固體菌渣處理技術與裝置研究

鄧良斌

（福州法莫優科機械科技有限公司，福建 福州 350007）

我國是世界上最大的抗生素生產大國，每年生產的抗生素種類超過70 余種。資料顯示，全球80%左右的球頭孢菌素為中國生產。我國抗生素的使用量占全球的26%左右。微生物發酵制藥自出現以來，對制藥行業的發展起到了積極的促進作用，但在制藥的過程中產生的菌渣具有較強的污染性。以前，發酵制藥業產生的菌渣通常經過簡單的干燥過程后由制藥公司作為飼料產品出售，但是，隨著社會對菌渣對環境的潛在影響以及對人類健康的威脅認識的加深，人們開始呼吁通過科學的處理技術對菌渣進行處理。

1 技術背景

制藥業在生產抗生素的過程中，產生的菌渣對生態環境具有嚴重的威脅。目前，國內企業使用以下方法處理此類固體廢物：填埋、焚燒、用作飼料或肥料。隨著社會對抗生素需求的提升，制藥廠生產抗生素的產量在不斷增加，傳統處理抗生素菌渣的方式顯然不滿足綠色發展要求。同時，由于菌渣自身還有的藥性，一旦進入土壤或水體，則必然會導致水體或土壤污染，并經過生物鏈威脅人們的身體健康，因此，除了少數抗生素生產量低的公司外，大多數公司不會采用掩埋這種方法。由于細菌殘留物的水分含量較高，因此，需要先將其脫水后再進行焚燒。同時，對焚燒產生的廢氣需要處理后再排放，否則，會造成空氣污染。所以，焚燒這種處理方式不僅會增加制藥企業的生產成本，還會導致大量的資源浪費。因此，尋找出一種高效率、低污染并能夠將菌渣處理后作為飼料或肥料使用的新方法，成為學者們研究的重點。

2 固體菌渣帶來的污染

在制藥行業中，一般發酵液內的固體含量大約占其體積的20%，資料顯示，每100m3發酵液會產生30m3左右的菌渣。在抗生素的生產過程中，其發酵過程具有連續性，且由于每天均有大量的批次倒入罐體中，因此，造成了筒體內會殘留大量的菌渣。研究表明，一中等規模抗生素生產廠大約每年會產出約6 萬噸的菌渣。在以往的制藥過程中，通常采用自然干燥的方法處理菌渣，之后可以用作肥料。但由于抗生素生產廠規模的不斷增加，自然干燥方顯然不能滿足發展需求，對于制藥生產廠家而言，采用自然干燥法需要占用大量的空地，且花費時間較長，而在自然干燥的過程中，菌渣或散發出難聞的氣味，嚴重影響了生態環境，而菌渣具有較高的有機含量，所以，在自然干燥的過程中極易發生二次發酵。同時，菌渣中含有抗生素，所以會對土壤以及水體造成嚴重損害，進而威脅民眾的身體健康。

3 固體菌渣處理技術研發內容

結合抗生素生產過程中固體菌渣處理的現狀與實際需求，本文提出了一種能夠集合自動化生產、生產數據在線監測等需求于一體的固體發酵處理裝置，主要適用于抗生素等發酵生產過程中對固體廢棄物進行無害化處理，針對固體發酵過程中固體物料中溫度、濕度的過程控制，以及空氣的均勻布置問題，進行專項的設計、研發。

4 固體菌渣處理技術與裝置設計

4.1 結構設計

本文提出的菌渣處理裝置主要包含攪拌裝置、筒體以及在線檢測系統等，該處理裝置為各個子控制系統的整合裝置，確保了裝置在處理菌渣的過程中具有較高的效率。裝置內部所設置的攪拌機、在線檢測系統與控制機構均有PLC 控制，設備中設置有物料投加口、料液投加口、真空口、觀察視鏡等功能口。如圖1 所示，為該菌渣處理裝置結構示意圖。

圖1 固體菌渣處理裝置示意圖

菌渣處理裝置的使用方法如下：

（1）投料及預處理：在設備投加口位置處投入物料，完成投料工作后，操作人員即可將物料投加口關閉，并按照物料預處理溫度的要求對物料進行干燥處理。在對物料進行干燥的同時，應及時啟動真空泵，對筒體進行排氣。最后，按照實際需要設定烘干時間即可。（2）接種：物料的干燥處理后，將設備夾套層內更換為符合接種溫度要求的冷熱介質，筒體溫度降低至設定值后，及時地將菌種從液料投加口導入筒體內，經攪拌后進行需氧操作。（3）需氧操作：在進行接種時，需要同時將設備內部的氧氣監測裝置打開，并按照要求開啟壓縮空氣入口，此時，PLC 控制系統將根據操作人員設定的含氧值對入口進行啟閉，進而保證氧氣進入量滿足接種要求。設備內部設置的監測裝置能夠對筒體內的空氣濕度進行檢測，并按照既定的濕度設定值將水噴入物料中。（4）筒體內的物料處理完成后，操作人員即可關閉氧氣、濕度監測系統。（5）攪拌器的控制。在進行物料需氧以及厭氧的處理過程中，應結合實際需要對攪拌器的攪拌速度、攪拌時間等進行設定，注意不得在攪拌的間隙期進行補水操作。

4.2 在線檢測系統

在固體菌渣處理裝置工作時，現場控制人員要對筒體內產生的氣體成分進行檢測，進而對整個菌渣處理過程進行控制，避免因工藝問題出現事故。在線檢測系統可以很好地分擔人工檢測的麻煩，提升整個檢測過程的精確性。該固體菌渣處理裝置中，各個子系統均由PLC 集中控制，能夠實現對整個處理過程中溫度、濕度、溶氧等參數的實時檢測、采集與分析。其中，控制面板主要對處理裝置各個參數的設定進行預設、檢測系統的啟閉等。此外，通過預先設定相應的閥值，還可以實現對設備的安全檢測，即當設備運行值超過設定的閥值時，控制器會發出警報。

4.3 實際應用

在研發成功該固體菌渣處理裝置后，與某高校進行合作實驗，對該裝置進行制造，并按照設計要求進行了試生產，試生產情況如下：首先，將所制備的固體發酵菌株與水含量為80%的新鮮多粘菌素渣以5:100 的重量比混合，并且發酵為96 小時，把整個發酵的溫度按照要求設定在31 ～35℃，空氣濕度按照前期的經驗設定在70%～80%。在進行發酵的2 天前，將空氣通入筒體，且確保每天都對物料進行翻動，在發酵完成后的2 天內，轉入厭氧發酵，

從而獲得了高蛋白多粘菌素發酵菌殘渣。通過HPLC 和杯碟法對發酵產物進行測試，發現殘留在產物中的多粘菌素已被消除，且產品內的蛋白質含量超過50%。實驗結果表明，該固體菌渣處理裝置能夠實現多粘菌素發酵菌渣無害化處理，且具有較為優異的處理效果，具有推廣意義。

5 結語

通過對固體菌渣處理技術與裝置的研究，提出了一種適用于抗生素等發酵生產過程中對固體廢棄物進行無害化處理的固體發酵處理裝置，并介紹了該裝置的構造與處理裝置的使用方法。實驗研究表明，該裝置能夠滿足抗生素無害化處理的要求，具有較強的實用性。