利用青霉素發(fā)酵廢渣制備氨基酸水溶肥料的工藝研究

孟亞利， 曹衛(wèi)宇

(上海化工研究院有限公司 上海 200062)

我國(guó)是抗生素原料藥生產(chǎn)和出口大國(guó)，生產(chǎn)的抗生素超過70種，占全球生產(chǎn)總量的70%，產(chǎn)生的抗生素廢渣總量很大。抗生素廢渣屬于危險(xiǎn)廢棄物，也是一種潛在的可回用資源，如果不進(jìn)行妥當(dāng)處置，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的威脅。2012年原國(guó)家環(huán)境保護(hù)部制定的《制藥工業(yè)污染防治技術(shù)政策》鼓勵(lì)研究、開發(fā)、推廣“發(fā)酵菌渣在生產(chǎn)工藝中的再利用技術(shù)、無害化處理技術(shù)、綜合利用技術(shù)，危險(xiǎn)廢物廠內(nèi)綜合利用技術(shù)”。抗生素發(fā)酵工藝產(chǎn)生的廢渣中蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)20%～60%，且含有豐富的礦物質(zhì)和微量元素，這些蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和微量元素若能被有效利用，形成新的資源化產(chǎn)品，將會(huì)產(chǎn)生良好的生態(tài)效益及經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。據(jù)報(bào)道，全世界75%的青霉素工業(yè)鹽都產(chǎn)自中國(guó)，每年至少有800 kt濕廢渣待處理，擁有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景[4-6]。

目前未見有關(guān)青霉素廢渣用于生產(chǎn)氨基酸水溶肥技術(shù)的報(bào)道，本文提供一種節(jié)能環(huán)保、高效、低成本的抗生素廢渣資源化利用途徑，不僅能快速除去廢渣中殘留的抗生素，而且可以將無害化處理后的廢渣進(jìn)行資源化利用，得到高附加值的氨基酸水溶肥產(chǎn)品[7-8]。前期研究已證明苛化法對(duì)青霉素降解具有良好的效果，降解率高達(dá)99.9%，且苛化法處理得到的降解液中含有豐富的氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，適合作為氨基酸水溶肥的原料。本文以生物醫(yī)藥發(fā)酵廢渣中的青霉素廢渣為主要研究對(duì)象，采用苛化法[9-11]進(jìn)行環(huán)保處理后，形成資源化產(chǎn)品氨基酸水溶肥，提高了資源綜合利用水平。同時(shí)，本工藝可實(shí)現(xiàn)青霉素菌渣減量化、無害化、資源化，形成良性的產(chǎn)業(yè)發(fā)展鏈，既可以減輕制藥行業(yè)生產(chǎn)過程中的廢渣對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染，又可保障生產(chǎn)環(huán)境的安全，促進(jìn)制藥行業(yè)的健康發(fā)展，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)平衡、環(huán)境安全、人體健康及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展均具有重要的意義[12-13]。

1 試驗(yàn)部分

1.1 技術(shù)原理

在堿性條件下使青霉素的內(nèi)酰胺環(huán)斷裂形成羧基，然后氧化鈣與羧基反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀，從而將大分子降解為小分子。此過程使大分子蛋白質(zhì)分解得到小分子的多肽、氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，作為制備氨基酸水溶肥的原料。具體反應(yīng)路徑：

1.2 試驗(yàn)器材及原料

(1)主要儀器

HD2010W型電動(dòng)攪拌器，上海司樂儀器有限公司；ME204E型電子分析天平，梅特勒-托利多國(guó)際貿(mào)易有限公司；HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋，國(guó)華電器有限公司；TSQ-Quantum型液質(zhì)聯(lián)用色譜儀，賽默飛世爾有限公司；Toledo FE20型pH計(jì)，梅特勒-托利多國(guó)際貿(mào)易有限公司。

(2)主要試劑與原料

氧化鈣，分析純，北京化工廠；青霉素V鉀標(biāo)準(zhǔn)品(質(zhì)量分?jǐn)?shù)93%)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙腈、甲酸，分析純，江蘇強(qiáng)勝功能化學(xué)股份有限公司；青霉素廢渣，含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%，內(nèi)蒙古某制藥公司。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先采用單因素試驗(yàn)初步確定反應(yīng)工藝條件，考察苛化物用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度等因素對(duì)蛋白質(zhì)水解效率的影響；然后測(cè)定處理后菌渣中蛋白質(zhì)、游離氨基酸、水不溶物及鈣元素等組分的含量，對(duì)標(biāo)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《含氨基酸水溶肥料》(NY 1429—2010)，制備氨基酸水溶肥產(chǎn)品小樣。

