抗生素菌渣理化特性

貢麗鵬，郭 斌，任愛(ài)玲，劉仁平，宋漢寧

（河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

抗生素菌渣理化特性

貢麗鵬，郭 斌，任愛(ài)玲，劉仁平，宋漢寧

（河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

以制藥廠發(fā)酵土霉素、青霉素菌渣為研究對(duì)象，利用元素分析儀、原子吸收分光光度計(jì)、高效液相色譜儀以及差熱－熱重分析儀、氧彈熱量計(jì)和傅里葉紅外光譜儀分別對(duì)2種菌渣的理化特性進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：菌渣中C，O元素含量較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到40%和30%以上，無(wú)機(jī)成分、重金屬含量及多環(huán)芳烴含量均較低；菌渣中主要官能團(tuán)為O—H和C—C，為蛋白質(zhì)、纖維素等有機(jī)物質(zhì)的特征官能團(tuán)；菌渣的熱解過(guò)程可分為3個(gè)階段，第二階段是熱解的主要階段，為揮發(fā)分的析出階段，另外，土霉素菌渣和青霉素菌渣的熱值分別為16.894MJ／kg和17.641MJ／kg。

抗生素；土霉素菌渣；青霉素菌渣；理化特性

菌渣是抗生素生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢物，其主要成分包括菌絲體、剩余培養(yǎng)基、發(fā)酵代謝產(chǎn)物和少量殘留抗生素［1］。過(guò)去，大量的抗生素菌渣經(jīng)干燥后被加工成動(dòng)物飼料或者飼料添加劑使用，但由于抗生素菌渣做飼料容易引起動(dòng)物的耐藥性，并且由于未做安全性試驗(yàn)，存在各種安全隱患，因此于2002年被列入《禁止在飼料和動(dòng)物飲用水中使用的藥物品種目錄》。由于抗生素菌渣產(chǎn)生量大、含水率高，處理費(fèi)用高，有處理資質(zhì)的單位數(shù)量少且處理能力有限，按照危險(xiǎn)廢物處理方式進(jìn)行焚燒或填埋處置受到了限制，菌渣的處理問(wèn)題日益突出［2］。

近年來(lái)，對(duì)于抗生素菌渣資源化利用的研究很少，李士坤等研究了從青霉素菌絲體中提取純化核糖核酸的工藝條件［3］。華北制藥集團(tuán)將HB菌渣和青霉素菌渣混合后，采用微生物發(fā)酵技術(shù)，使菌渣中殘留的HB及青霉素失活，并最終生產(chǎn)為有機(jī)肥料［4］。河北科技大學(xué)郭斌課題組以青霉素菌絲體為基本原料，確定了化學(xué)活化法制備菌絲體活性炭的工藝條件，具有良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益［5－6］。但總體上來(lái)講，菌渣的利用技術(shù)還不夠成熟，且對(duì)其綜合利用的技術(shù)研究甚少，甚至理化特性的研究也很少，因此，研究抗生素菌渣的理化特性，對(duì)于合理資源化利用抗生素菌渣具有重要意義。筆者選用石家莊市某制藥廠土霉素、青霉素菌渣為研究對(duì)象，測(cè)試其物理特性及化學(xué)成分，以便為實(shí)現(xiàn)抗生素菌渣的綜合利用和合理處置提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

抗生素菌渣是微生物制藥發(fā)酵工藝中，過(guò)濾提取發(fā)酵濾液后剩余的濾渣?？股厣a(chǎn)工藝及菌渣產(chǎn)生過(guò)程如圖1所示。

圖1 抗生素發(fā)酵工序Fig.1 Process of antibiotics fermentation

實(shí)驗(yàn)選用樣品取自石家莊市某制藥廠抗生素生產(chǎn)工藝正常運(yùn)行時(shí)過(guò)濾后的菌渣，從菌渣堆中以四分法的方式取樣，取回的濕菌渣放于烘箱，在105℃條件下干燥24h，然后經(jīng)研磨后使其全部通過(guò)200目（75 μm）標(biāo)準(zhǔn)篩，后置于玻璃干燥器中備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

