李立松

(山西晉環(huán)科源環(huán)境資源科技有限公司，山西 太原 030027)

抗生素作為一種能夠殺死細(xì)菌的物質(zhì)之一，其對人類、動物疾病治療發(fā)揮重大的作用。抗生素制備過程中會產(chǎn)生大量的固體廢渣，固體廢渣處理不當(dāng)極易影響周圍區(qū)域大氣、水以及土壤的質(zhì)量。目前，針對抗生素的固體菌渣主要采用焚燒和填埋的方式進(jìn)行處理，上述處理方式不僅容易導(dǎo)致資源的浪費(fèi)，還會對生態(tài)環(huán)境造成污染[1]。因此，采用無害化的處理方式對固體菌渣進(jìn)行處理意義重大。本文將采用熱解法對抗生素菌渣進(jìn)行無害化、資源化處理。

1 抗生素菌渣熱解理論基礎(chǔ)

從理論上講，抗生素是微生物代謝過程中的產(chǎn)物，實(shí)際生產(chǎn)中基于有機(jī)物的培養(yǎng)基在經(jīng)歷滅菌、接種以及發(fā)酵等一系列工藝流程后將所得產(chǎn)物經(jīng)過過濾操作分別得到濾液和濾渣。其中，濾液中包含有抗生素、無機(jī)鹽等物質(zhì)，濾液再次經(jīng)過提取精制后得到抗生素。濾渣即為本文研究的主題菌渣。對菌渣成分進(jìn)行鑒定可知，其主要成分為蛋白質(zhì)、有機(jī)物等，此外還含有一定量的抗生物殘留物及其相關(guān)的代謝物[2]。

具有代表性的抗生素包括有鏈霉素和慶大霉素，其制備過程可總結(jié)為菌種發(fā)酵和提取精制兩個(gè)過程。以鏈霉素為例，鏈霉素經(jīng)無細(xì)胞澄清液在提取、精制的工序后進(jìn)行。其中，提取工序主要是將無細(xì)胞澄清液中的固態(tài)廢物提取出來。本文將采用熱解反應(yīng)對菌渣進(jìn)行處理，基本原理為在無氧或者相對缺氧的環(huán)境下，使菌渣發(fā)生熱的降解反應(yīng)，對應(yīng)的產(chǎn)物包括有氣體、液體以及固體產(chǎn)物等。熱分解反應(yīng)流程包括水分析出、揮發(fā)物析出以及炭化三個(gè)階段，具體闡述如下：

1) 水分析出：在該過程中反應(yīng)溫度一般控制在40 ℃～220 ℃。其中，當(dāng)處于相對低溫階段時(shí)將游離水析出；在相對高溫階段時(shí)將結(jié)合水析出。

2) 揮發(fā)物析出：在該過程反應(yīng)溫度一般控制在220 ℃～800 ℃。在此階段菌渣的失重率可達(dá)75%以上，具體還可分為低溫?zé)峤夂透邷責(zé)峤鈨蓚€(gè)過程。其中，在低溫?zé)峤猸h(huán)節(jié)主要是將菌渣中的蛋白質(zhì)和可溶性多糖進(jìn)行分解；在高溫?zé)峤猸h(huán)節(jié)主要是對菌渣中的細(xì)胞壁、纖維素類的不溶性多糖進(jìn)行分解[3]。

3) 炭化過程：在該過程中反應(yīng)溫度一般控制在800 ℃～1 000 ℃，該過程主要對上述兩個(gè)階段熱解剩余的物質(zhì)包括灰分和固定碳進(jìn)行炭化處理。

2 菌渣熱解技術(shù)研究

為驗(yàn)證不同熱解條件對應(yīng)的產(chǎn)物之間的區(qū)別，本節(jié)將搭建熱解反應(yīng)試驗(yàn)平臺，具體對涉及到試驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)、材料、檢測儀器以及相關(guān)檢測方法進(jìn)行介紹。

2.1 菌渣熱解反應(yīng)試驗(yàn)裝置及儀器

加熱器的主要作用是對熱解反應(yīng)器進(jìn)行加熱，該設(shè)備的加熱功率為1.5 kW；熱電偶的主要作用是對熱解反應(yīng)器的溫度進(jìn)行檢測，并通過數(shù)字顯控將所測量的溫度顯示；冷凝器主要是將液體和氣體進(jìn)行冷卻；焦油取樣口為焦油取樣提供窗口[4]。

