离玫瑰红球菌（Rhodococcus rhodochrous
IGTS8）。
1994年，Izumi等分离出红平红球菌（Rhodococcus erythropolis
D-1）。
1998年，Rhee等分离到戈登氏菌（Gordona sp. CYKS1）。 2001年，李福利等分离到古地分支杆菌（Mycobacterium goodii
二、湿法冶金的微生物学原理
Fe＋CuSO4
FeSO4＋Cu
Cu2S＋Fe2(SO4)3
CuSO4＋FeSO4＋S
外加入启动反应
Cu+1、S2-被氧化，Fe+3被还原
4FeSO4＋2O2＋2H2SO4
氧化亚铁硫杆菌
2Fe2(SO4)3
2S＋3O2＋2H2O 氧化硫硫杆菌 2H2SO4
铜氧化浸出剂
推动循环反应的两类化能自养菌：
休止细胞（resting cells）法发酵是利用微生物自身生长代谢产 酶的特点或是诱导产酶的特性将微生物培养到对数生长末期，分 离菌体并以一定浓度重悬在生理缓冲液中，利用菌体已经大量产 生的酶作用底物的方法，此时微生物已经基本停止生长代谢，但 保持有系列酶的活性。休止细胞的主要优点是反应专一性强，可 以提高底物转化率，不易污染杂菌，可以减少产物对菌体生长及 酶合成的抑制，是提高生物脱硫效率的途径之一。
P
dszA S dszB
10
3.3
dszC 1
11
5
1
七、工程菌的遗传改造
DszB:DszC:DszA=11:5:1
Fig. Amplification plots of rearranged dsz operon in the r ecombinant Rhodococcus sp.DRB
A dszB, B NADH dehydroxygenase gene, C dszC, D dszA.
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 代谢物的间接作用 ，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。
一、研究和开发应用概况
1958年美国用细菌浸出铜研究和工业应用成功； 1996年加拿大用细菌浸出铀研究和工业应用成功； 目前，南非金科公司用细菌浸金法日处理金矿石35t，细 菌浸出时间12天，金浸出率95％以上； 世界有20多个国家开展了微生物在矿冶工业中的应用研究 我国1094年就有微生物湿法冶金的记载：
水 III
BOD 50ppm
I，III：废水处理 II：发电联合装置
四、光合微生物电池
A
光照
e-
光照
无
深红螺菌
藻类
机
e- 非放氧光合作用
放氧光合作用 e-
加氢脱硫法（Hydro-Desulfurization，简称HDS） 是从燃料油中脱硫的一种传统技术。在加氢脱硫过程 中，石油馏分在无机催化剂和氢气的催化下在高温高 压下将有机硫分子转化成H2S，H2S经过处理生成元素硫。 但是加氢脱硫成本高，而且效率很低。特别是它对脱 除有机硫，尤其是带苯环的硫化合物效果很差。
铁氧化钩端螺菌（L. ferrooxidans） 专一性铁氧化无机化能自养菌：Fe2+ Fe3+＋ATP
在浸矿系统中常和亚铁氧化硫杆菌协同作用 3、嗜高温硫化杆菌属（Sulfobacillus）
有的种类以Fe2+为能源，有的种类以硫磺为能源 4、嗜酸嗜热古生菌（Thermoacidophili archaebacteria）
北宋张甲撰著《浸铜要略》：用“胆水浸铜”，“以铁投 之，铜色立变”
Cu2S 辉铜矿
CuSO4
CuSO4+Fe
蓝色，可溶性Cu2+
FeSO4+Cu
1972年，用细菌法浸出铜/铀伴生矿 1976年，完成高硫锰矿细菌浸出半工业性试验 1977年，完成高硫锡矿细菌浸出半工业性试验 1994年，在陕西首先进行大吨位黄铁矿型贫金矿细菌堆浸试验 1995年，在云南省对堆浸金矿细菌氧酸-CaCl2溶液
恒
恒
流
流
泵
泵
磁力搅拌器
海藻酸钠-PEG、海藻酸钠-PVA 琼脂 、Dowex-1树脂 、有机硅橡胶
固相化细胞处理： PVA-海藻酸钠作固定化载体 平均使用5次，每次作用柴油24小时 脱硫速率：0.142mg/g cell 纯重/小时 • 油水比例的选择：15% • 休止细胞与生长细胞脱硫效果比较：平均脱硫率比生长细 胞高出15％以上 。 • 休止细胞对柴油的重复脱硫实验
四个属的菌均为好氧，极度嗜热嗜酸 氧化硫化物产能
四、菌种的筛选与驯化
1、采样（浸矿微生物可能存在的地点）
矿山、矿堆、尾矿中流淌出来的酸性水；矿石本身；热泉或矿浆熔岩
2、富集与驯化
氧化亚铁硫杆菌，氧化硫硫杆菌兼性营养培养基
(NH4)2SO4, K2HPO4, MgSO4•7H2O, Ca(NO3)2, CaCl2, KCl, FeSO4, 硫磺, 酵母膏或其它有机物, Cu2S矿石粉, pH 3。
三、燃料油脱硫的常用方法
长期以来，炼油工业一般采用碱洗的办法来脱除 油品中的硫化物，这一方法较为简单，但存在环境污 染严重，脱硫效率低等诸多问题。原油通过碱洗，可 以去除绝大部分硫化物，但却产生大量的含硫废水， 如果不加以妥善处理，对环境的危害会相当严重。此 外，由于碱洗对有机硫化物的脱除率不高，油品中还 含有不同程度的有机硫化物。
氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferroxidans）
化能无机自养型：Fe2+
Fe3+＋ATP，CO2为碳源
G-，棒状，单极生鞭毛，运动，有纤毛与粘液层，菌体可吸 附到矿石上，中温严格嗜酸菌
