一种处理螺旋霉素发酵菌渣的方法

摘要

本发明提供了一种资源化处理螺旋霉素菌渣的方法，该方法包括以下步骤：a)罐体外活化；b)罐体内活化；c)罐体内沼泥活化完成后，每天从第一级罐体底部补入的螺旋霉素菌渣液，而后使第一级罐体顶部的等体积沼液从第二级罐体的底部进入，依此类推，最终从最后一级罐体的顶部出口排出等体积经过多级厌氧系统处理后的料液。该方法操作简单，运行成本低，能够耐受高有机负荷，且能够明显降解菌渣中残留的生物活性物质。

说明书

技术领域

本发明属于生物环保技术领域，具体涉及一种处理螺旋霉素发酵 废渣的方法。

背景技术

螺旋霉素(Spiramycin，SPM)属于大环内酯类抗生素，于1954 年由法国Rhone-Poulenc实验室从Streptomyces ambofaciens分离获得。 其化学结构、抗菌谱与红霉素相似，其体外抗菌活性低于红霉素，而 体内抗菌作用则较强。螺旋霉素为16-碳内酯环，它是一种抑菌剂，仅 在很高浓度时才呈杀菌作用。它是一种目前普遍认为对于这类抗生素 降解的关键酶是能够将其大环内酯结构开环的酯酶。酯键的形成是大 环内酯类抗生素形成闭环的最后一步，它是由聚酮合成酶(polyketide synthase)中的硫酯酶(thioesterase)模块进行催化的。

螺旋霉素是临床应用较多的大环内酯类抗生素，由SPM I(3-OH)、SPM II(3-OA)和SPM III(3-OPr)三个组分组成，现国内使用较多的是其乙酰化后 的衍生物-乙酰螺旋霉素(Ac-SPM)，它是双乙酰螺旋霉素II、III和单乙酰 螺旋霉素II、III四个组分的混合物，具有组织浓度高、毒性低、体内疗效 长等特点，对急性乳腺炎、淋巴结炎和牙周炎等都有很好的疗效。螺旋霉素 无论直接用药或充当乙酰螺旋霉素的前体原料，在国内外都在大量生产。 因此，如何妥善处理螺旋霉素的发酵废渣，实现低碳排放，资源化利用意 义重大。

已有研究表明厌氧发酵法处理抗生素废水产沼气是资源化的一条有效 途径。厌氧发酵可以很好的将青霉素、链霉素、洁霉素和麦迪霉素废水中 的COD转化为清洁能源沼气。抗生素发酵废渣与抗生素废水相比具有相 似的特点。在螺旋霉素发酵生产过程中，培养基内碳、氮源，无机盐等营 养丰富，但却不添加重金属，对产甲烷菌起抑制作用的硫酸盐含量也较低。 因此，螺旋霉素废渣非常适合厌氧发酵产沼气。

目前已有不少生产企业利用厌氧法处理抗生素废水，但是利用厌 氧法处理抗生素废渣的企业却未见报道。归结原因，其制约因素主要 有以下几方面：其一是抗生素废渣中碳、氮比不平衡且两者的浓度远 高于一般厌氧法处理废水的浓度，传统厌氧反应器无法耐受如此高的 负荷；其二是废渣本身含有重金属、硫酸盐等抑制厌氧菌生产的有害 物质；其三是抗生素废渣厌氧处理后抗生素没有得到清除，使得接下 来沼液和沼渣的处理或应用仍然存在隐患。

发明内容

为解决上述问题，本申请人发明了一种资源化处理螺旋霉素菌渣 的方法，该方法操作简单，运行成本低，在进料总COD高达20000mg/L 情况下能长期稳定运行，且能够明显降解菌渣中残留的生物活性物质。

