堿熱預(yù)處理對(duì)青霉素菌渣厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣效率的影響

趙燕肖， 習(xí)彥華， 饒 碩,3， 崔冠慧， 程輝彩， 張麗萍， 史延茂

(1.河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院， 天津 300132； 2.河北省科學(xué)院生物研究所， 石家莊 050081； 3.河北科技大學(xué) 環(huán)境學(xué)院， 石家莊 050000)

項(xiàng)目來(lái)源： 河北省高層次人才資助項(xiàng)目(E2015100006)； 河北省財(cái)政預(yù)算項(xiàng)目(16305)；河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(C2015302018)

堿熱預(yù)處理對(duì)青霉素菌渣厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣效率的影響

趙燕肖1,2， 習(xí)彥華2， 饒 碩2,3， 崔冠慧2， 程輝彩2， 張麗萍2， 史延茂2

(1.河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院， 天津 300132； 2.河北省科學(xué)院生物研究所， 石家莊 050081； 3.河北科技大學(xué) 環(huán)境學(xué)院， 石家莊 050000)

為提高青霉素菌渣厭氧發(fā)酵效率，試驗(yàn)應(yīng)用響應(yīng)面法對(duì)其堿熱預(yù)處理工藝進(jìn)行優(yōu)化。采用Design-Expert8.0.6的Box-Benhken設(shè)計(jì)，以SCOD為響應(yīng)值Y，研究溫度、時(shí)間和堿度3個(gè)因素對(duì)青霉素菌渣預(yù)處理的影響，建立SCOD數(shù)學(xué)模型，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化降維分析，并進(jìn)一步通過(guò)批式厭氧發(fā)酵試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，青霉素菌渣堿熱預(yù)處理最佳條件為：溫度60 ℃，時(shí)間1.25 h ，堿度6% 。模型預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值之間的誤差為0.8%，模型的修正決定系數(shù)為 0.9994，擬合性好。厭氧發(fā)酵試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)處理菌渣沼氣產(chǎn)率為256.3 mL·g-1TS，比對(duì)照組產(chǎn)氣效率提高了31.4%；甲烷產(chǎn)率為126.7 mL·g-1TS，比對(duì)照組提高了28.8%。

青霉素菌渣； 堿熱預(yù)處理； 響應(yīng)面分析； 厭氧發(fā)酵

我國(guó)是抗生素生產(chǎn)大國(guó)，隨著制藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，抗生素菌渣處理成為一大難題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每發(fā)酵生產(chǎn) 1 噸抗生素原藥會(huì)產(chǎn)生8～10噸濕菌渣。青霉素菌渣是我國(guó)抗生素發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中的主要廢料，年產(chǎn)量在100萬(wàn)噸左右[1]。依據(jù)2008年修訂的《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》，抗生素菌渣被列入危險(xiǎn)廢物范疇[2-3]。抗生素菌渣中含有大量的菌體蛋白(約占干重的 30%～40%)，豐富的多糖(約占干重的 10%以上)，麥角固醇(約占干重的 0.5%～1.0%)及培養(yǎng)基殘留物等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[4]。如果將其直接進(jìn)行焚燒和填埋處理，不僅處理費(fèi)用高，而且會(huì)造成資源的極大浪費(fèi)，與環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展要求不符。厭氧發(fā)酵是青霉素菌渣資源化、無(wú)害化處置技術(shù)的有效途徑之一[5]。通過(guò)對(duì)青霉素菌渣進(jìn)行產(chǎn)沼氣潛力試驗(yàn)得出，青霉素菌渣運(yùn)行負(fù)荷較低且處理效率不高。有研究表明青霉素菌渣進(jìn)行堿熱預(yù)處理[6-11]使其菌絲體破裂，釋放出大量的胞內(nèi)物質(zhì)，提高發(fā)酵底物有機(jī)質(zhì)，便于菌渣的資源化利用。因此在厭氧發(fā)酵前對(duì)菌渣進(jìn)行一定預(yù)處理，是提高青霉素菌渣運(yùn)行負(fù)荷和產(chǎn)氣效率的有效策略。通過(guò)響應(yīng)面設(shè)計(jì)試驗(yàn)[12,19]，對(duì)菌渣進(jìn)行堿熱預(yù)處理，測(cè)定離心后上清液中SCOD的變化，考察不同溫度，時(shí)間以及堿度對(duì)其破壁效果的影響。并進(jìn)一步通過(guò)厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，確定預(yù)處理對(duì)底物水解效率和產(chǎn)沼氣性能的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用青霉素菌渣來(lái)自石家莊某制藥廠，接種污泥來(lái)自石家莊污水處理廠。青霉素菌渣性質(zhì)分析如下表1。

