CC BY
63
© А.С. Черняк, В.Ж. Аренс, 2003
УЛ К 541.1
А.С. Черняк, В.Ж. Аренс
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОЛОВ В ГОРНОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОИЗВОЛСТВЕ
енеалогическое дерево» биотехнологии
имеет много корней, определивших ее широкие возможности. Биотехнология возникла на стыке нескольких биологических дисциплин: генетики, вирусологии, микробиологии,
растениеводства. Теория биотехнологических процессов базируется на биологии, химии, химической технологии. Для решения практических задач биотехнология привлекает инженерные науки. Многие биотехнологические методы воспроизводят в какой-то мере протекающие в земной коре и природных водах биогеохи-мические процессы с участием простых веществ и соединений химических элементов, минералов.
Биотехнология охватывает использование живых организмов и (или) продуктов их жизнедеятельности и применительно к горнометаллургическим задачам развивается в следующих направлениях [1-9]:
1. Биотехнологическое разложение и выщелачивание минералов и металлов (синонимы: бактериальное, микробиологическое, биохимическое разложение и выщелачивание) с использованием автотрофных или гетеротрофных микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности (метаболитов).
2. Микробиологическое (биохимическое) осаждение металлов и их соединений из растворов.
3. Изучение и применение процессов биогетерокоагуляции металлов и минералов (открытие Ф.Д. Овчаренко с соавт. [6]) с последующим их механическим, обычно флотационным обогащением; сущность этого метода: определенные виды микроорганизмов способны избирательно агрегировать тончайшие частицы
металлов и минералов. После агрегирования эти частицы могут быть выделены из основной массы материала, в том числе из руды или минерального рудного концентрата, обычными методами механического обогащения. При биогетерокоагуляции мелкие диспергированные частицы минерала образуют флокулы.
1. Использование сведений о биогеохимических процессах, которые происходят в земной коре, при решении технологических задач.
2. Изучение биокоррозии металлов, оказывающей пагубное влияние на состояние многих металлических конструкций и сооружений, с целью ее снижения и предотвращения. Биокоррозия приводит к колоссальным экономическим потерям, так как микроорганизмы невероятно устойчивы в, казалось бы, самых неподходящих для живых организмов условиях, легко адаптируются к ним, образуя новые мутации, которые оказываются еще более устойчивыми.
3. Изучение и применение
явлений биокатализа с участием металлов и их соединений, в том числе биоэлектрокатализа.
4. Изыскание, создание и
применение биологических методов очистки сточных вод процессов выщелачивания металлов, а также биологических методов разрушения выводимого из процесса избытка растворителей.
5. Создание и применение
молекулярных биологических систем новой техники (ионики, фотоники и электроники)- одно из направлений биотехнологии металлов.
6. Культивирование или выращивание живых организмов, в том числе микроорганизмов для получения из них соединений металлов. К примеру, известно, что
для получения ванадия используют асцидий - морских хордовых животных подтипа оболочников, которые имеют мешковидное тело длиной до 30 см; существует около 2 тыс. видов асцидий донных, одиночных и колониальных форм; в крови ас-цидий ванадий играет ту же роль, что железо в крови человека. Выращивают асцидий в морских бассейнах, собирают их, сушат, сжигают и получают оксид ванадия (+5).
10. Биомодифицирование минералов и их поверхностей, имеющее значение для обогащения полезных ископаемых, гидрометаллургии и, очевидно, других разделов технологии.
Становление биотехнологии происходит в условиях быстрого расширения профиля прикладной микробиологии. Она играет существенную роль в фармацевтике (производство ферментов, антибиотиков, витаминов и проч.), внедряется в сельское хозяйство и в ряд промышленных производств. Одним из крупных достижений технической микробиологии можно считать микробиологический метод борьбы с сибирским шелкопрядом - препарат «Дендробациллин», созданный профессором Иркутского университета Е.В. Талалаевым (1902-1980), который выделил существующую в природе высоковирулентную бактерию, избирательно действующую на сибирского шелкопряда, осуществил селекцию и получил нужный штамм. Сибирский шелкопряд поедает кедры, уничтожает целые кедровые леса.
Созданию теоретических основ биотехнологических методов и развитию биотехнологии существенно способствует прогресс бионеорганической химии. Так, с ее помощью в Иркутском университете [4, 9] в последние годы осуществлен поиск биотехнологических методов извлечения металлов платиновой группы (на примере платины и родия), основанных на растворении их продуктами метаболизма гетеротрофных металлофильных микроорганизмов - аминокислотами и пептидами. Изучено взаимодействие платины и родия с ос-
новными природными ? - аминокислотами и их производными. Особое внимание уделено кинетике и механизму адсорбции наиболее активных по отношению к указанным металлам аминокислот как первой стадии химических процессов, связанных с растворением этих металлов. Показано, что при анодной поляризации платинового и родиевого электродов в присутствии цис-теина, метионина и гистидина происходит ускорение электрохимического растворения. Установлено, что ряд активности в процессах электрохимического растворения платины для изученных аминокислот (цистеин > метионин >гистидин) коррелирует с рядом комплексообразующей активности указанных веществ.
