一種基于無害化處理的抗生素菌渣固體發(fā)酵裝置的開發(fā)*

鄧良斌，顏武華

（福州法莫優(yōu)科機(jī)械科技有限公司，福建 福州 350002）

抗生素等產(chǎn)品液態(tài)發(fā)酵過程產(chǎn)生的固體廢棄物的處理是當(dāng)前抗生素產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的難點(diǎn)，研究者在進(jìn)行此類固體廢棄物的無害化處理工藝研究時(shí)，常局限于實(shí)驗(yàn)室工藝研究級(jí)別。當(dāng)工藝成果進(jìn)行大生產(chǎn)轉(zhuǎn)化時(shí)，經(jīng)常會(huì)因?yàn)樘幚憝h(huán)境的變化而導(dǎo)致原實(shí)驗(yàn)室的工藝控制參數(shù)無法使用或產(chǎn)生大幅改變，因此急需一種小型裝置用于此類固體廢棄物無害化處理小試生產(chǎn)，以進(jìn)一步明確的工藝參數(shù)。

目前，抗生素類產(chǎn)品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體菌渣廢棄物為危險(xiǎn)廢棄物[1]，基本采用高溫燃燒工藝處理方法，此類工藝處理過程會(huì)產(chǎn)生二次大氣污染物，且整體處理費(fèi)用高。由于缺乏成熟高效的處理、資源化技術(shù)及科學(xué)完善的安全性評(píng)估方法，抗生素菌渣的處理問題嚴(yán)重地制約了發(fā)酵制藥的發(fā)展[2]。而通過固體發(fā)酵無害化處理，廢棄物中危廢物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，使固體廢棄物進(jìn)行二次資源化利用成為可能，具有較大的環(huán)保和市場(chǎng)效益。因此通過研制新型的固體菌渣處理裝置，解決固體菌渣在無害化固體發(fā)酵處理過程中缺少匹配裝置的問題，可以促進(jìn)此類固體菌渣在無害化處理工藝的研究進(jìn)度；同時(shí)，處理裝置直接運(yùn)用于工藝的開發(fā)過程，可確保大生產(chǎn)轉(zhuǎn)化的工藝穩(wěn)定性。

抗生素是微生物的次級(jí)代謝產(chǎn)物，產(chǎn)物分離提取過程中產(chǎn)生主要含有目標(biāo)產(chǎn)物的濾液和濾餅。濾餅的主要成分是微生物菌絲體、未代謝利用完的有機(jī)物、無機(jī)鹽、少量抗菌素及其降解產(chǎn)物，形成了固體廢棄物——菌渣。菌渣處理不當(dāng)不但是一種資源的浪費(fèi)，更會(huì)造成環(huán)境污染。當(dāng)抗生素菌渣量較小的時(shí)候，采取自然晾曬制作肥料或飼料是可行的，但是隨著工業(yè)的發(fā)展、抗生素的大量生產(chǎn)，菌渣的處理成為了一個(gè)社會(huì)性的難題。

1 研究背景和意義

固體發(fā)酵[3-4]（Solid-state Fermentation）指沒有或幾乎沒有自由水存在下，利用具有一定濕度的不溶于水的固體基質(zhì)（如谷物類、小麥麩、小麥草、農(nóng)產(chǎn)品加工或發(fā)酵副產(chǎn)物等）作為碳源、氮源等能源，由一種或多種微生物參與的生物反應(yīng)過程。主要特點(diǎn)是微生物的生長(zhǎng)及所形成的產(chǎn)物均處于基質(zhì)表面，發(fā)酵體系沒有游離水存在，微生物在有足夠濕度的固態(tài)基質(zhì)，從固體顆粒中汲取水分。

動(dòng)態(tài)固體發(fā)酵[5-6]裝置中的基質(zhì)通過內(nèi)部攪拌裝置和筒體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使基質(zhì)處于間斷或連續(xù)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在好氧條件下氣相為連續(xù)相，氣相與運(yùn)動(dòng)中基質(zhì)實(shí)現(xiàn)充分混合接觸提高了傳質(zhì)和傳熱效率，因而整體設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。常規(guī)運(yùn)用于工業(yè)化的固體發(fā)酵裝置類型[7]主要有轉(zhuǎn)鼓式、加蓋盤式、垂直培養(yǎng)盤式、傾斜接種盒式、淺盤式、傳送帶式、圓盤式和混合式等，其中動(dòng)態(tài)固體發(fā)酵裝置包括轉(zhuǎn)鼓式[8]、混合式等。

