響應曲面法優化氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+工藝條件試驗研究

李紅,胡兆吉,董慶珍,李鷹

(1.南昌大學環境與化學工程學院,江西南昌330031;2.東華理工大學化學生物與材料科學學院,江西撫州344000)

響應曲面法優化氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+工藝條件試驗研究

李紅1,胡兆吉1,董慶珍2,李鷹2

(1.南昌大學環境與化學工程學院,江西南昌330031;2.東華理工大學化學生物與材料科學學院,江西撫州344000)

在單因素試驗基礎上,研究了響應曲面法優化氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+的工藝條件。結果表明,初始ρ(Fe2+)、初始p H值、培養溫度、接種量與響應值Fe2+氧化速率有顯著相關性。典型性分析得到氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+的最佳工藝條件為：初始ρ(Fe2+)為8.44 g/L,溶液初始p H值為2.1,培養溫度為33℃,接種量為12%。在此條件下,Fe2+氧化速率理論值達到0.217 g/(L·h),驗證試驗條件下實際最大氧化速率為0.215 g/(L·h)。

響應曲面法;氧化亞鐵硫桿菌;氧化;Fe2+

氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus f errooxidans,簡稱T.f菌)廣泛存在于土壤、海水、淡水、垃圾、硫磺泉和沉積硫內,尤以金屬硫化礦和煤礦等酸性礦坑水中最為常見[1],其已在銅、金、鈾的堆浸中得到工業應用,并取得了較好效果[2-4]。為了保證T.f菌的良好氧化特性,需要探索其最佳氧化條件。目前,大多數文獻報道的優化方法是正交試驗法,有關響應曲面法[5-8]的報道相對較少。

響應曲面法雖廣泛用于眾多過程的優化控制,但關于T.f菌最佳氧化工藝條件的優化還未曾見有報道。試驗主要采用響應曲面法,以Fe2+氧化速率為考察指標,研究了影響T.f菌氧化Fe2+的一些關鍵因素。

1 試驗部分

1.1 菌株

氧化亞鐵硫桿菌菌液由東華理工大學土木與環境工程學院劉亞潔博士提供。

1.2 培養基

A液：(NH4)2SO40.45 g,KH2PO40.05 g,KCl 0.05 g,MgSO4·7H2O 0.50 g,Ca(NO3)2·4H2O 0.01 g,Na2SO4·10H2O 0.15 g,蒸餾水600 mL,用5 mol/L的H2SO4調p H值至2.0,121℃濕熱滅菌20 min。

B液：FeSO4·7H2O 42.3 g,蒸餾水250 mL,用5 mol/L的H2SO4調pH值至2.0,過濾滅菌。

將A液與B液在1 000 mL容量瓶中混合均勻并定容。

1.3 主要儀器與試劑

7S-3C型p H酸度計(上海虹益儀器儀表有限公司);SPX-80B生化培養箱(上海精密儀器儀表有限公司);SHA-C回轉式恒溫調速搖床(上海市金鵬分析儀器有限公司);OPS-30HSA立式壓力蒸汽滅菌鍋(上海銳聰科技有限公司);SW-CG-1D潔凈工作臺(蘇潔凈化設備有限公司)。

硫酸鈉,硫酸銨,氯化鉀,磷酸氫二鉀,磷酸二氫鉀,硫酸鎂,硝酸鈣,98%濃硫酸,重鉻酸鉀,二苯胺磺酸鈉,85%濃磷酸,均為分析純。

1.4 分析方法

Fe2+質量濃度采用高錳酸鉀法測定[4]。

1.5 試驗設計

1.5.1 單因素試驗

單因素試驗主要考察溶液初始ρ(Fe2+)、初始p H值、培養溫度和接種量對氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+的影響。在盛有100 mL液體培養基的250 mL錐形瓶中,改變這4個因素中的1個因素,其他3個因素保持不變,同步振蕩培養,定時測定培養液中ρ(Fe2+),計算Fe2+氧化率。

1.5.2 中心組合設計

試驗采用響應曲面法中的5因素3水平旋轉中心組合設計。以單因素試驗中的4個因素——初始ρ(Fe2+)、培養溫度、初始p H和接種量為自變量,分別以x1、x2、x3、x4表示,并以1、0、-1分別代表自變量的高、中、低水平,按式(1)對自變量進行編碼：

其次，監督機構人員應該包含至少兩名鄰村村民。村之間本來就是相鄰的，在土地資源稀缺的情況下，難免會出現一些侵犯土地權益的事情。讓鄰村人員加入到監督機構中，能更好的表達和發揮監督作用，協調鄰村之間的糾紛，更有利于保護國家資源不被私自亂用。

