CN106754474A - 一种抗生素菌渣厌氧发酵促进剂及其制备与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗生素菌渣厌氧发酵促进剂，包含功能微生物、微量元素和载体，所述功能微生物为解淀粉芽孢杆菌Y10和双酶梭菌Z‑13，生物炭作为载体，微量元素包括Fe2+、Co2+和Ni2+，其制备方法为将所述各组分均匀混合，烘干后粉碎或造粒即可。该促进剂用于高蛋白含量废弃物厌氧发酵产沼气，尤其是抗生素菌渣厌氧发酵产沼气，可以使抗生素菌渣有机负荷由2.5 kg/m3d提高到4.5‑5.5 kg/m3d，沼气产量提高40%以上。

Description

一种抗生素菌渣厌氧发酵促进剂及其制备与应用
技术领域
本发明涉及抗生素菌渣高效资源化处理技术领域，具体涉及一种抗生素菌渣厌氧发酵促进剂及其制备与应用。
背景技术
我国是世界上最大的抗生素原料药生产与出口国，生产1吨抗生素约产生8~10吨湿菌渣，因此抗生素药渣年排放达上百万吨，抗生素药渣中残留的培养基、抗生素母体及其降解物对生态环境和人类健康存在着潜在危害性，国家已经将抗生素药渣明确列为危险废物，禁止用于饲料和肥料。在目前政策认可的处置方式主要是焚烧，1吨药渣焚烧约需1500~2000元。受处置成本和焚烧设施能力等因素制约，此方式难以实施。
大量抗生素菌渣的产生及后处理问题已经成为环保和制药企业亟待解决的难题。厌氧发酵技术是当前有机废弃物无害化、资源化、能源化处理的一种有效途径。虽然部分科研院所与制药企业已经开展对药渣的厌氧发酵处理，并取得了阶段性成果，但存在很多问题，其中关键问题之一就是抗生素菌渣主要是菌丝体，很难破壁处理，菌渣厌氧发酵有机负荷低，产气效率和综合效益差，***运行不稳定，处理能力与产生量严重不匹配，远不能满足处理需求。因此，针对以上问题，该发明通过功能微生物和微量元素双重强化调控技术，研制高效抗生素菌渣厌氧发酵促进剂，显著提高厌氧发酵***运行稳定性和有机负荷，从而促进企业可持续快速发展。
发明内容
针对以上技术现状，本发明所要解决的技术问题是提供一种可有效提高抗生素菌渣厌氧发酵有机负荷和水解效率的促进剂及其制备方法和应用。
本发明采用的技术方案：
一种抗生素菌渣厌氧发酵促进剂，包含功能微生物、微量元素和载体；所述功能微生物包含保藏编号为CGMCC No. 8362的解淀粉芽孢杆菌Y10和保藏编号为CGMCC No. 11561的双酶梭菌Z-13，所述载体是生物炭，所述微量元素包括Fe2+、Co2+和Ni2+。
优选地，功能微生物解淀粉芽孢杆菌Y10培养方法参照专利ZL 2013105646928，双酶梭菌Z-13培养方法参照申请号为201510903168.8的专利申请进行培养。
优选地，将生物炭作为吸附载体。
优选地，将解淀粉芽孢杆菌Y10和双酶梭菌Z-13发酵液离心收集孢子，与生物炭混合均匀，其中Y10和Z-13在促进剂中的含量均为1×108 ～1×1010 cfu/g。
优选地，在促进剂中均匀混入微量金属元素Fe2+、Ni+和Co+，其质量分数分别为：Fe2 + 5～100 mg/g，Ni+ 0.01～1.0 mg/g，Co+ 1.0～12 mg/g。
具体地，所述厌氧发酵的条件为：以正常发酵沼气池中的沼液为接种物，有机负荷TS为1.5%~4.0%，接种量20-30%（v/v），发酵温度25~35 ℃，发酵时间50 d。在发酵启动后2-3d时投加促进剂0.5~4%。
本发明的积极效果是：在抗生素菌渣为原料的厌氧发酵过程中，投加促进剂，可以使抗生素菌渣有机负荷由2.5提高到4.5，沼气产量提高40%以上。
