Utilisation de cellules de réaction flexibles Gold-Titanium pour simuler une activité microbienne dépendante de la pression dans le contexte du sous-marin

Biomining décrit le bioleaching appliqué pour l’extraction du cuivre et d’autres métaux sous pression des roches en dissolvant les sulfures métalliques à l’aide de bactéries acidophiles. Par exemple, le cuivre est le minerai de coopashefa peut être extrait avec cette bactérie en dissolvant les sulfures. Et la solution riche en sulfate de cuivre est alors générée à partir de laquelle le cuivre peut être facilement extrait.

Le biominage in situ est l’extraction de métaux à l’aide de bactéries sans avoir besoin d’activités d’excavation et d’exploitation minière sous terre ou dans une fosse à ciel ouvert. Au lieu de cela, une solution acide riche en fer est pompée dans la formation rocheuse, les sulfures métalliques sont dissous et la solution riche en métaux est pompée à la surface à partir de laquelle les métaux peuvent ensuite être extraits. Dans cette expérience particulière, il y a une cellule de réacteur à haute pression qui simule les conditions vers le bas dans la formation profonde.

Les bactéries sont étudiées et leur activité liée à la réduction du fer couplée à l’oxydation des composés sulfureux, et en particulier nous sommes intéressés à voir comment les cellules sont actives sous haute pression, et comment leurs taux changent sous la pression. Pour les expériences, un réacteur à haute pression, comme celui représenté ici, peut être utilisé, et peut simuler des conditions de pression jusqu’à 350 barres. Le fond d’un réacteur à haute pression se compose d’un récipient de réacteur, qui peut contenir un échantillon de fluide avec la culture microbienne.

La tête du réacteur offre une gamme variée de connexions pour les mesures de sécurité et les capteurs de surveillance. Par exemple, la température ou la pression à l’intérieur du réacteur. La plupart des réacteurs à haute pression sont en acier inoxydable.

Ce matériau offre une grande résilience et de bonnes propriétés d’usinage. Toutefois, pour certaines applications telles que les expériences avec des solutions aqueuse acides ou très réducteurs, la résistance à la corrosion de la surface en acier inoxydable pourrait ne pas être suffisante. Une façon d’éviter cela est d’insérer un revêtement dans le récipient du réacteur.

Ici, une doublure en téflon. Le téflon a une résistance élevée à la corrosion, mais il est livré avec un risque plus élevé de contamination, car il ne peut pas être stérilisé par autoclaving et les faces de fer pourraient se précipiter sur sa surface. Un autre matériau de revêtement qui peut être utilisé est le verre à quartz.

Il est facile à nettoyer, peut être stérilisé par autoclaving, et est moins affecté par des solutions acides ou réducteurs aqueux Même si le matériel de revêtement peut aider à prévenir les réactions indésirables d’un échantillon avec un mur de réacteur en acier inoxydable, plusieurs problèmes subsistent. Si un gaz corrosif est formé, par exemple du sulfure d’hydrogène, ce gaz peut réagir avec la surface découverte de la tête du réacteur située au-dessus du revêtement. Un autre inconvénient est qu’il n’est pas possible de retirer l’échantillon du réacteur sans changer la pression.

Pour surmonter ces limitations, nous avons utilisé une cellule de réaction spéciale, un sac en or flexible avec une tête en titane. La surface d’or est résistante à la corrosion pour les solutions et les gaz acides ou réducturants. La surface en titane est également très inerte.

Quand former une couche continue de dioxyde de titane, ici visible en bleu foncé. Pendant l’échantillonnage, le sac en or diminue en volume. Le volume du sac en or ne doit pas être réduit de plus de 50 % pour empêcher la formation de plis et de bords tranchants.

Les pièces présentées ici sont les pièces individuelles de la configuration interne de l’expérience sac d’or. On peut voir, du bas vers le haut, la cellule flexible de réaction de sac d’or, le système d’étanchéité de titane, composé d’une tête de titane, d’une laveuse, et de l’anneau gras de compression, et du tube d’échantillonnage et de la valve pour accéder à la cellule de réaction pendant le mode d’opération. Maintenant, nous transférons l’échantillon dans la cellule de réaction au titane d’or.

Tout d’abord, ouvrez et déverrouillez la chambre vide, et chargez tout le matériel entrant sur le plateau mobile. Fermer et verrouiller le couvercle avant. Après l’évacuation de l’anti-chambre, portez la paire de gants et rapprochez-vous de la couverture intérieure.

Déverrouillez et ouvrez le couvercle intérieur pour retirer le matériau entrant du plateau mobile. Déballez le sac en or propre et fixez son support. Ouvrez la bouteille de sérum qui contient 100mL de culture bactérienne et de soufre élémentaire.

Secouez doucement la bouteille de sérum et transférez la culture bactérienne dans le sac d’or. Insérez la tête en titane avec tube d’assemblage dans le couvercle en titane sur le sac en or. Ensuite, faites glisser la rondelle et l’anneau gras de compression sur le tube d’échantillonnage de titane.

