Verwendung flexibler Gold-Titan-Reaktionszellen zur Simulation druckabhängiger mikrobieller Aktivität im Kontext des Subsurface Biominings

Biomining beschreibt angewandte Bioleaching für die Extraktion von Kupfer und anderen Druckmetallen aus Gesteinen durch Auflösen von Metallsulfiden mit Hilfe von säureophilen Bakterien. Zum Beispiel, Kupfer ist Coopashefa Erz kann mit diesen Bakterien durch Lösen der Sulfide extrahiert werden. Und kupfersulfatreiche Lösung wird dann erzeugt, aus der das Kupfer leicht extrahiert werden kann.

In-situ-Biomining ist die Gewinnung von Metallen mit Hilfe von Bakterien, ohne dass Ausgrabungs- und Bergbauaktivitäten unter Tage oder in einem Tagebau erforderlich sind. Stattdessen wird in der Gesteinsformation eine eisenreiche saure Lösung nach unten gepumpt, Metallsulfide werden aufgelöst und die metallreiche Lösung wird zurück an die Oberfläche gepumpt, aus der dann Metalle extrahiert werden können. In diesem speziellen Experiment gibt es eine Hochdruck-Reaktorzelle, die die Bedingungen in der tiefen Formation simuliert.

Bakterien werden untersucht und ihre Aktivität im Zusammenhang mit Eisenreduktion gekoppelt mit der Oxidation von Schwefelverbindungen, und insbesondere sind wir daran interessiert zu sehen, wie aktiv die Zellen unter hohem Druck sind, und wie ihre Raten unter dem Druck ändern. Für die Experimente kann ein Hochdruckreaktor, wie hier dargestellt, verwendet werden und Druckbedingungen bis zu 350 bar simulieren. Der Boden eines Hochdruckreaktors besteht aus einem Reaktorbehälter, der eine Flüssigkeitsprobe mit mikrobiellen Kulturen enthalten kann.

Der Reaktorkopf bietet eine Vielzahl von Anschlüssen für Sicherheitsmaßnahmen und Überwachungssensoren. Zum Beispiel Temperatur oder Druck im Reaktor. Die meisten Hochdruckreaktoren sind aus Edelstahl gefertigt.

Dieses Material bietet eine hohe Belastbarkeit und gute Bearbeitungseigenschaften. Bei bestimmten Anwendungen, wie z. B. Experimenten mit sauren oder stark reduzierenden wässrigen Lösungen, ist die Korrosionsbeständigkeit der Edelstahloberfläche jedoch möglicherweise nicht ausreichend. Eine Möglichkeit, dies zu vermeiden, besteht darin, einen Liner in den Reaktorbehälter einzufügen.

Hier ein Liner aus Tefflon. Tefflon hat eine hohe Korrosionsbeständigkeit, aber es kommt mit einem höheren Risiko der Kontamination, da es nicht durch Autoklavieren sterilisiert werden kann und Eisenflächen auf seine Oberfläche fallen könnten. Ein weiteres Linermaterial, das verwendet werden kann, ist Quarzglas.

Es ist leicht zu reinigen, kann durch Autoklavieren sterilisiert werden und ist weniger von sauren oder reduzierenden wässrigen Lösungen betroffen Obwohl Linermaterial helfen kann, unerwünschte Reaktionen einer Probe mit einer Edelstahl-Reaktorwand zu verhindern, bleiben mehrere Probleme bestehen. Wenn ein ätzendes Gas gebildet wird, z. B. Schwefelwasserstoff, kann dieses Gas mit der ungedeckten Oberfläche des Überliners des Reaktorkopfes reagieren. Ein weiterer Nachteil ist, dass es nicht möglich ist, Proben aus dem Reaktor zu ziehen, ohne den Druck zu ändern.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, verwendeten wir eine spezielle Reaktionszelle, einen flexiblen Goldbeutel mit Titankopf. Die Goldoberfläche ist korrosionsbeständig gegenüber sauren oder reduzierenden Lösungen und Gasen. Auch die Titanoberfläche ist sehr inert.

