文章推荐| 戴晓虎教授团队：甾体类药物发酵菌渣的无害化与资源化研究进展
郭李恒 关小红 刘惠玲∗ 戴晓虎
（同济大学 环境科学与工程学院,上海 200092)
研究背景
甾体类药物是指分子结构中含有环戊烷骈多氢菲(cyclopentano-perhydrophenthrene)基本骨架的1类药物，主要包括甾体激素类药物、甾醇类药物、甾体皂苷类药物、强心苷类药物和甾体生物碱等，是维持机体正常生命活动的重要活性物质，其在调节机体物质代谢、细胞发育分化、性功能及免疫调节等方面发挥着重要作用，并且其临床作用范围不断扩大。目前，全球生产的甾体类药物已超过400种，2016年全球甾体激素药物销售额超过1000亿美金，是仅次于抗生素的第2大类化学药。我国是甾体类原料药的生产大国，甾体类药物年产量占世界总产量的1/3左右，其中皮质激素原料药生产能力和实际产量均居世界第一，激素类原料药和中间体已成为我国原料药走向世界的重要品种。
在甾体类药物生产行业蓬勃发展的同时，其产业相关的污染问题也开始逐渐受到人们关注，尤其是药物发酵生产过程中残留固体废弃物亟须进一步全面认识，然而目前对于该过程中废弃物的处理处置鲜有综述报道。本文重点论述了发酵菌渣无害化与资源化的研究进展，并对未来的发展方向进行展望，可为甾体类制药行业的技术从业者、相关研究人员和管理人员提供可靠的技术支撑。
摘 要
我国为甾体类原料药的生产大国，微生物转化法生产甾体药物的过程中产生的发酵菌渣是一种非常宝贵的资源，但发酵菌渣中仍存在少量有毒的甾体类残留物，在我国被列入《国家危险废物名录》。目前，甾体药物发酵菌渣的处理仍存在一定困难，严重制约着制药企业的健康发展，为此很多研究者针对药物发酵菌渣的无害化与资源化途径开展了广泛的研究。从甾体类药物发酵菌渣的来源、污染属性及国家相关管理要求等方面入手，分别综述了目前包括水热处理、碱热处理、微波处理等预处理技术，燃料化、肥料化、材料化等资源化利用技术，焚烧处置、安全填埋等处置技术在内的甾体药物发酵菌渣无害化与资源化方面的研究现状与最新进展，并对不同处理处置技术的可行性与可操作性进行了综合分析，最后对该领域未来的研究方向进行展望。
01
甾体药物菌渣的来源、组成及危害
1. 甾体药物合成方法演变
自20世纪20—30年代起，Ehrenstein等发现从动物腺体中提炼出的天然产物，如胆酸、胆固醇等，可用于合成甾体激素及其衍生物。20世纪40年代，美国和墨西哥发现薯蓣皂素这一植物性天然产物后，甾体药物的生产原料逐渐完成从动物性向植物性原料的过渡，除某些特殊激素特殊产品如雌激素需从动物尿液中提取外，几乎所有的甾体药物都开始以薯蓣皂素、剑麻皂素和番麻皂素3种植物皂素为起始原料进行生产，由此衍生的合成技术成为这一行业的主要生产技术。
中华人民共和国成立后，黄鸣龙在甾体药物的研究上取得了长足的进步；自1958年以来，我国陆续建立了以薯蓣皂素为主要原料的甾体药物工业，并形成了各种较为成熟的工艺。到20世纪70年代中后期，由于连续一二十年的采挖，薯蓣科植物资源已近枯竭，薯蓣皂素价格开始上涨。同时，我国企业在植物甾醇发酵工程取得了突破性进展，80年代开始，以禾本科植物甾醇为起始原料制造雄烯二酮(AD)、雄二烯二酮(ADD)等中间体的微生物转化技术逐步应用于规模化工业生产，植物甾醇逐渐开始替代植物皂素广泛应用于性激素、孕激素和皮质激素等甾体药物的生产。国内渐渐形成了“上游(禾木科植物甾醇原料)—中游(甾体药物中间体原料)—下游(产品制剂)”的甾体药物产业链。
