趙燕肖， 習彥華， 饒 碩,3， 崔冠慧， 程輝彩， 張麗萍， 史延茂

(1.河北工業(yè)大學 化工學院， 天津 300132； 2.河北省科學院生物研究所， 石家莊 050081； 3.河北科技大學 環(huán)境學院， 石家莊 050000)

項目來源： 河北省高層次人才資助項目(E2015100006)； 河北省財政預算項目(16305)；河北省自然科學基金項目(C2015302018)

堿熱預處理對青霉素菌渣厭氧發(fā)酵產沼氣效率的影響

趙燕肖1,2， 習彥華2， 饒 碩2,3， 崔冠慧2， 程輝彩2， 張麗萍2， 史延茂2

(1.河北工業(yè)大學 化工學院， 天津 300132； 2.河北省科學院生物研究所， 石家莊 050081； 3.河北科技大學 環(huán)境學院， 石家莊 050000)

為提高青霉素菌渣厭氧發(fā)酵效率，試驗應用響應面法對其堿熱預處理工藝進行優(yōu)化。采用Design-Expert8.0.6的Box-Benhken設計，以SCOD為響應值Y，研究溫度、時間和堿度3個因素對青霉素菌渣預處理的影響，建立SCOD數(shù)學模型，對模型進行優(yōu)化降維分析，并進一步通過批式厭氧發(fā)酵試驗進行驗證。結果表明，青霉素菌渣堿熱預處理最佳條件為：溫度60 ℃，時間1.25 h ，堿度6% 。模型預測值和試驗值之間的誤差為0.8%，模型的修正決定系數(shù)為 0.9994，擬合性好。厭氧發(fā)酵試驗結果表明，預處理菌渣沼氣產率為256.3 mL·g-1TS，比對照組產氣效率提高了31.4%；甲烷產率為126.7 mL·g-1TS，比對照組提高了28.8%。

青霉素菌渣； 堿熱預處理； 響應面分析； 厭氧發(fā)酵

我國是抗生素生產大國，隨著制藥產業(yè)的發(fā)展，抗生素菌渣處理成為一大難題。據(jù)統(tǒng)計，每發(fā)酵生產 1 噸抗生素原藥會產生8～10噸濕菌渣。青霉素菌渣是我國抗生素發(fā)酵工業(yè)生產中的主要廢料，年產量在100萬噸左右[1]。依據(jù)2008年修訂的《國家危險廢物名錄》，抗生素菌渣被列入危險廢物范疇[2-3]。抗生素菌渣中含有大量的菌體蛋白(約占干重的 30%～40%)，豐富的多糖(約占干重的 10%以上)，麥角固醇(約占干重的 0.5%～1.0%)及培養(yǎng)基殘留物等營養(yǎng)物質[4]。如果將其直接進行焚燒和填埋處理，不僅處理費用高，而且會造成資源的極大浪費，與環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展要求不符。厭氧發(fā)酵是青霉素菌渣資源化、無害化處置技術的有效途徑之一[5]。通過對青霉素菌渣進行產沼氣潛力試驗得出，青霉素菌渣運行負荷較低且處理效率不高。有研究表明青霉素菌渣進行堿熱預處理[6-11]使其菌絲體破裂，釋放出大量的胞內物質，提高發(fā)酵底物有機質，便于菌渣的資源化利用。因此在厭氧發(fā)酵前對菌渣進行一定預處理，是提高青霉素菌渣運行負荷和產氣效率的有效策略。通過響應面設計試驗[12,19]，對菌渣進行堿熱預處理，測定離心后上清液中SCOD的變化，考察不同溫度，時間以及堿度對其破壁效果的影響。并進一步通過厭氧發(fā)酵試驗，確定預處理對底物水解效率和產沼氣性能的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用青霉素菌渣來自石家莊某制藥廠，接種污泥來自石家莊污水處理廠。青霉素菌渣性質分析如下表1。

表1 青霉素菌渣性質分析 (%)

