李廣澤 雷丁丁 周生
摘 要:傳統(tǒng)微生物浸出優(yōu)化方法一般為單因素實驗法和正交設(shè)計法,為了優(yōu)化產(chǎn)氨浸銅細菌的浸出條件,基于一株高浸出率的產(chǎn)氨浸銅突變株,以浸出率為響應(yīng)值,通過Plackett-Burman(PB)設(shè)計法篩選出影響浸出率的重要因素,通過最陡爬坡實驗接近最大響應(yīng)區(qū)域,使用響應(yīng)曲面分析法建立連續(xù)變量曲面模型。分析浸出率預測模型,并結(jié)合初始浸出條件獲得優(yōu)化浸出條件:檸檬酸鈉:15.5g/L,pH:9.25,溫度:30.61℃,硫酸鎂:0.2g/L,磷酸二氫鈉2.1g/L,磷酸二氫鉀:1.4g/L, 搖床轉(zhuǎn)速:120r/min,接種量:20%。分別在優(yōu)化浸出條件和原始浸出條件下進行浸出實驗,二者浸出率分別為:53.26%和42.71%。
關(guān)鍵詞:微生物浸出;design-expert;浸出優(yōu)化
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.001
隨著礦產(chǎn)資源的日益緊張,低品位礦石的開采和利用越來越受到人們的關(guān)注。微生物浸礦成本低、浸礦環(huán)境溫和、綠色環(huán)保 [1],適合處理低品位礦石,但傳統(tǒng)微生物浸礦菌種較單一,主要聚焦在氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidans)的研究上[2],其在處理硫化礦物上具有優(yōu)勢,但一般無法處理其他類型的礦物,同時在處理堿性脈石礦物時,會因為堿性脈石耗酸量大而導致pH波動大,微生物生長環(huán)境難以保證。堿性微生物浸出 [3-4]可以有效解決以上問題,其浸出環(huán)境為堿性,可以避免出現(xiàn)脈石礦物的高耗酸,防止pH大范圍波動。高效堿性浸礦微生物的研究對于降低浸礦成本、實現(xiàn)綠色礦山、豐富微生物浸礦菌種具有重要意義。
浸出條件優(yōu)化對提高微生物浸出率非常重要。鞏冠群等人[5]優(yōu)化了氧化亞鐵硫桿菌的培養(yǎng)基及浸出條件,使菌株活性獲得明顯提高,最高脫硫效率達到76.2%。郭朝暉等人[6]通過正交設(shè)計和搖瓶實驗,優(yōu)化了Pb/Zn冶煉廢渣中有價金屬生物浸出條件,在優(yōu)化條件下,金屬Cu,Zn,In 和Ga 的浸出率分別達到95.5%,93.5%,85.0%和80.2%。通常浸出條件優(yōu)化的方法為單次單因子法和正交實驗設(shè)計法,單次單因子法無法考察各因素間的交互作用,因而無法總是獲得最佳浸出條件[7]。正交實驗注重如何合理科學的安排實驗,可以找到最佳因素水平組合,但無法在整個區(qū)域上找到響應(yīng)值與各因素的回歸方程,從而無法找到整個區(qū)域上因素的最佳組合[8]。響應(yīng)曲面分析法實驗次數(shù)少、周期短,并且可以獲得各因素與響應(yīng)值的回歸方程,從而可以擬補以往實驗方法存在的不足。本實驗在前期工作中通過紫外誘變篩選出一株高浸出率的產(chǎn)氨浸銅突變株,為了進一步提高其浸銅潛力,本文以浸出率為響應(yīng)值,通過Plackett-Burman(PB)設(shè)計法篩選出影響浸出率的重要因素,通過最陡爬坡實驗接近最大相應(yīng)區(qū)域,使用響應(yīng)曲面分析法建立連續(xù)變量曲面模型,對影響浸出率的重要因素進行優(yōu)化。
1 實驗材料及方法
1.1 實驗材料
菌種:堿性產(chǎn)氨細菌JAT-1,經(jīng)16SRNA鑒定為Providencia sp. (普羅威登斯菌屬)。
培養(yǎng)基成分:檸檬酸鈉:10g/L、尿素:20g/L、K2HPO4:1.4g/L、Na2HPO4:2.1g/L、MgSO40.2g/L。