因此，本发明的第一个目的是提供一种资源化处理螺旋霉素菌渣 的方法，该方法包括以下步骤：

a)罐体外活化：将沼泥按照总厌氧发酵体积的20～60％接种到装有 螺旋霉素菌渣液的罐中，冲入氮气、二氧化碳、氢气或沼气，密闭， 然后将整个体系置于30～40℃的环境中活化10～20天，得到罐体外活化 的沼液；

b)罐体内活化：将罐体外活化的沼液分别加入到多级厌氧装置的每 一级罐体中，密闭，冲入氮气、二氧化碳、氢气或沼气，然后每隔3～8 天，向每一级罐体中加入和沼液等体积的螺旋霉素菌渣液，总装料体 积占罐体总体积的60～100％；

c)罐体内沼泥活化完成后，每天从第一级罐体底部补入的螺旋霉素 菌渣液，而后使第一级罐体顶部的等体积沼液从第二级罐体的底部进 入，依此类推，最终从最后一级罐体的顶部出口排出等体积经过多级 厌氧系统处理后的料液。

根据本发明一个优选的实施方式，a)步骤中所述螺旋霉素菌渣液的 固含量为1～3％。

根据本发明一个优选的实施方式，a)步骤中所述螺旋霉素菌渣液的 pH值为6.5～8.5，优选7.2～7.8。

根据本发明一个优选的实施方式，a)步骤中沼泥的接种比例为总厌 氧发酵体积的35～50％。

根据本发明一个优选的实施方式，a)步骤中活化的温度为35～38℃， 且波动范围不超过1℃/天。

根据本发明一个优选的实施方式，a)步骤中活化时间控制为14～16 天。

根据本发明一个优选的实施方式，b)步骤中多级厌氧装置由四个罐 体串联而成。

根据本发明一个优选的实施方式，b)步骤中多级厌氧装置的每一级 罐体的装料量占罐体总体积的85～95％。

根据本发明一个特别优选的实施方式，b)步骤中多级厌氧装置的每 一级罐体的总体积可以为约12L，装料11L。

根据本发明一个优选的实施方式，b)步骤中，加入罐体外活化的沼 液的体积占每一级罐体总体积的20～50％，优选30％。

根据本发明一个优选的实施方式，b)步骤中，每隔4～5天，向每一 级罐体中加入和沼液等体积的螺旋霉素菌渣液。

根据本发明一个优选的实施方式，b)步骤中，加入罐体的螺旋霉素 菌渣液的固含量为1～3％，优选2％。

根据本发明一个优选的实施方式，c)步骤中，每天从第一罐体底部 补入的螺旋霉素菌渣液的体积为1～6L，优选3～5L。

根据本发明一个优选的实施方式，c)步骤中，每天从第一罐体底部 补入的螺旋霉素菌渣液的固含量为1～6％，优选3～5％。

根据本发明一个优选的实施方式，c)步骤中，每天从第一罐体底部 补入的螺旋霉素菌渣液的pH为6.5～8.5，优选7～8。

根据本发明一个优选的实施方式，c)步骤中，补好料液后，通过高 压氮气从罐体的底部鼓入，以使补入的新鲜螺旋霉素菌渣液与原罐体 的沼液混合，鼓气频率为1～12次/天，优选4～6次/天，每次鼓气时间 为10～40s。

本发明的第二个目的是提供一种多级厌氧装置，其特征在于其由 二至六个结构完全相同的厌氧罐首尾串联而成，优选由四个结构完全 相同的厌氧罐首尾串联而成，且所述厌氧罐的高径比为4-6。

根据本发明一个优选的实施方式，所述厌氧罐的底部中央设有进 料口，所述进料口的直径为2-10cm。

根据本发明一个优选的实施方式，所述厌氧罐在距离顶部1/5-1/15 罐体高度处的罐体侧面设有出料口，所述出料口的直径为2-10cm。

根据本发明一个优选的实施方式，所述厌氧罐在距离底部5-50cm 处设有进气布散器，其开口向上，整个布散器的直径为罐体内径的 1/2-4/5，所述布散器上出气孔直径为5-20mm。

