响应曲面法优化氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+工艺条件试验研究

李红,胡兆吉,董庆珍,李鹰

(1.南昌大学环境与化学工程学院,江西南昌330031;2.东华理工大学化学生物与材料科学学院,江西抚州344000)

响应曲面法优化氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+工艺条件试验研究

李红1,胡兆吉1,董庆珍2,李鹰2

(1.南昌大学环境与化学工程学院,江西南昌330031;2.东华理工大学化学生物与材料科学学院,江西抚州344000)

在单因素试验基础上,研究了响应曲面法优化氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+的工艺条件。结果表明,初始ρ(Fe2+)、初始p H值、培养温度、接种量与响应值Fe2+氧化速率有显著相关性。典型性分析得到氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+的最佳工艺条件为：初始ρ(Fe2+)为8.44 g/L,溶液初始p H值为2.1,培养温度为33℃,接种量为12%。在此条件下,Fe2+氧化速率理论值达到0.217 g/(L·h),验证试验条件下实际最大氧化速率为0.215 g/(L·h)。

响应曲面法;氧化亚铁硫杆菌;氧化;Fe2+

氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus f errooxidans,简称T.f菌)广泛存在于土壤、海水、淡水、垃圾、硫磺泉和沉积硫内,尤以金属硫化矿和煤矿等酸性矿坑水中最为常见[1],其已在铜、金、铀的堆浸中得到工业应用,并取得了较好效果[2-4]。为了保证T.f菌的良好氧化特性,需要探索其最佳氧化条件。目前,大多数文献报道的优化方法是正交试验法,有关响应曲面法[5-8]的报道相对较少。

响应曲面法虽广泛用于众多过程的优化控制,但关于T.f菌最佳氧化工艺条件的优化还未曾见有报道。试验主要采用响应曲面法,以Fe2+氧化速率为考察指标,研究了影响T.f菌氧化Fe2+的一些关键因素。

1 试验部分

1.1 菌株

氧化亚铁硫杆菌菌液由东华理工大学土木与环境工程学院刘亚洁博士提供。

1.2 培养基

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,蒸馏水600 mL,用5 mol/L的H2SO4调p H值至2.0,121℃湿热灭菌20 min。

B液：FeSO4·7H2O 42.3 g,蒸馏水250 mL,用5 mol/L的H2SO4调pH值至2.0,过滤灭菌。

将A液与B液在1 000 mL容量瓶中混合均匀并定容。

1.3 主要仪器与试剂

7S-3C型p H酸度计(上海虹益仪器仪表有限公司);SPX-80B生化培养箱(上海精密仪器仪表有限公司);SHA-C回转式恒温调速摇床(上海市金鹏分析仪器有限公司);OPS-30HSA立式压力蒸汽灭菌锅(上海锐聪科技有限公司);SW-CG-1D洁净工作台(苏洁净化设备有限公司)。

硫酸钠,硫酸铵,氯化钾,磷酸氢二钾,磷酸二氢钾,硫酸镁,硝酸钙,98%浓硫酸,重铬酸钾,二苯胺磺酸钠,85%浓磷酸,均为分析纯。

1.4 分析方法

Fe2+质量浓度采用高锰酸钾法测定[4]。

1.5 试验设计

1.5.1 单因素试验

单因素试验主要考察溶液初始ρ(Fe2+)、初始p H值、培养温度和接种量对氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+的影响。在盛有100 mL液体培养基的250 mL锥形瓶中,改变这4个因素中的1个因素,其他3个因素保持不变,同步振荡培养,定时测定培养液中ρ(Fe2+),计算Fe2+氧化率。

1.5.2 中心组合设计

试验采用响应曲面法中的5因素3水平旋转中心组合设计。以单因素试验中的4个因素——初始ρ(Fe2+)、培养温度、初始p H和接种量为自变量,分别以x1、x2、x3、x4表示,并以1、0、-1分别代表自变量的高、中、低水平,按式(1)对自变量进行编码：

其次，监督机构人员应该包含至少两名邻村村民。村之间本来就是相邻的，在土地资源稀缺的情况下，难免会出现一些侵犯土地权益的事情。让邻村人员加入到监督机构中，能更好的表达和发挥监督作用，协调邻村之间的纠纷，更有利于保护国家资源不被私自乱用。

