青霉素菌渣理化特性及其资源化利用研究现状.pdf

青霉素菌渣理化特性及其资源化利用研究现状 * 王冰刘惠玲王璞 哈尔滨工业大学城市水资源和水环境国家重点实验室和市政环境工程学院，哈尔滨 150090 摘要 青霉素菌渣是青霉素发酵工艺中产生的残余固体废弃物， 其产生量大、 易产生二次污染， 利用过程中会造成环境 风险， 在一定程度上限制了制药企业的发展。对目前国内外青霉素菌渣的资源化和处置技术进行了综述与讨论， 青霉 素菌渣的青霉素残留效价脱毒是目前亟待解决的问题; 此外对青霉素菌渣的综合利用过程中重点解决的问题进行了 预测及展望。 关键词 青霉素菌渣; 残留检测; 脱毒; 资源化; 标准 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201402033 CHAＲACTEＲISTICS OF PENICILLIN MYCELIUM AND ITS STATE OF ＲESOUＲCE UTILIZATION Wang BingLiu HuilingWang Pu State Key Laboratory of Urban Water Ｒesources and Environment ＆ School of Municipal and Environmental Engineering， Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China AbstractPenicillin mycelium is a residual solid waste produced in the penicillin fermentation process． A large amount of penicillin bacterial residues which is easy to bring about secondary pollution is discharged and limits the development of pharmaceutical enterprises because of the environmental risk in the process of comprehensive utilization． In this paper，the utilization and disposal technology of penicillin mycelium at home and abroad currently was summarized and discussed． How to detoxicate penicillin residues is a common and critical problem． In addition，the key problem was prospected in the future development trend of dealing with penicillin mycelium． Keywordspenicillin mycelium;residue detection;detoxicate;resource utilization;standard * 环保公益性行业科研专项 201209024 。 收稿日期 2013 －03 －07 0引言 青霉素是 β- 内酰胺类中的一大类抗生素， 其抗菌疗 效突出、 价格便宜， 是一种很普遍的抗菌药品。青霉素 属于发酵类药物， 生产过程中会产生固体废弃物， 即青 霉素菌渣， 生产 1t 抗生素约产生 8 ～10 t 湿菌渣 ［ 1 ］ ， 在 2008 年， 青霉素菌渣被列入 国家危险废物名录 。 目前对菌渣的处置还没有很好的方法， 许多企业 将菌渣干燥封存， 这样既增加了占地面积， 又增加了 二次污染的可能， 成本大大提高; 也有的企业将菌渣 外卖给个企或者私营企业， 将菌渣进行干燥加工、 堆 肥发酵， 做成有机肥料， 但这种办法管理混乱， 有些私 营企业甚至直接将菌渣作为饲料或者饲料添加剂， 这 种做法存在很多安全隐患。由于抗生素菌渣产生量 大、 含水率高、 处理成本高， 抗生素菌渣的处置利用难 成为限制制药企业发展的瓶颈。