与现有技术相比，首先，在中温条件（25~35℃）下，抗生素菌渣直接厌氧发酵其沼气产气效率很低，为150~250 mL/g TS，本发明在厌氧发酵过程中加入促进剂，可提高沼气产量30%以上。其次，本发明采用功能微生物和微量元素双重强化调控，利用产蛋白酶功能微生物提高抗生素菌丝体的降解效率，投加微量元素改善甲烷菌生长环境，促进甲烷菌群增长，从微生物种群、生长环境上进行综合调控，大幅度提高厌氧发酵有机负荷和产气效率。第三，该专利采用生物炭作为吸附剂，不仅为发酵***提供碳源，为微生物菌群提供可吸附载体，扩大表面积，提高***运行有机负荷，而且还可以有效降低发酵***中高浓度氨氮抑制，提高***运行效率。第四，该技术除用于抗生素菌渣外，对主要成分为菌丝体或高蛋白含量的有机废弃物或废水均有效。因此，本发明的实现，不仅可以解决大量抗生素菌渣再利用和环境污染问题，而且对促进抗生素制药业可持续发展、保护生态环境具有重要意义，经济、社会和生态效益巨大，应用前景广阔。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案进行详述，但不作为对本发明保护范围的限定。
实施例1 厌氧发酵促进剂制备
（1）功能微生物培养
Y10和Z13均采用LB培养基，用厌氧瓶30 ℃振荡培养72 h，检测发酵液80%菌体形成芽孢，放置4 ℃备用。使用前8000 rpm/min离心15 min，分别收集菌体，用少量无菌水稀释，调整芽孢浓度为（1.0-5.0）×1011 cfu/mL。
LB培养基：酵母提取物 5.0 g，胰蛋白胨10.0 g，氯化钠 10.0 g，琼脂15.0 g，水1000 mL，pH7.0～7.4。
（2）微量元素储备液配置：分别将FeSO4·7H2O、NiCl2·6H2O和CoCl2·6H2O配制成浓度相对较高，如1～10 mol/L的储备液备用。
（3）分别取生物炭适量，用烘箱烘干，粉碎。均匀混入功能微生物，调整其最终成品中芽孢含量为1×108～1×1010 cfu/g。同时加入质量分数分别为Fe2+: 5～100 mg/g，Ni2+:0.01～1.0 mg/g，Co2+: 1.0～12 mg/g。混合均匀后低温45～55 ℃烘干，粉碎，包装。
实施例2 头孢菌素C菌渣厌氧发酵
采用250 mL厌氧瓶，以头孢菌素C菌渣为原料，中温全混式厌氧发酵工艺，设2个处理：处理一：空白对照；处理二：添加质量分数为1.5%的本发明制备的促进剂。有机负荷TS为2%，（TS又称干物质浓度，指将一定量的发酵料液放置在100~105 ℃烘箱内，烘干至恒重，烘干物质占总重的百分比），以正常发酵沼气池中的沼液为接种物，接种量20~30%（体积比），发酵温度：中温35±2 ℃，发酵时间30 d，每个处理作5个平行。具体结果见表1。
表1 沼气产气情况
由表1可知，以头孢菌素C菌渣为原料进行厌氧发酵，投加本发明促进剂后，沼气产气量比对照提高了41.6%，平均甲烷含量为64.7%，显著高于对照，说明投加该促进剂，可以显著提高抗生素菌渣厌氧发酵产甲烷效率。
实施例3 批式厌氧发酵实验
采用250 mL厌氧瓶，以青霉素菌渣为原料，中温全混式厌氧发酵工艺，设7个处理：处理一：空白对照；处理二：添加质量分数为1%的生物炭；处理三：添加解淀粉芽孢杆菌Y10 1.0×107 cfu/mL；处理四：添加双酶梭菌Z-13 1.0×107 cfu/mL；处理五：添加混合功能微生物，其中解淀粉芽孢杆菌Y10和双酶梭菌Z-13按1：1混合，投加量为1.0×107 cfu/mL；处理六：混合微量元素，其中Fe2+ 300 mg/L， Ni2+ 0.5 mg/L， Co2+ 50 mg/L。处理七：添加质量分数为1%的本发明制备促进剂（添加后使发酵体系中含解淀粉芽孢杆菌Y100.5×107 cfu/mL，双酶梭菌Z-130.5×107 cfu/mL，Fe2+ 300 mg/L， Ni2+ 0.5 mg/L， Co2+ 50 mg/L）。有机负荷TS为2.5%，以正常发酵沼气池中的沼液为接种物，接种量20~30%（体积比），发酵温度：中温35±2 ℃，发酵时间30 d，每个处理作5个平行。
表2 沼气产气情况
注：同项数据后相同小写字母表示在5%水平上无显著差异。