式中：Xi为自变量的编码值;xi为自变量的真实值;x0为试验中心点处自变量的真实值;Δx为自变量的变化步长。

根据单因素试验选定的各因素范围,试验因素编码及水平见表1。

表1 试验因素水平和编码

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果与讨论

2.1.1 初始ρ(Fe2+)对T.f菌氧化Fe2+的影响

图1为初始ρ(Fe2+)对T.f菌氧化Fe2+的影响试验结果。

图1 初始ρ(Fe2+)对T.f菌氧化Fe2+的影响

由图1可知：当初始ρ(Fe2+)较低时,Fe2+氧化速率很低;随初始ρ(Fe2+)增大,Fe2+氧化速率升高;但初始ρ(Fe2+)过高时,Fe2+氧化速率呈下降趋势,因为Fe2+作为T.f菌生长的底物,质量浓度过高时对T.f菌生长有一定的抑制作用,T.f菌需要更长的适应期。因此,适当提高培养基中初始ρ(Fe2+)有利于T.f菌的生长,有利于Fe2+的氧化。当初始ρ(Fe2+)为8 g/L时,Fe2+氧化速率最大。

2.1.2 初始pH值对T.f菌氧化Fe2+的影响

溶液初始p H值对T.f菌氧化Fe2+的影响如图2所示。

图2 初始pH对T.f菌氧化Fe2+的影响

由图2可知：当p H为0.5和5.0时,Fe2+氧化速率几乎为零,可认为其延迟期为∞,基本不氧化,因为p H值过低或过高,细菌氧化能力变差,甚至失去氧化能力;p H在2.0～3.0范围内,Fe2+氧化速率较快,特别在p H=2.0时,氧化效果最好,氧化速率最高。

2.1.3 培养温度对T.f菌氧化Fe2+的影响

图3 培养温度对T.f菌氧化Fe2+速率的影响

由图3可知,培养温度对T.f菌生长影响较大：温度在25～35℃范围内,Fe2+氧化速率较快,这是因为细菌虽然在延迟期中,但并不意味着细胞处于静止和休眠状态;相反,单个细胞个体增大以至超过正常大小,它们在生理上非常活跃,进行着极其复杂的生物化学反应,而这种反应需要在一定的温度范围内进行[7],超过或低于最适温度,都会不同程度地影响其氧化Fe2+能力。

2.1.4 接种量对T.f菌氧化Fe2+的影响

从图4可知：随接种量增大,Fe2+氧化速率增大。在培养基量一定条件下,随细菌接种量的增大,细菌生长延迟期缩短,生长速度加快。考虑到试验的方便性和经济效益,确定最佳接种量为10%。

图4 接种量对T.f菌氧化Fe2+速率的影响

2.2 响应曲面法试验结果与讨论

2.2.1 试验结果

试验数据的统计分析、建模以及工艺参数的优化均采用Design Expert7.0软件。试验设计见表2,总共29个独立设计点,以Fe2+氧化速率为响应值(Y),通过多项式回归分析法对试验数据回归拟合,确立最优拟合二次多项式方程。

模型方程为：

表2 试验设计与结果

2.2.2 建立模型及显著性分析

对上述模型方程进行方差分析,由表3可知,F=245.57＞F0.01(20,5)=9.55,P=0.000 1＜0.01,表明试验所选用模型为极显著。该模型的修正决定系数(r2的修正值)为0.986 9,表明影响水力条件的因素大约98.69%分布在4个因素中,仅有1.31%不能由该模型来解释,该模型拟合程度良好。相关系数r2=0.989 1,表明实测值和预测值之间的相关性较高,试验误差较小。

回归方程各项的系数方差表明,方程一次项、二次项、交互项影响显著,各个具体试验因素对响应值的影响并不是简单的线性关系。从表3看出：对Fe2+氧化速率,一次项X1、X2、X3、X4的影响极显著(P＜0.01);二次项X21、X22、X23的影响极显著(P＜0.01),X24的影响不显著(P＞0.05);交互项的影响不显著;失拟项的影响不显著(P=0.100 1＞0.05),表明4个因素范围之内,所得模型可以反映参数之间的真实关系,可以用此模型分析和预测影响氧化速率的因素。