目前， 医药行业和政 府对青霉素菌渣的处理高度重视， 并且已提上日程， 由环保部牵头的环保公益项目已经启动。 1青霉素菌渣基本性质 1. 1青霉素菌渣的来源 青霉素是青霉菌在发酵代谢过程中产生的次级 代谢产物。将青霉菌种接种于富含有机物的培养基 上发酵培养， 一个周期后， 进行放罐过滤， 形成滤液和 滤饼。滤液中含有青霉素、 大分子蛋白等， 需采取进 一步提取工艺获得青霉素。滤饼是微生物发酵后残 余的固体废弃物， 其主要成分包括菌丝体、 剩余培养 基、 无机盐、 代谢产物和少量青霉素等， 在青霉素的发 酵工艺中， 底物主要由大豆、 花生饼、 玉米蛋白、 淀粉 等组成， 因此整个过程未添加任何有毒有害的物质。 931 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction 1. 2青霉素菌渣的理化性质 新鲜青霉素菌渣的初始状态为灰黄色、 无味， 外 观呈豆腐渣样， 可发生二次发酵， 颜色变黑， 固体会自 溶变稀， 发出恶臭味。 贡丽鹏 ［2 ］等人对土霉素、 青霉素菌渣的理化性 质进行分析， 发现菌渣中 C、 O 质量分数分别达到 40和 30以上， 无机成分、 重金属含量及多环芳烃 含量均较低， 菌渣中主要官能团为 OH 和 CC， 为 蛋白质、 纤维素等有机物质的特征官能团。青霉素不 耐热， 水溶液不稳定， 属热敏性物质。李月海 ［3 ］等人 发现， 青霉素菌渣通过烘干后，青霉素含量已很少， 可以利用其中的高蛋白等营养成分。 1. 3青霉素菌渣的危害 青霉素用于抑制病原微生物的生长， 治疗大多数 细菌感染性疾病， 在小剂量的情况下能抑制微生物的 生长， 而对宿主细胞不产生严重的毒性。 由于青霉素菌渣来自青霉素的生产工艺， 其中必 然含有微量的抗生素及其代谢产物， 可能包括青霉二 酸、 青霉胺、 青霉醛、 青霉酸、 青霉噻唑酸等。假如将 菌渣不进行任何处理直接作为饲料， 畜禽等食品动物 长期低剂量摄入抗生素， 会导致畜禽对抗生素产生耐 药性; 同时， 抗生素在动物体内蓄积， 导致动物食品 肉、 蛋、 奶及内脏中产生抗生素残留。动物食品中的 抗生素沿食物链传递到人， 一方面会引起人群过敏反 应， 严重时引起人群食物中毒; 部分药物还有致癌、 致 畸、 致突变等作用， 严重干扰人类各项生理功能; 另一 方面， 含有抗生素的动物食品会对人体肠道内正常菌 群产生不良影响， 破坏肠道内生态区系平衡， 使致病 菌大量繁殖， 危害人类健康。同时， 还会将动物体内 的耐药菌传递给人类， 威胁人类健康。 各种抗生素菌渣产生量大， 其总量是不可忽视 的， 抗生素进入环境后， 会诱发和传播大量耐药菌， 水 体和土壤等环境是耐药菌产生的重要场所， 一旦耐药 菌大量产生， 大部分抗生素将不会起作用， 人类的生 存将会受到严重威胁。 1. 4青霉素残留检测 畜产品中青霉素类药物残留的检测方法有微生 物法、 高效液相色谱法、 液质联用法、 气相色谱法、 免 疫分析法等。其中高效液相色谱法是一种常用快速 的分离分析技术， 高效液相色谱法测定牛奶中的青霉 素药物残留要经过一定的样品前处理包括样品提取、 脱蛋白、 层析柱净化、 衍生化等步骤［4 ］。 综上所述， 青霉素菌渣残留微量的抗生素及其代 谢产物的存在是影响其无害化、 减量化、 资源化的关 键制约因素， 探讨抗生素及其降解产物的脱毒工艺是 解决青霉素菌渣处理处置问题中的瓶颈。 2青霉素菌渣的资源化和处置技术 2. 1生产饲料或饲料添加剂 2008 年以前， 新鲜的菌渣绝大多数是干燥后直 接用作饲料或者饲料添加剂， 被定义为“危废” 之后， 菌渣生产作为饲料被禁止。 目前， 研究的重点集中在如何将菌渣中的抗生素 残留去除， 以发挥其巨大的实用价值。孙玉胜 ［5 ］提 供了一种青霉素菌渣脱毒的方法， 能够改善菌渣的物 理性状， 使其容易进行喷雾干燥， 从而提高处理量、 降 低能耗、 改善产品品质。雷增学 ［6 ］等提供一种利用 生物技术对抗生素菌渣进行无害化处理的方法， 其中 残留的抗生素成分可完全或大部分去除， 处理后的抗 生素药渣中含有大量的有益菌群， 其中的营养成分具 备能够充分利用的条件。 