抗生素菌渣的工業(yè)分析依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（以下簡(jiǎn)稱為國(guó)標(biāo)）《煤的工業(yè)分析方法》（GB／T 212—2008）進(jìn)行分析，元素分析采用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的Vario EL CUBE元素分析儀。重金屬Hg，Cr，Cd，Pb，Zn的含量根據(jù)國(guó)標(biāo)GB／T 15555—1995采用原子吸收分光光度法測(cè)定；Ni采用丁二酮肟分光光度法測(cè)定；As采用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法測(cè)定。無(wú)機(jī)成分采用國(guó)標(biāo)《粘土化學(xué)分析方法》（GB／T 16399—1996）進(jìn)行測(cè)定。

多環(huán)芳烴采用美國(guó)產(chǎn)Agilent－1100型高效液相色譜儀進(jìn)行測(cè)定，分析中采用熒光檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。色譜條件為色譜柱：Agilent 250mm×4.6mm，反相，C18柱；柱溫：30℃；流動(dòng)相：甲醇／水；流動(dòng)相流速：1mL／min；梯度淋洗。

差熱－熱重（TG－DT）分析采用日本島津公司生產(chǎn)的DTG－60H差熱－熱重分析儀（thermogravimetric differential thermal analysis，TG－DTA），在氮?dú)夥諊逻M(jìn)行分析（氮?dú)饬髁繛?0mL／min，升溫速率為10℃／min，測(cè)試溫度范圍為室溫至1 400℃）。熱值采用XRY－1B氧彈熱量計(jì)進(jìn)行測(cè)定，儀器熱容量為12 000 J／℃左右。儀器采用恒溫式測(cè)量模式，氧氣鋼瓶壓力要求在5MPa以上，減壓閥輸出壓力為2.8～3.0 MPa，充氧時(shí)間不少于15s。

官能團(tuán)的測(cè)定采用美國(guó)熱電公司生產(chǎn)的Nicolet 6700型傅里葉紅外光譜儀，波數(shù)范圍為400～4 000cm－1，儀器選配的漫反射附件為橢面會(huì)聚系統(tǒng)漫反射裝置。譜圖測(cè)試條件：常規(guī)透射吸收時(shí)分辨率為4cm－1，掃描次數(shù)為32次。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)特性分析

抗生素菌渣的化學(xué)特性分析對(duì)其資源化利用有重要意義，表1是依據(jù)GB／T 212—2008進(jìn)行的菌渣工業(yè)分析和采用Vario EL CUBE元素分析儀測(cè)得的元素分析的結(jié)果，表2是菌渣無(wú)機(jī)成分化學(xué)分析結(jié)果。由此可以看出：

1）土霉素菌渣中揮發(fā)分含量（以下各成分含量均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示）最高，可達(dá)65.92%，水分含量較低，為5.07%，其余的為灰分（11.49%）和固定碳（17.52%），青霉素菌渣中揮發(fā)分含量（71.17%）和水分含量（12.65%）均高于土霉素菌渣中的相應(yīng)含量，而灰分（6.42%）和固定碳（9.76%）的含量明顯較低。菌渣中揮發(fā)分含量高主要是因?yàn)楹写罅康挠袡C(jī)培養(yǎng)基、代謝產(chǎn)物和一部分菌絲體。

2）2種菌渣中C和O含量都較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到40%和30%以上，這是由于菌渣中含有大量有機(jī)物的緣故還含有少量的H，N，S［7］。

3）菌渣中含有一定量的無(wú)機(jī)成分，含量相對(duì)較低，這主要來(lái)自于菌渣中含有剩余的培養(yǎng)基。

表1 菌渣工業(yè)分析和元素分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of bacterial residue %

表2 菌渣無(wú)機(jī)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 Inorganic components of bacterial residue %

2.2 重金屬含量測(cè)定

抗生素菌渣中含有重金屬，重金屬在菌渣的存放和處置過(guò)程中會(huì)以金屬離子的形式進(jìn)入土壤和地下水。因此，測(cè)定菌渣中重金屬離子的含量是有必要的，若含量高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，就必須加以去除，防止形成二次污染。表3為土霉素菌渣和青霉素菌渣中重金屬含量測(cè)定結(jié)果。

表3 菌渣重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.3 Content of heavy metals in bacterial residue mg／kg

由表3可知，土霉素菌渣中重金屬含量由高到低依次為Zn，Ni，Cr，Pb，As，Cd，Hg；青霉素菌渣中重金屬含量除As以外，其他元素含量都低于土霉素中相應(yīng)重金屬的含量。按照中國(guó)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）規(guī)定的污泥農(nóng)用時(shí)（在酸性土壤上）污染物的控制標(biāo)準(zhǔn)限值，2種菌渣中重金屬含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)定限值。