初始浸出條件:溫度30℃,搖床轉(zhuǎn)速120r/min,初始pH:7,接種量20%。
礦石:礦樣為云南某礦氧化銅礦石,使用X射線衍射法對礦石進行銅物相分析,結(jié)果如表1,可以看出該礦石脈石礦物主要以硅酸鹽為主,次有碳酸鹽類及氧化物類,該銅礦石含泥量較高,為典型的難處理高堿性氧化銅礦石[9]。浸礦時采用加工至200目以下的礦樣。
1.2 實驗方法
本實驗采用室內(nèi)搖瓶,取對數(shù)期的細菌按一定的接種量接種至液體培養(yǎng)基中,按14%礦漿濃度加入200目礦樣,于溫度可調(diào)節(jié)的恒溫氣浴振蕩器中振蕩培養(yǎng)。不同時刻的浸出率通過取少量浸出液,檢測銅離子濃度計算獲得,取樣后補充相同體積的新鮮培養(yǎng)基,以減少誤差。
2 實驗原理及方案
2.1 產(chǎn)氨細菌浸礦原理
Groudeva 等[10]曾使用尿素分解細菌進行過碳酸鹽型銅礦浸出實驗。研究顯示,堿性產(chǎn)氨菌株通過分解尿素產(chǎn)氨,溶液中存在微生物對脈石的侵蝕作用、氨與銅的各類礦石的絡(luò)合作用、堿性細菌的氧化還原作用、某些大分子蛋白質(zhì)和胞外多聚物(EPS)的絡(luò)合作用,礦漿中主要發(fā)生的反應(yīng)有:
2.2 Plackett-Burman實驗
根據(jù)前期單因素實驗,得到了影響堿性產(chǎn)氨細菌的浸出率可能因素,對包括A-檸檬酸鈉、B-Na2HPO4、C-KH2PO4、D-MgSO4、E-初始pH值、F-搖床轉(zhuǎn)速、G-溫度、H-接種量在內(nèi)的9個因素進行考察,選用N=11的PB設(shè)計,為考慮誤差,設(shè)置3個虛擬組,每個因素取高低兩個水平,+1表示高水平、-1表示低水平。利用design-expert軟件對實驗結(jié)果進行各因素的顯著性分析,選取P<0.05的因素為主要影響因素,得到對浸出率影響最大的幾個因素。
2.3 最陡爬坡實驗
響應(yīng)曲面對方程的擬合只有在所考察區(qū)域相鄰近的區(qū)域內(nèi)才可以充分還原真實情況,而在其他區(qū)域內(nèi)無法獲得響應(yīng)曲面和擬合方程。所以,應(yīng)該在最大浸出率附近區(qū)域內(nèi)建立有效的響應(yīng)曲面方程。本實驗根據(jù)PB實驗結(jié)論確定爬坡方向,根據(jù)各因素響應(yīng)值大小確定爬坡步長。
2.4 響應(yīng)曲面實驗設(shè)計
在PB實驗得到影響浸出率最顯著因素后,經(jīng)過最陡爬坡實驗確定響應(yīng)曲面實驗區(qū)域,以浸出率為響應(yīng)指標設(shè)計實驗,得到顯著因素與響應(yīng)值的等高線關(guān)系圖與曲面響應(yīng)圖,并用多項式對實驗數(shù)據(jù)進行擬合得到浸出率與顯著因素的經(jīng)驗?zāi)P汀?因素3水平Box-Behnken設(shè)計如表2所示:
2.5 優(yōu)化驗證實驗
在最佳浸出條件和原始浸出條件下分別進行實驗,驗證預測模型的準確性與浸礦優(yōu)化效果。
3 實驗結(jié)果與分析
3.1 Plackett-Burman實驗及結(jié)果分析
通過表4方差分析可以看出,8個因素中有3個為顯著因素,其顯著程度為:A-檸檬酸鈉>E-pH值>G-溫度。其中檸檬酸鈉作為浸礦細菌的能源物質(zhì),起到至關(guān)重要的作用,pH值與溫度則通過影響細菌的生長,從而影響浸出率。
3.2 最陡爬坡實驗結(jié)果及分析
PB實驗擬合出浸出率與8種成分的一階方程為:
Y=-13.97292+2.39633A-0.18556B-0.31500C+0.65833D+1.94958E-0.039042F+0.59183G+0.042500H。一階模型中A、E、G的系數(shù)均為正,可以確定檸檬酸鈉、pH值和溫度的最陡爬坡方向為正,爬坡步長的確定可參考相關(guān)資料[11]。此處確定A步長為2、E的步長為1、溫度步長為5。爬坡實驗結(jié)果表5顯示,浸出率在X+3x到X+4x之間有最高點。因此,選取X+3x為之后中心組合實驗中心點。