结果见表2，在青霉素菌渣厌氧发酵过程中，投加一定量的生物炭、解淀粉芽孢杆菌Y10、双酶梭菌Z-13、混合功能微生物、微量元素或本发明促进剂，均能显著提高菌渣厌氧发酵效率。但投加本发明促进剂，无论甲烷含量还是沼气产气率均显著高于其他几个处理。该促进剂综合功能微生物和微量元素双重强化调控优势，并以生物炭为载体，不仅可以调整原料C/N比，而且为微生物菌群提供可吸附载体、降低发酵***中高浓度氨氮抑制，提高***运行稳定性。
实施例4 半连续厌氧发酵工艺
采用5 L厌氧反应器，青霉素菌渣为原料，全混式厌氧发酵工艺，有效容积4 L，发酵温度35±2 ℃，水力停留时间20 d，设2个处理，处理一为空白对照，处理二在有机负荷为2.0kgTS/m3d时，开始每3 d投加一次本发明促进剂，投加量为3 g/次。每个处理作3个平行。
表3 不同处理沼气产气情况
备注：同项数据后相同小写字母表示在5%水平上无显著差异。
结果见表3，对照在有机负荷最高为3.0 kg/m3d时，***酸化，停止产气。而处理二，投加促进剂后有机负荷显著提高，最高有机负荷可以达到4.5 kg/m3d，该促进剂不仅可以显著提高厌氧发酵产气效率，还可以显著提高***运行有机负荷，青霉素菌渣厌氧发酵有机负荷从3.0 kg/m3d提高至4.5 kg/m3d，容积产气率由0.5～0.8 m3/(d·m3)提高至1.0～1.6 m3/(d·m3)，对实际工程应用提高抗生素菌渣日处理量和处理效率，降低生产成本有重要意义。
实施例5-9
采用250 mL厌氧瓶，全混式厌氧发酵工艺，头孢菌素C菌渣为原料，发酵温度30±2 ℃，有机负荷TS为2.0%，以正常发酵沼气池中的沼液为接种物，接种量20~30%（体积比），发酵时间30 d，每个处理作5个平行。每个实施例设两个处理，处理一为空白对照，处理二投加促进剂。结果见表4，投加不同浓度促进剂，均显著提高了沼气产气效率和平均甲烷含量，沼气产率提高45%以上。
表4 实施例5-9产沼气情况
注：同项数据后相同小写字母表示在5%水平上无显著差异。

Claims (8)

1.一种抗生素菌渣厌氧发酵促进剂，其特征在于：该促进剂包含功能微生物、微量元素和载体；所述功能微生物包含保藏编号为CGMCC No. 8362的解淀粉芽孢杆菌Y10和保藏编号为CGMCC No. 11561的双酶梭菌Z-13，所述载体是生物炭，所述微量元素包括Fe2+、Co2+和Ni2+。
2.根据权利要求1所述的抗生素菌渣厌氧发酵促进剂，其特征在于：所述解淀粉芽孢杆菌和双酶梭菌培养至产芽孢阶段，然后离心收集。
3.根据权利要求1所述的抗生素菌渣厌氧发酵促进剂，其特征在于：所述解淀粉芽孢杆菌含量1×108 ～1×1010 cfu/g，双酶梭菌含量1×108 ～1×1010 cfu/g。
4.根据权利要求1所述的抗生素菌渣厌氧发酵促进剂，其特征在于：所述微量元素的含量分别为：Fe2+ 5～100 mg/g，Ni2+ 0.01～1.0 mg/g，Co2+ 1.0～12 mg/g，其中 Fe2+ 以FeSO4·7H2O形式添加、Ni2+ 以NiCl2·6H2O形式添加， Co2+ 以CoCl2·6H2O形式添加。
5.权利要求1~4任一项所述抗生素菌渣厌氧发酵促进剂的制备方法，其特征在于：将所述解淀粉芽孢杆菌Y10、双酶梭菌Z-13、微量元素和生物炭均匀混合，烘干粉碎或造粒。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：分别将所述解淀粉芽孢杆菌Y10和双酶梭菌Z-13培养至产芽孢阶段，将发酵液离心分离菌体，用少量无菌水稀释，调整芽孢浓度为（1.0~5.0）×1011 cfu/mL，分别将Fe2+、Co2+和Ni2+配制成1～10 mol/L的储备液备用，将生物炭烘干，粉碎，均匀混入菌液和微量元素储备液，混合均匀后烘干，粉碎即可。
7.权利要求1~4任一项所述抗生素菌渣厌氧发酵促进剂的应用，其特征在于：用于高蛋白含量废弃物厌氧发酵。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：在厌氧发酵过程中投加0.5~4%质量分数的促进剂。
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