表1 青霉素菌渣性質(zhì)分析 (%)

青霉素菌渣的含水率極高，為91.62%。其中碳元素高達(dá)43.34%，氮元素占8.81%，C/N為4.918。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 預(yù)處理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在前期單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，取溫度、時(shí)間與堿度3個(gè)因素，采用Design-Expert8.0.6的Box-Benhken方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研究上述3個(gè)因素對(duì)青霉素菌渣預(yù)處理的影響。每組試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)采用250 mL的錐形瓶，裝液量為50 mL，直接對(duì)含水率為91.82%的菌渣進(jìn)行處理。處理后進(jìn)行SCOD的測(cè)定。試驗(yàn)因素水平如表2，其中，x1-x3表示各因素真實(shí)值。設(shè)計(jì)方案如表4，其中，X1-X3表示編碼值。

表2 試驗(yàn)因素水平表

1.2.2 厭氧發(fā)酵試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用250 mL小瓶進(jìn)行批式厭氧發(fā)酵，有效體積為150 mL。有機(jī)負(fù)荷設(shè)定為20 gTS·L-1，接種物接種30%。設(shè)對(duì)照組和處理組，對(duì)照組不做任何處理，處理組菌渣在60℃，加堿量為6%情況下，進(jìn)行1.25 h水浴處理。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表3。在35℃±2℃條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵[10,15-18]，每個(gè)處理設(shè)5個(gè)平行。每日測(cè)其日產(chǎn)氣量、甲烷含量以及pH值等。

表3 厭氧發(fā)酵試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

SCOD采用化學(xué)需氧量快速測(cè)定儀(連華科技 5B-3C)測(cè)定；青霉素菌渣元素分析采用元素分析儀(Elementar vario MACRO)測(cè)定[17]；菌渣含水率：采用重量法測(cè)定[17]；產(chǎn)氣量用排水集氣法測(cè)定[17]；甲烷含量：氣相色譜法(Agilent 7980)測(cè)定[17]。

表4 試驗(yàn)方案及結(jié)果 (mg·L-1)

2 結(jié)果和分析

2.1 青霉素菌渣堿熱預(yù)處理數(shù)學(xué)模型的建立

試驗(yàn)方案及結(jié)果具體見表4。以SCOD Y 為目標(biāo)函數(shù)，編碼值X1，X2，X3為自變量，建立數(shù)學(xué)模型，模型所用SCOD值為表中各試驗(yàn)組總SCOD值的平均值。

利用Design-Expert8.0.6軟件對(duì)模型進(jìn)行分析，得出編碼空間內(nèi)的回歸方程：

各因素方差分析及回歸方程的方差分析結(jié)果見表5和表6?；貧w模型的F= 1263.90，P<0.01。該模型的修正決定系數(shù)為 0.9994，表明模型擬合程度較好。由表5各因素方差分析以及顯著性可知A-溫度，AB-溫度和時(shí)間的交互作用對(duì)SCOD值影響極其顯著(P<0.01)，BC-時(shí)間和堿度的交互作用也達(dá)到了顯著的影響效果(P<0.05)，B-時(shí)間，C-堿度以及AC-溫度和堿度的交互作用對(duì)SCOD值影響均不顯著。