邱智杰 ［ 7 ］以泰乐菌素药渣为主要原料， 从土壤中 筛选分离得到了降解泰乐菌素效果优良的复合菌群， 效果良好， 并对菌群进行了分离纯化， 结论是复合菌群 对药渣中残留的泰乐菌素的降解效果要优于分离纯化 后的单一菌， 所得到的微生物蛋白饲料和酶制剂产品， 用微生物药敏试验未检测到残留泰乐菌素的存在。 用微生物技术进行菌渣脱毒， 重点是研发出更多 适宜青霉素菌渣的抗生素降解菌群。如果对菌渣进 行无害化处理， 达到饲料或者饲料添加剂的卫生安全 指标， 青霉素菌渣里的高蛋白营养物质就可以得到最 大化的利用。在不久的将来， 菌渣的处置问题将会得 到彻底解决。 2. 2堆肥 堆肥法作为处理固体废弃物实现无害化、 资源化 的一种有效手段， 长久以来在国内外广泛地被研究和 应用。利用堆肥方法处理青霉素菌渣， 通过堆肥过程 中各种微生物降解其中的抗生素残留， 不仅可使菌渣 稳定化、 无害化， 而且费用较低， 堆肥成品还可以资源 化用作有机肥， 具有较好的经济效益。 美国 Holly Dolliver［8 ］等人采用了 3 种堆肥方法 控制处理型 初始混合后无扰动或调整 、 调整型 轻 微混合及湿度保持 和管式堆肥型， 分别将堆肥过程 中金霉素、 莫能菌素、 磺胺二甲嘧啶、 泰乐菌素的降解 程度量化， 发现虽然 3 种方法在温度、 质量、 营养消耗 041 环境工程 Environmental Engineering 有很大不同， 但是抗生素的降解没有表现出很大差 异， 初期金霉素浓度下降很快， 而莫能菌素和泰乐菌 素降解速度缓慢， 最终 99 的金霉素和 54 ～ 76 的莫能菌素及泰乐菌素得到降解。因此， 堆肥在无需 管理调整的情况下， 可以实现抗生素高效降解。 华北制药集团 ［9 ］利用 HB 菌渣和青霉素菌渣混 合发酵， 通过微生物发酵使残留的青霉素和 HB 失去 活性， 这种肥料经田间小区试验， 对人体和动物没有 危害， 不仅能增产、 提高土壤肥力， 还能保证农作物产 品品质， 这为今后的堆肥处理拓展了研究范围， 联合 堆肥具有极大的研究价值。 但是， 菌渣中抗生素残留是否会对堆肥过程中微 生物产生破坏作用， 堆肥是否能够顺利升温， 达到国 家无害化卫生标准， 堆肥过程中抗生素及其代谢产物 能否降解， 堆肥成品是否会对土壤微生物产生破坏作 用， 在堆肥法处理抗生素菌渣推广之前， 都是需要进 行研究的问题。 2. 3焚烧 焚烧菌渣能迅速减少抗生素菌渣的总量， 并除去 其中的有害物质， 但是焚烧处理专用设备价格十分昂 贵， 加之新鲜的菌渣中水分含量都在 80 以上， 热值 较低， 需要预先脱水干燥， 耗费能量， 而自然晾晒干燥 易产生臭味， 如果利用菌渣燃烧对其自身进行干燥， 最终通过焚烧处理而可回收得到的热量就很少， 最重 要的是菌渣中大量的植物营养元素如 N、 P 及微量元 素等也因燃烧而被浪费， 所以焚烧处理方式的推广有 一定的难度， 并且从资源可持续使用以及环境可持续 发展角度具有极大弊端。 目前， 企业对菌渣的处理难的根本原因是成本问 题， 焚烧菌渣的成本为1 500 元/t， 并且国内菌渣焚烧 的实例很少， 与其他废物共焚烧的安全问题没有相关 的法律、 法规、 标准和规范。但是美国、 欧盟等国家对 于制药行业产生的固体废弃物多采用焚烧方法进行 处置， 因此焚烧的优势也不容忽视， 将来菌渣焚烧有 可能成为我国今后的发展方向之一。 2. 4厌氧消化产沼气 厌氧消化技术是将抗生素菌渣进行高温或中温 厌氧消化， 将低品质的生物质能转化为高品质的沼 气， 厌氧消化产生的残渣稳定， 可制作农肥， 许多抗生 素菌渣富含易降解物质， 采用厌氧消化技术减少污 染， 制造甲烷， 是资源回收利用的新途径。孙效新［10 ］ 等研究表明青霉素、 链霉素、 土霉素、 洁霉素、 麦迪霉 素菌渣等都能厌氧消化制取沼气。徐颂 ［11 ］等人通过 林可霉素菌渣的中温厌氧消化摇瓶实验， 确定林可霉 素菌渣的厌氧消化应采用含固率 ＜ 5、 接种比 ＞ 2 的液态发酵工艺; 在研究参数范围内， 含固率越低， 接 种比越高， 越有利于甲烷的产生。 利用青霉素菌渣进行厌氧消化制取沼气是可行 的， 但菌渣中残留的抗生素是否被降解， 其残渣的利 用也需要进行严格的安全性评价， 而且残留的抗生素 会不会对厌氧消化细菌产生不利影响， 微生物能否产 生抗药性， 这些都值得关注。 