青霉素菌渣的含水率極高，為91.62%。其中碳元素高達43.34%，氮元素占8.81%，C/N為4.918。

1.2 試驗設計

1.2.1 預處理實驗設計

試驗在前期單因素試驗基礎上，取溫度、時間與堿度3個因素，采用Design-Expert8.0.6的Box-Benhken方法設計試驗，研究上述3個因素對青霉素菌渣預處理的影響。每組試驗設置3個重復。試驗采用250 mL的錐形瓶，裝液量為50 mL，直接對含水率為91.82%的菌渣進行處理。處理后進行SCOD的測定。試驗因素水平如表2，其中，x1-x3表示各因素真實值。設計方案如表4，其中，X1-X3表示編碼值。

表2 試驗因素水平表

1.2.2 厭氧發(fā)酵試驗設計

采用250 mL小瓶進行批式厭氧發(fā)酵，有效體積為150 mL。有機負荷設定為20 gTS·L-1，接種物接種30%。設對照組和處理組，對照組不做任何處理，處理組菌渣在60℃，加堿量為6%情況下，進行1.25 h水浴處理。具體試驗設計見表3。在35℃±2℃條件下進行厭氧發(fā)酵[10,15-18]，每個處理設5個平行。每日測其日產氣量、甲烷含量以及pH值等。

表3 厭氧發(fā)酵試驗設計

1.3 測定項目和方法

SCOD采用化學需氧量快速測定儀(連華科技 5B-3C)測定；青霉素菌渣元素分析采用元素分析儀(Elementar vario MACRO)測定[17]；菌渣含水率：采用重量法測定[17]；產氣量用排水集氣法測定[17]；甲烷含量：氣相色譜法(Agilent 7980)測定[17]。

表4 試驗方案及結果 (mg·L-1)

2 結果和分析

2.1 青霉素菌渣堿熱預處理數(shù)學模型的建立

試驗方案及結果具體見表4。以SCOD Y 為目標函數(shù)，編碼值X1，X2，X3為自變量，建立數(shù)學模型，模型所用SCOD值為表中各試驗組總SCOD值的平均值。

利用Design-Expert8.0.6軟件對模型進行分析，得出編碼空間內的回歸方程：

各因素方差分析及回歸方程的方差分析結果見表5和表6。回歸模型的F= 1263.90，P<0.01。該模型的修正決定系數(shù)為 0.9994，表明模型擬合程度較好。由表5各因素方差分析以及顯著性可知A-溫度，AB-溫度和時間的交互作用對SCOD值影響極其顯著(P<0.01)，BC-時間和堿度的交互作用也達到了顯著的影響效果(P<0.05)，B-時間，C-堿度以及AC-溫度和堿度的交互作用對SCOD值影響均不顯著。

表5 各因素方差分析以及其顯著性

表6 回歸方程方差分析結果

通過比較各因素的貢獻率Δj，可判斷各因素影響程度。貢獻率的計算方法如下：

對回歸方程進行方差分析，通過F檢驗，令:

則第j個因素對指標的貢獻率為

各因素貢獻率[19]為：Δ1=2.775，Δ2=2.216，Δ3=1.743。因此，各因素影響作用從大到小依次為：溫度>時間>堿度。

2.2 不同因素對青霉素菌渣堿熱預處理的影響

2.2.1 單因素對青霉素菌渣堿熱預處理的SCOD效應分析

通過降維分析可將多元問題轉換為一元問題，從而分析單因子對響應值的影響，將模型中其他因素控制在相同的水平上，可得到單因素與SCOD的一元回歸模型，并作出對應曲線。圖1為將其他因素固定在0水平時，得到另一變化因素的一維模型曲線。A-溫度，B-時間，C-堿度，由圖1可知，3個因素均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中A-溫度變化幅度最大，堿度和時間變化幅度較小。說明在試驗設置的配比范圍內，溫度在50℃～70℃范圍內SCOD的波動較大；堿度在4%～8%以及時間在0.5 h～2 h范圍內SCOD的波動較小。由此說明溫度對青霉素菌渣影響最大，其次為堿度和時間，與方差分析結果一致。