不同抗生素品種的菌渣成分[9]不同，同種抗生素但是采用不同工藝發(fā)酵的菌渣成分也各不相同，因此抗生素菌渣的無害化處理工藝[10-11]十分復(fù)雜，在分離和去除有害成分方面存在難度。目前我國(guó)菌渣的處理方法主要有焚燒、填埋、飼料化、肥料化以及能源化等[12-13]。多種的處理裝置聯(lián)用仍然存在諸多問題，如處理成本過高、容易造成二次污染等。我國(guó)是抗生素類藥物生產(chǎn)大國(guó)，每年產(chǎn)量占全球總量的20%～30%，同時(shí)產(chǎn)生近千萬噸含有少量抗生素及其相關(guān)代謝產(chǎn)物的菌渣，開展菌渣無害化處理是目前亟需解決的問題。

2 固體菌渣處理裝置設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)中自動(dòng)化、連續(xù)化、生產(chǎn)數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)等需求，本抗生素類固體菌渣處理裝置主要以動(dòng)態(tài)固體發(fā)酵為設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

通過對(duì)抗生素等產(chǎn)品液態(tài)發(fā)酵過程產(chǎn)生的固體廢棄物研究，此類固體廢棄物具有含水量高（80%～90%）、粘度大的特點(diǎn)，其在固體發(fā)酵無害化處理過程中對(duì)物料的攪拌、通入空氣的布?xì)饩鶆蛐?、溫濕度的控制要求更高[12,14]。針對(duì)其特殊要求，本研究進(jìn)行以下幾方面的關(guān)鍵裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2.1.1 菌渣處理裝置

本設(shè)計(jì)的菌渣處理裝置結(jié)構(gòu)上將攪拌裝置、筒體、檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)相關(guān)部件進(jìn)行整體設(shè)計(jì)整合，使操作高度集合。整體設(shè)備設(shè)置有攪拌機(jī)構(gòu)、布?xì)鈾C(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)和控制前述機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的可編程控制系統(tǒng)（PLC），設(shè)備具有物料投加口、料液投加口、溫度變送器管口、壓力表管口、冷熱介質(zhì)進(jìn)口、冷熱介質(zhì)出口、真空口、觀察視鏡等相關(guān)功能口，其裝置結(jié)構(gòu)如圖1。圖2為小型固體菌渣處理裝置內(nèi)部示意圖，從內(nèi)部示意圖可以更好了解整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行的原理。

菌渣處理裝置的處理流程如下：

⑴投料及預(yù)處理

從物料投加口投料，投料完成后關(guān)閉物料投加口啟動(dòng)電機(jī)，根據(jù)物料預(yù)處理溫度要求，從冷熱介質(zhì)進(jìn)口通入對(duì)應(yīng)冷熱介質(zhì)，冷熱介質(zhì)從冷熱介質(zhì)出口排出，開始進(jìn)行物料烘干預(yù)處理操作。同時(shí)啟動(dòng)真空泵，打開真空閥門從真空口對(duì)筒體進(jìn)行排氣，根據(jù)需要設(shè)定烘干時(shí)間，PLC提示停止烘干操作。

⑵接種

烘干結(jié)束后，夾套層內(nèi)更換為符合接種溫度要求的冷熱介質(zhì)（例如溫度范圍20～50 ℃）。當(dāng)筒體內(nèi)溫度降低到設(shè)定溫度后，從料液投加口及霧化器將菌種緩慢加入攪拌中的筒體中，全部投加完成后關(guān)閉料液投加口。

⑶需氧操作

在接種的同時(shí)啟動(dòng)氧氣監(jiān)測(cè)裝置、打開壓縮空氣入口，根據(jù)氧含量設(shè)定值PLC系統(tǒng)控制壓縮空氣入口的啟閉，自動(dòng)補(bǔ)充空氣；同時(shí)監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)空氣濕度，根據(jù)濕度設(shè)定值PLC系統(tǒng)將水從料液投加口及霧化器均勻噴入物料中。