Изучена адсорбция цистеина и простейшего пептида на его основе - цистеилглицина - на платине в широком диапазоне pH. Показано, что во всех изученных случаях адсорбция аминокислоты и пептида происходит через атом серы. Исследованы основные закономерности адсорбции на платине метионина, гистидина и триптофана. Полученные кинетические характеристики адсорбции этих аминокислот из кислых, нейтральных и щелочных растворов позволили установить зависимость ориентации метионина при адсорбции на поверхности платинового электрода от pH раствора, а также предложить наиболее вероятные механизмы адсорбции гетероциклических аминокислот с участием карбоксильной группы.
Установлено, что цистеин окисляется на платине в кислых, нейтральных и щелочных растворах при потенциалах аноднее 0,7 В, при этом процесс электроокисления цистеина в кинетической области является одноэлектронным для всех изученных рН. На основании анализа выявленных кинетических закономерностей предложен механизм процесса электроокисления цистеи-на на платине, включающий образование частиц радикальной природы, обладающих высокой реакционной способностью, и приводящий к анодному растворению металлов.
Уже давно открыты микроорганизмы, оказывающие влияние на формирование и изменение месторождений полезных ископаемых. Это послужило толчком для развития исследований по изысканию и применению микробиологических методов в технологии переработки руд и концентратов, содержащих медь, цинк, молибден, уран, марганец и другие металлы. Часть предложенных методов реализована в промышленности или прошла промышленные испытания.
Начальной операцией в биотехнологии извлечения металлов является биотехнологическое разложение или выщелачивание минералов, осуществляемое в разных условиях: чановое (с перемешиванием пульпы или перколяционное), кучное, подземное.
Кучное выщелачивание золота во всех странах мира пока проводится методом цианирования (этот метод обеспечивает получение практически всего золота и на зо-лотоизвлекательных фабриках мира). По идее, биотехнологические методы, как более экологичные, должны сначала потеснить, а затем в некоторых случаях заменить процесс цианирования. Продолжаются работы и по поиску бесцианидных растворителей золота и серебра из кеков бактериального выщелачивания.
К настоящему времени наиболее изучены процессы выщелачивания металлов автотрофными микроорганизмами и образующимися при их участии эффективными растворителями и окислителями металлов и минералов. Эти процессы внедрены в производство в нескольких странах, в том числе в нашей стране, обеспечивают получение значительных количеств меди, золота и других металлов. В России (Красноярский край) в 2001г. вступило в строй крупное предприятие по переработке данным способом золотосодержащих руд. Имеются определенные успехи по изысканию условий и методов итенсификации выщелачивания. Значительный интерес вызывает использование авто-трофных бактерий для избирательного выщелачивания изотропов [8].
Успешно развиваются работы по выщелачиванию и осаждению металлов гетеротрофными микроорганизмами и продуктами их метаболизма. Выщелачивание
ими золота испытано с положительным результатом в опытнопромышленном масштабе, технико-экономический анализ подтвердил перспективность и целесообразность использования
процесса в заводских и геотех-нологических условиях. Из разработанных вариантов технологического процесса первоочередное значение для практики имеет выщелачивание простым и дешевым растворителем - белковыми гидролизатами, полученными из отходов производства и содержащими смесь аминокислот и других белковых остатков. В последующем будет перспективна технология непосредственного выщелачивания золота растворами продуктов метаболизма гетеротрофных микроорганизмов, преимущество которой обусловлено возможностью регулирования состава растворителя путем направленного биосинтеза определенных белков и белковых остатков.
Разработаны и испытаны сорбционные способы извлечения золота и серебра из гидролизатных и других биотехнологических растворов. Создана и была внедрена на аффинажном заводе технология осаждения истинно растворенного и коллоидного золота, а также металлов - спутников , плесневыми грибами из технологических растворов различного состава. Решена задача избирательного микробиологического извлечения теллура из многокомпонентных растворов.
Активно развиваются исследования по биогетерокоагуляции золота с целью извлечения тоно-кодисперсного золота путем его избирательного агрегирования микроорганизмами и выделения флокул методами механического обогащения. Наибольший интерес биогетерокоагуляция представляет для переработки коренных руд с тонким золотом. Извлечение образующихся биогетероагрегатов во флотационный концентрат уменьшит потери золота с хвостами флотационных фабрик. Более эффективно осуществляют
биогетерокоагуляцию ассоциативные культуры, состоящие из нескольких различных штаммов, а не монокультуры. Биогетерокоагуляция - основа перспективного метода извлечения не только коллоидного, но и более крупного тонокодисперсного золота из руд и россыпей. Низкие показатели обращения ряда россыпей давно указывали на значительное содержание в них такого золота. По данным Иргиредмета объектом биогетерокоагуляции в изучавшихся россыпях является золото крупностью на два порядка превышающей размеры коллоидных частиц. Оно образует относительно крупные биоминераль-ные агрегаты, которые содержат от 7 до 50 г/ т золота, что отвечает степени концентрации в 40280 раз. Необходим дальнейший поиск оптимальных технических решений эффективного выделе -ния биоагрегатов из пульпы. Перспективен поиск возможностей применения процесса в технологии извлечения других полезных ископаемых.
