微波-堿預處理對土霉素菌渣減量化效果研究

鐘為章,耿曉玲,李貴霞,高　湘,李再興,王勇軍,馬宏娟

(1.河北科技大學環境科學與工程學院，河北石家莊　050018；2. 河北省污染防治生物技術實驗室，河北石家莊　050018；3.華北制藥集團有限責任公司環境保護研究所，河北石家莊　050015)

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微波-堿預處理對土霉素菌渣減量化效果研究

鐘為章1,2,耿曉玲1,2,李貴霞1,2,高湘1,2,李再興1,2,王勇軍3,馬宏娟1,2

(1.河北科技大學環境科學與工程學院，河北石家莊050018；2. 河北省污染防治生物技術實驗室，河北石家莊050018；3.華北制藥集團有限責任公司環境保護研究所，河北石家莊050015)

為了對土霉素菌渣進行減量化處理，采用微波-堿聯合作用的方法，通過正交試驗和單因素試驗，考察了NaOH投加量、微波功率和含水率對懸浮固體(SS)去除率的影響。試驗結果表明，最佳反應條件為NaOH投加量0.09 g/g(質量分數)，微波功率700 W和含水率96%，這時SS去除率達56%以上。通過掃描電鏡對溶胞效果進行分析可知，該研究的土霉素菌渣減量化效果較好，可為抗生素菌渣減量化提供技術參考。

固體污染防治工程；土霉素菌渣；微波-堿預處理；懸浮固體(SS)；菌渣形態

中國已經成為世界上最大的抗生素原料藥生產與出口大國，產量位居世界第一[1]，每年產生的抗生素菌渣高達100萬t以上。農業部于2002年將抗生素菌渣列入《禁止在飼料和動物飲用水中使用的藥物品種目錄》，在2008年施行的《國家危險廢物名錄》中，抗生素菌渣須按危險廢物進行處置。如何實現抗生素菌渣的減量化、無害化和資源化成為亟待解決的問題[2-4]。

抗生素菌渣的處理方法主要有微波輻射、堿處理、熱處理以及多種聯合預處理技術[5-7]。其中，微波輻射技術具有加熱均勻、升溫速度快、易于操縱、節能高效等優點[8]，逐步受到重視并應用于抗生素菌渣的預處理過程；堿預處理可加快菌渣胞外多聚物、細胞壁、細胞質中的脂類等大分子物質的水解[9]，其優點為操作方便、高效率、低能耗。將這兩項技術聯合起來對抗生素菌渣進行預處理，是近兩年筆者所做的一種嘗試，而這方面研究的報道尚未發現。

本試驗以某企業土霉素菌渣為研究對象，采用微波-堿預處理方法對其進行減量化處理試驗研究，通過正交試驗分析微波-堿預處理的主要影響因素[10]，并進行單因素試驗，確定微波-堿聯合預處理的最佳反應條件，最后通過掃描電鏡觀察預處理前后菌渣的形態變化，明確了微波-堿預處理對土霉素菌渣減量化的效果。

1　材料與方法

1.1菌渣來源

抗生素菌渣取自某土霉素生產企業，其形態呈土黃色黏土狀，菌渣理化性質見表1。將菌渣調節至96%的含水率后，其pH值為2.12，懸浮固體(SS)質量濃度為36.56 g/L，揮發性懸浮固體(VSS)質量濃度為30.34 g/L，溶解性化學需氧量(SCOD)質量濃度為2 243.20 mg/L，氨氮質量濃度為24.60 mg/L。

表1　土霉素菌渣理化性質

注：表中TS表示總固體；VS表示揮發性固體；TCOD表示總化學需氧量。

1.2試驗材料

濃硫酸(98%，質量分數)、重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、氫氧化鈉、納什試劑、酒石酸鉀納、硼酸、過氧化氫(30%，質量分數)等，均為分析純試劑，試驗用水均為RO反滲透水。

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1.3試驗方法

分別取不同含水率的土霉素菌渣50 mL，加入NaOH溶液調節至NaOH/TS預定值，微波輻射30 s，再將其置于35 ℃下水浴加熱2 h，取出后分別測定pH值和SS。

1.4分析方法

COD測定采用重鉻酸鉀法；pH值測定采用玻璃電極法；TS，SS，VS和VSS測定均采用重量法；氨氮測定采用納氏試劑光度法；凱氏氮測定采用蒸餾-滴定法；

采用美國FEI Quanta200型掃描電鏡觀察微波-堿預處理前后的菌渣形態。

2　結果與討論

試驗通過探討NaOH投加量、微波功率和含水率對土霉素菌渣的SS去除率的影響，分析反應體系中各因子對體系的影響大小并確定達到最大減量化的最佳反應條件。

2.1正交試驗結果與分析

為了初步確定最佳反應條件，本試驗設計了以微波功率(A)、NaOH投加量(B)、含水率(C)為變量的3因素3水平正交試驗，正交試驗因素水平表如表2所示，試驗結果見表3。