显微镜下小菌落，周围有褐色Fe3+沉淀；Fe3+ 浓度升高，菌落长大1mm，Fe3+盐沉淀，菌 落变硬。
限制燃料油中的含硫量法规：
1990年，美国“大气清洁法修正案”规定汽油硫含量不大于
100mg/L，柴油硫含量不大于350mg/L； 1996年，美国加州规定燃料油硫含量的标准不大于30mg/L； 目前我国石化公司和环保局规定柴油含硫最高800mg/L，汽油 最高300mg/L；欧美规定柴油50mg/L，汽油15mg/L。 二、原油中的含硫组分
和光能作燃料
经典的生物电池
阳极：燃料Glc；催化剂：E. coli；电极活性物质：2H 阴极：接受电子的氧化剂O2
菌株筛选：好气培养 富集培养： KH2PO4，Na2HPO4，FeCl3，CaCl2，MgCl2，NH4Cl， Glc，DBT（乙醇溶），pH 7.2 平板分离：
脱硫效果评价：
菌株 DBT
2－羟基联苯（与Gibb’s试剂反应在 OD610下呈蓝色）
加入采集样品
好气培养，30℃
菌体细胞
减少酵母膏等
加大Cu2S量
菌体细胞
去除酵母膏等
加大Cu2S量
108~109/ml菌液（完全自养，对Cu2+耐受）
五、细菌浸出扩大试验（工业级）
1、搅拌浸出
耐酸反应罐：搅拌，加热，通气，冷却
化能自养培养基，外加Fe2(SO4)3 Cu2S破碎颗粒，混合菌种 CuSO4溶液（Cu2+浸出液）
一、燃料油脱硫的必要性
全球工业化进程的迅猛发展使国内外燃料油用量越来越大
燃料油主要来自原油
不同来源的燃料油硫含量重量0.03-10%
含硫固体燃料或液体燃料 燃烧
H2S，SO3，SO2
危害：
1、腐蚀作用。H2S遇水成酸
H2S酸＋MgCl2或CaCl2
HCl酸（腐蚀设备）
2、SO2或SO3与水蒸气化合成H2SO3或H2SO4酸雨，严重影响生态 环境和人们的正常生活
定义：是一种利用微生物将有机物中的化学能直 接转化成电能的装置。 原理：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作 用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的 电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传 递，并通过外电路传递到阴极形成电流。
新的发电方式：细菌发电 一、化学燃料电池
A
e
e
-
-
H2
阳
催化剂
极 e-+H+
2、堆浸 处理大吨位贫矿，废矿，尾矿 美国纽蒙特矿业公司黄金公司 100万吨级处理低品味难选 冶金矿生物堆浸场
斜面地基
营养液 菌液
闸门
3、原位浸出 矿床
自然形成或人工爆破形成裂缝
注入营养液＋菌液 使金属溶解到细菌浸液中 浸铜、浸铀
第五节 微生物燃料电池
微生物燃料电池（MFC）
Microbiological fuel cell
四、燃料油生物脱硫的机理
1. Kodama途径 1973年 Korki Kodama
P. alcaligenes
1974年 VEB 缺点
2.“4S”途径
脱硫菌可以经过4步反应 将硫原子从DBT上脱下来， 生成硫酸根，而烃结构 以二羟联苯（2-HBP）的 形式得以保持，因此这 条途径被称之为“4S” 途径。
Gibb’s试剂：2,6-二氯醌-4-氯酰亚胺
用2－羟基联苯生成量，菌体细胞生长量评价脱硫效果
六、生物脱硫的转运模型
七、工程菌的遗传改造
DszA:DszB:DszC=11:3.3:1
七、工程菌的遗传改造
Overlap
七、工程菌的遗传改造
DszC
DszA
DszB
DBT
DBTO2
2-HPBS
2-HBP
五、脱硫细菌
能以4S途径脱硫的菌种：
1988年，Kilbane首次分离玫瑰红球菌（Rhodococcus rhodochrous
IGTS8）。
1994年，Izumi等分离出红平红球菌（Rhodococcus erythropolis
D-1）。
1998年，Rhee等分离到戈登氏菌（Gordona sp. CYKS1）。 2001年，李福利等分离到古地分支杆菌（Mycobacterium goodii
二、湿法冶金的微生物学原理
Fe＋CuSO4
FeSO4＋Cu
Cu2S＋Fe2(SO4)3
CuSO4＋FeSO4＋S
外加入启动反应
Cu+1、S2-被氧化，Fe+3被还原
4FeSO4＋2O2＋2H2SO4
氧化亚铁硫杆菌
2Fe2(SO4)3
2S＋3O2＋2H2O 氧化硫硫杆菌 2H2SO4
铜氧化浸出剂
推动循环反应的两类化能自养菌：
休止细胞（resting cells）法发酵是利用微生物自身生长代谢产 酶的特点或是诱导产酶的特性将微生物培养到对数生长末期，分 离菌体并以一定浓度重悬在生理缓冲液中，利用菌体已经大量产 生的酶作用底物的方法，此时微生物已经基本停止生长代谢，但 保持有系列酶的活性。休止细胞的主要优点是反应专一性强，可 以提高底物转化率，不易污染杂菌，可以减少产物对菌体生长及 酶合成的抑制，是提高生物脱硫效率的途径之一。
P
dszA S dszB
10
3.3
dszC 1
11
5
1
七、工程菌的遗传改造
DszB:DszC:DszA=11:5:1
Fig. Amplification plots of rearranged dsz operon in the r ecombinant Rhodococcus sp.DRB
A dszB, B NADH dehydroxygenase gene, C dszC, D dszA.
