本發(fā)明涉及抗生素菌渣高效資源化處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種抗生素菌渣厭氧發(fā)酵促進(jìn)劑及其制備與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

我國是世界上最大的抗生素原料藥生產(chǎn)與出口國，生產(chǎn)1噸抗生素約產(chǎn)生8~10噸濕菌渣，因此抗生素藥渣年排放達(dá)上百萬噸，抗生素藥渣中殘留的培養(yǎng)基、抗生素母體及其降解物對生態(tài)環(huán)境和人類健康存在著潛在危害性，國家已經(jīng)將抗生素藥渣明確列為危險(xiǎn)廢物，禁止用于飼料和肥料。在目前政策認(rèn)可的處置方式主要是焚燒，1噸藥渣焚燒約需1500~2000元。受處置成本和焚燒設(shè)施能力等因素制約，此方式難以實(shí)施。

大量抗生素菌渣的產(chǎn)生及后處理問題已經(jīng)成為環(huán)保和制藥企業(yè)亟待解決的難題。厭氧發(fā)酵技術(shù)是當(dāng)前有機(jī)廢棄物無害化、資源化、能源化處理的一種有效途徑。雖然部分科研院所與制藥企業(yè)已經(jīng)開展對藥渣的厭氧發(fā)酵處理，并取得了階段性成果，但存在很多問題，其中關(guān)鍵問題之一就是抗生素菌渣主要是菌絲體，很難破壁處理，菌渣厭氧發(fā)酵有機(jī)負(fù)荷低，產(chǎn)氣效率和綜合效益差，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，處理能力與產(chǎn)生量嚴(yán)重不匹配，遠(yuǎn)不能滿足處理需求。因此，針對以上問題，該發(fā)明通過功能微生物和微量元素雙重強(qiáng)化調(diào)控技術(shù)，研制高效抗生素菌渣厭氧發(fā)酵促進(jìn)劑，顯著提高厭氧發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和有機(jī)負(fù)荷，從而促進(jìn)企業(yè)可持續(xù)快速發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對以上技術(shù)現(xiàn)狀，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可有效提高抗生素菌渣厭氧發(fā)酵有機(jī)負(fù)荷和水解效率的促進(jìn)劑及其制備方法和應(yīng)用。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案：

一種抗生素菌渣厭氧發(fā)酵促進(jìn)劑，包含功能微生物、微量元素和載體；所述功能微生物包含保藏編號為CGMCC No. 8362的解淀粉芽孢桿菌Y10和保藏編號為CGMCC No. 11561的雙酶梭菌Z-13，所述載體是生物炭，所述微量元素包括Fe²⁺、Co²⁺和Ni²⁺。

優(yōu)選地，功能微生物解淀粉芽孢桿菌Y10培養(yǎng)方法參照專利ZL 2013105646928，雙酶梭菌Z-13培養(yǎng)方法參照申請?zhí)枮?01510903168.8的專利申請進(jìn)行培養(yǎng)。

優(yōu)選地，將生物炭作為吸附載體。

優(yōu)選地，將解淀粉芽孢桿菌Y10和雙酶梭菌Z-13發(fā)酵液離心收集孢子，與生物炭混合均勻，其中Y10和Z-13在促進(jìn)劑中的含量均為1×10⁸ ～1×10¹⁰ cfu/g。

優(yōu)選地，在促進(jìn)劑中均勻混入微量金屬元素Fe²⁺、Ni⁺和Co⁺，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：Fe²⁺ 5～100 mg/g，Ni⁺ 0.01～1.0 mg/g，Co⁺ 1.0～12 mg/g。

具體地，所述厭氧發(fā)酵的條件為：以正常發(fā)酵沼氣池中的沼液為接種物，有機(jī)負(fù)荷TS為1.5%~4.0%，接種量20-30%（v/v），發(fā)酵溫度25~35 ℃，發(fā)酵時(shí)間50 d。在發(fā)酵啟動后2-3 d時(shí)投加促進(jìn)劑0.5~4%。

