Как известно, в процессе развития бактерий в периодических условиях выделяются следующие фазы роста ( рисунок 5).

I - лаг-фаза,                                               IV- фаза замедления,

II- фаза ускорения роста,                        V- стационарная фаза,

III- фаза экспоненциального роста,                   VI- фаза отмирания.

Рисунок 5

Лаг-фаза - начальная фаза развития бактерий, определяемая их способностью адаптироваться к окружающей среде. Фаза экспоненциального роста, включающая фазу ускорения и замедления роста, характеризуется максимальной скоростью роста, а следовательно, максимальной скоростью процесса. В стационарной фазе скорость роста клеток снижается и в конечном счете рост прекращается, наступает фаза отмирания. Выделенные фазы можно четко разграничить только в случае периодической культуры, однако в непрерывном процессе с возвратом биомассы необходимо поддерживать постоянную скорость роста бактерий и их активность. Этого можно достичь применением непрерывного хемостатного культивирования, когда объем культуры в пульпе остается постоянным и фаза их развития в основном экспоненциальная

. Применение принципа хемостатного культивирования позволяет значительно повысить концентрацию клеток в пульпе и поддерживать их активность на постоянно высоком уровне.

Одним из наиболее важных параметров, определяющих биологическую активность микроорганизмов, является концентрация водородных ионов. Это объясняется тем, что плазматические мембраны клеток труднопроницаемы для ионов H⁺ и ОН^-, в силу чего рН в среде и внутри клетки не уравновешиваются, что создает трансмембранный градиент концентрации ионов водорода, который вместе с электрическим потенциалом мембраны определяет “протонную движущую силу”, управляющую мембранными реакциями.

Исходное значение рН в среде оказывает большое влияние, во-первых, на продолжительность лаг-фазы и, таким образом, определяет скорость роста клеток. Во-вторых, благодаря своему действию на диссоциацию различных соединений, рН оказывает влияние на их ингибиторные свойства. Величина рН также регулирует активность и количество ферментов, принимающих участие в окислительных процессах, степень хелатирования выщелачиваемых металлов, состав продуктов метаболизма и т.д. Кислотность среды оказывает влияние на состояние поверхности минерала и его электродный потенциал, а также на состояние химических соединений, являющихся продуктами жизнедеятельности бактерий (железо, мышьяк, сера и т.п.), которые могут быть в зависимости от рН как в растворенном виде, так и в виде осадков, и оказывать различное действие на активность клеток.

Известно, что процесс бактериального окисления железа и сульфидных минералов осуществляется наиболее активно при рН 1,5-3,5, для арсенопирита оптимальное значение рН составляет 1,7-2,1, для халькопирита 2,2-2,5. Однако эти оптимальные значения рН установлены для отдельно взятых сульфидных минералов без учета необходимости селективного выщелачивания их из сложных сульфидсодержащих продуктов и кинетики их выщелачивания. Однако следует различать оптимальные значения рН для роста клеток и для выщелачивания сульфидных минералов. Так для роста клеток и их высокой активности оптимальное значение рН обычно составляет 2,2-2,5. В эти же пределы укладывается значение рН при бактериальном окислении арсенопирита (рН 2-2,5), когда количество выщелоченного мышьяка в 1,2 раза больше, чем при рН 2 и в 1,4 раза больше ,чем при рН 2,5. В процессе бактериального окисления сульфидных минералов величина рН растворов не является постоянной, она начинает изменяться после того, как бактерии, пройдя лаг-фазу, начинают активно окислять минерал. При выщелачивании арсенопирита через 24 часа рН раствора изменяется только на 0,1-0,15 единиц, через 72 часа рН изменяется уже на 0,5-0,6 единиц, когда происходит активное бактериальное окисление арсенопирита и гидролиз активного железа, при котором образуется серная кислота. В это время идет также бактериальное окисление элементной серы до сульфат-ионов. Максимальная скорость роста бактерий при окислении закисного железа также приходится на рН 2,2-2,5.