3.3 響應(yīng)曲面實驗結(jié)果及分析
圖1顯示檸檬酸鈉量與pH交互影響的響應(yīng)曲面及等高線圖。由圖可知,在本實驗水平范圍內(nèi),隨著檸檬酸鈉含量的增大,浸出率隨之提高,最終達到最大值。這是因為檸檬酸鈉為浸礦細菌的能源物質(zhì),在能源物質(zhì)充足時,可以保證尿素完全水解產(chǎn)氨,并維持細菌活性。檸檬酸鈉超量時,受細菌活性和產(chǎn)氨量的限制,浸出率不會再提升;當檸檬酸鈉量小于14g/L時,無論pH如何變化浸出率都無法達到最高值,當檸檬酸鈉量大于14g/L時,浸出率隨pH增大呈先升高后降低的趨勢,因此應(yīng)該控制檸檬酸鈉量在14g/L以上,浸出率可以達到本實驗最高值。
圖2顯示檸檬酸鈉與溫度的交互影響及響應(yīng)曲面圖,與圖1類似,檸檬酸鈉量對浸出率有決定性影響,當檸檬酸鈉量小于14g/L時無論溫度如何變化都無法達到最高值,當檸檬酸鈉量大于14g/L,溫度在27℃和33℃之間時,浸出率有最高值。
圖3顯示pH與溫度的交互影響及響應(yīng)曲面圖。由圖可以看出,溫度與pH的交互作用明顯,二者存在協(xié)同作用。且在實驗水平范圍內(nèi),pH值在9~10、溫度在29~33℃時浸出率有最大值。
利用Design Expert軟件進行方差分析和二次多項回歸擬合實驗,以Y(浸出率)為響應(yīng)值,以A(檸檬酸鈉),B(pH),C(溫度)為自變量,擬合得到多元二次回歸方程:
Y=-260.83752+3.08888A+29.53865B+8.25494C-0.45938AB+0.010875AC+0.22450BC+0.12951A2-1.58292B2-0.17152C2
由表7得知,模型的Prob值<0.0001,失擬項(0.0973>0.05),說明該模型回歸極顯著,失擬不顯著。模型的相關(guān)系數(shù)R2=99.47%,表明相關(guān)性很好,校正相關(guān)系數(shù)AdjR2=98.87%說明響應(yīng)面98.87%的變化可以由此模型解釋,總體來說,該模型能夠較好的解釋實驗數(shù)據(jù)。
為了獲得最高浸出率,對多元回歸方程模型進行分析,存在穩(wěn)定點:A=15.5,B=9.25,C=30.61,此時模型的預測值為50.8%。
3.4 回歸方程的驗證
為了檢驗?zāi)P偷念A測的準確性,在最佳浸出條件和原始浸出條件下分別進行實驗,所得實際的浸出率分別為53.26%和42.71%。實際浸出率與模型的預測值較接近,說明模型較好的預測了浸出情況。
4 結(jié)論
(1)采用Plackett-Bruman實驗,得到了對浸出率影響最顯著的三個因素:檸檬酸鈉,初始pH和溫度,并通過最陡爬坡實驗獲得三因素曲面響應(yīng)實驗的中心點:檸檬酸鈉=13.5g/L、pH=11、溫度=35℃。
(2)采用3因素3水平曲面響應(yīng)Box-Behnken設(shè)計,考察了檸檬酸鈉量、初始pH和溫度三個因素對浸出的影響,分析發(fā)現(xiàn),當檸檬酸鈉大于15g/L、pH在9~10、溫度在29~33℃之間時浸出率有最大值,并獲得了浸出率預測模型。
(3)對浸出模型進行分析,并結(jié)合初始浸出條件獲得優(yōu)化浸出條件:檸檬酸鈉:15.5g/L,pH:9.25,溫度:30.61℃,硫酸鎂:0.2g/L,磷酸二氫鈉2.1g/L,磷酸二氫鉀:1.4g/L, 搖床轉(zhuǎn)速:120r/min,接種量:20%。分別在優(yōu)化浸出條件和原始浸出條件下進行浸出實驗,浸出率分別為:53.26%和42.71%。
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作者簡介:李廣澤(1988-),男,碩士,助理采礦工程師,主要從事采礦工程、巖土力學方面的工作。