表5 各因素方差分析以及其顯著性

表6 回歸方程方差分析結(jié)果

通過(guò)比較各因素的貢獻(xiàn)率Δj，可判斷各因素影響程度。貢獻(xiàn)率的計(jì)算方法如下：

對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析，通過(guò)F檢驗(yàn)，令:

則第j個(gè)因素對(duì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率為

各因素貢獻(xiàn)率[19]為：Δ1=2.775，Δ2=2.216，Δ3=1.743。因此，各因素影響作用從大到小依次為：溫度>時(shí)間>堿度。

2.2 不同因素對(duì)青霉素菌渣堿熱預(yù)處理的影響

2.2.1 單因素對(duì)青霉素菌渣堿熱預(yù)處理的SCOD效應(yīng)分析

通過(guò)降維分析可將多元問(wèn)題轉(zhuǎn)換為一元問(wèn)題，從而分析單因子對(duì)響應(yīng)值的影響，將模型中其他因素控制在相同的水平上，可得到單因素與SCOD的一元回歸模型，并作出對(duì)應(yīng)曲線。圖1為將其他因素固定在0水平時(shí)，得到另一變化因素的一維模型曲線。A-溫度，B-時(shí)間，C-堿度，由圖1可知，3個(gè)因素均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，其中A-溫度變化幅度最大，堿度和時(shí)間變化幅度較小。說(shuō)明在試驗(yàn)設(shè)置的配比范圍內(nèi)，溫度在50℃～70℃范圍內(nèi)SCOD的波動(dòng)較大；堿度在4%～8%以及時(shí)間在0.5 h～2 h范圍內(nèi)SCOD的波動(dòng)較小。由此說(shuō)明溫度對(duì)青霉素菌渣影響最大，其次為堿度和時(shí)間，與方差分析結(jié)果一致。

圖1 單因素水平下測(cè)得的SCOD的變化

2.2.2 因素互效作用對(duì)青霉素菌渣堿熱預(yù)處理 SCOD 的影響分析

據(jù)回歸方程得出的不同因子響應(yīng)面分析及相應(yīng)等值線圖，可直觀看出各因素交互作用對(duì)菌渣SCOD的影響，若曲線越陡，表明該因素對(duì)SCOD影響越大，相應(yīng)表現(xiàn)為響應(yīng)值變化的大小[12]，而由等高線圖可知存在極值的條件應(yīng)該在圓心處。圖2～圖7分別為時(shí)間和堿度、時(shí)間和溫度以及溫度與堿度的響應(yīng)面圖和與之對(duì)應(yīng)的等高線圖。由響應(yīng)面圖曲線坡度以及對(duì)應(yīng)等高線圖極值情況可知，處理溫度對(duì)菌渣SCOD的影響最大，處理堿度、時(shí)間次之。

圖2 時(shí)間與堿度交互作用對(duì)菌渣SCOD影響的響應(yīng)面圖

圖3 時(shí)間與堿度交互作用對(duì)菌渣SCOD影響的等高線圖

由圖2和圖3可知，隨著預(yù)處理時(shí)間和堿度的增加，其SCOD值均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，并且SCOD值變化趨勢(shì)較為平緩。由等高線圖可以看出當(dāng)處理時(shí)間約為1.1～1.4 h，堿度約為5.5%～6.5%時(shí)，其SCOD值可達(dá)9000 mg·L-1左右。

由圖4和圖5可知，隨著預(yù)處理時(shí)間和處理溫度的增加，其SCOD值均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，并且隨著溫度的變化其SCOD值變化趨勢(shì)較為明顯。因此處理溫度對(duì)菌渣SCOD的影響高于處理時(shí)間。由等高線圖可以看出當(dāng)處理時(shí)間約為1.0～1.7 h，溫度約為57.5℃～62.5 ℃時(shí)，其SCOD值可達(dá)9200 mg·L-1左右。

