一種基于無害化處理的抗生素菌渣固體發酵裝置的開發*

鄧良斌，顏武華

（福州法莫優科機械科技有限公司，福建 福州 350002）

抗生素等產品液態發酵過程產生的固體廢棄物的處理是當前抗生素產品生產企業的難點，研究者在進行此類固體廢棄物的無害化處理工藝研究時，常局限于實驗室工藝研究級別。當工藝成果進行大生產轉化時，經常會因為處理環境的變化而導致原實驗室的工藝控制參數無法使用或產生大幅改變，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，以進一步明確的工藝參數。

目前，抗生素類產品生產過程中產生的固體菌渣廢棄物為危險廢棄物[1]，基本采用高溫燃燒工藝處理方法，此類工藝處理過程會產生二次大氣污染物，且整體處理費用高。由于缺乏成熟高效的處理、資源化技術及科學完善的安全性評估方法，抗生素菌渣的處理問題嚴重地制約了發酵制藥的發展[2]。而通過固體發酵無害化處理，廢棄物中危廢物質轉化為無害物質，使固體廢棄物進行二次資源化利用成為可能，具有較大的環保和市場效益。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酵處理過程中缺少匹配裝置的問題，可以促進此類固體菌渣在無害化處理工藝的研究進度；同時，處理裝置直接運用于工藝的開發過程，可確保大生產轉化的工藝穩定性。

抗生素是微生物的次級代謝產物，產物分離提取過程中產生主要含有目標產物的濾液和濾餅。濾餅的主要成分是微生物菌絲體、未代謝利用完的有機物、無機鹽、少量抗菌素及其降解產物，形成了固體廢棄物——菌渣。菌渣處理不當不但是一種資源的浪費，更會造成環境污染。當抗生素菌渣量較小的時候，采取自然晾曬制作肥料或飼料是可行的，但是隨著工業的發展、抗生素的大量生產，菌渣的處理成為了一個社會性的難題。

1 研究背景和意義

固體發酵[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（如谷物類、小麥麩、小麥草、農產品加工或發酵副產物等）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過程。主要特點是微生物的生長及所形成的產物均處于基質表面，發酵體系沒有游離水存在，微生物在有足夠濕度的固態基質，從固體顆粒中汲取水分。

動態固體發酵[5-6]裝置中的基質通過內部攪拌裝置和筒體間相對運動，使基質處于間斷或連續的運動狀態。在好氧條件下氣相為連續相，氣相與運動中基質實現充分混合接觸提高了傳質和傳熱效率，因而整體設備結構緊湊，能夠實現自動化生產。常規運用于工業化的固體發酵裝置類型[7]主要有轉鼓式、加蓋盤式、垂直培養盤式、傾斜接種盒式、淺盤式、傳送帶式、圓盤式和混合式等，其中動態固體發酵裝置包括轉鼓式[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]十分復雜，在分離和去除有害成分方面存在難度。目前我國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。我國是抗生素類藥物生產大國，每年產量占全球總量的20%～30%，同時產生近千萬噸含有少量抗生素及其相關代謝產物的菌渣，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計

2.1 結構設計

考慮實際工業化生產中自動化、連續化、生產數據在線監測等需求，本抗生素類固體菌渣處理裝置主要以動態固體發酵為設計參考依據。

通過對抗生素等產品液態發酵過程產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，其在固體發酵無害化處理過程中對物料的攪拌、通入空氣的布氣均勻性、溫濕度的控制要求更高[12,14]。針對其特殊要求，本研究進行以下幾方面的關鍵裝置結構的設計。

2.1.1 菌渣處理裝置

本設計的菌渣處理裝置結構上將攪拌裝置、筒體、檢測系統、控制系統相關部件進行整體設計整合，使操作高度集合。整體設備設置有攪拌機構、布氣機構、檢測機構和控制前述機構運轉的可編程控制系統（PLC），設備具有物料投加口、料液投加口、溫度變送器管口、壓力表管口、冷熱介質進口、冷熱介質出口、真空口、觀察視鏡等相關功能口，其裝置結構如圖1。圖2為小型固體菌渣處理裝置內部示意圖，從內部示意圖可以更好了解整個裝置的結構以及運行的原理。

菌渣處理裝置的處理流程如下：

⑴投料及預處理

從物料投加口投料，投料完成后關閉物料投加口啟動電機，根據物料預處理溫度要求，從冷熱介質進口通入對應冷熱介質，冷熱介質從冷熱介質出口排出，開始進行物料烘干預處理操作。同時啟動真空泵，打開真空閥門從真空口對筒體進行排氣，根據需要設定烘干時間，PLC提示停止烘干操作。

⑵接種

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

⑶需氧操作

在接種的同時啟動氧氣監測裝置、打開壓縮空氣入口，根據氧含量設定值PLC系統控制壓縮空氣入口的啟閉，自動補充空氣；同時監測裝置內空氣濕度，根據濕度設定值PLC系統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