2.3 多環(huán)芳烴分析

多環(huán)芳烴（PAHs）是指2個(gè)以上苯環(huán)以稠環(huán)形式相連的半揮發(fā)性有機(jī)污染物，具有致癌、致畸、致突變等毒性，在環(huán)境介質(zhì)中持久存在，且易于在生物體內(nèi)富集，對(duì)人體健康威脅很大，因此，其引起的環(huán)境和生態(tài)污染的持久性問(wèn)題已受到廣泛關(guān)注?？股鼐蠵AHs主要通過(guò)某些細(xì)菌、藻類和植物的生物合成產(chǎn)物而得到，如果得不到有效隔離控制，釋放出來(lái)后會(huì)通過(guò)多種途徑進(jìn)入到土壤和水體等環(huán)境介質(zhì)中去。因此，在對(duì)土霉素菌渣的安全使用或處置時(shí)，測(cè)定其中的多環(huán)芳烴是很有必要的。15種PAHs作為優(yōu)先控制污染物，其測(cè)定結(jié)果如表4所示。

由表4可見(jiàn)，菌渣中含有14～15類多環(huán)芳烴，其中土霉素菌渣中PAHs含量相對(duì)較低，其總含量為607.24μg／kg，而青霉素菌渣中PAHs總含量為844.64μg／kg，在這些PAHs中苯并［a］蒽、苯并［b］熒蒽、苯并［k］熒蒽、二苯并［a，h］蒽屬于致癌物質(zhì)，苯并［a］芘為致突變物質(zhì)，它們的相對(duì)含量相對(duì)較低（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜0.1%），低于國(guó)家危險(xiǎn)固體廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)（GB 5085.6—2007）中規(guī)定的多環(huán)芳烴的物質(zhì)含量。

表4 菌渣中多環(huán)芳烴的含量Tab.4 Result of polyaromatic hydrocarbon content μg／kg

2.4 X射線光電子能譜分析

筆者對(duì)2種抗生素菌渣進(jìn)行X射線光電子能譜分析（以下簡(jiǎn)稱能譜分析），確定其中元素種類以及含量，為用菌渣熱解后產(chǎn)生的熱解焦炭做活性炭提供科學(xué)有利的數(shù)據(jù)支持（見(jiàn)圖2）。

圖2 土霉素菌渣和青霉素菌渣X射線光電子能譜分析圖Fig.2 Electron spectroscopy of terramycin bacterial residue and penicillin bacterial residue

圖2a）為土霉素菌渣能譜分析，由能譜分析顯示，其中主要元素為C和O，還有少量的Ca，P。其質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表5，其中C，O質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為46.88%和40.46%；圖2b）為青霉素菌渣能譜分析，顯示菌渣中含有C，O，Al，Ca和Si，而C，O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，分別為50.39%和38.25%。能譜分析結(jié)果與元素分析結(jié)果相比均偏高，但基本吻合，這主要與掃描范圍有關(guān)［8］。

表5 X射線光電子能譜分析結(jié)果Tab.5 X－ray photoelectron spectroscopy analysis %

2.5 傅里葉紅外光譜分析

傅里葉紅外（fourier－transform infrared，F(xiàn)TIR）分析是一種微區(qū)分析技術(shù)，其測(cè)試樣品不受晶質(zhì)和非晶質(zhì)限制，依據(jù)對(duì)紅外光譜圖上吸收帶的分析，可從中了解土霉素菌渣中有機(jī)質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其變化［9］。

圖3a）為土霉素菌渣的傅里葉紅外光譜圖［10］，由圖顯示：在波數(shù)為3 426cm－1處出現(xiàn)寬而較強(qiáng)的吸收峰，為糖類、脂類分子中的O—H伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰；在2 900cm－1先后出現(xiàn)2個(gè)吸收峰，分別為飽和碳?xì)浠衔镏屑谆蛠喖谆腃—H伸縮振動(dòng)吸收峰；在波數(shù)為2 089cm－1處為C≡C的伸縮振動(dòng)；在1 617 cm－1出現(xiàn)強(qiáng)吸收峰，主要是由于C ═C的伸縮振動(dòng)，1 449cm－1處峰較弱，為C—CH3不對(duì)稱彎曲振動(dòng)峰，脂肪胺的C—N伸縮振動(dòng)，其位置主要取決于氫鍵締和的程度，一般在1 220～1 030cm－1處有一較弱的峰；779cm－1處為芳環(huán) ═C—H面外彎曲振動(dòng)；波數(shù)517cm－1為—S—S—［11－12］。