Изучение влияния активной кислотности среды на скорость и полноту выщелачивания мышьяка из золотомышьякового концентрата Кок-Патасского месторождения показало, что наиболее высокое извлечение мышьяка достигается при рН 1,6-2,25. При рН 3 извлечение мышьяка снижается с 97 до 72 %, а при рН 1,5 до 56%.

Чрезвычайно важным в процессе чанового бактериального выщелачивания является вопрос о регулировании значения рН на всем протяжении процесса, которое в зависимости от содержания сульфидов изменяется с 2-2,5 до 1,5 и даже 1,1-1,2. При бактериальном выщелачивании золотомышьякового концентрата Нежданинской ЗИФ значение рН снижается с 2,2 до 1,2, однако активность биомассы в пульпе выше, чем активность при регулировании рН, выше и концентрация выщелоченного мышьяка (8,1 г/л) в конце процесса, а скорость роста бактерий в 2,5 раза больше, чем при регулировании рН (до 1,8), скорость потребления кислорода также в 1,5-2 раза выше. При выщелачивании концентрата Майского месторождения рН изменялась с 1,6, в начале процесса, до 1,3 в конце процесса. Такое же снижение рН наблюдалось при выщелачивании концентратов Олимпиадинского, Бакырчикского и др. месторождений. Заметное снижение значения рН происходит при высоком содержании в концентратах пирротина, когда большое количество серы окисляется до сульфат-ионов. Имеющиеся данные позволяют сделать весьма ценный вывод о необходимости поддержания оптимального значения рН при росте клеток, когда в начале процесса происходит накопление активной биомассы. Последующее выщелачивание, когда происходит отбор наиболее устойчивых к кислотности среды штаммов и снижение количества сульфидов- энергетического источника для бактерий, должно происходить при естественном значении рН,

Во всех случаях бактериального окисления железа и сульфидных минералов наблюдается оптимизация значения рН, т.е. кривая влияния кислотности имеет колоколообразную форму, что является характерным для ферментативных процессов. Это объясняется, во-первых, истинным обратимым влиянием рН на скорость ферментативных реакций, во-вторых, сродством фермента к субстрату и, в-третьих, влиянием на стабильность фермента, который может необратимо инактивироваться при изменении рН.

Установленные зависимости скорости роста, активности микроорганизмов и степени окисления железа (II) и сульфидных минералов позволили сделать очень важный практический вывод. При росте биомассы, скорость которой максимальна в начале процесса , необходимо поддерживать значение рН на оптимальном уровне ( 2,0-2,5). В дальнейшем процесс должен осуществляться при естественном установившемся значении рН, когда происходит естественная адаптация клеток к повышенной кислотности и создаются наиболее благоприятные условия для коррозионного взаимодействия сульфидных минералов в присутствии большого количества основного окислителя их - сульфата окисного железа.

Не менее важным параметром процесса бактериального окисления и выщелачивания является поддержание в среде оптимального значения окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), характеризующего протекание в пульпе реакций окисления-восстановления. Максимальная скорость выщелачивания многих сульфидных минералов наблюдается при величине ОВП 0,5-0,7 В. При величине ОВП ниже 0,4 В из сульфидных минералов выщелачивается преимущественно железо, при ОВП более 0,7 В - сера.

При бактериальном выщелачивании в плотных пульпах бактериальные растворы имеют сложный ионный состав, представленный как в окисленной, так и в восстановленной форме, поэтому величина ОВП таких растворов является усредненной и характеризует окислительную способность раствора. А так как основными ионами в растворе является окисленная форма железа (Fe³⁺ ) и восстановленная форма (Fe²⁺), то величина ОВП определяется их соотношением. При бактериальном выщелачивании сульфидных минералов концентрация Fe³⁺ может достигать 20-30 , а иногда 40 г/л, при высокой активности биомассы Fe²⁺ в растворе практически отсутствует, поэтому в таких растворах значение ОВП составляет 0,6-0,8 В. Этот параметр служит для контроля процесса выщелачивания наряду с величиной рН и температурой.