表2　正交試驗因素水平表

由表3正交試驗的極差大小可知，3個因素對試驗結果影響程度大小的順序是：NaOH投加量>微波功率>含水率；由3組均值k1，k2，k3初步確定最佳反應條件為A3B3C2，即NaOH投加量為0.08 g/g(質量分數，下同)，微波功率為600 W，含水率為95%。

2.2單因素試驗

根據正交試驗結果，結合影響試驗的主要因素和初步確定的最佳反應條件，進一步開展單因素試驗，確定土霉素菌渣減量化的最佳反應條件。

表3　正交試驗結果

圖1　NaOH投加量對SS去除率和pH值的影響Fig.1　Effect of the dosage of NaOH to SS removal rate and pH value

2.2.1最佳NaOH投加量的確定

為考察NaOH投加量對SS去除率的影響，結合正交試驗確定的最佳反應條件，控制微波功率為600W、含水率為95%，NaOH投加量分別為0.05，0.06，0.07，0.08，0.09，0.10，0.11g/g時，考察不同NaOH投加量對土霉素菌渣SS去除率的影響，試驗結果見圖1。

由圖1可知，隨著NaOH投加量的增加，SS去除率急劇上升，在0.09～0.10g/g之間達到較大，分別為54.13%和54.24%，此時反應后pH值分別為8.80和9.96；但NaOH投加量增加到0.11g/g，反應后pH值達到11.1時，SS去除率開始有所降低。

分析原因可能是微波產生的高溫和高pH值會促進美拉德反應的發生[11]，經過微波和堿處理過的菌渣的溶解性有機物增加，促進羰基化合物(還原糖類)和氨基化合物(氨基酸和蛋白質)間的反應，導致產生褐變現象，其產物一部分是難降解的，甚至一部分是難溶解的[12-13]。因此，最終確定最佳NaOH投加量為0.09g/g。

2.2.2最佳微波功率的確定

結合正交試驗初步確定的最佳反應條件，控制NaOH投加量為0.09g/g，含水率為95%，分別考察微波功率為300，400，500，600，700，800，900W時對SS去除率的影響，試驗結果如圖2所示。

圖2　微波功率對SS去除率和pH值的影響Fig.2　Effect of the microwave power to SS removal rate and pH value

從圖2可以看出，隨著微波輻射功率的增加，SS去除率呈現逐步增加的趨勢，在微波功率為600W時SS去除率達到最高，最大值為54.13%，此時pH值為8.80，之后隨著微波功率的增加，SS去除率有所增加但變化緩慢，pH值變化也相對不大。

微波輻射是通過高頻電磁場的作用使菌渣及其中的水分子不斷加速運動、相互碰撞，促使菌渣結構脫穩、破壞菌渣絮體結構，同時微生物細胞、胞外聚合物等大分子得到破碎，胞內物質溶出水解，從而達到了菌渣破解減量的目的[14-16]。大功率的微波輻射有利于土霉素菌渣的減量，但功率過大會造成細胞壁結構過度破壞，對減量效果沒有明顯改善而且造成能源浪費[17]。綜合考慮成本因素，最終確定最佳微波輻射功率為600W。

2.2.3最佳含水率的確定

為考察含水率對SS去除率的影響，結合初步確定的最佳反應條件，控制NaOH投加量為0.09g/g，微波功率為600W，考察含水率分別為93%，94%，95%，96%，97%，98%時對SS去除率的影響，試驗結果如圖3所示。

圖3　含水率對SS去除率和pH值的影響Fig.3　Effect of initial moisture to SS removal rate and pH value

從圖3可以看出，隨著含水率的增加，SS去除率不斷增加，當含水率達到96%時，SS去除率為56.38%，達到最大值，此時pH值為8.66；但含水率增加到98%和99%時，SS去除率反而有所降低，pH值也上下波動，呈不規律變化。

水是微波輻射和堿解良好的吸收介質，適宜的含水率有利于微波的吸收和堿的反應，更加有利于熱量的傳播和物質的滲出，從而達到良好的減量化效果[18]。但是過高的含水率會影響樣品的升溫速度，對細胞的破壁和溶解產生阻礙作用。因此，該試驗確定最佳含水率為96%。