2. 甾体药物发酵菌渣
目前，不同种类的甾体药物所采用的生产工艺不一定相同，同种甾体药物不同厂家的生产工艺也不一定相同，而且很多厂家的生产工艺也是涉密信息，因此甾体药物的生产过程不能一概而论，本文仅概述普遍意义上的情况。一般来讲，由植物甾醇生产氢化可的松等甾体药物的主要反应过程分为生物发酵阶段(植物甾醇→甾体中间体)和化学合成(甾体中间体→甾体药物)2个阶段。
以常见的甾体中间体雄烯二酮(AD)为例，AD等中间体的微生物转化阶段途径如图2所示。不同的研究者分别利用分枝杆菌、芽孢杆菌等微生物转化胆固醇(Ⅰ)、谷甾醇(Ⅱ)、豆甾醇(Ⅲ)、菜油甾醇(Ⅳ)、菜籽甾醇(Ⅴ)、谷甾烷醇(Ⅵ)、菜油甾烷醇(Ⅶ)、麦角甾醇(Ⅷ)和孕酮(Ⅸ)等物质制备AD，也有学者通过诱变育种或基因工程技术进一步选育高效菌种，显示出较好的转化活性与较高的转化效率。典型的微生物转化途径是通过分枝杆菌等微生物对甾醇侧链C17位降解、C5，6位双键的氢化以及C3位上的羟基的酮基化等生产AD等甾体中间体。
生物发酵生产甾体中间体的微生物转化工艺不同研究者的方法不尽相同。张峥斌采用常压室温等离子体系诱变系统(ARTP)对分枝杆菌菌种进行诱变处理，选育出能转化植物甾醇合成AD的菌种，生物发酵高效转化制备AD，生物转化率95%以上；刘喜荣应用两步发酵技术，成功获得了11-α-OH[1]4AD关键中间体，解决了醋酸氢化可的松的关键性官能团合成难度大的问题，提高了产品收率及产品质量；Shao等对分枝杆菌发酵转化植物甾醇制备ADD的发酵工艺进行优化，采用三阶段发酵工艺，以果糖为初始碳源，以葡萄糖为原料进行补料两段发酵以维持菌株代谢，后期补加植物甾醇发酵转化制备ADD，缩短发酵周期的同时也提高了产量。
微生物转化技术的生产特点基本比较相似，一般都需要经过菌株优选、种子制备与扩增培养、微生物发酵、发酵液预处理、固液分离、产物提取与纯化、精制与包装等多个步骤。在发酵完成后，对于产生胞外甾体的菌体而言，发酵物经固液分离后产生的固态或半固态滤饼即为甾体药物发酵菌渣；而对于产生胞内甾体的菌体，经过甲醇等溶媒浸泡提取后，再进一步固液分离的滤饼即为甾体药物发酵菌渣。
受分离提取效率的限制，发酵液中的甾体药物无法被彻底提取，使得菌渣中不可避免地残留少量的甾体物质及其他代谢产物，可能会影响各种生物的生殖系统、免疫系统和神经系统，具有一定的生态毒性。与此同时，微生物转化过程产生的菌渣中还含有丰富的菌丝体和残留的有机质、糖类、蛋白质和矿物质等营养成分，是一种具有广阔开发前景的资源。
3. 国家相关管理要求
因药物发酵菌渣富含营养成分，所以在2002年之前，大部分甾体类发酵菌渣主要用作畜禽及渔业饲料以促进畜禽等的生长。然而，鉴于菌渣中残留的甾体物质会在生态系统中不断累积，并与动物体内激素受体结合发挥拮抗作用，对生态环境中动植物都有潜在累积性与危害性，2002年，国家农业部176号文件《禁止在饲料和动物饮用水中使用的药物品种目录》出台，明令禁止将含甾体物质的菌渣用作畜禽饲料或饲料添加剂，甾体物质菌渣的处理开始逐渐受到政策限制。随后又有研究者考虑将其用于改善花卉生长发育的土地处理。但在2008年，甾体药物菌渣因可能对生态环境或者人体健康造成有害影响被列入《国家危险废物名录》，自此禁止药物菌渣未经处理就直接利用。此后，该名录又经过2016年和2020年修订后已近完善。现如今，菌渣的处理处置只能按照相关危险废弃物管理办法进行管理，因而不同的处理处置技术得到了国内外研究者的广泛关注。
