孟亞利， 曹衛(wèi)宇

(上海化工研究院有限公司 上海 200062)

我國是抗生素原料藥生產(chǎn)和出口大國，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?？股貜U渣屬于危險廢棄物，也是一種潛在的可回用資源，如果不進行妥當處置，將會對環(huán)境造成嚴重的威脅。2012年原國家環(huán)境保護部制定的《制藥工業(yè)污染防治技術政策》鼓勵研究、開發(fā)、推廣“發(fā)酵菌渣在生產(chǎn)工藝中的再利用技術、無害化處理技術、綜合利用技術，危險廢物廠內(nèi)綜合利用技術”?？股匕l(fā)酵工藝產(chǎn)生的廢渣中蛋白質質量分數(shù)高達20%～60%，且含有豐富的礦物質和微量元素，這些蛋白質、礦物質和微量元素若能被有效利用，形成新的資源化產(chǎn)品，將會產(chǎn)生良好的生態(tài)效益及經(jīng)濟效益[1-3]。據(jù)報道，全世界75%的青霉素工業(yè)鹽都產(chǎn)自中國，每年至少有800 kt濕廢渣待處理，擁有廣闊的市場應用前景[4-6]。

目前未見有關青霉素廢渣用于生產(chǎn)氨基酸水溶肥技術的報道，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青霉素降解具有良好的效果，降解率高達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養(yǎng)物質，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象，采用苛化法[9-11]進行環(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，本工藝可實現(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)過程中的廢渣對生態(tài)環(huán)境的污染，又可保障生產(chǎn)環(huán)境的安全，促進制藥行業(yè)的健康發(fā)展，對生態(tài)系統(tǒng)平衡、環(huán)境安全、人體健康及社會可持續(xù)發(fā)展均具有重要的意義[12-13]。

1 試驗部分

1.1 技術原理

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分解得到小分子的多肽、氨基酸等營養(yǎng)物質，作為制備氨基酸水溶肥的原料。具體反應路徑：

1.2 試驗器材及原料

(1)主要儀器

HD2010W型電動攪拌器，上海司樂儀器有限公司；ME204E型電子分析天平，梅特勒-托利多國際貿(mào)易有限公司；HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋，國華電器有限公司；TSQ-Quantum型液質聯(lián)用色譜儀，賽默飛世爾有限公司；Toledo FE20型pH計，梅特勒-托利多國際貿(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鉀標準品(質量分數(shù)93%)，國藥集團化學試劑有限公司；乙腈、甲酸，分析純，江蘇強勝功能化學股份有限公司；青霉素廢渣，含水質量分數(shù)80%，內(nèi)蒙古某制藥公司。

1.3 試驗設計

首先采用單因素試驗初步確定反應工藝條件，考察苛化物用量、反應時間、反應溫度等因素對蛋白質水解效率的影響；然后測定處理后菌渣中蛋白質、游離氨基酸、水不溶物及鈣元素等組分的含量，對標行業(yè)標準《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)；待反應結束后，冷卻并過濾分離反應溶液；測定濾液中游離氨基酸的含量。

1.5 分析方法

參考文獻[14-15]，采用電位滴定法驗證方法的準確性。以氨基酸的實際質量為橫坐標，以氨基酸質量的測定值為縱坐標，繪制電位滴定法氨基酸質量標定曲線，見圖1。

圖1 電位滴定法氨基酸質量標定曲線

由圖1可知，游離氨基酸的實際含量與測定值呈線性關系，說明電位滴定法測得的數(shù)據(jù)可靠，可用于項目中游離氨基酸的測定。

2 結果與討論

2.1 廢渣中蛋白質水解試驗

廢渣中含有大量的蛋白質，反應溫度、反應時間以及體系酸堿度均對蛋白質的水解有影響，而體系的酸堿度與反應中添加的苛化物的量有關，因此，考察了氧化鈣用量、反應溫度、反應時間對廢渣中蛋白質水解的影響。

2.1.1 氧化鈣用量對廢渣中蛋白質水解的影響

氧化鈣用量對廢渣中蛋白質水解的影響見圖2。

圖2 氧化鈣用量對廢渣中蛋白質水解的影響

由圖2可知：當氧化鈣質量分數(shù)小于4%時，隨著氧化鈣用量的增加，濾液中游離氨基酸的質量濃度增大，即蛋白質的水解率不斷增大；當氧化鈣的質量分數(shù)大于4%時，廢渣中的蛋白質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)對蛋白質水解率影響顯著，用量超過該范圍后，其對蛋白質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的酸堿度有一定的對應關系，故進一步分析了不同酸堿度對工藝過程(主要表現(xiàn)為抽濾效果)的影響，結果見圖3。

圖3 反應體系pH對抽濾效果的影響

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

2.1.2 反應時間對廢渣中蛋白質水解的影響

反應時間對廢渣中蛋白質水解的影響見圖4。

圖4 反應時間對廢渣中蛋白質水解的影響

由圖4可知：隨著反應時間的延長，水解后濾液中氨基酸的質量濃度不斷增加；反應5 h后氨基酸的質量濃度達到較大值，繼續(xù)延長反應時間，氨基酸的質量濃度變化不大。

2.1.3 反應溫度對廢渣中蛋白質水解的影響

反應溫度對廢渣中蛋白質水解的影響見圖5。

圖5 反應溫度對廢渣中蛋白質水解的影響

由圖5可知：隨著反應溫度的不斷升高，蛋白質水解程度變化明顯，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

從試驗數(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量分數(shù)為3.10%～3.75%，未達到NY 1429—2010中的要求。采用旋蒸法和酶解法對反應后的濾液進行增濃試驗，旋蒸開始前濾液質量為100 g，初始旋蒸溫度為45 ℃，實時取樣進行游離氨基酸含量分析，試驗結果見表1。

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

表1 旋蒸法增濃試驗結果

除了采用旋蒸法增濃外，還采用酶解法對氨基酸水溶肥的原料進行增濃試驗。試驗選用堿性蛋白質水解酶，每次取濾液50 g，試驗結果見表2。

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

表2 酶解法增濃試驗結果

2.3 氨基酸水溶肥小樣制備及產(chǎn)品檢測

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

表3 氨基酸水溶肥(中量元素)小樣產(chǎn)品質量測定結果

從表3可知，復配的小樣滿足NY 1429—2010對產(chǎn)品質量的要求，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 結語

本文通過考察氧化鈣用量、反應時間、反應溫度等3個因素對青霉素廢渣制備氨基酸水溶肥原料的影響，得到在適合的反應溫度、反應時間及苛化物用量條件下，菌渣中的蛋白質可以得到較大程度的水解，水解后游離氨基酸質量濃度約為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到NY 1429—2010中的要求，即游離氨基酸質量濃度不小于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，還可以進行資源化利用，使廢渣中的蛋白質部分水解用于制備氨基酸水溶肥。

在國家倡導綠色循環(huán)經(jīng)濟的背景下，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，菌渣資源化的技術也是未來幾年研究的熱點。雖然菌渣資源化利用的路徑是可行的，但試驗對廢渣中的蛋白質水解為氨基酸的機理研究得還不夠透徹，如蛋白質在堿性條件下降解成的氨基酸是否全部為L-氨基酸，還是發(fā)生消旋轉為了D-氨基酸，以及其水解的機理除了斷酰胺鍵，其他位置的鍵斷裂情況如何等，一系列蛋白質降解的本質問題有待進一步深入研究。