2. 5菌渣中制药原料与化工原料的提取或制备 2. 5. 1用青霉素菌渣制备制药原料 李秀环 ［12 ］采用新工艺对青霉素菌渣进行脱毒处 理并制备出代替酵母膏、 酵母粉的新产品， 为青霉素 发酵工业的清洁生产提供技术支持。南阳普康药业 有限公司 ［13 ］采用酶水解技术， 菌渣中蛋白质水解为 肽类、 氨基酸， 作为部分氮源添加入林可霉素培养基， 循环利用来生产林可霉素。 利用青霉素菌渣做酵母膏、 酵母粉或者做培养基 替代品的做法是处理菌渣的有效途径， 该方法的缺点 是处理量小， 对比原来的制药原料成本较高， 而且存 在交叉感染的问题。 2. 5. 2从青霉素菌渣中提取麦角固醇 麦角固醇又称麦角甾醇， 是一种重要的医药化工 原料， 是维生素的前体。目前国内外大多数麦角固醇 的生产方式主要采用酵母菌发酵法。程俊山［14 ］等以 麦角固醇含量为 0. 76 的青霉素湿菌渣为原料， 通 过加碱甲醇皂化， 选择乙醚或者石油醚作为萃取剂进 行萃取， 其回收率可以达到 0. 71。 该方法缺点是回收率低， 产品提取完后残渣仍需 要进一步处理， 而且处理量和处理难度加大， 使本身 可处理的菌渣变成一种难处理的废弃物。 2. 6菌渣的其他利用途径 水煤浆技术的成熟及其工业化应用为菌渣的经 济、 有效的资源化处理提供了一条新的途径。张 晔 ［15 ］等人提出了菌渣与煤配合制备水煤浆的新想 法， 并对其进行了试验研究。结果表明， 当抗生素菌 渣的配入量在 0 ～10 时， 菌渣水煤浆的制浆浓度 较高， 且浆体流动性、 稳定性均较好。在相同制浆浓 度条件下， 由于菌渣的饱和吸水量高、 孔隙率大， 参与 流动的水减少， 与普通水煤浆相比， 菌渣水煤浆析水 率随着渣的配入量的增大而降低， 稳定性较好。 141 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction 该技术以菌渣作为能源为思路， 打破传统框架， 想法新颖， 菌渣作为一种稳定剂与煤粉配合制备水煤 浆， 同时可以利用渣中含有的热量， 将菌渣里的有机 质做成燃料， 最终以燃烧放热的形式将能量释放出 来， 实现废物的资源化利用， 其中的抗生素毒性也微 乎其微了。但缺点是大规模的抗生素菌渣不可能全 部通过此方法来解决， 处理规模有限。 3结论与展望 目前青霉素菌渣直接用做饲料的方法虽已被禁 止， 但是将菌渣进行无害化处理后， 制成饲料或者饲料 添加剂， 并进行生物安全性评价， 则该方法仍然是其最 好的出路; 青霉素菌渣做成有机肥料是一种适于推广 的处置方式， 是较好的青霉素菌渣处理方法之一， 但青 霉素残留及其中间代谢产物有潜在的生态风险， 需对 产品进行安全使用问题评估; 现在采用危险废物焚烧 炉焚烧青霉素菌渣的方法成本太高， 会进一步加重制 药企业的经济负担， 很难推广; 青霉素菌渣通过水解脱 毒用作培养基或者制成酵母膏、 酵母粉的方法， 是比较 理想的处置方法， 可用于处理一部分菌渣; 菌渣制沼气 和做成水煤浆属于能源化技术， 方法可行， 但其处理规 模有限， 而且工艺不成熟， 需要做进一步研究。 归根结底， 青霉素菌渣处理处置难的问题在于菌 渣的未知性， 即菌渣中青霉素残留量， 菌渣中青霉素 的环境行为， 菌渣利用的生物安全性都是亟待解决的 问题。因此， 青霉素菌渣的处置问题需要优先解决两 个问题 1 菌渣中青霉素的分析检测方法。2 建立 一套生物安全性评估标准。惟有这样， 青霉素菌渣的 利用才是有理有据， 青霉素菌渣的无害化、 减量化、 资 源化才有技术支持， 多年困扰制药企业发展的问题才 会迎刃而解， 这对企业的可持续发展具有重要意义。 参考文献 ［1］李再兴， 田宝阔， 左剑恶． 抗生素菌渣处理处置技术进展［J］． 环境工程， 2012， 30 2 72- 75． ［2］贡丽鹏， 郭斌， 任爱玲， 等． 抗生素菌渣理化特性［J］． 河北科 技大学学报， 2012 4 190- 196． ［3］李月海， 刘冬玲， 谢幼梅． 抗生素菌渣的综合利用［J］． 山东畜 牧兽医， 2005 4 28- 39． ［4］邓斌． 高效液相色谱法检测牛奶中青霉素残留的研究进展 ［J］． 