02
菌渣处理处置技术国内外研究现状
1. 菌渣预处理技术
1）水热处理技术。
水热处理是指在水介质中利用高温直接作用或水合氢离子破坏化合物的1类清洁处理技术。水热处理技术具有过程清洁，且不受含水率限制的优点，已广泛用于高含水率固体废弃物预处理。基于此，水热处理技术在热稳定性较差的药物菌渣无害化处理中的应用已受到广泛关注。
Cai等发现水热处理可作为预处理技术，高效地灭活菌渣中残留的红霉素，从而实现菌渣无害化预处理。王志强通过水热液化等热化学转化技术，有效解决青霉素菌渣处理处置问题，并进一步探讨了水相循环及催化水热液化过程的作用机制。李春星研究了头孢菌素C菌渣水热预处理结合厌氧发酵甲烷化技术的可行性，发现水热处理后的菌渣具有更高产甲烷的潜力。此外，经过水热处理后，菌渣中难生物降解的大分子有机质可以被转化为易降解的小分子物质，同时使得发酵药物菌渣的沉淀、脱水、干燥性能以及可生化性得到明显改善。因此，通过水热预处理不仅可以破坏物质残留，消除资源化产品的危害，同时可能提高后续资源化处理的效率，实现菌渣安全、高效的回收利用。
2）碱热处理技术。
针对部分酸碱性条件下稳定性差的污染物，可通过调节菌渣的pH来实现其有效去除。由于菌渣基质复杂，pH缓冲性较强，需要添加大量的酸碱才能获得较为理想的pH反应条件，这不仅增加了处理成本，还降低了菌渣质量。目前，单独采用碱水解过程用于复杂基质预处理的应用比较少，多数研究者普遍通过与高温过程联合来加快处理效率，提高处理效果并尽可能地降低酸碱使用量。赵燕肖等应用响应面法优化青霉素菌渣碱热预处理工艺，建立了SCOD数学模型，并通过降维分析对模型进行优化，以找到青霉素菌渣碱热预处理的最佳条件。Zhong等以链霉素发酵菌渣为原料，探究了碱热预处理对后续生化反应的影响，发现该手段可促进微生物细胞和有机物质的溶解和分解，有效提高后续厌氧消化产甲烷的能力。
目前，碱热处理已成功应用于发酵菌渣中多种药物的去除，有效降低了菌渣后续资源化利用的环境风险。与水热处理过程类似，碱热同样可有效改善菌渣的可生化性，最大程度地将不溶性有机物转化为可溶性物质，提高后续厌氧消化资源化利用的效果。
3）其他预处理技术。
除上述技术之外，微波处理、高级氧化处理以及多种手段合用等技术在药物菌渣预处理中均有相关报道。微波辐射处理不仅使菌渣分解并破坏菌丝体细胞，而且还可以使残留的抗生素降解，微波处理条件较为温和，可有效去除菌渣中热稳定性较差的污染物，并有效提高菌渣的可生化性，但目前应用较少。高级氧化技术可有效破坏大多数菌渣中的污染物残留，降低菌渣的储存及应用风险，并实现菌渣可生化性的改善。然而，其处理过程需要添加热活化过硫酸盐等氧化剂，提高菌渣中的离子含量；其次，氧化反应的选择性较差，会明显造成菌渣中有机质损失，降低菌渣无害化预处理产品的质量。
2. 菌渣资源化处理技术
1）燃料化。