表3 回归模型方差分析结果

2.2.3 响应曲面分析及优化

根据模型方程,应用Design Expert7.0软件,绘制响应值Fe2+氧化速率与影响因素的三维图(响应曲面)。最佳水平范围在响应曲面顶点附近的区域。如果响应曲面坡度相对平缓,表明该因素对响应值的影响程度不明显,相反则表明响应值对于该因素的改变非常敏感。X1、X2、X3、X4及其交互作用对响应值及等高线的影响如图5～8所示。

由图5可知：p H值、接种量、培养温度在中心水平条件下,Fe2+氧化速率随ρ(Fe2+)增加而增大,当ρ(Fe2+)为8.44 g/L时,氧化速率达到最大;其他因素中心水平时,氧化速率随培养温度的不断升高而呈增大趋势,一定温度后趋于平缓,甚至有下降趋势。响应曲面坡度陡峭,ρ(Fe2+)和培养温度对响应值的影响明显,与模型的方差分析结果一致。

图5 ρ(Fe2+)和培养温度对Fe2+氧化速率影响的响应曲面和等高线

图6为其他因素在中心水平时,ρ(Fe2+)和p H值对氧化速率的交互影响效应。

图6 ρ(Fe2+)和pH值对Fe2+氧化速率影响的响应曲面和等高线

可以看出,ρ(Fe2+)和p H值处于试验水平的中心点附近时,即底物质量浓度为8.0～8.5 g/L和p H≈2时,Fe2+氧化速率最高。当二者水平过高或过低时,Fe2+氧化速率都会下降。响应曲面坡度陡峭,表明ρ(Fe2+)和p H值2个因素对响应值的影响程度明显;而从等高线的变化看出,ρ(Fe2+)和p H值2个因素的交互作用不显著(P＞0.05),这与模型的方差分析结果一致。

图7为其他因素在中心水平时,p H值和培养温度对Fe2+氧化速率影响的响应曲面图及等高线图。可以看出,Fe2+氧化速率对p H值的敏感性较强,随p H增大而增大;但p H值进一步增大却反而有减小趋势;当p H=2.0、温度为35℃时,Fe2+氧化速率最大。曲面坡度陡峭,表明培养温度和p H值对响应值的影响程度较明显,与模型的方差分析结果一致。

图7 pH值和培养温度对Fe2+氧化速率影响的响应曲面和等高线

图8为通过中心组合试验得到的响应曲面及等高线。可以看出,氧化速率随接种量和培养温度的升高而增大,一定程度后趋于平缓,变化不明显。

利用Design Expert7.0软件,响应值Y(氧化速率)的最大预测值为0.217 g/(L·h),此时,ρ(Fe2+)=8.44 g/L,培养温度为32.73℃,pH为2.12,接种量为12.41%。考虑到试验的方便性,确定最优氧化条件为：ρ(Fe2+)=8.44 g/L,培养温度为33℃,pH值为2.1,接种量为12%。

图8 接种量和培养温度对Fe2+氧化速率影响的响应曲面和等高线

2.2.4 验证试验

为了验证模型方程的合适性和有效性,以上述最优条件进行验证试验,并与单因素试验的最佳结果进行对比,结果见表4。可以看出,预测值与试验值接近,表明模型合适、有效。

表4 不同试验设计下的优化结果对比

3 结论

利用试验设计软件Design Expert 7.0,通过二次回归设计得到T.f菌氧化Fe2+速率与初始ρ(Fe2+)、培养温度、初始p H值、接种量关系的回归模型。经试验验证,该模型合理可靠,能够较好地预测T.f菌氧化Fe2+的速率。T.f菌氧化Fe2+的优化工艺参数为：初始ρ(Fe2+)=8.44 g/L,培养温度为33℃,初始p H值为2.1,接种量为12%。利用响应曲面分析方法可获得最优工艺参数,为进一步试验研究奠定基础。

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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

李红(1986-),女,汉族,江西鹰潭人,硕士研究生,主要研究方向为新型过程装备的研发。