本發(fā)明的積極效果是：在抗生素菌渣為原料的厭氧發(fā)酵過程中，投加促進(jìn)劑，可以使抗生素菌渣有機(jī)負(fù)荷由2.5提高到4.5，沼氣產(chǎn)量提高40%以上。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，首先，在中溫條件（25~35℃）下，抗生素菌渣直接厭氧發(fā)酵其沼氣產(chǎn)氣效率很低，為150~250 mL/g TS，本發(fā)明在厭氧發(fā)酵過程中加入促進(jìn)劑，可提高沼氣產(chǎn)量30%以上。其次，本發(fā)明采用功能微生物和微量元素雙重強(qiáng)化調(diào)控，利用產(chǎn)蛋白酶功能微生物提高抗生素菌絲體的降解效率，投加微量元素改善甲烷菌生長環(huán)境，促進(jìn)甲烷菌群增長，從微生物種群、生長環(huán)境上進(jìn)行綜合調(diào)控，大幅度提高厭氧發(fā)酵有機(jī)負(fù)荷和產(chǎn)氣效率。第三，該專利采用生物炭作為吸附劑，不僅為發(fā)酵系統(tǒng)提供碳源，為微生物菌群提供可吸附載體，擴(kuò)大表面積，提高系統(tǒng)運(yùn)行有機(jī)負(fù)荷，而且還可以有效降低發(fā)酵系統(tǒng)中高濃度氨氮抑制，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。第四，該技術(shù)除用于抗生素菌渣外，對主要成分為菌絲體或高蛋白含量的有機(jī)廢棄物或廢水均有效。因此，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)，不僅可以解決大量抗生素菌渣再利用和環(huán)境污染問題，而且對促進(jìn)抗生素制藥業(yè)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義，經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益巨大，應(yīng)用前景廣闊。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳述，但不作為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。

實(shí)施例1 厭氧發(fā)酵促進(jìn)劑制備

（1）功能微生物培養(yǎng)

Y10和Z13均采用LB培養(yǎng)基，用厭氧瓶30 ℃振蕩培養(yǎng)72 h，檢測發(fā)酵液80%菌體形成芽孢，放置4 ℃?zhèn)溆?。使用?000 rpm/min離心15 min，分別收集菌體，用少量無菌水稀釋，調(diào)整芽孢濃度為（1.0-5.0）×10¹¹ cfu/mL。

LB培養(yǎng)基：酵母提取物 5.0 g，胰蛋白胨10.0 g，氯化鈉 10.0 g，瓊脂15.0 g，水1000 mL，pH7.0～7.4。

（2）微量元素儲備液配置：分別將FeSO₄·7H₂O、NiCl₂·6H₂O和CoCl₂·6H₂O配制成濃度相對較高，如1～10 mol/L的儲備液備用。

（3）分別取生物炭適量，用烘箱烘干，粉碎。均勻混入功能微生物，調(diào)整其最終成品中芽孢含量為1×10⁸～1×10¹⁰ cfu/g。同時(shí)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為Fe²⁺: 5～100 mg/g，Ni²⁺: 0.01～1.0 mg/g，Co²⁺: 1.0～12 mg/g?；旌暇鶆蚝蟮蜏?5～55 ℃烘干，粉碎，包裝。

實(shí)施例2 頭孢菌素C菌渣厭氧發(fā)酵

采用250 mL厭氧瓶，以頭孢菌素C菌渣為原料，中溫全混式厭氧發(fā)酵工藝，設(shè)2個(gè)處理：處理一：空白對照；處理二：添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的本發(fā)明制備的促進(jìn)劑。有機(jī)負(fù)荷TS為2%，（TS又稱干物質(zhì)濃度，指將一定量的發(fā)酵料液放置在100~105 ℃烘箱內(nèi)，烘干至恒重，烘干物質(zhì)占總重的百分比），以正常發(fā)酵沼氣池中的沼液為接種物，接種量20~30%（體積比），發(fā)酵溫度：中溫35±2 ℃，發(fā)酵時(shí)間30 d，每個(gè)處理作5個(gè)平行。具體結(jié)果見表1。

表1 沼氣產(chǎn)氣情況

由表1可知，以頭孢菌素C菌渣為原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵，投加本發(fā)明促進(jìn)劑后，沼氣產(chǎn)氣量比對照提高了41.6%，平均甲烷含量為64.7%，顯著高于對照，說明投加該促進(jìn)劑，可以顯著提高抗生素菌渣厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷效率。

實(shí)施例3 批式厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)