圖1 單因素水平下測得的SCOD的變化

2.2.2 因素互效作用對青霉素菌渣堿熱預處理 SCOD 的影響分析

據(jù)回歸方程得出的不同因子響應面分析及相應等值線圖，可直觀看出各因素交互作用對菌渣SCOD的影響，若曲線越陡，表明該因素對SCOD影響越大，相應表現(xiàn)為響應值變化的大小[12]，而由等高線圖可知存在極值的條件應該在圓心處。圖2～圖7分別為時間和堿度、時間和溫度以及溫度與堿度的響應面圖和與之對應的等高線圖。由響應面圖曲線坡度以及對應等高線圖極值情況可知，處理溫度對菌渣SCOD的影響最大，處理堿度、時間次之。

圖2 時間與堿度交互作用對菌渣SCOD影響的響應面圖

圖3 時間與堿度交互作用對菌渣SCOD影響的等高線圖

由圖2和圖3可知，隨著預處理時間和堿度的增加，其SCOD值均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并且SCOD值變化趨勢較為平緩。由等高線圖可以看出當處理時間約為1.1～1.4 h，堿度約為5.5%～6.5%時，其SCOD值可達9000 mg·L-1左右。

由圖4和圖5可知，隨著預處理時間和處理溫度的增加，其SCOD值均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并且隨著溫度的變化其SCOD值變化趨勢較為明顯。因此處理溫度對菌渣SCOD的影響高于處理時間。由等高線圖可以看出當處理時間約為1.0～1.7 h，溫度約為57.5℃～62.5 ℃時，其SCOD值可達9200 mg·L-1左右。

圖4 時間與溫度交互作用對菌渣SCOD影響的響應面圖

圖5 時間與溫度交互作用對菌渣SCOD影響的等高線圖

由圖6和圖7可知，隨著預處理堿度和處理溫度的增加，其SCOD值同樣呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并且隨著溫度的變化其SCOD值變化較為明顯。

同樣表明，處理溫度對菌渣SCOD的影響高于處理堿度。由等高線圖可以看出當處理堿度約為5.5%～6.5%，溫度約為57.5℃～62.5 ℃時，其SCOD值可達9000 mg·L-1左右。

圖6 溫度與堿度交互作用對菌渣SCOD影響的響應面圖

圖7 溫度與堿度交互作用對菌渣SCOD影響的等高線圖

表5方差分析結果同樣佐證上述結果，處理溫度對應P值小于0.01，說明溫度對菌渣SCOD影響極其顯著，堿度和時間對應P值均大于0.05，影響不顯著。通過Design-E軟件分析確定最佳預處理工藝：溫度60 ℃，時間1.25 h，堿度6%，此條件下由公式算出的理論值為9023 mg·L-1。

2.2.3 青霉素菌渣堿熱預處理最佳工藝條件驗證

根據(jù)所得的分析數(shù)據(jù)，對青霉素菌渣堿熱預處理進行3組平行試驗，得出的試驗結果：經過堿熱預處理菌渣SCOD與理論值相差0.8%(見表7)。試驗結果基本與理論預測值吻合，證明該結果合理可靠。

表7 試驗驗證結果 (mg·L-1)

2.3 預處理青霉素菌渣厭氧發(fā)酵產沼氣性能分析

對預處理菌渣進行批式驗證試驗，數(shù)據(jù)結果如下。

2.3.1 甲烷含量的變化

C1為預處理組，CK1為對照組，由圖8可以看出，兩組試驗在發(fā)酵初期0～15 d，甲烷含量都有一個迅速上升的階段，當甲烷含量達到一定值后進入平穩(wěn)期。處理組和對照組進入平穩(wěn)期后，甲烷含量在58%～65%上下波動。其中，預處理組甲烷含量上升速度快，說明堿熱預處理使青霉素菌絲體破壞，釋放出內含物質有利于底物的水解產酸，加速反應進程。