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 代谢物的间接作用 ，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。
一、研究和开发应用概况
1958年美国用细菌浸出铜研究和工业应用成功； 1996年加拿大用细菌浸出铀研究和工业应用成功； 目前，南非金科公司用细菌浸金法日处理金矿石35t，细 菌浸出时间12天，金浸出率95％以上； 世界有20多个国家开展了微生物在矿冶工业中的应用研究 我国1094年就有微生物湿法冶金的记载：
水 III
BOD 50ppm
I，III：废水处理 II：发电联合装置
四、光合微生物电池
A
光照
e-
光照
无
深红螺菌
藻类
机
e- 非放氧光合作用
放氧光合作用 e-
加氢脱硫法（Hydro-Desulfurization，简称HDS） 是从燃料油中脱硫的一种传统技术。在加氢脱硫过程 中，石油馏分在无机催化剂和氢气的催化下在高温高 压下将有机硫分子转化成H2S，H2S经过处理生成元素硫。 但是加氢脱硫成本高，而且效率很低。特别是它对脱 除有机硫，尤其是带苯环的硫化合物效果很差。
铁氧化钩端螺菌（L. ferrooxidans） 专一性铁氧化无机化能自养菌：Fe2+ Fe3+＋ATP
在浸矿系统中常和亚铁氧化硫杆菌协同作用 3、嗜高温硫化杆菌属（Sulfobacillus）
有的种类以Fe2+为能源，有的种类以硫磺为能源 4、嗜酸嗜热古生菌（Thermoacidophili archaebacteria）
北宋张甲撰著《浸铜要略》：用“胆水浸铜”，“以铁投 之，铜色立变”
Cu2S 辉铜矿
CuSO4
CuSO4+Fe
蓝色，可溶性Cu2+
FeSO4+Cu
1972年，用细菌法浸出铜/铀伴生矿 1976年，完成高硫锰矿细菌浸出半工业性试验 1977年，完成高硫锡矿细菌浸出半工业性试验 1994年，在陕西首先进行大吨位黄铁矿型贫金矿细菌堆浸试验 1995年，在云南省对堆浸金矿细菌氧酸-CaCl2溶液
恒
恒
流
流
泵
泵
磁力搅拌器
海藻酸钠-PEG、海藻酸钠-PVA 琼脂 、Dowex-1树脂 、有机硅橡胶
固相化细胞处理： PVA-海藻酸钠作固定化载体 平均使用5次，每次作用柴油24小时 脱硫速率：0.142mg/g cell 纯重/小时 • 油水比例的选择：15% • 休止细胞与生长细胞脱硫效果比较：平均脱硫率比生长细 胞高出15％以上 。 • 休止细胞对柴油的重复脱硫实验
四个属的菌均为好氧，极度嗜热嗜酸 氧化硫化物产能
四、菌种的筛选与驯化
1、采样（浸矿微生物可能存在的地点）
矿山、矿堆、尾矿中流淌出来的酸性水；矿石本身；热泉或矿浆熔岩
2、富集与驯化
氧化亚铁硫杆菌，氧化硫硫杆菌兼性营养培养基
(NH4)2SO4, K2HPO4, MgSO4•7H2O, Ca(NO3)2, CaCl2, KCl, FeSO4, 硫磺, 酵母膏或其它有机物, Cu2S矿石粉, pH 3。
三、燃料油脱硫的常用方法
长期以来，炼油工业一般采用碱洗的办法来脱除 油品中的硫化物，这一方法较为简单，但存在环境污 染严重，脱硫效率低等诸多问题。原油通过碱洗，可 以去除绝大部分硫化物，但却产生大量的含硫废水， 如果不加以妥善处理，对环境的危害会相当严重。此 外，由于碱洗对有机硫化物的脱除率不高，油品中还 含有不同程度的有机硫化物。
氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferroxidans）
化能无机自养型：Fe2+
Fe3+＋ATP，CO2为碳源
G-，棒状，单极生鞭毛，运动，有纤毛与粘液层，菌体可吸 附到矿石上，中温严格嗜酸菌
显微镜下小菌落，周围有褐色Fe3+沉淀；Fe3+ 浓度升高，菌落长大1mm，Fe3+盐沉淀，菌 落变硬。
限制燃料油中的含硫量法规：
1990年，美国“大气清洁法修正案”规定汽油硫含量不大于
100mg/L，柴油硫含量不大于350mg/L； 1996年，美国加州规定燃料油硫含量的标准不大于30mg/L； 目前我国石化公司和环保局规定柴油含硫最高800mg/L，汽油 最高300mg/L；欧美规定柴油50mg/L，汽油15mg/L。 二、原油中的含硫组分
和光能作燃料
经典的生物电池
阳极：燃料Glc；催化剂：E. coli；电极活性物质：2H 阴极：接受电子的氧化剂O2
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微生物湿法冶金的进展与展望PPT课件
1994－ 1995－ 1996－ 1996－ 1996－ 1998－ 1997－
2004
2003
2003
6. 难处理金矿的 细菌氧化预处理
BIOX® 技术（中温菌槽浸） Bactech 技术（中等耐热菌槽浸） Newmont技术 （堆浸） Geobiotics技术（金精矿包覆堆浸）
第10页/共60页
Gnndpowder, Mammoth Leyshon Cerro Colorado