Большое значение при бактериальном выщелачивании приобретает соотношение величины ОВП среды и электрохимического потенциала сульфидных минералов. Установлено, что разница между этими величинами должна быть не менее 0,1-0,2 В. Более низкая разность характеризует невысокую эффективность окисления минерала, а их равенство - отсутствие процесса окисления.

Механизм электрохимического окисления смеси сульфидных минералов обычно объясняется теорией микрогальванических или локальных элементов, по которой растворение электрода с меньшим потенциалом ускоряется, а с большим потенциалом уменьшается. Это явление имеет большое значение для объяснения селективности процесса бактериального выщелачивания.

Так марказит в контакте со сфалеритом окисляется в 4-6 раз медленнее, а сфалерит в 10-12 раз быстрее, чем в мономинеральных суспензиях. На бактериальное окисление сульфидных минералов влияет структура кристаллов, их проводимость, электрохимические свойства, а также наличие дислокаций, изоморфных примесей, вид сростков и т.п.

Исследования изменения потенциалов сульфидных минералов при химическом и бактериальном окислении, позволили составить ряд селективности по величине потенциала минералов:

Пирротин < ковеллин < сфалерит < пентландит < арсенопирит < халькопирит < пирит.

При химическом окислении в присутствии окисного железа величина электродных потенциалов значительно повышается, например, для ковеллина на 0,8-0,9 В; для пирита на 0,2 В. Подобная закономерность их изменения сохраняется и в присутствии микроорганизмов, когда потенциал ковеллина при рН 2,5 составляет 0,18 В; арсенопирита 0,4 В; пирита 0,53 В. В соответствии с рядом селективности, в основу которого положены значения электродных потенциалов минералов в условиях выщелачивания, наиболее легко выщелачиваемым является пирротин, а наиболее упорными халькопирит и пирит. При бактериальном окислении и выщелачивании смеси сульфидных минералов выщелачивание минерала с меньшим потенциалом должно ускоряться, а с большим - снижаться. Например, в присутствии более электроотрицательного ковеллина из арсенопирита выщелачивается мышьяка в 2,8 раза больше, чем в присутствии более электроположительного халькопирита.

Этот факт необходимо учитывать при организации технологии бактериального выщелачивания многокомпонентных сульфидных продуктов. Например, при бактериальном выщелачивании золотомышьяковых концентратов, содержащих помимо арсенопирита и пирита еще и пирротин, прежде всего будет выщелачиваться пирротин. Это приводит, во-первых, к увеличению общего времени выщелачивания, а, во-вторых, к появлению в пульпе большого количества элементной серы, при бактериальном окислении которой образуется большое количество сульфат-ионов (резко снижается значение рН) и наличие которой резко ухудшает процесс цианирования за счет образования роданид-ионов. Поэтому пирротин желательно удалить из продукта, направляемого на бактериальное выщелачивание. Примером могут служить золотомышьяковые концентраты Олимпиадинского месторождения, в которых содержание пирротина более 30%, в то время как пирита содержится 12%, а арсенопирита- 8%. Много пирротина (19%) содержится в концентратах, перерабатываемых на фабрике Сан - Бенто (Бразилия) и Ашанти (Гана) - 12,9%.

Большое значение при выщелачивании сульфидных минералов имеет их химическая и минералогическая неоднородность, наличие в них примесей, тип проводимости, характер сростков. При исследовании бактериального окисления пирита с различным типом проводимости показано, что пирит, обладающий дырочным типом проводимости интенсивно окисляется бактериями при разности его потенциала и ОВП среды около 0,5 В. В то же время при выщелачивании пирита с электронным типом проводимости значения электродного потенциала и ОВП среды быстро выравниваются (при начальной их разности 0,2 В), и выщелачивание практически прекращается.

При выщелачивании сростков сульфидных минералов наблюдается гальванический эффект, описанный выше. Схематическое изображение протекания процессов в случае сростка арсенопирита и пирита представлено на рисунке 6, где видно, что гальванический эффект усиливается не только за счет каталитического окисления арсенопирита, но и в результате бактериального окисления элементной серы до сульфат-ионов.