2.3.2 日產氣量和累積產氣量的變化

由圖9知預處理組和對照組均能平穩(wěn)啟動且日產氣量的變化趨于一致。兩組均有2個產氣高峰，第1個產氣高峰出現(xiàn)在第2 天，該產氣高峰主要是水解產酸菌將厭氧消化底物大分子分解成小分子酸，同時產生大量CO2等氣體。預處理組和對照組的峰值分別為80和50 mL，堿熱預處理可破壞青霉素菌渣廢菌絲體，釋放內含物質，增加厭氧發(fā)酵底物濃度，因此在發(fā)酵初期，預處理組日產氣比對照組提高60%。此時產甲烷菌含量少不能較快利用底物，導致日產氣量下降。第2個高峰出現(xiàn)在第16天，此時產甲烷菌累積，進入快速產甲烷階段，日產氣量相對穩(wěn)定。隨著底物濃度減少，日產氣量逐漸下降，在第25天時日產氣量低于8 mL·d-1。對照組累積產氣量為585 mL，預處理組累積產氣量為769 mL，預處理組產氣率比對照組提高了31.4%；根據(jù)日產氣量和甲烷含量得出，未處理組和處理組累積產甲烷量分別為295 mL和380 mL，預處理組比對照組產氣效率提高了28.8%。再次說明堿熱預處理可提高青霉素菌渣的厭氧發(fā)酵效率。

圖8 青霉素菌渣厭氧發(fā)酵甲烷含量的變化

圖9 青霉素菌渣厭氧發(fā)酵日產氣量和累積產氣量變化

3 結論

(1)以青霉素菌渣為原料，對其進行堿熱預處理的最佳工藝條件為：溫度60℃ ，時間1.25 h，堿度6%。由各因素顯著性分析可知溫度對青霉素菌渣預處理影響極其顯著(P<0.01)，時間和堿度影響不顯著。

(2)通過中溫厭氧發(fā)酵批式試驗，預處理組菌渣甲烷產氣率為126.7 mL·g-1TS，比對照組產氣效率提高了28.8%。因此對菌渣進行預處理是提高青霉素菌渣厭氧發(fā)酵效率的有效途徑之一。

(3)模型預測值和試驗值之間誤差為0.8%，模型修正決定系數(shù)為0.9994，所建模型擬合性較好,能夠較好反應各因素之間的影響。

[1] 陳立文, 方森海, 王明慈,等.抗生素發(fā)酵廢渣的無害化及資源化再利用研究進展[J].生物技術通報,2015,31(5):13-19.

[2] 艾 晗，石 鵬，王 輝, 等.抗生素制藥菌渣處理處置技術評價與分析[J].環(huán)境工程學報, 2016,10(2):907-914.

[3] 李再興, 田寶闊, 左劍惡,等. 抗生素菌渣處理處置技術進展[J].環(huán)境工程, 2012,30(2):72-75.

[4] 周保華, 高 勤, 王洪華,等. 青霉素、土霉素菌渣研究利用現(xiàn)狀及特性分析[J].河北工業(yè)科技, 2011,28(5):291-294.

[5] 李再興,髙 言,鐘為章, 等.超聲/堿預處理對青霉素菌渣厭氧消化的影響研究[J].環(huán)境工程， 2016,37(7): 302-308.

[6] 韓洪軍,牟晉銘,馬文成,等.微波輻射對青霉素菌渣破壁效果的影響[J].化工學報，2013,64(10):3812-3817.

[7] 張萬欽, 戚丹丹, 吳淑彪, 等.不同預處理方式對污泥厭氧發(fā)酵的影響[J].農業(yè)機械學報,2014,45(9):187-198.

[8] Zhong W Z, Li Z X, Yang J L, et al．Effect of thermal-alkaline pretreatment on the anaerobic digestion[J]．Bioresource Technology , 2014 , 151: 436-440．

[9] Li Z X, Zuo J N, Tian B K, et al . Thermal-alkaline pretreatment on the decomposition of the streptomycin bacterial residue .[J].Biotechnology Biotechnological Equipment ,2012,26(3):2971-2975.

[10] 賈舒婷,張 棟,趙建夫,等.不同處理方法促進初沉/剩余污泥厭氧發(fā)酵產沼氣研究進展[J].化工進展,2013,32(1):193-198.