Girilambone
Ivan-Zar
Queered Blanca Sulfuros Bajalay Toquepala Mt Cuthbert Andacollo Dos Amigos Zaldivar 德兴铜矿 紫金山铜矿
氧化铁硫杆菌细胞形貌（放大1.5万倍）
第28页/共60页
氧化铁微螺菌细胞的电子显微镜照片
第29页/共60页
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
L. thermoferrooxidans(L.t)中等嗜热菌 的电子显微镜照片
第30页/共60页
云南热温泉水中的高温菌形貌（放大4万倍）
第31页/共60页
2) 对浸矿细菌的性质进行了大量研究并开 始深入到基因水平，测定了主要浸矿细 菌DNA序列，对浸矿细菌进行了基因工 程前期工作研究；
官房铜矿
Chuqicamata
国别 智利 澳大利亚 澳大利亚 智利 澳大利亚 澳大利亚
智利
细菌浸铜厂矿一览表
原料特点
规模（t/d 矿石）
辉铜矿，含 Cu1.4%（堆浸）
3500 （14000~15000tCu/a）
辉铜矿与斑铜矿，含 Cu2.2% （原位浸出）
设计能力为 13000t/aCu
2004
2003
2003
6. 难处理金矿的 细菌氧化预处理
BIOX® 技术（中温菌槽浸） Bactech 技术（中等耐热菌槽浸） Newmont技术 （堆浸） Geobiotics技术（金精矿包覆堆浸）
第10页/共60页
Gnndpowder, Mammoth Leyshon Cerro Colorado
Girilambone
Ivan-Zar
Queered Blanca Sulfuros Bajalay Toquepala Mt Cuthbert Andacollo Dos Amigos Zaldivar 德兴铜矿 紫金山铜矿
氧化铁硫杆菌细胞形貌（放大1.5万倍）
第28页/共60页
氧化铁微螺菌细胞的电子显微镜照片
第29页/共60页
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
L. thermoferrooxidans(L.t)中等嗜热菌 的电子显微镜照片
第30页/共60页
云南热温泉水中的高温菌形貌（放大4万倍）
第31页/共60页
2) 对浸矿细菌的性质进行了大量研究并开 始深入到基因水平，测定了主要浸矿细 菌DNA序列，对浸矿细菌进行了基因工 程前期工作研究；
官房铜矿
Chuqicamata
国别 智利 澳大利亚 澳大利亚 智利 澳大利亚 澳大利亚
智利
细菌浸铜厂矿一览表
原料特点
规模（t/d 矿石）
辉铜矿，含 Cu1.4%（堆浸）
3500 （14000~15000tCu/a）
辉铜矿与斑铜矿，含 Cu2.2% （原位浸出）
设计能力为 13000t/aCu
微生物燃料电池讲稿
大家好，大家一想到细菌可能会觉得不舒服，但是随着生物技术的发展表明，这些小家伙对我们是分外友好的，比如我今天展示的主题是关于微生物发电方面，即利用微生物将有机物中的化学燃料能直接转化成电能。
大量研究证明，微生物发电是很有潜力的。
这是我今天展示的四个部分，首先是细菌发电的技术原理，（以电池为例）一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。
其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。
与其他类型燃料电池类似，微生物燃料电池的基本结构为阴极池和阳极池。
根据阴极池结构的不同，MFC 可分为单池型和双池型2 类; 根据电池中是否使用质子交换膜,也可分为有膜型和无膜型2 类; 根据电子传递方式的不同，又可分为直接型和间接型2 类。
（其中单池型MFC 由于其阴极氧化剂直接为空气，因而无需盛装溶液的容器; 无膜型燃料电池则是利用阴极材料具有部分防空气渗透的作用而省略了质子交换膜。
直接型MFC 采用的产电细菌具有将氧化产生的电子传递到阳极的能力。
）这张图是传统微生物燃料电池的结构图，这一张图上大家可以看到细菌在这个流程中的作用。
但是细菌并不是只有靠着电极才可以发电，但是科学家发现有些可以产生电流的细胞如地杆菌在细胞外长有长长的、纤细的丝。
试验证明细菌的这些细长的丝是它们纯天然的“电线”，实现细菌远距离发电。
常见产生电流的菌种：希瓦氏菌，铁还原红育菌，硫还原泥土杆菌这种电池的原料广泛，可以是糖类，包括葡萄糖以及果糖、蔗糖，甚至从木头和稻草中提取出来的含糖副产品的木糖等，都可以充当细菌发电的原料。
细菌发电所用的糖完全可以用诸如锯末、桔秆、落叶等废有机物的水解物来替代，也可以利用分解化学工业废物如无用聚合物来发电。
微生物冶金概述
2 微生物湿法冶金的发展
微生物湿法冶金技术是一门新兴的矿物加工 技术,它包括微生物浸出技术和微生物浮选技术。 公元11世纪，我国史书记载有“胆水浸铜”， 可见古人很早就会利用生物冶金技术。 的古称，又称石胆）水中浸泡，胆矾水与铁发 生化学反应，水中的铜离子被铁置换而成为单