根据本发明一个优选的实施方式，所述厌氧罐的罐体顶部设有出 气口，所述出气口的直径为5-10mm。

如图1所示，本发明多级厌氧装置由四个罐体串联起来，分别为 1#罐体、2#罐体、3#罐体和4#罐体。每个罐体高80cm，内径14cm， 外径20cm，顶部有三通口和备用扣，底部有进料口，距顶部10cm的 侧面有出料口，进出料口管内径15mm，另外底部的内侧据底部6cm出 有气体分布器，分布器上分布有15个口径为8mm的出气口；每个罐 体从底部进料，顶部出料并进入下一个罐体的底部补入下一个罐体； 另外整套系统还有利用排水法的集气系统和罐体外壁的循环水系统。

与现阶段采用焚烧法处理抗生素菌渣相比，本发明优点在于：处 理的成本大大降低，且同时能够达到去除有害物的目的，同时避免资 源的浪费，将菌渣中能够利用有机质转化成气质能源，实现资源化利 用。

附图说明

图1为本发明的多级厌氧装置的示意图；

图2为实施例1中罐体补料和各级罐体中料液的体外抑菌实验图， 图中多级厌氧装置的各级罐体料液的抑菌活性逐渐较少；

图3为实施例1中各罐体中料液的高效液相色谱(HPLC)图；

图4为实施例1中1#罐体中料液的高效液相色谱(HPLC)图；

图5为实施例1中2#罐体中料液的高效液相色谱(HPLC)图；

图6为实施例1中3#罐体中料液的高效液相色谱(HPLC)图；

图7为实施例1中4#罐体中料液的高效液相色谱(HPLC)图；

其中图3-7中螺旋霉素的三个组分在多级厌氧装置的各级罐体中 的残留逐渐减少。

具体实施方式

多级厌氧装置的工作流程如下：

1：补料前先将各个罐体顶部的三通阀旋转至罐体与大气相连，慢 慢鼓入氮气使得物料搅拌均匀；

2：将三通阀旋转至罐体不与大气或集气桶相连(即罐体密闭)， 同时打开各个罐体底部的进料阀；

3：将料液加入补料罐，依靠液位差，料液从1#罐体底部进入1# 罐体，由于罐体密封，此时1#罐体顶部料液会从旁侧的出料口流出并 从2#罐体的底部进入2#罐体，依此类推，最终会有等体积的料液从4# 的旁侧出料口流出，整个过程可以通过流量计调节流速；

4：补料结束后，关闭各个罐体的进料阀并将三通阀旋转至罐体与 大气相通，再一次慢慢鼓入氮气使得新补入的料液同旧料混合均匀， 最后将三通阀旋转至罐体与集气桶相连；

5：两次补料间隙，如需搅拌料液参照“流程1”；

抑菌实验条件如下：

菌种：Bacillus subtilis ATCC 6633

固体培养基(g/L)：氯化钠10，酵母提取物5，胰蛋白胨10，琼 脂20，121℃灭菌30min；

培养条件：37℃，20h；

操作过程：取50ml固体培养基，加热融化后冷却至50℃，加入 40ul Bacillus subtilis菌液混合均匀倒入平板中冷却；各个罐体的发酵液 离心后取上清20ul滴加到直径为5mm的纸片上吹干，然后将纸片平铺 到平板中的固体培养基上，至于37℃培养20h观察抑菌圈大小。

如没有特别说明，本发明所指的百分比单位均为重量百分比。

本发明螺旋霉素HPLC检测条件如下：

色谱柱：Welchrom-C18，5μm，4.6*250mm；

检测波长：232nm；

柱温：35℃；

流速：1.0ml/min；

流动相：A相：50mM醋酸铵水溶液

B相：乙腈

流动相比例：A相∶B相＝65∶35

实施例1

取含水量为75％的螺旋霉素菌渣1600g，加水稀释至20L，用搅拌 机打碎菌渣使其形成固含量为2％的菌渣液，并加氢氧化钠调pH为7.5 后倒入总体积为40L的玻璃罐中。向菌渣液中按接种比例为40％，加 入沼泥13.3L，充氮气赶出其中的空气，加盖密封，混匀。从瓶塞上开 一个小口插入导气管，导气管另一头放入水中用于排气。整个装置置 于温度为37℃的环境中培养，每天摇匀两次，共活化15天的时间。