Целесообразно дальнейшее развитие поисковых и технологических исследований, а также опытных работ по всем определившимся к настоящему времени методам биотехнологии извлечения металлов (микробиологическое разложение и выщелачива-
ние минералов и металлов, биогетерокоагуляция тонокодис-персных частиц, осаждение металлов и их соединений микроорганизмами из растворов, биомодификация минералов).
В горном деле и металлургии почти не используются принципы и возможности бионеорганиче-ского (биокоординационного) катализа - воздействия ионов металлов на ферментативные процессы - здесь путь радикального улучшения кинетики многих технологий. В связи выявлением биоэлектрокатализа [5] процессов растворения золота в растворах аминокислот и пептидов, целесообразно поставить углубленные исследования по изысканию условий использования этого явления для интенсификации процесса микробиологического выщелачивания золота, в том числе при анодной поляризации. Следует изучить и возможность интенсификации процессов микробиологического выщелачивания золотосодержащих сульфидов и минералов других металлов путем использования биокатали-тических явлений.
Важнейшая задача - скорейшее выявление оптимальных объектов для применения биотехнологических методов извлечения металлов, а для ускорения иссле-довательных работ в данной об-
ласти - существенное расширение их объема.
Желательно дальнейшее развитие учения о биокоррозии металлов. Как следствие этого, можно ожидать появление новых методов предотвращения биокоррозии. Сохраняется актуальность внедрения биологических методов очистки сточных вод обогатительных фабрик и металлургических заводов. Будут, конечно, развиваться и работы по культивированию и выращиванию отдельных видов организмов для получения из них металлов.
Самая необузданная фантазия вряд ли в силах оценить масштаб влияния на технику и технологию будущего молекулярных биологических или подобных им систем новейшей техники - ионики, фотоники, электроники, по созданию которых делаются только первые шаги.
Важный раздел биотехнологии - биотехнология металлов только начинает свой научный и практический путь, главные ее успехи - впереди. Биотехнология металлов стимулирует развитие соответствующих разделов био-неорганической химии, микробиологии и других смежных наук, способствующих познанию природы и внедрению предлагаемых процессов, углублению технологического поиска.
1. Адамов Э.В., Каравайко Г.И. Процессы бактериального выщелачивания в комбинированной технологии переработки минерального сырья // Горный информационно-аналитический бюл. - М.: Изд-во МГГУ. - 1999. - №2. -С. 25-30.
2. Аренс В.Ж. Физико-химическая геотехнология. - М.: Изд-во МГГУ. 2001. - 656 с.
3. Биогеотехнология металлов. Практическое руководство/ Научные редакторы: Г.И. Каравайко (СССР), Дж. Росси (Италия), А. Агате(Индия), С. Груднев (Болгария),З.А. Авакян(СССР). - М.: Центр международных проектов ГКНТ, 1989. - 375 с.
4. Биотехнология и бионеорганическая химия благородных металлов: состояние и перспективы/ А.С. Черняк, А.Ю. Сафронов, А.В. Кашевский, Е.А. Туманова// Материалы научно-практической конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий», посвященной
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
100-летию химико-технолог.фак. Том.политех. ун-та (окт.2000г.) - Томск: Изд-во ТПУ, 2000. - Т.1.-С. 169-172.
5. Богдановская В.А. Биоэлектрокатализ: проблемы и перспективы//Электрохимия. - 1993. - Т.29. - №4. - С. 441447.
6. Закономерности избирательной агрегации микроорганизмов и минеральных частиц/ Ф.Д. Овчаренко, Н.В. Перцов, З.Р. Ульберг, Б.С. Коган, Л.Г. Марочко, В.Р. Эстре-ла-Льопис// Физико-химическая механика и лиофильность дисперсных систем. - 1985. -№17. - С. 96-103.
7. Минеев Г.Г. Биометаллургия золота. - М.: Металлургия, 1989. - 160 с.
8. Небера В.П., Соложенкин П.М. Проблемы биотехно-логии^Горный информационно - аналитический бюл. - М.: - 1999. - №2. - С. 48-54.
9. Черняк А.С. Основы биотехнологии металлов. - Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 2002. - 102 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Черняк А.С. - профессор, доктор технических наук, Иркутский государственный университет. Аренс В.Ж. - профессор, доктор технических наук, председатель ГМС РАЕН.
Файл: ЧЕРНЯК
Каталог: G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB12~03
Шаблон:
C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.do
Ш
Заголовок: Состояние и перспективы применения биотехнологических
методов в горнометаллургическом производстве Содержание:
Автор: Николай Антонович
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания: 30.09.2003 16:15:00
Число сохранений: 4 Дата сохранения: 20.10.2003 12:50:00
Сохранил: ГитисЛ.Х.
Полное время правки: 7 мин.
Дата печати: 09.11.2008 18:52:00
При последней печати страниц: 3
слов: 2 273 (прибл.)
знаков: 12 961 (прибл.)