關閉壓縮空氣口，進入厭氧階段，過程中同步監測含氧量和濕度，根據濕度設定值，PLC系統將水從料液投加口及霧化器均勻噴入物料中，或將筒體內空氣通過真空口抽出。

⑸物料處理結束后，并關閉氧氣、濕度監測及補水操作。

⑹攪拌器控制

在需氧和厭氧處理過程中，設定攪拌器的轉速和攪拌間歇時間，進行攪拌操作，其中在停止攪拌間歇中不進行補水控制。

與現有技術相比，本研究研發的裝置具有一些優點：在處理菌渣時，實現充分的攪拌混合，并能在工作過程中進行檢測并保證最佳工作環境，結構簡單、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、材料的粗細以及對攪拌程度的要求等，現有傳統的攪拌處理裝置[15-16]的槳葉都是長度固定、角度固定、形狀固定，只能適用一種菌渣，導致換一種菌渣就得換一種攪拌設備。

圖2 小型固體菌渣處理裝置內部示意圖

針對現有技術存在的問題做出改進，設計一種固體菌渣處理裝置槳葉結構，結構簡單，可更換式槳葉，以滿足不同物料、工藝的使用。

該結構如圖3，通過螺栓緊固套設在轉軸上的軸套1，軸套的外側壁上分別設置有一凸桿，凸桿上通過螺栓緊固套設有一固定桿2，其包括一套設在凸桿上的套管和一連接板，套管上沿軸向設置有多個螺紋孔，用于調整長度和連接板的角度。連接板外端設置有兩個貫穿孔，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，壓板可以有效保護刮板，增強刮板的強度。并且刮板上設置有讓螺栓穿過的兩個長橢圓形通孔，用于延長刮板外延長度。與現有的技術對比，本裝置的槳葉能夠調整長度和角度，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 攪拌轉軸裝置

傳統臥式固體菌渣發酵處理裝置布氣方式主要采用罐底部、側壁或罐頂安裝空氣管路，存在局部布氣不均及空氣短流現象。針對現有技術存在的問題做出改進，設計一種新型固體菌渣處理裝置轉軸結構，結構簡單，確保布氣充分。

結構如圖4所示。攪拌轉軸裝置包括轉軸本體，從左到右依次設計連接段、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、用于安裝軸承和機械密封的第二安裝段2。連接段側壁上設置有電機減速機安裝端1。第二安裝段的端面上開設有通往主軸段的通氣管道3，主軸段側壁上均布有若干個呈“凵”形的布氣管，布氣管兩端深入主軸段與通氣通道相連通7，布氣管朝向主軸段的側壁上設置有若干個軸外開孔出氣管4。主軸段上套設有若干個用于安裝攪拌葉的抱箍。根據固體菌渣處理裝置轉軸結構，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。

與現有技術相比，本裝置采用軸內及軸外均布的布氣管，保證了軸在運轉過程中各方向的360°動態均勻布氣，使物料在翻轉充分接觸空氣；同時布氣管也能起到攪動物料的作用。

2.2 固體菌渣處理在線檢測系統的研究

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，依次了解處理的進度以及防止突發事件的發生。

在線檢測系統實現了對固體菌渣處理裝置內氣體的實時檢測。同時，整套設備采用PLC集中控制，對溫度、濕度、溶氧進行實時在線檢測、采集、保存和功能控制，如圖5所示。檢測裝置上設有氣體檢測接口和回流接口，它們通過管道連通，管道上沿氣體行進方向（圖中從左往右）依次設置有溫濕度儀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。控制面板用于輸入控制參數，如各個檢測器的啟停，用于顯示溫濕度檢測器和溶氧檢測儀測到的數據。另外，還可以預先通過控制面板設置溫濕度和溶氧量閾值，當檢測到的數據超過閾值時，控制器控制設置的警報器發出警報后用于提醒工作人員，設備的使用的安全性得到進一步的提升，實用性強。

圖4 布氣型攪拌轉軸

圖5 在線檢測系統示意圖

3 中試機組的應用

公司與某高校專家開展合作，進行工業中試型機組的制造，并在其指導下開展某企業多粘菌素菌渣的無害化固體發酵中試生產，中試生產情況如下：

將制備的固體發酵菌種和含水量為80%～90%的新鮮多粘菌素菌渣按重量比5∶100的比例混合，發酵96h，發酵溫度控制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，發酵過程中前48 h通氣，發酵48h后轉入厭氧發酵，發酵過程中每隔30 min翻動15 min（轉速30 r/min），獲得高蛋白的多粘菌素發酵菌渣。

發酵后產品經HPLC和杯碟法檢測，多粘菌素發酵菌渣中殘余的多粘菌素已基本降解，蛋白質含量＞50%，優于很多的植物蛋白源。

根據試驗結果，研發的固體菌渣處理裝置基本滿足了多粘菌素發酵菌渣無害化處理要求，為后期整體裝置的優化和大型設備的制造提供指導依據。

4 結論

本研究的固體菌渣處理裝置的設計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、企業對穩定、可靠的抗生素菌渣無害化處理小中試機組的要求，有利于推動抗生素菌渣無害化處理大生產的建設工作。由于抗生素類菌渣種類繁多、成份復雜，具體的生產操作工藝仍然需要進行獨立的工藝操作實驗，以進一步明確各自的攪拌葉結構、組合樣式及配套的工藝參數。