2.3穩定性試驗

為考察微波-堿在最佳反應條件下(即NaOH投加量為0.09g/g、微波功率為600W、含水率為96%)對土霉素菌渣的減量化效果和穩定性，分別對3批土霉素菌渣樣品進行平行試驗，試驗結果如表4所示。

由表4平行試驗結果可知,采用微波-堿預處理對土霉素菌渣進行減量化處理,并確定最佳處理條件,處理后SS去除率達到56%以上。

2.4掃描電子顯微鏡(SEM)分析

微波-堿預處理破壞土霉素菌渣內的細胞結構,使胞內物質釋放,達到減量化的目的。為更好地研究微波-堿預處理對菌渣減量的影響,對預處理前后的菌渣進行了掃描電子顯微鏡分析[19],觀察菌渣形態的變化，更好地了解菌渣減量的途徑及原因。

表4 穩定性試驗結果
Tab.4 Result of stability test 56.80

圖4　處理前后土霉素菌渣的SEM照片Fig.4　SEM photos of terramycin bacterial residue before and after reaction

從圖4可以看出，在菌渣電鏡照片放大35 000倍后，圖4a)中未處理的菌渣中桿狀菌較多，菌體較大，且菌體表面緊湊、光滑，細胞比較完整。圖4b)中，經微波-堿預處理后的菌渣中桿狀菌分布稀少，且菌體長度減小；同時，菌體細胞變得不完整，菌體中間出現斷裂、細胞變癟。

由上述現象可以初步判定微波-堿預處理對菌渣的影響較大。造成以上現象的原因是：微波輻射的瞬時性和高效性會導致細胞局部受熱，菌絲體細胞胞內壓力驟增，細胞壁不能承受如此大的內壓，從而出現缺口而破裂；堿處理中起主要作用的是·OH，·OH可以使細胞壁的膨脹壓失衡而破裂，還能對細胞壁和細胞膜上的蛋白質和脂多糖進行水解、皂化反應，破壞菌絲體細胞結構，使胞內物質釋放[20-22]。微波和堿的協同作用有效地提高了土霉素菌渣的減量化效果。

3　結　論

采用微波-堿預處理土霉素菌渣，可取得較好的減量化效果：

1)通過正交試驗，確定了NaOH投加量、微波功率和含水率3個因素對SS去除率的影響程度，結果表明，NaOH投加量>微波功率>含水率；

2)通過單因素試驗，確定最佳反應條件為NaOH投加量0.09g/g、微波功率600W、含水率96%，處理后SS去除率達到56%以上；

3)通過掃描電鏡觀察土霉素菌絲體細胞的形態變化，直觀地分析了微波-堿預處理對土霉素菌渣的破壁效果，為抗生素菌渣減量化提供技術參考。

/< class="emphasis_italic">References

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Effect research of microwave-alkaline pretreatment on the minimization of the terramycin bacterial residue

ZHONG Weizhang1,2， GENG Xiaoling1,2， LI Guixia1,2， GAO Xiang1,2，LI Zaixing1,2，WANG Yongjun3，MA Hongjuan1,2

(1.School of Environmental Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China；2.Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 3.Envinmental Protection Institute， NCPC， Shijiazhuang， Hebei 050015， China)

For the minimization of terramycin bacterial residue, microwave-alkaline pretreatment is used. By measuring the changes of suspended solids and pH in the reaction system，the effect of different dosage of NaOH，microwave power and initial moisture on the minimization of the terramycin bacterial residue is investigated. Orthogonal experiment and single fact experiment are applied to determine the optimal reaction conditions. The results show that the best operating conditions are the dosage of NaOH is 0.09 g/g， microwave power is 700 W and the initial moisture is 96%. Under these conditions the removal rate of SS is more than 56%. In addition，the effect of the solution is analyzed by scanning electron microscopy. This study achieves ideal minimization results of terramycin residue，which provide technical reference for antibiotics residue minimization.

prevention and control project of solid pollution； terramycin bacterial residue； microwave-alkaline pretreatment； suspended solids(SS)； residue form

1008-1542(2016)04-0390-06

10.7535/hbkd.2016yx04012

2015-11-13；

2016-01-13；責任編輯：王海云

國家自然科學基金(51478160)

鐘為章(1983—)，男，湖南新邵人，講師，博士，主要從事污水處理和固體廢棄物處理處置方面的研究。

李再興教授。E-mail:li_zaixing@163.com

X705

A

鐘為章,耿曉玲,李貴霞，等.微波-堿預處理對土霉素菌渣減量化效果研究[J].河北科技大學學報,2016,37(4):390-395.

ZHONG Weizhang，GENG Xiaoling，LI Guixia，et al.Effect research of microwave-alkaline pretreatment on the minimization of the terramycin bacterial residue[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(4):390-395.