菌渣熱解反應(yīng)所需的試驗(yàn)儀器和設(shè)備如第199頁表1所示。

表1 菌渣熱解反應(yīng)的試驗(yàn)儀器及設(shè)備

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)定

本次試驗(yàn)主要是對不同熱解條件下的產(chǎn)物進(jìn)行對比分析，包括固體、液體以及氣體產(chǎn)物及其對應(yīng)質(zhì)量的確定。重點(diǎn)研究不同溫度對熱解反應(yīng)的影響，研究的熱解溫度包括有500、550、600、650、700、750、800 ℃七種。

3 菌渣熱解反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果分析

本節(jié)重點(diǎn)分析熱解反應(yīng)的產(chǎn)物情況和熱解溫度對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

3.1 菌渣熱解產(chǎn)物分析

當(dāng)熱解反應(yīng)器停止加熱后，隨著溫度的降低，熱解反應(yīng)逐漸結(jié)束。其中，在冷凝器和液體收集裝置附近的溫度下降較快；而在熱解反應(yīng)器本身溫度下降較慢，一般當(dāng)熱解反應(yīng)停止3 h～4 h之后其溫度還可達(dá)200 ℃[5]。

當(dāng)熱解反應(yīng)真正結(jié)束后，在保溫層的作用下焦油并不會冷凝聚集在管道和熱解反應(yīng)器中，而是最終在液體收集裝置中冷凝。當(dāng)反應(yīng)結(jié)束2 h后對液體收集裝置內(nèi)的液體進(jìn)行鑒定，其主要成分為水溶性焦油，其次為少量的非水溶性焦油。將液體放置一段時(shí)間后出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

待熱解反應(yīng)完全結(jié)束后，將熱解反應(yīng)器打開取出其中的菌渣，物料呈現(xiàn)黑色顆粒，并未出現(xiàn)凝結(jié)的現(xiàn)象。

3.2 時(shí)間、溫度對熱解反應(yīng)的影響

設(shè)定熱解反應(yīng)溫度為650 ℃，研究不同取樣時(shí)間對應(yīng)的熱解氣體的成分變化，取樣時(shí)間分別為3、7、11、15、19 min，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

如圖1所示，菌渣熱解氣體中以H2的含量最多。其中，隨著取樣時(shí)間的滯后對應(yīng)的CH4、C2H4以及C2H6的含量增加，導(dǎo)致此現(xiàn)象的主要原因?yàn)槿訒r(shí)間的滯后意味著反應(yīng)時(shí)間的延長，菌渣中越來越多的大分子參與裂解反應(yīng)；CO2和CO呈現(xiàn)隨取樣時(shí)間的滯后先增大或減小的變化趨勢；O2隨取樣時(shí)間的滯后呈現(xiàn)減小的變化趨勢。

圖1 氣體成分隨取樣時(shí)間的變化

隨著溫度的升高對應(yīng)的產(chǎn)氣率逐漸增大，對應(yīng)的焦炭和可凝結(jié)相的比例減小。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因是隨著溫度的升高對應(yīng)裂解反應(yīng)更加深入，大分子被裂解產(chǎn)生更多的小分子氣體。而且，當(dāng)熱解反應(yīng)為750 ℃時(shí)，對應(yīng)菌渣裂解反應(yīng)后的焦炭所占比例僅為28%。

4 結(jié)論

抗生素菌渣若處理不當(dāng)極易造成環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境被破壞的問題，傳統(tǒng)填埋、焚燒方式存在諸多弊端。本文采用熱解反應(yīng)對菌渣進(jìn)行裂解，實(shí)現(xiàn)對菌渣的無害化處理，本文具體對菌渣類固態(tài)廢物的無害化處理技術(shù)進(jìn)行研究，并總結(jié)如下：

1) 隨著熱解反應(yīng)溫度的升高，對應(yīng)產(chǎn)物中的氣體含量增加，而焦炭和可凝結(jié)相的比例減少，實(shí)現(xiàn)對大分子菌渣的充分裂解。

2) 菌渣熱分解反應(yīng)H2所占的量最大，其中，隨著取樣時(shí)間的滯后對應(yīng)的CH4、C2H4以及C2H6的含量增加；CO2和CO呈現(xiàn)隨取樣時(shí)間的滯后先增大或減小的變化趨勢；O2隨取樣時(shí)間的滯后呈現(xiàn)減小的變化趨勢。