按照多级厌氧装置单个罐体总装料体积11L的1/3，从玻璃罐中活 化好的菌渣液和沼泥的混合沼液各取3.6L加入多级厌氧装置的各级罐 体中。同时加入3.6L、固含量为2％、pH为7.5的菌渣液到各级罐体中， 鼓入氮气一方面赶出空气，另一方面使得沼液和新鲜的菌渣液混合。 多级厌氧系统的循环水控制温度为37℃，并且每天鼓两次氮气搅拌整 个系统。罐体活化6天后，再加入3.6L、固含量为2％、pH为7.5的菌 渣液到各级罐体中同样活化6天，此时整个系统都充满了沼液。

多级厌氧系统活化完成后，每天定时向多级厌氧系统中补入新鲜 菌渣液。补料期间，按照补料操作从1#罐体的底部补入4L、固含量为 2％、pH为7.5的菌渣液(此菌渣液残留螺旋霉素量为104.4mg/L，可 溶性COD为10055mg/L)。同时1#顶部出料口流出4L料液从2#罐体 的底部进入2#罐体内部，依此类推，最终从4#罐体的顶部流出4L经 过多级厌氧系统处理后的料液。每天进行3次鼓气，每次鼓气时间为 20s。

经过多级厌氧系统处理后的沼液中螺旋霉素残留量为8.2mg/L，可 溶性COD为1220mg/L，螺旋霉素和可溶性COD降解率(沼液上清中 可被重铬酸钾氧化的有机质的降解率)分别为92.1％和87.9％。

实施例2

取含水量为75％的螺旋霉素菌渣1600g，加水稀释至20L，用搅拌 机打碎菌渣使其形成固含量为2％的菌渣液，并加氢氧化钠调pH为7.5 后倒入总体积为40L的玻璃罐中。向菌渣液中按接种比例为40％，加 入沼泥13.3L，充氮气赶出其中的空气，加盖密封，混匀。从瓶塞上开 一个小口插入导气管，导气管另一头放入水中用于排气。整个装置置 于温度为34℃的环境中培养，每天摇匀两次，共活化15天的时间。

按照多级厌氧装置单个罐体总装料体积11L的1/3，从玻璃罐中活 化好的菌渣液和沼泥的混合沼液各取3.6L加入多级厌氧装置的各级罐 体中。同时加入3.6L、固含量为2％、pH为7.5的菌渣液到各级罐体中， 鼓入氮气一方面赶出空气，另一方面使得沼液和新鲜的菌渣液混合。 多级厌氧系统的循环水控制温度为37℃，并且每天鼓两次氮气搅拌整 个系统。罐体活化6天后，再加入3.6L、固含量为2％、pH为7.5的菌 渣液到各级罐体中同样活化6天，此时整个系统都充满了沼液。

多级厌氧系统活化完成后，每天定时向多级厌氧系统中补入新鲜 菌渣液。补料期间，按照补料操作从1#罐体的底部补入4L、固含量为 2％、pH为6.5的菌渣液(此菌渣液残留螺旋霉素量为58.8mg/L，可溶 性COD为9960mg/L)。同时1#顶部出料口流出4L料液从2#罐体的 底部进入2#罐体内部，依此类推，最终从4#罐体的顶部流出4L经过 多级厌氧系统处理后的料液。每天进行3次鼓气，每次鼓气时间为20s。

