我國(guó)抗生素菌渣資源化研究新進(jìn)展

◎ 王金雙，趙繼紅，劉永德

（河南工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001）

目前，我國(guó)是世界上最大的抗生素原料藥生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)。根據(jù)2009年的統(tǒng)計(jì)，中國(guó)的抗生素產(chǎn)量已增加到147000 t，占全球總量的70%以上。每生產(chǎn)1 t的抗生素就會(huì)產(chǎn)生8～10 t的菌渣[1]。新鮮抗生素菌渣的含水率極高，性質(zhì)不穩(wěn)定，極易腐敗并散發(fā)惡臭嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量。同時(shí)抗生素菌渣含有一定量的抗生素，代謝產(chǎn)物殘留和抗性，如果處理不當(dāng)進(jìn)入環(huán)境可能引起耐藥性基因的傳播，從而導(dǎo)致原有抗生素藥效的失效，危害人們健康。因此，我國(guó)已于2008年將抗生素菌渣定性為危險(xiǎn)固體廢物[2]。

1 抗生素菌渣的來(lái)源以及特點(diǎn)

1.1 抗生素菌渣的來(lái)源

抗生素是微生物的次級(jí)代謝產(chǎn)物，通過(guò)對(duì)特定微生物進(jìn)行調(diào)控發(fā)酵，發(fā)酵過(guò)程中形成特定的抗生素以及其代謝物[3]。在發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中，抗生素菌渣產(chǎn)生于藥物有效成分的提取工序，根據(jù)抗生素發(fā)酵細(xì)菌的生化特性不同，有效成分提取有2種方式：①藥物有效成分從發(fā)酵液中提取，抗生素菌渣被壓縮為濾餅，直接作為固體廢物排出。②藥物有效成分從菌絲體中提取，菌渣全部從提取工序排出。不論是哪種生產(chǎn)方式，菌渣中都會(huì)帶有少量的抗生素殘留，培養(yǎng)基，絲狀體和中間代謝產(chǎn)物[4]。

1.2 抗生素菌渣的特點(diǎn)

抗生素菌渣是發(fā)酵工程的產(chǎn)物，濕的菌渣含水率很高（80%～90%），干的菌渣粗蛋白在30%～40%[5]。與此同時(shí)，還包含菌體、未被微生物利用的培養(yǎng)基、抗生素等。新鮮抗生素菌渣性質(zhì)不穩(wěn)定，極易腐敗并散發(fā)惡臭，嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量。

2 抗生素菌渣處理與資源化技術(shù)

2.1 堆肥技術(shù)

張紅娟等[6]將林可霉素菌渣與牛糞聯(lián)合堆肥進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，堆肥后的種子發(fā)芽指數(shù)基本上達(dá)到無(wú)植物毒性水平，表明經(jīng)過(guò)堆肥處理后，林可霉素這種性質(zhì)比較穩(wěn)定的抗生素被降解，堆肥基本達(dá)到無(wú)植物毒性水平。李路平等[7]研究顯示，將菌渣加工為有機(jī)肥，并施用在糧食與蔬菜作物上，可顯著增加糧食蔬菜產(chǎn)量，表明采用堆肥方式處理菌渣，可使菌渣中營(yíng)養(yǎng)成分得到充分利用。

2.2 厭氧消化

蘇建文等[8]在35℃條件下對(duì)紅霉素菌渣進(jìn)行單級(jí)厭氧消化研究，發(fā)現(xiàn)紅霉素菌渣具有較高的沼氣產(chǎn)能，其系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的最高負(fù)荷為1.42 kgVS/(m·d)。何品晶等對(duì)氨氮和林可霉素對(duì)厭氧消化的過(guò)程影響進(jìn)行了詳細(xì)研究，結(jié)果表明菌渣中的林可霉素濃度在10～30 mg/L范圍內(nèi)，厭氧消化受抑制程度由16%提高至51%。當(dāng)林可霉素濃度為100 mg/L時(shí)，抑制程度達(dá)到最大值72%。

2.3 菌渣熱解

尤占平等[9]對(duì)鏈霉素、慶大霉素菌渣為原料，研究其資源化途徑。通過(guò)工業(yè)和元素分析可知，兩種菌渣C、O質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，H、N、S質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低；鏈霉素菌渣中灰分和揮發(fā)分含量高于慶大霉素菌渣，而固定碳含量低于慶大霉素菌渣。通過(guò)熱解實(shí)驗(yàn)可知，隨熱解溫度升高，熱解氣產(chǎn)量增加，可凝結(jié)相和焦炭產(chǎn)量降低。熱解氣中H2含量最高，慶大霉素菌渣熱解時(shí)體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)到57.6%，其次依次為CO2、CO、CH4等。兩種熱解氣屬于中熱值氣體，其低熱值在1015 mJ/m3。鏈霉素和慶大霉素菌渣及其熱解焦炭的熱值分別為16.144、24.589、11.460、14.382 mJ/kg。

2.4 制備菌渣水煤漿技術(shù)

張曄等[10]將林可霉素濕菌渣配合制水煤漿，漿體流動(dòng)性、穩(wěn)定性均較好。當(dāng)菌渣配入量為3%時(shí)，最高制漿濃度在67%以上；當(dāng)菌渣配入量為5%，最高制漿濃度在65%以上；當(dāng)菌渣配入量在7%時(shí)，最高制漿濃度為64%；當(dāng)菌渣配入量為10%時(shí)，最高制漿濃度達(dá)到60%以上。菌渣的配入量每增大1%，其最高制漿濃度降低1%。固定制漿濃度及添加劑添加量，當(dāng)菌渣配入量為煤粉質(zhì)量的1%～6%時(shí)，菌渣水煤漿的表觀(guān)粘度隨著菌渣配入量的增加而升高，析水率迅速降低，漿體穩(wěn)定性升高。

2.5 其他處理方式

利用菌渣中含有大量菌體蛋白，培養(yǎng)基殘?bào)w，生長(zhǎng)因子等物質(zhì)還可將菌渣資源化處理為成型的產(chǎn)品或制備抗生素發(fā)酵培養(yǎng)基和活性碳吸附材料等。上述技術(shù)均可對(duì)抗生素菌渣中有用物質(zhì)進(jìn)行綜合利用，但由于有用成分的回收利用率低，抗生素菌渣基本沒(méi)有實(shí)現(xiàn)減量化，大量剩余菌渣仍需要進(jìn)一步處置。

3 展望

菌渣填埋、焚燒、用作動(dòng)物飼料或用作肥料的處理方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們對(duì)綠色，環(huán)保，低碳生活的需求。將菌渣制備成抗生素發(fā)酵培養(yǎng)基和制備活性碳吸附材料，對(duì)于處理大量菌渣效果很差，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益很低，不滿(mǎn)足藥物發(fā)酵企業(yè)低成本高回報(bào)的方針。相對(duì)而言，抗生素菌渣的肥料化技術(shù)，厭氧消化，菌渣的熱解技術(shù)是解決菌渣污染的主要途徑。這些處理方式可應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)實(shí)踐中。相關(guān)政府部門(mén)需制定出菌渣無(wú)害化處理的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，為實(shí)現(xiàn)抗生素制藥菌渣減量化、無(wú)害化、資源化提供技術(shù)和政策引導(dǎo)。