圖4 時(shí)間與溫度交互作用對(duì)菌渣SCOD影響的響應(yīng)面圖

圖5 時(shí)間與溫度交互作用對(duì)菌渣SCOD影響的等高線圖

由圖6和圖7可知，隨著預(yù)處理堿度和處理溫度的增加，其SCOD值同樣呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，并且隨著溫度的變化其SCOD值變化較為明顯。

同樣表明，處理溫度對(duì)菌渣SCOD的影響高于處理堿度。由等高線圖可以看出當(dāng)處理堿度約為5.5%～6.5%，溫度約為57.5℃～62.5 ℃時(shí)，其SCOD值可達(dá)9000 mg·L-1左右。

圖6 溫度與堿度交互作用對(duì)菌渣SCOD影響的響應(yīng)面圖

圖7 溫度與堿度交互作用對(duì)菌渣SCOD影響的等高線圖

表5方差分析結(jié)果同樣佐證上述結(jié)果，處理溫度對(duì)應(yīng)P值小于0.01，說(shuō)明溫度對(duì)菌渣SCOD影響極其顯著，堿度和時(shí)間對(duì)應(yīng)P值均大于0.05，影響不顯著。通過(guò)Design-E軟件分析確定最佳預(yù)處理工藝：溫度60 ℃，時(shí)間1.25 h，堿度6%，此條件下由公式算出的理論值為9023 mg·L-1。

2.2.3 青霉素菌渣堿熱預(yù)處理最佳工藝條件驗(yàn)證

根據(jù)所得的分析數(shù)據(jù)，對(duì)青霉素菌渣堿熱預(yù)處理進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，得出的試驗(yàn)結(jié)果：經(jīng)過(guò)堿熱預(yù)處理菌渣SCOD與理論值相差0.8%(見表7)。試驗(yàn)結(jié)果基本與理論預(yù)測(cè)值吻合，證明該結(jié)果合理可靠。

表7 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果 (mg·L-1)

2.3 預(yù)處理青霉素菌渣厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能分析

對(duì)預(yù)處理菌渣進(jìn)行批式驗(yàn)證試驗(yàn)，數(shù)據(jù)結(jié)果如下。

2.3.1 甲烷含量的變化

C1為預(yù)處理組，CK1為對(duì)照組，由圖8可以看出，兩組試驗(yàn)在發(fā)酵初期0～15 d，甲烷含量都有一個(gè)迅速上升的階段，當(dāng)甲烷含量達(dá)到一定值后進(jìn)入平穩(wěn)期。處理組和對(duì)照組進(jìn)入平穩(wěn)期后，甲烷含量在58%～65%上下波動(dòng)。其中，預(yù)處理組甲烷含量上升速度快，說(shuō)明堿熱預(yù)處理使青霉素菌絲體破壞，釋放出內(nèi)含物質(zhì)有利于底物的水解產(chǎn)酸，加速反應(yīng)進(jìn)程。

2.3.2 日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量的變化

由圖9知預(yù)處理組和對(duì)照組均能平穩(wěn)啟動(dòng)且日產(chǎn)氣量的變化趨于一致。兩組均有2個(gè)產(chǎn)氣高峰，第1個(gè)產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第2 天，該產(chǎn)氣高峰主要是水解產(chǎn)酸菌將厭氧消化底物大分子分解成小分子酸，同時(shí)產(chǎn)生大量CO2等氣體。預(yù)處理組和對(duì)照組的峰值分別為80和50 mL，堿熱預(yù)處理可破壞青霉素菌渣廢菌絲體，釋放內(nèi)含物質(zhì)，增加厭氧發(fā)酵底物濃度，因此在發(fā)酵初期，預(yù)處理組日產(chǎn)氣比對(duì)照組提高60%。此時(shí)產(chǎn)甲烷菌含量少不能較快利用底物，導(dǎo)致日產(chǎn)氣量下降。第2個(gè)高峰出現(xiàn)在第16天，此時(shí)產(chǎn)甲烷菌累積，進(jìn)入快速產(chǎn)甲烷階段，日產(chǎn)氣量相對(duì)穩(wěn)定。隨著底物濃度減少，日產(chǎn)氣量逐漸下降，在第25天時(shí)日產(chǎn)氣量低于8 mL·d-1。對(duì)照組累積產(chǎn)氣量為585 mL，預(yù)處理組累積產(chǎn)氣量為769 mL，預(yù)處理組產(chǎn)氣率比對(duì)照組提高了31.4%；根據(jù)日產(chǎn)氣量和甲烷含量得出，未處理組和處理組累積產(chǎn)甲烷量分別為295 mL和380 mL，預(yù)處理組比對(duì)照組產(chǎn)氣效率提高了28.8%。再次說(shuō)明堿熱預(yù)處理可提高青霉素菌渣的厭氧發(fā)酵效率。