质铜沉积下来的一种产铜方法。
“胆水浸铜法”，是指把铁放在胆矾（硫酸铜
• 1958年美国用细菌在铜矿中浸出了金属铜，之 后有20多个国家的学者开展了微生物冶金工业 的应用的研究。 • 1966年加拿大细菌浸出铀的研究和工业应用获 得成功，使得应用微生物技术在低品位金属矿、 难浸金矿、矿冶废料、矿冶废料处理等方面的 应用呈现较好的前景。已经实现了铜矿、铀矿、 金矿等一系列矿种的微生物浸出生产。南非、 加拿大、美国、英国先后有工厂投入生产应用。
4 、细菌冶金的限制
• 罐浸出的时间通常为 4~6天，与焙烧和高压 氧化的几小时相比， 时间较长； • 难以处理碱性矿床和 碳酸盐型矿床； • 如工艺放大、金属回 收周期、回收率、经 济核算问题等。
生 物 脱 硫 设 备
几种微生物可利用矿石
国内：
5 、微生物冶金的现状
目前，以中南大学邱冠周教授为首席科学 家已正式启动“微生物冶金的基础研究”， 该项目以教育部为依托、由中南大学为第 一承担单位，北京有色金属研究总院、山 东大学、中国科学院过程工程研究所、北 京矿冶研究总院和长春环境研究院等单位 协作承担，这标志着我国有色金属矿产选 冶领域的基础研究进入了与国际一流水平 同步的发展阶段。
• 到80年代，对难浸出矿石进行细菌预氧化的工业实践大大 推进了微生物技术在矿石冶金的应用。 • 在加拿大、俄罗斯、印度等国，广泛使用细菌法溶浸铀矿。 可以从低品位铀矿石（0.01%－0.05%U3O8)中回收铀、而 其成本仅为其它方法的一半。 • 用细菌法溶浸镍矿石，只需5-15天，可浸出镍80%－90%， 而无菌溶镍的提取率仅为9.5%－12%
微生物燃料电池讲义
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微生物燃料电池的有效电子传递介体，应该具 备以下特性： (1)介体的氧化态易于穿透细胞膜到达细胞内 部的还原组分； (2)其氧化还原式量电位要与被催化体系的电 位匹配； (3)其氧化态不干扰其它的代谢过程； (4)其还原态应易于传过细胞膜而脱离细胞； (5)其氧化态必需是化学稳定的、可溶的，并 且在细胞和电极表面均不发生吸附； (6)其在电极上的氧化还原反应速率非常快、 且有很好的可逆性。
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电池性能制约因素：
(1)动力学因素,阳极和阴极反应活化能的因素; (2)内阻的因素,主要来自电解液的离子阻力,电极与 接触物质产生的电阻,以及PEM所产生的内电阻; (3)传递因素,反应物到微生物活性位的传质阻力和 阴极区电子最终受体的扩散。
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微生物燃料电池的应用 一、废水处理
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MFC的优点:
与常规燃料电池相比 ,MFC以微生物代替昂贵的化学 催化剂 ,因而具有更多优点: (1)燃料来源广泛 ,尤其可利用有机废水等废弃物; (2)反应条件温和 ,常温常压下即可运行; (3) 环境友好 ,所产 生的物质主要是CO2和H2O,无酸、 碱、重金属等污染物产生,无需对其产物做任何后处理; (4)因能量转化过程无燃烧步骤 ,故理论转化效率较高。
1.对材料的改性
Zeikus[3]报道了用石墨阳极固定微生物来增加电流密度, 然 后用AQDS、NQ、Mn2+、Ni2+、Fe3O4、Ni2+来改性石墨作 为阳极,结果表明,这些改性阳极产生的电流功率是平板石墨 的115～212倍。 Zhang[4]报道了在石墨中加入聚四氟乙烯( PTFE) 作为MFC 的阳极,研究表明,PTFE 的含量影响了MFC的电流产生,质量 分数为30%的PTFE可以获得的最大功率为760 mW/ m2。
最新微生物冶金课件PPT课件
难浸金矿的细菌氧化预处理最早是 1964 年法国人尝试利用细菌浸取红土矿物 中的金 ,取得了令人鼓舞的效果。1977年苏联最先发表了实验结果。北美最先用搅拌 反应槽对难浸金矿石及精矿进行细菌氧化 ,对于搅拌反应槽式细菌氧化厂的投产和推 广 ,具有奠基作用。1984～1985 年 ,加拿大 Giant Bay微生物技术公司对北美及澳大利 亚的30多种金精矿进行了细菌氧化实验。1986年南非金科公司的 Fairview金矿建立 世界上第1个细菌氧化提厂 ,实现了难浸金矿细菌氧化预处理法的首次商用。继南非 后 ,巴西、澳大利亚、美国、加纳、秘鲁等国生物技术预处理金矿的工厂纷纷投入运 营。世界上第1座大型细菌处理厂是加纳的 Ashanti 生物氧化系统 ,1995 年扩建设计 规模为 960 t/a。细菌冶金在美国的矿冶工程中已占有相当重要的地位 ,美国黄金总产 量的1/3是用生物堆浸法生产的 。美国内华达州的 Tomkinspytins金矿1989年建成生物 浸出厂 ,日处理1500 t 矿石 ,金回收率为90 % 。美国加纳Ashanti 微生物浸出厂在1994 年能处理720 t/ d金精矿 ,年产黄金100万盎司。