采用250 mL厭氧瓶，以青霉素菌渣為原料，中溫全混式厭氧發(fā)酵工藝，設(shè)7個(gè)處理：處理一：空白對照；處理二：添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的生物炭；處理三：添加解淀粉芽孢桿菌Y10 1.0×10⁷ cfu/mL；處理四：添加雙酶梭菌Z-13 1.0×10⁷ cfu/mL；處理五：添加混合功能微生物，其中解淀粉芽孢桿菌Y10和雙酶梭菌Z-13按1：1混合，投加量為1.0×10⁷ cfu/mL；處理六：混合微量元素，其中Fe²⁺ 300 mg/L， Ni²⁺ 0.5 mg/L， Co²⁺ 50 mg/L。處理七：添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的本發(fā)明制備促進(jìn)劑（添加后使發(fā)酵體系中含解淀粉芽孢桿菌Y100.5×10⁷ cfu/mL，雙酶梭菌Z-130.5×10⁷ cfu/mL，F(xiàn)e²⁺ 300 mg/L， Ni²⁺ 0.5 mg/L， Co²⁺ 50 mg/L）。有機(jī)負(fù)荷TS為2.5%，以正常發(fā)酵沼氣池中的沼液為接種物，接種量20~30%（體積比），發(fā)酵溫度：中溫35±2 ℃，發(fā)酵時(shí)間30 d，每個(gè)處理作5個(gè)平行。

表2 沼氣產(chǎn)氣情況

注：同項(xiàng)數(shù)據(jù)后相同小寫字母表示在5%水平上無顯著差異。

結(jié)果見表2，在青霉素菌渣厭氧發(fā)酵過程中，投加一定量的生物炭、解淀粉芽孢桿菌Y10、雙酶梭菌Z-13、混合功能微生物、微量元素或本發(fā)明促進(jìn)劑，均能顯著提高菌渣厭氧發(fā)酵效率。但投加本發(fā)明促進(jìn)劑，無論甲烷含量還是沼氣產(chǎn)氣率均顯著高于其他幾個(gè)處理。該促進(jìn)劑綜合功能微生物和微量元素雙重強(qiáng)化調(diào)控優(yōu)勢，并以生物炭為載體，不僅可以調(diào)整原料C/N比，而且為微生物菌群提供可吸附載體、降低發(fā)酵系統(tǒng)中高濃度氨氮抑制，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

實(shí)施例4 半連續(xù)厭氧發(fā)酵工藝

采用5 L厭氧反應(yīng)器，青霉素菌渣為原料，全混式厭氧發(fā)酵工藝，有效容積4 L，發(fā)酵溫度35±2 ℃，水力停留時(shí)間20 d，設(shè)2個(gè)處理，處理一為空白對照，處理二在有機(jī)負(fù)荷為2.0 kgTS/m³d時(shí)，開始每3 d投加一次本發(fā)明促進(jìn)劑，投加量為3 g/次。每個(gè)處理作3個(gè)平行。

表3 不同處理沼氣產(chǎn)氣情況

備注：同項(xiàng)數(shù)據(jù)后相同小寫字母表示在5%水平上無顯著差異。

結(jié)果見表3，對照在有機(jī)負(fù)荷最高為3.0 kg/m³d時(shí)，系統(tǒng)酸化，停止產(chǎn)氣。而處理二，投加促進(jìn)劑后有機(jī)負(fù)荷顯著提高，最高有機(jī)負(fù)荷可以達(dá)到4.5 kg/m³d，該促進(jìn)劑不僅可以顯著提高厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率，還可以顯著提高系統(tǒng)運(yùn)行有機(jī)負(fù)荷，青霉素菌渣厭氧發(fā)酵有機(jī)負(fù)荷從3.0 kg/m³d提高至4.5 kg/m³d，容積產(chǎn)氣率由0.5～0.8 m³/(d·m³)提高至1.0～1.6 m³/(d·m³)，對實(shí)際工程應(yīng)用提高抗生素菌渣日處理量和處理效率，降低生產(chǎn)成本有重要意義。

實(shí)施例5-9

采用250 mL厭氧瓶，全混式厭氧發(fā)酵工藝，頭孢菌素C菌渣為原料，發(fā)酵溫度30±2 ℃，有機(jī)負(fù)荷TS為2.0%，以正常發(fā)酵沼氣池中的沼液為接種物，接種量20~30%（體積比），發(fā)酵時(shí)間30 d，每個(gè)處理作5個(gè)平行。每個(gè)實(shí)施例設(shè)兩個(gè)處理，處理一為空白對照，處理二投加促進(jìn)劑。結(jié)果見表4，投加不同濃度促進(jìn)劑，均顯著提高了沼氣產(chǎn)氣效率和平均甲烷含量，沼氣產(chǎn)率提高45%以上。

表4 實(shí)施例5-9產(chǎn)沼氣情況

注：同項(xiàng)數(shù)據(jù)后相同小寫字母表示在5%水平上無顯著差異。