[11] 李 軼,李 磊,張大雷,等.餐廚垃圾和牛糞混合厭氧發(fā)酵工藝優(yōu)化[J].農業(yè)機械學報，2012，43:181-185.

[12] 陳 源, 楊道富, 范麗華, 等.響應面法優(yōu)化微波提取茂谷橘橙皮總黃酮工藝[J].中國食品學報, 2013, 13(4): 80-86.

[13] Audrey P, Julien L, Christophe D, et al. Sludge disintegration during heat treatment at low temperature: a better understanding of involved mechanisms with a multipara metric approach[J].Biochemical Engineering Journal, 2011, 54(3): 178-184.

[14] Rani R U, Kumar S A, Kallappan S, et al. Low temperature thermo-chemical pretreatment of dairy waste activated sludge for anaerobic digestion process[J].Bioresource Technology, 2012, 103(1): 415-424.

[15] 李超偉, 康 勇, 高 磊, 等．高溫厭氧消化處理餐廚垃圾試驗研究[J].中國沼氣, 2014, 32(3):18-21．

[16] 袁玲莉, 孫巖斌, 文 雪,等．不同預處理對餐廚垃圾厭氧聯(lián)產氫氣和甲烷的影響[J].中國沼氣, 2015, 33(2): 13-18．

[17] 程輝彩, 習彥華, 郭建斌, 等．乙酸復合菌系Th3培養(yǎng)及其在沼氣厭氧發(fā)酵中的應用[J].農業(yè)工程學報, 2012, 28(17):210-216．

[18] 王 慧, 習彥華, 崔冠慧, 等.頭孢菌素菌渣中溫厭氧資源化處理[J].中國沼氣, 2016, 34(1): 19-24.

[19] 李 軼, 李 磊, 張大雷. 等. 餐廚垃圾和牛糞混合厭氧發(fā)酵工藝優(yōu)化[J].農業(yè)機械學報, 2012, 43: 180-185.

EffctofThermo-AlkalinePretreatmentonAnarobicFermentationofPenicillinMyceliumResidues

/ZHAOYan-xiao1,2，XIYan-hua2，RAOShuo2,3，CUIGuan-hui2，CHENGHui-cai2，ZHANGLi-ping2,SHIYan-mao2

/(1.SchoolofChemicalEngineering，HebeiUniversityofTechnology，Tianjin300132，China; 2.Instituteofbiology,HebeiAcademyofSciences，Shijiazhuang050081，China; 3.SchoolofEnvironmentHebeiUniversityofScience&Technology，Shijiazhuang050000，China)

In order to improve the anaerobic fermentation efficiency of penicillin mycelium residues, the Box-Benhken of Design-Expert 8.0.6 was used to optimize the thermo-alkaline pretreatment process. The effects of 3 factors, temperature, time and alkalinity, on the pretreatment of penicillin mycelium residues were studied by using SCOD as the response value. The mathematical model of SCOD was established and optimized to reduce dimension. The results showed that, for thermo-alkaline pretreatment of penicillin mycelium residues, the optimum conditions were the temperature of 60 ℃, treating time of 1.25 h , and the alkalinity concentration of 6%. The error between model predicted and measured value was 0.8%, the correction factor of model was 0.9994. The biogas production rate of pretreated residues was 256.3 mL·g-1TS, which was increased by 31.4% comparing with the control, and the CH4production rate of pretreated residues was 126.7 mL·g-1TS, increased by 28.8% comparing with the control.

penicillin mycelium residues； thermo-alkaline pretreatment； response surface methodology； anaerobic fermentation

2016-10-20

2017-08-22

趙燕肖(1990-),女,河北邯鄲人,碩士研究生,主要從事廢棄物沼氣資源化利用研究工作，E-mail: 15032133175@126.com

程輝彩，E-mail: huicaicheng@163.com； 史延茂， E-mail：yanmaosh@163.com

R915; S216.4

A

1000-1166(2017)05-0003-06