经过多级厌氧系统处理后的沼液中螺旋霉素残留量为7.0mg/L，可 溶性COD为1288mg/L，螺旋霉素和可溶性COD降解率分别为97.5％ 和87.7％。

实施例3

取含水量为75％的螺旋霉素菌渣1600g，加水稀释至20L，用搅拌 机打碎菌渣使其形成固含量为2％的菌渣液，并加氢氧化钠调pH为7.5 后倒入总体积为40L的玻璃罐中。向菌渣液中按接种比例为40％，加 入沼泥13.3L，充二氧化碳赶出其中的空气，加盖密封，混匀。从瓶塞 上开一个小口插入导气管，导气管另一头放入水中用于排气。整个装 置置于温度为38℃的环境中培养，每天摇匀两次，共活化15天的时间。

按照多级厌氧装置单个罐体总装料体积11L的1/3，从玻璃罐中活 化好的菌渣液和沼泥的混合沼液各取3.6L加入多级厌氧装置的各级罐 体中。同时加入3.6L、固含量为2％、pH为7.5的菌渣液到各级罐体中， 鼓入二氧化碳一方面赶出空气，另一方面使得沼液和新鲜的菌渣液混 合。多级厌氧系统的循环水控制温度为37℃，并且每天鼓两次二氧化 碳搅拌整个系统。罐体活化6天后，再加入3.6L、固含量为2％、pH 为7.5的菌渣液到各级罐体中同样活化6天，此时整个系统都充满了沼 液。

多级厌氧系统活化完成后，每天定时向多级厌氧系统中补入新鲜 菌渣液。补料期间，按照补料操作从1#罐体的底部补入2L、固含量为 6％、pH为8.5的菌渣液(此菌渣液残留螺旋霉素量为183.0mg/L，可 溶性COD为20150mg/L)。同时1#顶部出料口流出2L料液从2#罐体 的底部进入2#罐体内部，依此类推，最终从4#罐体的顶部流出2L经 过多级厌氧系统处理后的料液。每天进行6次鼓气，每次鼓气时间为 40s。

经过多级厌氧系统处理后的沼液中螺旋霉素残留量为6.0mg/L，可 溶性COD为2960mg/L，螺旋霉素和可溶性COD降解率分别为96.7％ 和85.4％。

实施例4

取含水量为75％的螺旋霉素菌渣1600g，加水稀释至20L，用搅拌 机打碎菌渣使其形成固含量为2％的菌渣液，并加氢氧化钠调pH为7.5 后倒入总体积为40L的玻璃罐中。向菌渣液中按接种比例为40％，加 入沼泥13.3L，充氢气赶出其中的空气，加盖密封，混匀。从瓶塞上开 一个小口插入导气管，导气管另一头放入水中用于排气。整个装置置 于温度为37℃的环境中培养，每天摇匀两次，共活化15天的时间。

按照多级厌氧装置单个罐体总装料体积11L的1/3，从玻璃罐中活 化好的菌渣液和沼泥的混合沼液各取3.6L加入多级厌氧装置的各级罐 体中。同时加入3.6L、固含量为2％、pH为7.5的菌渣液到各级罐体中， 鼓入氢气一方面赶出空气，另一方面使得沼液和新鲜的菌渣液混合。 多级厌氧系统的循环水控制温度为37℃，并且每天鼓两次氢气搅拌整 个系统。罐体活化6天后，再加入3.6L、固含量为2％、pH为7.5的菌 渣液到各级罐体中同样活化6天，此时整个系统都充满了沼液。

多级厌氧系统活化完成后，每天定时向多级厌氧系统中补入新鲜 菌渣液。补料期间，按照补料操作从1#罐体的底部补入6L、固含量为 1％、pH为7.5的菌渣液(此菌渣液残留螺旋霉素量为29.2mg/L，可溶 性COD为7990mg/L)。同时1#顶部出料口流出6L料液从2#罐体的 底部进入2#罐体内部，依此类推，最终从4#罐体的顶部流出6L经过 多级厌氧系统处理后的料液。每天进行1次鼓气，每次鼓气时间为10s。