（一）、生物冶金的主要优点有：1）提高金和贱金属的 回收率；2）从商业角度证实下游技术如溶剂萃娶电积法 可用于经生物技术处理过的溶液现物生产贱金属；3）生 产过程的简单化降低了前期投入和运营费用，缩短了建 设时间，维修简单方便；4）生产在常压和室温（约为25 摄氏度）条件下进行，不用冷却设备，节约了投资和运 营资本；5）生物浸出的废弃物为环境所接受，节约了处 理废弃物的成本，生物浸出的废弃物的预防措施也很少； 6）细菌易于培养，可承受生产条件的变化，对水的要求 也很低，每百万水溶液中可溶解固体物2万份。
生物冶金是指在相关微生物存在时,由于微生物的 催化氧化作用 ,将矿物中有价金属以离子形式溶解到浸 出液中加以回收 ,或将矿物中有害元素溶解并除去的方 法 。许多微生物可以通过多种途径对矿物作用 ,将矿 物中的有价元素转化为溶液中的离子。利用微生物的 这种性质 ,结合湿法冶金等相关工艺 ,形成了生物冶金 技术。
（一）、生物冶金的主要优点有：1）提高金和贱金属的 回收率；2）从商业角度证实下游技术如溶剂萃娶电积法 可用于经生物技术处理过的溶液现物生产贱金属；3）生 产过程的简单化降低了前期投入和运营费用，缩短了建 设时间，维修简单方便；4）生产在常压和室温（约为25 摄氏度）条件下进行，不用冷却设备，节约了投资和运 营资本；5）生物浸出的废弃物为环境所接受，节约了处 理废弃物的成本，生物浸出的废弃物的预防措施也很少； 6）细菌易于培养，可承受生产条件的变化，对水的要求 也很低，每百万水溶液中可溶解固体物2万份。
生物冶金是指在相关微生物存在时,由于微生物的 催化氧化作用 ,将矿物中有价金属以离子形式溶解到浸 出液中加以回收 ,或将矿物中有害元素溶解并除去的方 法 。许多微生物可以通过多种途径对矿物作用 ,将矿 物中的有价元素转化为溶液中的离子。利用微生物的 这种性质 ,结合湿法冶金等相关工艺 ,形成了生物冶金 技术。
微生物燃料电池原理与应用
微生物燃料电池原理与应用一、微生物燃料电池原理微生物燃料电池啊，就像是一个小小的生物发电站呢。
它主要是靠微生物来工作的。
这些微生物可神奇啦，它们在电池里面就像一个个小小的工人。
微生物在分解有机物质的时候呢，就会释放出电子，这些电子就可以顺着电路跑起来，这样就产生电啦。
就好像微生物在电池里开了个电子派对，电子们在里面跑来跑去的，超级有趣。
微生物燃料电池里有阳极和阴极。
在阳极这边，微生物忙着分解有机物，然后把电子送到阳极上。
阴极那边呢，就等着接收这些电子，然后再和周围的物质发生反应。
这个过程就像是一场接力赛，微生物先起跑，然后电子在电极之间传递，最后完成整个发电的过程。
而且啊，微生物燃料电池可以利用很多种的有机物质呢，像污水里的那些有机物啦，垃圾里的一些成分啦，都可以成为它的“燃料”。
这就像是把那些原本没用的东西变成了宝贝，让它们能够产生电，是不是很厉害呢？二、微生物燃料电池的应用1. 污水处理方面微生物燃料电池在污水处理厂可是能大显身手的。
污水里有很多的有机物，以前处理污水就是单纯地把有机物分解掉，现在呢，利用微生物燃料电池，在分解有机物的同时还能发电。
这样既处理了污水，又得到了电能，一举两得。
比如说，一些小型的污水处理厂，如果采用微生物燃料电池技术，就可以减少对外部电力的依赖，自己产生的电说不定还能有多余的卖掉呢，这多酷啊。
2. 传感器领域它还能被用在传感器上。
微生物对周围环境很敏感，如果环境有变化，微生物的活动就会受到影响，这样微生物燃料电池的发电情况也会改变。
利用这个原理，就可以制作出检测环境中有害物质的传感器。
就像是微生物变成了小小的侦探，一发现有不好的东西，就通过电池发电情况的变化来告诉我们，超级有用呢。
3. 在偏远地区供电在那些偏远的山区或者小岛之类的地方，电力供应可能比较困难。
微生物燃料电池就可以派上用场啦。
因为它可以利用当地的一些有机资源，比如农作物的残渣之类的，来发电。
这样就能给那些地方提供基本的电力，让那里的人们也能过上有电的生活，不用再摸黑啦。
微生物湿法冶金
微生物培养基制备与优化
培养基成分：包括碳源、氮源、无机盐等 培养基配比：根据微生物种类和生长需求进行优化 培养基灭菌：采用高压蒸汽灭菌等方法确保无菌环境 培养条件控制：温度、pH值、氧气等条件对微生物生长的影响
微生物接种与培养条件控制
微生物种类选择： 根据冶金需求选择 合适的微生物种类
接种量控制：确定 合适的接种量，提 高冶金效率
微生物湿法冶金应用案例
第五章
铜矿微生物湿法冶金应用案例
铜矿资源分布与开 采现状
微生物湿法冶金技 术原理
铜矿微生物湿法冶 金应用流程
实际案例分析：某 铜矿微生物湿法冶 金项目介绍
锌矿微生物湿法冶金应用案例
锌矿资源分布与特点
微生物湿法冶金技术原理
锌矿微生物湿法冶金工艺 流程
锌矿微生物湿法冶金应用 效果与优势
