氧化亚铁钩端螺旋菌生长与浸矿过程模型及过程在线监测与控制研究

摘要

生物冶金是微生物学与湿法冶金的交叉学科。近二三十年来，由于可用常规方法开采的金属富矿日益匮乏，也由于人们的环保意识不断增强，人们越来越开始关注如何使用生物浸矿技术，特别是应用生物浸矿技术从各种低品位矿中回收重要金属。氧化亚铁钩端螺旋菌(Leptospirillumferrooxidans)是生物湿法冶金过程主要的浸矿菌种之一。该菌是一类专性自养铁氧化细菌，螺旋状，革兰氏阴性菌，有鞭毛，可运动。最适生长pH2.0，在pH1.0时仍能很好的生长；最适生长温度37℃，最高45℃。由于L.ferrooxidans可以耐受较低的pH值及较高的氧化还原电位和较高的温度，因而在微生物浸矿中起着重要的作用，已越来越受到人们的关注。在硫化矿细菌浸出过程中，金属的溶解速率与细菌的生物量有关。研究细菌生长繁殖过程中铁的行为以及各种参数的变化规律对实际的细菌浸出过程工艺条件的控制与优化具有重要的参考价值。 硫化矿的氧化分为生物氧化和化学氧化(主要是三价铁离子)两大类，其中细菌吸附在固体反应物的表面是生物浸出过程的最重要的环节。氧化亚铁硫杆菌对金属硫化物的生物浸出主要分为两类，即直接浸出和间接浸出。然而，Rojas-Chapana认为存在间接和直接浸出的协调作用，而且这种协调作用有利于细菌的生存。 本文通过对氧化亚铁钩端螺旋菌在9K培养基中生长及铁的行为的研究。以Fe2+的氧化表征氧化亚铁钩端螺旋菌的生长特性及活性，推导并建立了氧化亚铁钩端螺旋菌MLH04在含亚铁培养基中的生长响应模型。考察了不同二价铁离子初始浓度、三价铁离子初始浓度对菌体生长和对亚铁离子氧化速率的影响，并建立了底物和产物抑制条件下的细菌生长动力学模型。考察了不同初始pH对菌体生长和对亚铁离子氧化速率的影响，并建立了不同pH条件下的细菌生长动力学模型。使用遗传算法与禁忌搜索两种优化算法，通过计算机拟合，确定了模型中的各个动力学参数。利用该模型可以较好的预示含亚铁培养基中的各个因素对细菌生长的影响。 本文研究了氧化亚铁钩端螺旋菌在硫化矿粉上的氧化反应，测定了细菌在矿石上的附着情况，考察了三价铁离子对硫化矿的化学氧化作用，建立了相关动力学模型并对参数进行了优化。 本文建立了氧化亚铁钩端螺旋菌浸矿的综合简单模型，数据显示该模型可以较好的符合浸矿过程中各个量的变化趋势，具有一定的实际价值。 本文借助于I-7000系列模块并结合编写的程序，实现了计算机对氧化亚铁钩端螺旋菌在含亚铁培养基中生长的在线监测与控制，并使氧化亚铁钩端螺旋菌在9K培养基中生长得到的菌浓提高了6倍。 本文研究了氧化亚铁钩端螺旋菌在纤维性材料上的固定化特性，并使用反应器对氧化亚铁钩端螺旋菌固定化后转化二价铁离子生成高铁离子进行了初步研究。 本文研究了遗传算法与禁忌搜索数学模型参数拟合中的应用，以及他们的结合使用，采用龙格-库塔法积分对模型进行数值求解。结果表明，优化算法能够高效地优化计算模型参数，使模型预测值与实验数据吻合良好。 本文以微软公司的VisualBasic为编程语言，编制了优化算法、数学模型模拟与预测以及计算机在线数据采集、记录、反馈的计算机软件。

目录

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摘 要

第一章.绪论

第二章.遗传算法及禁忌搜索在生物数学模型参数优化中的应用

第三章.氧化亚铁钩端螺旋菌生长动力学研究

第四章.氧化亚铁钩端螺旋菌生长的数学模型构建与过程模拟

第五章.硫化矿物生物氧化动力学研究

第六章.氧化亚铁钩端螺旋菌浸矿的数学模型构建与过程模拟

第七章.氧化亚铁钩端螺旋菌生长过程计算机在线监测与控制

第八章、氧化亚铁钩端螺旋菌固定化研究

总结

参考文献

符号说明

致谢