1.4 試驗(yàn)步驟

稱取新鮮青霉素廢渣500 g置于1 000 mL的三口燒瓶中，加入一定量水，用攪拌器攪拌形成漿液；稱取一定量的固體氧化鈣倒入三口燒瓶中(注意不要粘壁)；待反應(yīng)結(jié)束后，冷卻并過濾分離反應(yīng)溶液；測(cè)定濾液中游離氨基酸的含量。

1.5 分析方法

參考文獻(xiàn)[14-15]，采用電位滴定法驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性。以氨基酸的實(shí)際質(zhì)量為橫坐標(biāo)，以氨基酸質(zhì)量的測(cè)定值為縱坐標(biāo)，繪制電位滴定法氨基酸質(zhì)量標(biāo)定曲線，見圖1。

圖1 電位滴定法氨基酸質(zhì)量標(biāo)定曲線

由圖1可知，游離氨基酸的實(shí)際含量與測(cè)定值呈線性關(guān)系，說明電位滴定法測(cè)得的數(shù)據(jù)可靠，可用于項(xiàng)目中游離氨基酸的測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢渣中蛋白質(zhì)水解試驗(yàn)

廢渣中含有大量的蛋白質(zhì)，反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間以及體系酸堿度均對(duì)蛋白質(zhì)的水解有影響，而體系的酸堿度與反應(yīng)中添加的苛化物的量有關(guān)，因此，考察了氧化鈣用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)廢渣中蛋白質(zhì)水解的影響。

2.1.1 氧化鈣用量對(duì)廢渣中蛋白質(zhì)水解的影響

氧化鈣用量對(duì)廢渣中蛋白質(zhì)水解的影響見圖2。

圖2 氧化鈣用量對(duì)廢渣中蛋白質(zhì)水解的影響

由圖2可知：當(dāng)氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于4%時(shí)，隨著氧化鈣用量的增加，濾液中游離氨基酸的質(zhì)量濃度增大，即蛋白質(zhì)的水解率不斷增大；當(dāng)氧化鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于4%時(shí)，廢渣中的蛋白質(zhì)水解為氨基酸的程度變化較小，呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的狀態(tài)。說明氧化鈣用量在一定范圍內(nèi)對(duì)蛋白質(zhì)水解率影響顯著，用量超過該范圍后，其對(duì)蛋白質(zhì)水解率的影響逐漸變小。由于氧化鈣本身呈堿性，氧化鈣的加入量與初始反應(yīng)的酸堿度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，故進(jìn)一步分析了不同酸堿度對(duì)工藝過程(主要表現(xiàn)為抽濾效果)的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 反應(yīng)體系pH對(duì)抽濾效果的影響

由圖3可知，隨著反應(yīng)體系pH的升高，濾液量不斷增加，蛋白質(zhì)水解程度不斷提高，同時(shí)抽濾時(shí)間不斷縮短，抽濾效果越來越好，說明氧化鈣對(duì)抽濾效率有提升作用。

2.1.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)廢渣中蛋白質(zhì)水解的影響

反應(yīng)時(shí)間對(duì)廢渣中蛋白質(zhì)水解的影響見圖4。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)廢渣中蛋白質(zhì)水解的影響

由圖4可知：隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，水解后濾液中氨基酸的質(zhì)量濃度不斷增加；反應(yīng)5 h后氨基酸的質(zhì)量濃度達(dá)到較大值，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，氨基酸的質(zhì)量濃度變化不大。

2.1.3 反應(yīng)溫度對(duì)廢渣中蛋白質(zhì)水解的影響

反應(yīng)溫度對(duì)廢渣中蛋白質(zhì)水解的影響見圖5。

圖5 反應(yīng)溫度對(duì)廢渣中蛋白質(zhì)水解的影響

由圖5可知：隨著反應(yīng)溫度的不斷升高，蛋白質(zhì)水解程度變化明顯，濾液中游離氨基酸的含量不斷增加；反應(yīng)溫度繼續(xù)升高至110 ℃，濾液中氨基酸的含量變化不大，其主要原因可能是溫度較高的情況下，體系中的氨基酸有一定程度的分解和損失。