圖1 小型固體菌渣處理裝置示意圖

⑷厭氧操作

關(guān)閉壓縮空氣口，進(jìn)入?yún)捬蹼A段，過程中同步監(jiān)測(cè)含氧量和濕度，根據(jù)濕度設(shè)定值，PLC系統(tǒng)將水從料液投加口及霧化器均勻噴入物料中，或?qū)⑼搀w內(nèi)空氣通過真空口抽出。

⑸物料處理結(jié)束后，并關(guān)閉氧氣、濕度監(jiān)測(cè)及補(bǔ)水操作。

⑹攪拌器控制

在需氧和厭氧處理過程中，設(shè)定攪拌器的轉(zhuǎn)速和攪拌間歇時(shí)間，進(jìn)行攪拌操作，其中在停止攪拌間歇中不進(jìn)行補(bǔ)水控制。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本研究研發(fā)的裝置具有一些優(yōu)點(diǎn)：在處理菌渣時(shí)，實(shí)現(xiàn)充分的攪拌混合，并能在工作過程中進(jìn)行檢測(cè)并保證最佳工作環(huán)境，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便。

2.1.2 攪拌葉裝置

固體菌渣的種類非常多，如材料的不同、材料的粗細(xì)以及對(duì)攪拌程度的要求等，現(xiàn)有傳統(tǒng)的攪拌處理裝置[15-16]的槳葉都是長(zhǎng)度固定、角度固定、形狀固定，只能適用一種菌渣，導(dǎo)致?lián)Q一種菌渣就得換一種攪拌設(shè)備。

圖2 小型固體菌渣處理裝置內(nèi)部示意圖

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題做出改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種固體菌渣處理裝置槳葉結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可更換式槳葉，以滿足不同物料、工藝的使用。

該結(jié)構(gòu)如圖3，通過螺栓緊固套設(shè)在轉(zhuǎn)軸上的軸套1，軸套的外側(cè)壁上分別設(shè)置有一凸桿，凸桿上通過螺栓緊固套設(shè)有一固定桿2，其包括一套設(shè)在凸桿上的套管和一連接板，套管上沿軸向設(shè)置有多個(gè)螺紋孔，用于調(diào)整長(zhǎng)度和連接板的角度。連接板外端設(shè)置有兩個(gè)貫穿孔，連接板外端部上通過螺栓螺母組件緊固有壓板和刮板3，刮板采用聚四氟乙烯材料，刮板位于壓板和連接板之間，壓板可以有效保護(hù)刮板，增強(qiáng)刮板的強(qiáng)度。并且刮板上設(shè)置有讓螺栓穿過的兩個(gè)長(zhǎng)橢圓形通孔，用于延長(zhǎng)刮板外延長(zhǎng)度。與現(xiàn)有的技術(shù)對(duì)比，本裝置的槳葉能夠調(diào)整長(zhǎng)度和角度，適用范圍廣，使得該裝置在使用過程中方便易行。

圖3 攪拌葉組件

2.1.3 攪拌轉(zhuǎn)軸裝置

傳統(tǒng)臥式固體菌渣發(fā)酵處理裝置布?xì)夥绞街饕捎霉薜撞?、?cè)壁或罐頂安裝空氣管路，存在局部布?xì)獠痪翱諝舛塘鳜F(xiàn)象。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題做出改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種新型固體菌渣處理裝置轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，確保布?xì)獬浞帧?/p>

結(jié)構(gòu)如圖4所示。攪拌轉(zhuǎn)軸裝置包括轉(zhuǎn)軸本體，從左到右依次設(shè)計(jì)連接段、用于安裝軸承和密封件的第一安裝段6、用于安裝攪拌葉的主軸段5、用于安裝軸承和機(jī)械密封的第二安裝段2。連接段側(cè)壁上設(shè)置有電機(jī)減速機(jī)安裝端1。第二安裝段的端面上開設(shè)有通往主軸段的通氣管道3，主軸段側(cè)壁上均布有若干個(gè)呈“凵”形的布?xì)夤埽細(xì)夤軆啥松钊胫鬏S段與通氣通道相連通7，布?xì)夤艹蛑鬏S段的側(cè)壁上設(shè)置有若干個(gè)軸外開孔出氣管4。主軸段上套設(shè)有若干個(gè)用于安裝攪拌葉的抱箍。根據(jù)固體菌渣處理裝置轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，所述的連接段、第一安裝段和第二安裝段的外徑相等，主軸段外徑大于連接段外徑。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本裝置采用軸內(nèi)及軸外均布的布?xì)夤?，保證了軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中各方向的360°動(dòng)態(tài)均勻布?xì)?，使物料在翻轉(zhuǎn)充分接觸空氣；同時(shí)布?xì)夤芤材芷鸬綌噭?dòng)物料的作用。