Attachez les six vis d’orme dans la même mesure pour assurer une distribution uniforme de pression du chapeau en titane sur la jante supérieure du sac d’or dans le couvercle en titane. Il s’agit de la surface d’étanchéité de la cellule de réaction au titane d’or. Réinstaller la vanne d’échantillonnage au sommet du tube de titane.

Serrez la main de connexion serrée. Ensuite, assurez-vous de fermer la vanne. Maintenant, la pièce centrale du réacteur à haute pression est entièrement assemblée et peut être installée dans le chapeau du réacteur.

Maintenant, l’installation du réacteur à haute pression peut avoir lieu. Ceci est livré avec une exposition très courte de l’extrémité ouverte du tube d’échantillonnage à l’atmosphère environnante, comme la vanne d’échantillonnage doit être enlevé pour obtenir le tube à travers le joint de vis dans la tête du réacteur. Arrêtez d’enlever la vanne d’échantillonnage et les vis du tube d’échantillonnage.

Guidez le tube à travers la tête du réacteur, faites glisser la grosse vis sur le tube et attachez le petit couvercle. Maintenant, l’assemblage de la cellule de réaction ne peut pas glisser à travers la tête du réacteur et les deux mains sont libres de réinstaller la vanne d’échantillonnage. Retirez la tête du réacteur de l’avant-banc pour l’installer sur le réacteur.

La tête du réacteur, y compris le couple thermique, doit être soigneusement placée sur la cuve du réacteur, et non pour endommager le sac en or ou le couple thermique. Enfin, le couvercle robuste, équipé de l’anneau fendu et des boulons de compression, est fixé autour de la tête du réacteur et du récipient pour sceller adéquatement le système. Le réacteur à haute pression est soigneusement monté dans le dispositif de basculement pour éviter les blessures potentielles, en particulier les ecchymoses des doigts.

Le réacteur haute pression est fixé par deux pinces glissées sur une paire de vis. Les rondelles et les écrous à vis tiennent les pinces en place. Connectez les unités de commande pour le couple thermique et le capteur de pression.

Il est important d’assurer la longueur suffisante des fils pour le mouvement de basculement, tout en empêchant son contenu de chauffer ses surfaces. Enfin, faites glisser l’élément chauffant au-dessus du récipient du réacteur et serrez son verrou à vis. L’eau pour pressuriser le système est prélevée dans un réservoir par une pompe à haute pression.

Il est transféré par capillaires en acier inoxydable dans le réacteur à haute pression. Le basculement du réacteur à haute pression garantit un mélange complet de la cellule de réaction. Par exemple, des phases de gaz, de fluide et/ou de solides qu’il y a.

La vitesse de basculement plus lente est importante pour éviter les dommages du sac d’or par des solides en mouvement rapide, ou par la formation due à des effets de gravité sur l’or flexible à des températures élevées. Notre système est capable de tourner sur l’angle vert et jaune marqué sur l’indicateur, qui est proche de 180 degrés. Les paramètres expérimentaux sont simultanément enregistrés par un logiciel.

Pour pré prélèvement d’un échantillon, une seringue de 5 millilitres est fixée à la petite interface de verrouillage de la vanne d’échantillonnage au sommet du réacteur à haute pression. Ouvrez soigneusement la vanne. L’échantillon liquide est poussé automatiquement dans la seringue par la sur-pression à l’intérieur de la cellule de réaction.

Fermez la vanne après que le volume de l’échantillon a atteint un millilitre. Détachez la seringue. L’échantillon de la seringue est immédiatement transféré dans un tube de deux millilitres pour un traitement ultérieur.

La détermination de la réduction microbienne du fer ferrique au ferreux dans la cellule de réaction est obtenue par l’analyse photométrique. Une série de solutions standard de fer ferreux contenant un complexe et un indicateur de fer ferreux dépendants de la concentration de couleur pourpre, le ferrocène de fer, sert d’agent d’étalonnage. Les résultats de l’expérience du réacteur à haute pression avec la cellule spéciale de réaction de titane d’or montrent que les bactéries oxydent le soufre et le fer ferrique au fer ferreux et qu’il y a un effet significatif sur la pression.

En chiffres, l’augmentation des concentrations de fer ferreux sur une période de 22 jours est démontrée pour l’expérience réalisée sous la pression d’une barre et de 100 barres. Environ 31 et 13 millimole de fer ferreux ont été détectés dans les analyses à une barre et à 100 barres, respectivement. Ceci démontre clairement que les cellules microbiennes étaient actives même à 100 barres, mais que leur activité de réduction de fer ferrique était sensiblement inférieure à la haute pression.

L’image du microscope électronique à balayage montre que les cellules en forme de tige se développent en expérience à basse et haute pression. La cellule flexible de réaction au titane d’or développée par Seyfried et ses collègues en 1979 a le potentiel d’être utilisée pour un large éventail d’études scientifiques, et toutes, y compris les réactions avec des gaz corrosifs et des fluides. Une application pourrait être la détermination de la solubilité des fers et des gaz à haute pression et températures.

Un autre pourrait être la détermination des réactions en cours dans un pendant la formation de pétrole et de gaz. Et le troisième, comme dans l’étude ici, pourrait étudier les réactions microbiennes à des pressions et des températures élevées.