響應曲面法優(yōu)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(huán)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(yōu)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(huán)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(yōu)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(yǎng)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(yǎng)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(nèi),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(yè)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(shù)文獻報道的優(yōu)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(yōu)化控制,但關于T.f菌最佳氧化工藝條件的優(yōu)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(huán)境工程學院劉亞潔博士提供。

1.2 培養(yǎng)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(diào)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(diào)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(yǎng)箱(上海精密儀器儀表有限公司);SHA-C回轉(zhuǎn)式恒溫調(diào)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(zhì)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng),定時測定培養(yǎng)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(zhuǎn)中心組合設計。以單因素試驗中的4個因素——初始ρ(Fe2+)、培養(yǎng)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(jiān)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(xiàn)一些侵犯土地權益的事情。讓鄰村人員加入到監(jiān)督機構中，能更好的表達和發(fā)揮監(jiān)督作用，協(xié)調(diào)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(jù)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(zhì)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(yǎng)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(nèi),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(yǎng)溫度對T.f菌氧化Fe2+的影響

圖3 培養(yǎng)溫度對T.f菌氧化Fe2+速率的影響

由圖3可知,培養(yǎng)溫度對T.f菌生長影響較大：溫度在25～35℃范圍內(nèi),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(tài);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(nèi)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(yǎng)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(jīng)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(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、建模以及工藝參數(shù)的優(yōu)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(shù)據(jù)回歸擬合,確立最優(yōu)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(shù)(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(shù)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(shù)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(nèi),所得模型可以反映參數(shù)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(yōu)化

根據(jù)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(qū)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(zhì)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(yōu)氧化條件為：ρ(Fe2+)=8.44 g/L,培養(yǎng)溫度為33℃,pH值為2.1,接種量為12%。

圖8 接種量和培養(yǎng)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(yōu)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(yōu)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(yǎng)溫度、初始p H值、接種量關系的回歸模型。經(jīng)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(yōu)化工藝參數(shù)為：初始ρ(Fe2+)=8.44 g/L,培養(yǎng)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(yōu)工藝參數(shù),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(fā)。