未来市场需求与增长趋势 技术应用拓展与跨界合作
微生物湿法冶金实践经验分 享
第七章
实验室研究经验分享
实验设计：确定合适的实 验方案，包括实验目的、 材料和方法
实验操作：按照实验方案 进行实验操作，注意实验 细节和规范
数据记录：详细记录实验 数据，包括实验结果和异 常情况
结果分析：对实验结果进 行分析和解释，得出科学 结论
未来发展前景与挑战
铀矿微生物湿法冶金应用案例
铀矿微生物湿法冶 金技术原理
铀矿微生物湿法冶 金应用案例背景
铀矿微生物湿法冶 金应用案例过程
铀矿微生物湿法冶 金应用案例结果与 效益
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
微生物湿法冶金优势与挑战
第六章
微生物湿法冶金优势分析
资源利用率高：微生物湿法冶金能够充分利用矿石中的有价金属，提高资源利用率。 环保性：微生物湿法冶金采用生物方法提取金属，避免了传统冶金的污染问题，具有环保性。 高效性：微生物湿法冶金具有较高的金属提取率和较短的周期，提高了生产效率。 灵活性：微生物湿法冶金适用于不同类型矿石的处理，具有较强的适应性。
微生物湿法冶金PPT
例如：氧化硫硫杆菌和聚硫杆菌能把矿石中的硫氧化成硫 酸，氧化亚铁硫杆菌能把Fe2+氧化成Fe3+ 反应如下： 2S+3O2+2H2O = 2H2SO4 4FeSO4+2H2SO4+O2 = 2Fe2(SO4)3 +2H2O
通过上述反应，细菌得到了所需的能量，而硫酸 铁可将矿石中的铁或铜等转变为可溶性化合物 从矿石中溶解出来，其化学过程是：
三、基本原理与特点
生物冶金技术是利用微生物、空气和水等天 然组分从矿石中直接提取金属，无需选矿、火法 炼制的清洁短流程技术，是矿冶工程和生物工程 的交叉学科。
以硫化铜为例，在细菌的作用下，将负二价 的硫氧化为正六价硫，从而使铜得以浸出。
微 生 物 湿 法 冶 金 基 本 流 程
Zaldivar 生物浸铜工厂（智利）
把基因组解码技术用到微生物湿法冶金领域，揭示浸矿微生物浸矿 特性与其基因表达的内在规律并在其指导下实施菌种的基因工程改 良，获得既能耐高温又能耐磨、耐酸、耐毒性的综合性能好的微生 物。 能在极端环境中生存的微生物“嗜极”的发掘与应用。
（2）应用范围进一步拓展并走向产业化：
l 基础金属硫化矿浮选精矿的细菌浸出； l 难处理金矿的细菌堆浸预处理； l 氧化矿的微生物浸出； l 用微生物从水溶液中提取与富集金属； l 微生物用于废水、废气与固体废弃物的治
FeS2+ 7Fe2(SO4)3+8H2O = 15FeSO4+8H2SO4 CuS2 + 2Fe2(SO4)3 = 4FeSO4+2CuSO4+S
金属硫化矿经细菌溶浸后，收集含酸溶液，通过 置换，萃取，电解或郭交换等方法将各种金属 加以浓缩和沉淀
国外研究与应用现状
通过上述反应，细菌得到了所需的能量，而硫酸 铁可将矿石中的铁或铜等转变为可溶性化合物 从矿石中溶解出来，其化学过程是：
三、基本原理与特点
生物冶金技术是利用微生物、空气和水等天 然组分从矿石中直接提取金属，无需选矿、火法 炼制的清洁短流程技术，是矿冶工程和生物工程 的交叉学科。
以硫化铜为例，在细菌的作用下，将负二价 的硫氧化为正六价硫，从而使铜得以浸出。
微 生 物 湿 法 冶 金 基 本 流 程
Zaldivar 生物浸铜工厂（智利）
把基因组解码技术用到微生物湿法冶金领域，揭示浸矿微生物浸矿 特性与其基因表达的内在规律并在其指导下实施菌种的基因工程改 良，获得既能耐高温又能耐磨、耐酸、耐毒性的综合性能好的微生 物。 能在极端环境中生存的微生物“嗜极”的发掘与应用。
（2）应用范围进一步拓展并走向产业化：
l 基础金属硫化矿浮选精矿的细菌浸出； l 难处理金矿的细菌堆浸预处理； l 氧化矿的微生物浸出； l 用微生物从水溶液中提取与富集金属； l 微生物用于废水、废气与固体废弃物的治
FeS2+ 7Fe2(SO4)3+8H2O = 15FeSO4+8H2SO4 CuS2 + 2Fe2(SO4)3 = 4FeSO4+2CuSO4+S
金属硫化矿经细菌溶浸后，收集含酸溶液，通过 置换，萃取，电解或郭交换等方法将各种金属 加以浓缩和沉淀
国外研究与应用现状
微生物燃料电池课件共29页
surface area of the salt bridge 盐桥表面积实验
❖ When the surface area of the salt bridge in contact with anode and cathode chambers was increased from 0.4 to 15.9 cm2,an almost proportionate increase in the maximum power generation was observed. 盐桥表面积从0.4增加到15.9cm2时，最大功率增加。
❖ 这两种技术的融合，可能是未来微机械和 微型燃料电池的一个具有发展前途的方向。 例如微型的自维持型医疗器械.