圖8 青霉素菌渣厭氧發(fā)酵甲烷含量的變化

圖9 青霉素菌渣厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量變化

3 結(jié)論

(1)以青霉素菌渣為原料，對(duì)其進(jìn)行堿熱預(yù)處理的最佳工藝條件為：溫度60℃ ，時(shí)間1.25 h，堿度6%。由各因素顯著性分析可知溫度對(duì)青霉素菌渣預(yù)處理影響極其顯著(P<0.01)，時(shí)間和堿度影響不顯著。

(2)通過(guò)中溫厭氧發(fā)酵批式試驗(yàn)，預(yù)處理組菌渣甲烷產(chǎn)氣率為126.7 mL·g-1TS，比對(duì)照組產(chǎn)氣效率提高了28.8%。因此對(duì)菌渣進(jìn)行預(yù)處理是提高青霉素菌渣厭氧發(fā)酵效率的有效途徑之一。

(3)模型預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值之間誤差為0.8%，模型修正決定系數(shù)為0.9994，所建模型擬合性較好,能夠較好反應(yīng)各因素之間的影響。

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EffctofThermo-AlkalinePretreatmentonAnarobicFermentationofPenicillinMyceliumResidues

/ZHAOYan-xiao1,2，XIYan-hua2，RAOShuo2,3，CUIGuan-hui2，CHENGHui-cai2，ZHANGLi-ping2,SHIYan-mao2

/(1.SchoolofChemicalEngineering，HebeiUniversityofTechnology，Tianjin300132，China; 2.Instituteofbiology,HebeiAcademyofSciences，Shijiazhuang050081，China; 3.SchoolofEnvironmentHebeiUniversityofScience&Technology，Shijiazhuang050000，China)

In order to improve the anaerobic fermentation efficiency of penicillin mycelium residues, the Box-Benhken of Design-Expert 8.0.6 was used to optimize the thermo-alkaline pretreatment process. The effects of 3 factors, temperature, time and alkalinity, on the pretreatment of penicillin mycelium residues were studied by using SCOD as the response value. The mathematical model of SCOD was established and optimized to reduce dimension. The results showed that, for thermo-alkaline pretreatment of penicillin mycelium residues, the optimum conditions were the temperature of 60 ℃, treating time of 1.25 h , and the alkalinity concentration of 6%. The error between model predicted and measured value was 0.8%, the correction factor of model was 0.9994. The biogas production rate of pretreated residues was 256.3 mL·g-1TS, which was increased by 31.4% comparing with the control, and the CH4production rate of pretreated residues was 126.7 mL·g-1TS, increased by 28.8% comparing with the control.

penicillin mycelium residues； thermo-alkaline pretreatment； response surface methodology； anaerobic fermentation

2016-10-20

2017-08-22

趙燕肖(1990-),女,河北邯鄲人,碩士研究生,主要從事廢棄物沼氣資源化利用研究工作，E-mail: 15032133175@126.com

程輝彩，E-mail: huicaicheng@163.com； 史延茂， E-mail：yanmaosh@163.com

R915; S216.4

A

1000-1166(2017)05-0003-06