经过多级厌氧系统处理后的沼液中螺旋霉素残留量为2.8mg/L，可 溶性COD为726mg/L，螺旋霉素和可溶性COD降解率分别为90.4％和 90.9％。

实施例5

取含水量为75％的螺旋霉素菌渣800g，加水稀释至20L，用搅拌 机打碎菌渣使其形成固含量为1％的菌渣液，并加氢氧化钠调pH为6.5 后倒入总体积为40L的玻璃罐中。向菌渣液中按接种比例为20％，加 入沼泥5.0L，充沼气赶出其中的空气，加盖密封，混匀。从瓶塞上开 一个小口插入导气管，导气管另一头放入水中用于排气。整个装置置 于温度为30℃的环境中培养，每天摇匀两次，共活化10天的时间。

按照多级厌氧装置单个罐体总装料体积11L的1/2，从玻璃罐中活 化好的菌渣液和沼泥的混合沼液各取5.5L加入多级厌氧装置的各级罐 体中。同时加入5.5L、固含量为2％、pH为6.5的菌渣液到各级罐体中， 鼓入沼气一方面赶出空气，另一方面使得沼液和新鲜的菌渣液混合。 多级厌氧系统的循环水控制温度为37℃，并且每天鼓两次沼气搅拌整 个系统。罐体活化3天后，此时整个系统都充满了沼液。

多级厌氧系统活化完成后，每天定时向多级厌氧系统中补入新鲜 菌渣液。补料期间，按照补料操作从1#罐体的底部补入4L、固含量为 2％、pH为6.5的菌渣液(此菌渣液残留螺旋霉素量为50.4mg/L，可溶 性COD为6118mg/L)。同时1#顶部出料口流出4L料液从2#罐体的 底部进入2#罐体内部，依此类推，最终从4#罐体的顶部流出4L经过 多级厌氧系统处理后的料液。每天进行3次鼓气，每次鼓气时间为20s。

经过多级厌氧系统处理后的沼液中螺旋霉素残留量为2.5mg/L，可 溶性COD为1005mg/L，螺旋霉素和可溶性COD降解率分别为95.1％ 和83.6％。

实施例6

取含水量为75％的螺旋霉素菌渣1800g，加水稀释至15L，用搅拌 机打碎菌渣使其形成固含量为3％的菌渣液，并加氢氧化钠调pH为8.5 后倒入总体积为40L的玻璃罐中。向菌渣液中按接种比例为60％，加 入沼泥22.5L，充沼气赶出其中的空气，加盖密封，混匀。从瓶塞上开 一个小口插入导气管，导气管另一头放入水中用于排气。整个装置置 于温度为40℃的环境中培养，每天摇匀两次，共活化20天的时间。

按照多级厌氧装置单个罐体总装料体积11L的1/5，从玻璃罐中活 化好的菌渣液和沼泥的混合沼液各取2.2L加入多级厌氧装置的各级罐 体中。同时加入2.2L、固含量为2％、pH为8.5的菌渣液到各级罐体中， 鼓入沼气一方面赶出空气，另一方面使得沼液和新鲜的菌渣液混合。 多级厌氧系统的循环水控制温度为37℃，并且每天鼓两次沼气搅拌整 个系统。罐体活化8天后，再加入2.2L、固含量为2％、pH为7.5的菌 渣液到各级罐体中同样活化8天，重复上述操作直至系统都充满了沼 液。

多级厌氧系统活化完成后，每天定时向多级厌氧系统中补入新鲜 菌渣液。补料期间，按照补料操作从1#罐体的底部补入4L、固含量为 6％、pH为7.5的菌渣液(此菌渣液残留螺旋霉素量为118.2mg/L，可 溶性COD为15325mg/L)。同时1#顶部出料口流出4L料液从2#罐体 的底部进入2#罐体内部，依此类推，最终从4#罐体的顶部流出4L经 过多级厌氧系统处理后的料液。每天进行3次鼓气，每次鼓气时间为 20s。

经过多级厌氧系统处理后的沼液中螺旋霉素残留量为4.2mg/L，可 溶性COD为2270mg/L，螺旋霉素和可溶性COD降解率分别为96.5％ 和85.2％。