式中：Xi為自變量的編碼值;xi為自變量的真實值;x0為試驗中心點處自變量的真實值;Δx為自變量的變化步長。

根據單因素試驗選定的各因素范圍,試驗因素編碼及水平見表1。

表1 試驗因素水平和編碼

2 結果與討論

2.1 單因素試驗結果與討論

2.1.1 初始ρ(Fe2+)對T.f菌氧化Fe2+的影響

圖1為初始ρ(Fe2+)對T.f菌氧化Fe2+的影響試驗結果。

圖1 初始ρ(Fe2+)對T.f菌氧化Fe2+的影響

由圖1可知：當初始ρ(Fe2+)較低時,Fe2+氧化速率很低;隨初始ρ(Fe2+)增大,Fe2+氧化速率升高;但初始ρ(Fe2+)過高時,Fe2+氧化速率呈下降趨勢,因為Fe2+作為T.f菌生長的底物,質量濃度過高時對T.f菌生長有一定的抑制作用,T.f菌需要更長的適應期。因此,適當提高培養基中初始ρ(Fe2+)有利于T.f菌的生長,有利于Fe2+的氧化。當初始ρ(Fe2+)為8 g/L時,Fe2+氧化速率最大。

2.1.2 初始pH值對T.f菌氧化Fe2+的影響

溶液初始p H值對T.f菌氧化Fe2+的影響如圖2所示。

圖2 初始pH對T.f菌氧化Fe2+的影響

由圖2可知：當p H為0.5和5.0時,Fe2+氧化速率幾乎為零,可認為其延遲期為∞,基本不氧化,因為p H值過低或過高,細菌氧化能力變差,甚至失去氧化能力;p H在2.0～3.0范圍內,Fe2+氧化速率較快,特別在p H=2.0時,氧化效果最好,氧化速率最高。

2.1.3 培養溫度對T.f菌氧化Fe2+的影響

圖3 培養溫度對T.f菌氧化Fe2+速率的影響

由圖3可知,培養溫度對T.f菌生長影響較大：溫度在25～35℃范圍內,Fe2+氧化速率較快,這是因為細菌雖然在延遲期中,但并不意味著細胞處于靜止和休眠狀態;相反,單個細胞個體增大以至超過正常大小,它們在生理上非常活躍,進行著極其復雜的生物化學反應,而這種反應需要在一定的溫度范圍內進行[7],超過或低于最適溫度,都會不同程度地影響其氧化Fe2+能力。

2.1.4 接種量對T.f菌氧化Fe2+的影響

從圖4可知：隨接種量增大,Fe2+氧化速率增大。在培養基量一定條件下,隨細菌接種量的增大,細菌生長延遲期縮短,生長速度加快。考慮到試驗的方便性和經濟效益,確定最佳接種量為10%。

圖4 接種量對T.f菌氧化Fe2+速率的影響

2.2 響應曲面法試驗結果與討論

2.2.1 試驗結果

試驗數據的統計分析、建模以及工藝參數的優化均采用Design Expert7.0軟件。試驗設計見表2,總共29個獨立設計點,以Fe2+氧化速率為響應值(Y),通過多項式回歸分析法對試驗數據回歸擬合,確立最優擬合二次多項式方程。

模型方程為：

表2 試驗設計與結果

2.2.2 建立模型及顯著性分析

對上述模型方程進行方差分析,由表3可知,F=245.57＞F0.01(20,5)=9.55,P=0.000 1＜0.01,表明試驗所選用模型為極顯著。該模型的修正決定系數(r2的修正值)為0.986 9,表明影響水力條件的因素大約98.69%分布在4個因素中,僅有1.31%不能由該模型來解釋,該模型擬合程度良好。相關系數r2=0.989 1,表明實測值和預測值之間的相關性較高,試驗誤差較小。

回歸方程各項的系數方差表明,方程一次項、二次項、交互項影響顯著,各個具體試驗因素對響應值的影響并不是簡單的線性關系。從表3看出：對Fe2+氧化速率,一次項X1、X2、X3、X4的影響極顯著(P＜0.01);二次項X21、X22、X23的影響極顯著(P＜0.01),X24的影響不顯著(P＞0.05);交互項的影響不顯著;失擬項的影響不顯著(P=0.100 1＞0.05),表明4個因素范圍之內,所得模型可以反映參數之間的真實關系,可以用此模型分析和預測影響氧化速率的因素。

表3 回歸模型方差分析結果

2.2.3 響應曲面分析及優化

根據模型方程,應用Design Expert7.0軟件,繪制響應值Fe2+氧化速率與影響因素的三維圖(響應曲面)。最佳水平范圍在響應曲面頂點附近的區域。如果響應曲面坡度相對平緩,表明該因素對響應值的影響程度不明顯,相反則表明響應值對于該因素的改變非常敏感。X1、X2、X3、X4及其交互作用對響應值及等高線的影響如圖5～8所示。