2 .处理污水的微生物燃料电池
❖ 最近由美国宾夕法尼亚州立大学的科学家Logan率领的一个 研发小组宣布他们研制出一种新型的微生物燃料电池。可以 把未经处理的污水转变成干净用水和电源。
❖ 在发电能力方面，据洛根称在实验室里该设备能提供的电功 率可以驱动一台小电风扇。虽然目前产生的电流不大，但该 设备改进的空间很大。洛根的研发小组已经把该燃料电池的 发电能力提高到了350W 洛根希望这一数值最终能达到 500W～1000W.
❖ 浓度为0.03mM时，最 大电流为56.7uA；最大 功率为19.2uW.
❖ 对应的功率密度和电流 密度为9.33mW/m2 和 27.59mA/m2 .
（见下图和表）
离子强度实验
❖ 然后用0.03mM的MB做下一步的实验。
❖ Similarly, maximum power was observed when 10mM NaCl concentration was used.
❖ 菌种：Enterobacter cloacae strain IIT-BT 08
微生物湿法冶金
大细菌浸铀的规模最大，从20世纪60年代起就开展细菌浸出的 实验室研究和现场试验研究，并很快进行工业生产，年产量在
60吨U3O8以上，生产成本由原来每磅U3O85美元降至3.3美元，
工艺流程见图。
第二十三页
加拿大细菌浸铀工艺流程
第二十四页
印度早在1972～1978年期间进行了
多种铀矿石的细菌浸出试验，考察了矿 石成分、营养物质等对浸出效果的影响， 总结了细菌浸出过程中酸度、电位以及 多种元素的变化情况。印度的露天开采 中采用细菌浸出，处理低品位矿石 （0.01%～0.03%U3O8）。
27贵溪江西铜业公司科研设计所溶浸室
第十页
国内细菌浸出研究和应用取得显著进展的有三 家：一是江西德兴铜矿，1993年与美国一家公司合 作进行的尾矿细菌堆浸半工业试验获得成功并应用 于生产 ；二是长春黄金研究院，承担黄金工业“九
五”科技改造重点项目——细菌氧化-氰化提金工艺研
究，在三年内建成一个日处理5~10吨含砷金精矿的细
操作指标
年平均值 1988 1990 1991 1995 1996 1997
处理精金矿量（t/d） 263 350 712 906 754 865
精金矿品位（g/t） 99
109 127 151 127 116
精金矿S品位（%） 27.4 23.1 22.9 18.0 16.8 14.3
金回收率（%）
菌氧化-氰化提金示范生产厂；三是地矿部西安综合 岩矿测试中心，已在西安近郊建成日处理量2吨以上 含砷精金矿细菌氧化提金厂。陕西省地堪局第三地质
队申请了细菌浸金的专利一项。
第十一页
2.1 细菌浸金
细菌浸金主要用于含
砷和含硫的难处理金精矿。
第十二页
60吨U3O8以上，生产成本由原来每磅U3O85美元降至3.3美元，
工艺流程见图。
第二十三页
加拿大细菌浸铀工艺流程
第二十四页
印度早在1972～1978年期间进行了
多种铀矿石的细菌浸出试验，考察了矿 石成分、营养物质等对浸出效果的影响， 总结了细菌浸出过程中酸度、电位以及 多种元素的变化情况。印度的露天开采 中采用细菌浸出，处理低品位矿石 （0.01%～0.03%U3O8）。
27贵溪江西铜业公司科研设计所溶浸室
第十页
国内细菌浸出研究和应用取得显著进展的有三 家：一是江西德兴铜矿，1993年与美国一家公司合 作进行的尾矿细菌堆浸半工业试验获得成功并应用 于生产 ；二是长春黄金研究院，承担黄金工业“九
五”科技改造重点项目——细菌氧化-氰化提金工艺研
究，在三年内建成一个日处理5~10吨含砷金精矿的细
操作指标
年平均值 1988 1990 1991 1995 1996 1997
处理精金矿量（t/d） 263 350 712 906 754 865
精金矿品位（g/t） 99
109 127 151 127 116
精金矿S品位（%） 27.4 23.1 22.9 18.0 16.8 14.3
金回收率（%）
菌氧化-氰化提金示范生产厂；三是地矿部西安综合 岩矿测试中心，已在西安近郊建成日处理量2吨以上 含砷精金矿细菌氧化提金厂。陕西省地堪局第三地质
队申请了细菌浸金的专利一项。
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2.1 细菌浸金
细菌浸金主要用于含
砷和含硫的难处理金精矿。
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