2.2 固體菌渣處理在線檢測(cè)系統(tǒng)的研究

在固體菌渣處理裝置的使用過程中，工作人員需要時(shí)刻了解處理過程中的氣體成分，尤其是溶氧量和溫濕度參數(shù)，依次了解處理的進(jìn)度以及防止突發(fā)事件的發(fā)生。

在線檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)固體菌渣處理裝置內(nèi)氣體的實(shí)時(shí)檢測(cè)。同時(shí)，整套設(shè)備采用PLC集中控制，對(duì)溫度、濕度、溶氧進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)、采集、保存和功能控制，如圖5所示。檢測(cè)裝置上設(shè)有氣體檢測(cè)接口和回流接口，它們通過管道連通，管道上沿氣體行進(jìn)方向（圖中從左往右）依次設(shè)置有溫濕度儀2、氣泵3、空氣過濾器4、汽水分離器5以及氧檢測(cè)儀6。它們分別與控制器連接，控制器還連接帶有顯示器的控制面板于儀表柜1?？刂泼姘逵糜谳斎肟刂茀?shù)，如各個(gè)檢測(cè)器的啟停，用于顯示溫濕度檢測(cè)器和溶氧檢測(cè)儀測(cè)到的數(shù)據(jù)。另外，還可以預(yù)先通過控制面板設(shè)置溫濕度和溶氧量閾值，當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)，控制器控制設(shè)置的警報(bào)器發(fā)出警報(bào)后用于提醒工作人員，設(shè)備的使用的安全性得到進(jìn)一步的提升，實(shí)用性強(qiáng)。

圖4 布?xì)庑蛿嚢柁D(zhuǎn)軸

圖5 在線檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

3 中試機(jī)組的應(yīng)用

公司與某高校專家開展合作，進(jìn)行工業(yè)中試型機(jī)組的制造，并在其指導(dǎo)下開展某企業(yè)多粘菌素菌渣的無害化固體發(fā)酵中試生產(chǎn)，中試生產(chǎn)情況如下：

將制備的固體發(fā)酵菌種和含水量為80%～90%的新鮮多粘菌素菌渣按重量比5∶100的比例混合，發(fā)酵96h，發(fā)酵溫度控制31～35℃，空氣濕度70%～90%。投料后烘干溫度控制80 ℃左右烘30 min，冷卻至32 ℃后加入菌種，發(fā)酵過程中前48 h通氣，發(fā)酵48h后轉(zhuǎn)入?yún)捬醢l(fā)酵，發(fā)酵過程中每隔30 min翻動(dòng)15 min（轉(zhuǎn)速30 r/min），獲得高蛋白的多粘菌素發(fā)酵菌渣。

發(fā)酵后產(chǎn)品經(jīng)HPLC和杯碟法檢測(cè)，多粘菌素發(fā)酵菌渣中殘余的多粘菌素已基本降解，蛋白質(zhì)含量＞50%，優(yōu)于很多的植物蛋白源。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，研發(fā)的固體菌渣處理裝置基本滿足了多粘菌素發(fā)酵菌渣無害化處理要求，為后期整體裝置的優(yōu)化和大型設(shè)備的制造提供指導(dǎo)依據(jù)。

4 結(jié)論

本研究的固體菌渣處理裝置的設(shè)計(jì)基本滿足了抗生素類菌渣的無害化處理要求，可滿足各科研院校、企業(yè)對(duì)穩(wěn)定、可靠的抗生素菌渣無害化處理小中試機(jī)組的要求，有利于推動(dòng)抗生素菌渣無害化處理大生產(chǎn)的建設(shè)工作。由于抗生素類菌渣種類繁多、成份復(fù)雜，具體的生產(chǎn)操作工藝仍然需要進(jìn)行獨(dú)立的工藝操作實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步明確各自的攪拌葉結(jié)構(gòu)、組合樣式及配套的工藝參數(shù)。