圖3b）為青霉素菌渣傅里葉紅外光譜圖。在3 400cm－1處出現(xiàn)強(qiáng)吸收峰，為O—H伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的特征吸收峰；2 850cm－1處的吸收峰代表C—H伸縮振動(dòng)吸收峰；1 654cm－1處出現(xiàn)窄而強(qiáng)的吸收峰為菌渣中烯烴化合物C ═C的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰；1 000cm－1左右有一較強(qiáng)吸收峰為脂肪胺C—N伸縮振動(dòng)。

由以上分析可知菌渣中主要含有飽和烷烴及糖類、脂類化合物。

圖3 土霉素菌渣和青霉素菌渣的傅里葉紅外光譜圖Fig.3 FTIR analysis of terramycin bacterial residue and penicillin bacterial residue

2.6 菌渣的熱解特性

抗生素菌渣的熱解過(guò)程包含了諸多發(fā)生在顆粒表面的復(fù)雜的多相物理化學(xué)過(guò)程。對(duì)于抗生素菌渣的處理目前還沒(méi)有更好的辦法，填埋處理含水率高、運(yùn)輸困難；焚燒容易產(chǎn)生二次污染。所以熱解法處理抗生素菌渣成為比較合適的資源化利用方法，本文研究菌渣的熱解特性為抗生素菌渣的熱解處理提供理論支持。圖4為菌渣樣品在20℃／min升溫速率下的失重（TG）和微分失重（DTG）曲線。

從圖4a）可以看出，在升溫速率一定的情況下，隨著溫度的升高，菌渣的熱解大致可分為水分析出、揮發(fā)分析出和炭化3個(gè)階段。第1階段為水分析出階段，這一階段發(fā)生微量的失重，失重率約為7.6%，溫度為40～220℃，在溫度較低時(shí)失去游離水，而在較高溫度時(shí)則是失去分子中的結(jié)晶水。第2個(gè)階段為揮發(fā)分析出階段，溫度為220～800℃，該階段是熱解過(guò)程的主要階段，失重率達(dá)到75%，此階段又可細(xì)分為2個(gè)階段，即低溫?zé)峤怆A段和高溫?zé)峤怆A段。在低溫?zé)峤怆A段，當(dāng)溫度為325℃時(shí)，DTG曲線上的波峰代表蛋白質(zhì)和可溶性多糖的熱解，在500～750℃時(shí)內(nèi)先后出現(xiàn)3個(gè)肩狀峰，主要代表細(xì)胞壁、纖維素等不溶性多糖的熱解，從DTG曲線可以看出低溫范圍內(nèi)揮發(fā)分熱解析出速率明顯高于高溫?zé)峤猓?3－14］。第3個(gè)階段是800～1 000℃的炭化階段，隨著剩余物的緩慢分解，最后剩下無(wú)機(jī)灰分和固定碳。

青霉素菌渣與土霉素菌渣熱解特性的不同之處在于熱解的第2階段和第3階段，第2階段溫度為220～500℃，失重很明顯，失重率約為60%，在310℃處DTG曲線出現(xiàn)峰值，而且整個(gè)過(guò)程只出現(xiàn)一次峰值，這一階段主要是大量蛋白質(zhì)的熱解，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)熱解溫度較低。第3階段溫度為500～1 000℃，這一階段揮發(fā)分熱解很緩慢，失重率約為20%，相對(duì)應(yīng)的DTG也沒(méi)出現(xiàn)峰值，主要為低溫難熱解物質(zhì)（如纖維素等）的熱解，最后剩下的為灰分和固定碳。造成這種現(xiàn)象的原因?yàn)榍嗝顾鼐械鞍踪|(zhì)含量高于土霉素菌渣中的含量，且含量相對(duì)較高，所以在較低、較窄溫度范圍內(nèi)發(fā)生熱解，之后其他難熱解成分繼續(xù)熱解。

圖4 土霉素菌渣和青霉素菌渣在20℃／min升溫速率下的TG和DTG曲線Fig.4 TG and DTG curves at heating rate of 20℃／min of terramycin bacterial residue and penicillin bacterial residue