Wann eine kontinuierliche Titandioxidschicht zu bilden, hier sichtbar in dunkelblau. Während der Probenahme schrumpft der Goldbeutel im Volumen. Das Volumen des Goldbeutels sollte nicht um mehr als 50% reduziert werden, um die Bildung von scharfen Knicken und Kanten zu verhindern.

Die hier gezeigten Teile sind die einzelnen Teile der internen Einrichtung des Goldbeutelexperiments. Man kann von unten nach oben die flexible Goldbeutel-Reaktionszelle, das Titan-Dichtungssystem, bestehend aus einem Titankopf, einer Waschmaschine und einem Kompressions-Fettring, und das Probenahmerohr und -ventil sehen, um während des Betriebsmodus auf die Reaktionszelle zuzugreifen. Nun übertragen wir die Probe in die Gold-Titan-Reaktionszelle.

Öffnen und entriegeln Sie zunächst die leere Kammer, und laden Sie das gesamte ankommende Material auf die bewegliche Schale. Schließen und verriegeln Sie die vordere Abdeckung. Nach der Evakuierung der Anti-Kammer, tragen Sie das Handschuhpaar und kommen Sie der inneren Abdeckung am nächsten.

Entsperren und öffnen Sie die innere Abdeckung, um das eingehende Material aus der beweglichen Schale zu entfernen. Entpacken Sie den sauberen Goldbeutel und sichern Sie seinen Ständer. Öffnen Sie die Serumflasche, die 100 ml Bakterienkultur und Elementarschwefel enthält.

Schütteln Sie die Serumflasche vorsichtig und übertragen Sie die Bakterienkultur in den Goldbeutel. Setzen Sie den Titankopf mit Montagerohr in die Titanabdeckung auf dem Goldbeutel ein. Schieben Sie dann die Scheibe und den Kompressionsring über das Titan-Probenahmerohr.

Befestigen Sie die sechs Ulmenschrauben im gleichen Umfang, um eine gleichmäßige Druckverteilung des Titanhuts am obersten Rand des Goldbeutels in der Titanabdeckung zu gewährleisten. Dies ist die Dichtfläche der Gold-Titan-Reaktionszelle. Installieren Sie das Probenahmeventil an der Oberseite des Titanrohres erneut.

Ziehen Sie die Verbindungshand fest. Stellen Sie dann sicher, dass Sie das Ventil schließen. Nun ist das Kernstück des Hochdruckreaktors komplett montiert und kann im Reaktorhut installiert werden.

Nun kann der Hochdruckreaktor installiert werden. Dies kommt mit einer sehr kurzen Belichtung des offenen Endes des Probenahmerohrs in die umgebende Atmosphäre, da das Probenahmeventil entfernt werden muss, um das Rohr durch die Schneckendichtung im Reaktorkopf zu bekommen. Stoppen Sie das Entfernen des Probenahmeventils und der Schrauben aus dem Probenahmerohr.

Führen Sie das Rohr durch den Reaktorkopf, schieben Sie die große Schraube über das Rohr und befestigen Sie die kleine Abdeckung. Nun kann die Reaktionszellenbaugruppe nicht durch den Reaktorkopf zurückgleiten und beide Hände können das Probenahmeventil wieder einbauen. Entfernen Sie den Reaktorkopf vom Leiter, um ihn auf den Reaktorbehälter zu montieren.

Der Reaktorkopf, einschließlich des Thermischen Paares, muss sorgfältig auf den Reaktorbehälter gelegt werden, um den Goldbeutel oder das Thermische Paar nicht zu beschädigen. Schließlich wird die robuste Abdeckung, die mit dem Spaltring und den Kompressionsbolzen ausgestattet ist, um den Reaktorkopf und den Behälter herum befestigt, um das System entsprechend zu versiegeln. Der Hochdruckreaktor wird sorgfältig in der Schaukelvorrichtung montiert, um mögliche Verletzungen, insbesondere Blutergüsse an den Fingern, zu vermeiden.