由圖5可知：p H值、接種量、培養溫度在中心水平條件下,Fe2+氧化速率隨ρ(Fe2+)增加而增大,當ρ(Fe2+)為8.44 g/L時,氧化速率達到最大;其他因素中心水平時,氧化速率隨培養溫度的不斷升高而呈增大趨勢,一定溫度后趨于平緩,甚至有下降趨勢。響應曲面坡度陡峭,ρ(Fe2+)和培養溫度對響應值的影響明顯,與模型的方差分析結果一致。

圖5 ρ(Fe2+)和培養溫度對Fe2+氧化速率影響的響應曲面和等高線

圖6為其他因素在中心水平時,ρ(Fe2+)和p H值對氧化速率的交互影響效應。

圖6 ρ(Fe2+)和pH值對Fe2+氧化速率影響的響應曲面和等高線

可以看出,ρ(Fe2+)和p H值處于試驗水平的中心點附近時,即底物質量濃度為8.0～8.5 g/L和p H≈2時,Fe2+氧化速率最高。當二者水平過高或過低時,Fe2+氧化速率都會下降。響應曲面坡度陡峭,表明ρ(Fe2+)和p H值2個因素對響應值的影響程度明顯;而從等高線的變化看出,ρ(Fe2+)和p H值2個因素的交互作用不顯著(P＞0.05),這與模型的方差分析結果一致。

圖7為其他因素在中心水平時,p H值和培養溫度對Fe2+氧化速率影響的響應曲面圖及等高線圖。可以看出,Fe2+氧化速率對p H值的敏感性較強,隨p H增大而增大;但p H值進一步增大卻反而有減小趨勢;當p H=2.0、溫度為35℃時,Fe2+氧化速率最大。曲面坡度陡峭,表明培養溫度和p H值對響應值的影響程度較明顯,與模型的方差分析結果一致。

圖7 pH值和培養溫度對Fe2+氧化速率影響的響應曲面和等高線

圖8為通過中心組合試驗得到的響應曲面及等高線。可以看出,氧化速率隨接種量和培養溫度的升高而增大,一定程度后趨于平緩,變化不明顯。

利用Design Expert7.0軟件,響應值Y(氧化速率)的最大預測值為0.217 g/(L·h),此時,ρ(Fe2+)=8.44 g/L,培養溫度為32.73℃,pH為2.12,接種量為12.41%。考慮到試驗的方便性,確定最優氧化條件為：ρ(Fe2+)=8.44 g/L,培養溫度為33℃,pH值為2.1,接種量為12%。

圖8 接種量和培養溫度對Fe2+氧化速率影響的響應曲面和等高線

2.2.4 驗證試驗

為了驗證模型方程的合適性和有效性,以上述最優條件進行驗證試驗,并與單因素試驗的最佳結果進行對比,結果見表4。可以看出,預測值與試驗值接近,表明模型合適、有效。

表4 不同試驗設計下的優化結果對比

3 結論

利用試驗設計軟件Design Expert 7.0,通過二次回歸設計得到T.f菌氧化Fe2+速率與初始ρ(Fe2+)、培養溫度、初始p H值、接種量關系的回歸模型。經試驗驗證,該模型合理可靠,能夠較好地預測T.f菌氧化Fe2+的速率。T.f菌氧化Fe2+的優化工藝參數為：初始ρ(Fe2+)=8.44 g/L,培養溫度為33℃,初始p H值為2.1,接種量為12%。利用響應曲面分析方法可獲得最優工藝參數,為進一步試驗研究奠定基礎。

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Abstract:Based on single factor experiments,optimizing process conditions of oxidizing Fe2+using thiobacillus f errooxidantsby Response Surface Design Method(RSM)were researched.The results showed that there were significant correlation between initial concentration of Fe2+,initial value of p H,culture temperature,inoculum size and response value——oxidation rate of Fe2+.The optimum conditions of oxidizing Fe2+bythiobacillus f errooxidantswere obtained through typical analysis that the initial concentration of Fe2+is of 8.44 g/L,the initial value of p H is of 2.1,the culture temperature is of 33℃and the inoculum size is of 12%.On these conditions,theoretical value of the oxidation rate reached 0.217 g/(L·h).The actual maximum oxidation rate which was verified at the test conditions,was of 0.215 g/(L·h).

Key words:RSM;thiobacillus f errooxidants;oxidation;Fe2+

Research on Process Condition of Oxidizing Fe2+Using Thiobacillus Ferrooxidantsby RSM Method

LI Hong1,HU Zhao-ji1,DONG Qing-zhen2,LI Ying2
(1.College ofEnvironmental and Chemical Engineering,N anchang University,N anchang,J iangxi 330031,China;2.College of Chemical,Biological and Materials Science,East China University ofTechnology,Fuzhou,J iangxi344000,China)

TF18

A

1009-2617(2011)01-0014-06

2010-04-26

李紅(1986-),女,漢族,江西鷹潭人,碩士研究生,主要研究方向為新型過程裝備的研發。