2.7 熱值分析

抗生素菌渣作為一種資源，不能直接燃燒處理，否則會(huì)形成二次污染。菌渣可以通過(guò)熱解處理，產(chǎn)物為熱解焦炭，測(cè)定菌渣的熱值與熱解焦炭的熱值作對(duì)比。土霉素菌渣、青霉素菌渣熱值分析結(jié)果如表6所示。

由表6可以看出，土霉素菌渣、青霉素菌渣的氧彈發(fā)熱量分別為16.894MJ／kg和17.641 MJ／kg，高于高位發(fā)熱量［15］。主要是因?yàn)檠鯊棸l(fā)熱量是在有過(guò)剩氧氣的條件下，彈筒內(nèi)燃燒產(chǎn)物為二氧化碳、硫酸、硝酸、呈液態(tài)的水和固態(tài)的灰渣，而高位發(fā)熱量是樣品在空氣中燃燒時(shí)，其中的硫只生成二氧化硫，氮?jiǎng)t成為游離氮逸出，稀硫酸和稀硝酸在形成過(guò)程中要生成熱，從氧彈發(fā)熱量中減去上述2種稀酸的生成熱后的熱量就是菌渣的高位發(fā)熱量。高位發(fā)熱量高于低位發(fā)熱量，原因是樣品在空氣中燃燒與在氧彈中燃燒的另一個(gè)不同點(diǎn)是，在空氣中燃燒時(shí)，菌渣中的全部水分（包括菌渣中原有的和燃燒后生成的水）都呈水蒸氣狀態(tài)而排出，而在氧彈中燃燒時(shí)，水蒸氣則凝集成液態(tài)水，保留在彈筒內(nèi)。菌渣的高位發(fā)熱量減去水的蒸發(fā)熱就是菌渣的低位發(fā)熱量［16］。

表6 菌渣熱值分析結(jié)果Tab.6 Calorific value of bacterial residue MJ／kg

3 結(jié) 論

1）根據(jù)能譜分析及元素分析結(jié)果得出，菌渣中C和O含量較高，工業(yè)分析得出2種菌渣中大部分物質(zhì)為揮發(fā)分，質(zhì)量分?jǐn)?shù)都達(dá)到65%以上，水分含量較低，其主要官能團(tuán)為C—O和C—C。

2）菌渣的熱解過(guò)程分為水分析出、揮發(fā)分析出和炭化3個(gè)階段，其中第2階段為熱解的主要階段，土霉素菌渣熱解溫度為220～800℃，為所有揮發(fā)分的熱解，失重率達(dá)到75%，青霉素菌渣熱解溫度為220～500℃，為蛋白質(zhì)的熱解，失重約為60%。

3）菌渣中7種重金屬及多環(huán)芳烴含量均較低，均低于國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

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Physical and chemical properties of antibiotics bacterial residue

GONG Li－peng，GUO Bin，REN Ai－ling，LIU Ren－ping，SONG Han－ning
（College of Environmental Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China）

This paper is to characterize terramycin and penicillin bacterial residues from the microbial fermentation process in the pharmaceutical industry.Element analyzer instrument，atomic absorption spectrophotometer（AAS），high performance liquid chromatography（HPLC）analysis，DTG－60Hinstrument，XRY－1Boxygen bomb calorimeter and Fourier transform infrared spectrometer（FTIR）are employed to identify the two samples in order to investigate the physical and chemical characteristics.The results show that the bacterial residues contain characteristically high carbon and oxygen levels，which are more than 40% and 30%，respectively.The concentrations of inorganic components，seven heavy metals（Pb，Cr，Cd，Zn，As，Ni and Hg）and polycyclic aromatic hydrocarbons（PAHs）are low.The main functional group are O—H and C—C，which are the characteristic functional groups of protein，cellulose and other organic substances.The pyrolysis process of terramycin and penicillin bacterial residues has three stages，and most of the organic materials are decomposed at the second stage.Additionally，the calorific values of terramycin and penicillin bacterial residues are 16 894kJ／kg and 17 641kJ／kg，respectively.

antibiotics；terramycin bacterial residue；penicillin bacterial residue；physical and chemical properties

X705

A

1008－1542（2012）02－0190－07

2011－08－29；責(zé)任編輯：王海云

國(guó)家環(huán)保部環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（2011467004）

貢麗鵬（1985－），男，河北鹿泉人，碩士研究生，主要從事大氣污染控制和固體廢物資源化方面的研究。

郭 斌教授。E－mail：gbin69＠163.com