Der Hochdruckreaktor wird durch zwei Übereine über ein Schraubenpaar geschobene Klemmen fixiert. Unterlegscheiben und Schraubenmuttern halten die Klemmen an Ort und Stelle. Schließen Sie die Steuergeräte für das Thermopaar und den Drucksensor an.

Es ist wichtig, die ausreichende Länge der Drähte für die Schaukelbewegung zu gewährleisten, während verhindert wird, dass ihr Inhalt ihre Oberflächen erwärmt. Schließlich schieben Sie das Heizelement über den Reaktorbehälter und ziehen Sie seine Schraube fest. Das Wasser, um das System unter Druck zu setzen, wird von einer Hochdruckpumpe aus einem Reservoir entnommen.

Es wird über Edelstahlkapillaren in den Hochdruckreaktor übertragen. Das Schaukeln des Hochdruckreaktors garantiert eine gründliche Durchmischung der Reaktionszelle. Zum Beispiel der Gas-, Flüssigkeits- und/oder Festphasen darin.

Die langsamere Schaukelgeschwindigkeit ist wichtig, um Schäden des Goldbeutels durch sich schnell bewegende Feststoffe oder durch die Bildung durch Gravitationseffekte auf das flexible Gold bei erhöhten Temperaturen zu verhindern. Unser System ist in der Lage, sich auf dem grün-gelb markierten Winkel auf dem Indikator zu drehen, der nahe 180 Grad ist. Experimentelle Parameter werden gleichzeitig von einer Software protokolliert.

Zur Entnahme einer Probe wird eine 5-Milliliter-Spritze an der kleinen Verriegelungsschnittstelle des Probenahmeventils an der Oberseite des Hochdruckreaktors befestigt. Öffnen Sie das Ventil vorsichtig. Die Flüssigkeitsprobe wird durch den Überdruck in der Reaktionszelle automatisch in die Spritze geschoben.

Schließen Sie das Ventil, nachdem das Probenvolumen einen Milliliter erreicht. Lösen Sie die Spritze. Die Probe in der Spritze wird zur Weiterverarbeitung sofort in ein Zwei-Milliliter-Rohr überführt.

Die Bestimmung der mikrobiellen Reduktion von Eisen zu Eisen in der Reaktionszelle wird durch photometrische Analyse erreicht. Eine Reihe von Eisenstandardlösungen, die einen violetten konzentrationsabhängigen Eisenkomplex und Indikator, Eisenferroz, enthalten, dient als Kalibriermittel. Die Ergebnisse des Hochdruckreaktorexperiments mit speziellen Gold-Titan-Reaktionszellen zeigen, dass die Bakterien Schwefel und Eisen zu Eiseneisen oxidieren und dass es einen signifikanten Einfluss auf den Druck gibt.

In der Abbildung wird der Anstieg der Eisenkonzentrationen über einen Zeitraum von 22 Tagen für das Experiment gezeigt, das bei Drücken von einem bar und 100 bar durchgeführt wird. Ungefähr 31 bzw. 13 Millimole Eisen wurden in den Assays an einem bar bzw. 100 bar nachgewiesen. Dies zeigt deutlich, dass mikrobielle Zellen auch bei 100 bar aktiv waren, aber dass ihre Eisenreduktionsaktivität bei Hohem Druck deutlich niedriger war.

Das Rasterelektronenmikroskopzeigt zeigt, wie stabförmige Zellen im Experiment bei niedrigem und hohem Druck wachsen. Die 1979 von Seyfried und Kollegen entwickelte flexible Gold-Titan-Reaktionszelle hat das Potenzial, für eine Vielzahl von wissenschaftlichen Untersuchungen eingesetzt zu werden, einschließlich Reaktionen mit korrosiven Gasen und Flüssigkeiten. Eine Anwendung könnte die Bestimmung der Löslichkeit von Eisen und Gasen bei hohen Drücken und Temperaturen sein.

Eine andere könnte die Bestimmung der Reaktionen sein, die in einem während der Bildung von Öl und Gasen vor sich gehen. Und die dritte, wie in der Studie hier, könnte mikrobielle Reaktionen bei erhöhten Drücken und Temperaturen untersuchen.