2.2 氨基酸水溶肥原料增濃試驗(yàn)

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在較優(yōu)的情況下，濾液中的含氮率為0.5%～0.6%，換算為游離氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.10%～3.75%，未達(dá)到NY 1429—2010中的要求。采用旋蒸法和酶解法對(duì)反應(yīng)后的濾液進(jìn)行增濃試驗(yàn)，旋蒸開始前濾液質(zhì)量為100 g，初始旋蒸溫度為45 ℃，實(shí)時(shí)取樣進(jìn)行游離氨基酸含量分析，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可知，旋蒸5次時(shí)，在質(zhì)量減少80%左右的情況下，游離氨基酸的質(zhì)量濃度可達(dá)106.5 g/L，滿足NY 1429—2010中對(duì)游離氨基酸含量的要求，可用于水溶肥小樣的制備。

表1 旋蒸法增濃試驗(yàn)結(jié)果

除了采用旋蒸法增濃外，還采用酶解法對(duì)氨基酸水溶肥的原料進(jìn)行增濃試驗(yàn)。試驗(yàn)選用堿性蛋白質(zhì)水解酶，每次取濾液50 g，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2可知：當(dāng)添加的酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%(2.5 g)時(shí)，隨著酶添加量的增加，一定程度上有利于氨基酸質(zhì)量濃度的提高；當(dāng)酶的添加量超過5%時(shí)，呈現(xiàn)酶抑制作用。因此，在采用酶解法進(jìn)行增濃時(shí)，控制酶的加入量是獲得較高游離氨基酸含量的關(guān)鍵。

表2 酶解法增濃試驗(yàn)結(jié)果

2.3 氨基酸水溶肥小樣制備及產(chǎn)品檢測(cè)

通過旋蒸法得到游離氨基酸質(zhì)量濃度大于100 g/L的原液，取一定量的原液，加入中量元素進(jìn)行復(fù)配，得到氨基酸水溶肥(中量元素)的小樣，然后依據(jù)NY 1429—2010對(duì)游離氨基酸、中量元素、水不溶物的含量及pH等進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表3。

表3 氨基酸水溶肥(中量元素)小樣產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)定結(jié)果

從表3可知，復(fù)配的小樣滿足NY 1429—2010對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求，說明采用青霉素廢渣制備氨基酸水溶肥原料的工藝是可行的。

3 結(jié)語

本文通過考察氧化鈣用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度等3個(gè)因素對(duì)青霉素廢渣制備氨基酸水溶肥原料的影響，得到在適合的反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間及苛化物用量條件下，菌渣中的蛋白質(zhì)可以得到較大程度的水解，水解后游離氨基酸質(zhì)量濃度約為60.5 g/L；通過蒸發(fā)濃縮、酶解等手段使液相原料中氨基酸含量達(dá)到NY 1429—2010中的要求，即游離氨基酸質(zhì)量濃度不小于100 g/L。這表明采用苛化法工藝，以青霉素廢渣為原料制備氨基酸水溶肥的路線是可行的，不僅使殘留的青霉素降解至較低的水平，還可以進(jìn)行資源化利用，使廢渣中的蛋白質(zhì)部分水解用于制備氨基酸水溶肥。

在國(guó)家倡導(dǎo)綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)的背景下，生物菌渣的環(huán)保處理及資源化利用已成為固危廢處理的最終出路，菌渣資源化的技術(shù)也是未來幾年研究的熱點(diǎn)。雖然菌渣資源化利用的路徑是可行的，但試驗(yàn)對(duì)廢渣中的蛋白質(zhì)水解為氨基酸的機(jī)理研究得還不夠透徹，如蛋白質(zhì)在堿性條件下降解成的氨基酸是否全部為L(zhǎng)-氨基酸，還是發(fā)生消旋轉(zhuǎn)為了D-氨基酸，以及其水解的機(jī)理除了斷酰胺鍵，其他位置的鍵斷裂情況如何等，一系列蛋白質(zhì)降解的本質(zhì)問題有待進(jìn)一步深入研究。