中国兽药杂志， 2003， 37 6 36- 40． ［5］孙玉胜． 脱毒青霉素菌渣及其制备方法和作为菌体蛋白在饲料 中的应用 中国， CN20010327［P］．2002- 10- 30． ［6］雷增学，雷泽曦． 利用生物技术对抗生素药渣进行无害化处 理的方法 中国，CN200510012998. 8［P］．2006- 05- 03． ［7］邱智杰． 泰乐菌素药渣治理及资源化利用技术研究［D］． 银 川 宁夏大学， 2008． ［8］Holly Dollivera， Satish Gupta， Sally Nollc． Antibiotic degradation during manure composting［J］． Journal of Environmental Quality- Abstract， 2007， 27 3 1245- 1253． ［9］梁栋， 王民． 菌渣生产有机肥技术通过鉴定［J］． 中国乡镇企业 技术市场， 2004， 17 10 49． ［ 10］孙效新， 黄栋． 抗生素非君子液厌氧生物处理试验研究［J］． 中 国沼气， 1990， 88 3 11- 14． ［ 11］徐颂， 吴铎． 含固率和接种比对林可霉素菌渣厌氧消化的影响 ［J］． 中国环境科学， 2010， 30 3 362- 368． ［ 12］李秀环． 用青霉素菌渣制备酵母膏、 酵母粉代用品的方法及应 用［J］． 江苏食品与发酵， 2007 37- 38． ［ 13］南阳康普药业． 抗生素菌渣资源循环利用关键技术开发及应 用 中国，CN070908BA30670［P］．2009． ［ 14］程俊山， 张京伟， 徐绍辉， 等． 青霉素菌渣中提取麦角固醇工艺 的研究［J］． 河北化工， 2009， 32 9 22- 24． ［ 15］张晔， 李寒旭． 淮北矿区煤与抗生素湿菌渣配合制备水煤浆的 试验研究［J］． 选煤技术， 2010 2 23- 28． 第一作者 王冰 1988 － ， 男， 硕士。wangbing1234gg qq． com 通讯作者 刘惠玲 1964 － ， 女， 教授， 主要研究废水与固废处理与资 源化， 光、 电催化材料研制与应用。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 hliu2002163． com 上接第 97 页 参考文献 ［1］赵毅， 韩钟国， 韩颖慧， 等． 干法烟气同时脱硫脱硝技术的应用 及进展［J］． 电力环境保护， 2009， 25 4 22- 25． ［2］史少军， 叶招莲． 钢铁行业烧结烟气同时脱硫脱硝技术探讨 ［J］． 电力科技与环保， 2010， 26 3 17- 18． ［3］朱晓华， 章敬泉， 李鹏飞， 等． 钙硫比对循环流化床脱硫效率的 影响［J］． 环境工程， 2011， 29 3 73- 75． ［4］陈凯华， 宋存义， 张东辉， 等． 烧结烟气联合脱硫脱硝工艺的比 较［J］． 烧结球团， 2008， 33 5 29- 32． ［5］李鹏飞， 章敬泉， 朱晓华． 循环流化床入口结构对流态化效果影 响比较［J］． 环境工程， 2011， 29 4 82- 85． ［6］刘涛．“十一五” 烧结脱硫现状及 “十二五” 形势分析［C］∥第 八届中国钢铁年会论文集文集， 2011． ［7］李春风． 对我国烧结烟气脱硫工作的回顾与展望［C］∥第八届 中国钢铁年会论文集， 2011． ［8］赵森林， 冀留庆， 李育杰， 等． 钢铁行业烧结烟气脱硫产业化发 展趋势［C］∥第八届中国钢铁年会论文集， 2011． ［9］蒋文举． 烟气脱硫脱硝技术手册［M］． 北京 化学工业出版社， 2000． ［ 10］李奇勇． 烧结烟气半干法选择性脱硫新技术应用［J］． 环境工 程， 2008， 26 2 7- 9． ［ 11］赫继峰． 烧结烟气脱硫技术基本工艺参数的试验研究［J］． 烧 结球团， 2006， 31 3 1- 3． 第一作者 魏淑娟 1980 － ， 女， 学士， 工程师， 主要从事大气污染治 理。weishujuan1206163． com 241 环境工程 Environmental Engineering