厌氧消化是1类高效的生物质转化技术，在厌氧环境中，微生物体系能分解利用有机质并将其转化为CH4，从而可以实现将药物菌渣中低品位的有机质转化为高品位的沼气进行利用。因为回收的沼气可作为燃料用于做饭、取暖和照明等，药物菌渣的厌氧消化在20世纪90年代已受到部分学者的关注。闫阳以庆大霉素菌渣作为研究对象，使用升流式厌氧污泥床反应器(UASB)对菌渣厌氧消化处理的动态效果进行探究，并改变含固率和接种比等参数进行工艺优化。董永博对青霉素菌渣厌氧发酵产沼气的影响因素进行了全面研究，在此基础上开展了上流式厌氧固体反应器(USR)的半连续运行试验。纪钧麟等以甾体药物发酵菌渣为原料，进行了批量式和CSTR半连续式沼气发酵实验，证实了甾体药物菌渣具有较好的产沼气潜力，适宜应用于沼气工程。
现有研究表明，药物菌渣的直接厌氧消化效果并不够理想。一方面，作为生物发酵过程产物，药物菌渣中大部分有机质存在于菌丝体及未完全利用的发酵颗粒中，可生化性较差，使得其厌氧消化水热过程缓慢，限制了菌渣厌氧消化的沼气产生量；另一方面，菌渣中残留污染物可能会抑制微生物生长，降低菌渣产气量，并可能造成耐药菌的大量繁殖，影响沼渣沼液后续进一步的资源化利用。Zhang等采用厌氧消化与水热预处理相结合的方法降解头孢菌素C菌渣生产沼气的可能性，并取得了较好的效果。Li等在厌氧消化过程前进行了碱热预处理，并证明在产生甲烷量相同的情况下，加碱可降低前处理的热解温度，减少能源消耗。Song等研究了热水解预处理对大观霉素菌渣厌氧消化的影响，并发现随着预处理温度升高，大观霉素去除率会随之提高。
当前除了水热、碱热前处理工艺外，包括微波处理、高级氧化处理等在内的处理技术已被用于菌渣预处理，以改善药物菌渣的可生化性并去除药物残留。现有研究表明，经过预处理后，药物菌渣中的有机质得到有效释放，污染物质得到有效去除，消化效果得到明显提高。然而，目前关于沼液沼渣后续利用的环境风险未受到足够关注，需要进一步研究。
2）肥料化。
发酵药物菌渣中有机质含量丰富，产物构成满足NY525—2012《有机肥料》的营养要求，且重金属等有害物质含量较低，目前的研究初步证实了药物菌渣肥料化利用的价值。好氧堆肥是在好氧微生物的作用下，将菌渣中的复杂有机物分解转化为相对稳定的腐殖质的过程，并可以去除生物质中的有害物质，经过一定处理后可用作土壤改良剂或有机肥并促进作物生长，实现其稳定化、资源化。
菌渣肥料化的过程通常需要接入高效菌种或引入动物粪便、市政污泥中微生物进行混合堆肥，堆肥结束后也需要进一步评估有机肥料的安全性。张红娟研究了2种药物菌渣与牛粪的混合堆肥试验，发现菌渣堆肥过程中的药物残留已基本降解，制得的堆肥成品基本可达到无害化标准；张诗华主要研究了青霉素菌渣与市政污泥混合好氧堆肥工艺，并探究了影响堆肥工艺性能的因素，证实了药物菌渣肥料化利用的可行性；平然等采用SEA-CBS技术先将药物菌渣热压进行无害化预处理，然后再经好氧发酵工艺制成抗生素菌渣有机肥，并对菌渣肥施入土壤后植物的生长性能进行测定，为抗生素菌渣的安全利用提供了有效的数据支撑。
基于菌渣的危废性质，各类菌渣肥料化后必须经过安全性评估，通过评估堆肥后的菌渣肥对于微生物及动植物的安全性与稳定性，才可使得菌渣在满足无害化工艺的同时实现资源化利用。肥料化途径适于毒副作用小的药物菌渣的处理，且工艺简单，处理成本相对较低，资源化回收效果好，是目前最可行的处理技术。
3）其他利用途径。
除了上述处理技术外，回收提取菌渣中高质量物质、利用菌渣制备新型煤基流体洁净环保材料及活性炭等处理技术也受到部分学者的关注。吴萍等以废弃菌渣作为主要原料，利用高效菌株进行混合固态发酵生产高质量单细胞蛋白；程俊山等提出了一种从青霉素菌渣中提取麦角固醇的方法，并对此工艺进行优化；马玉龙等采用固体发酵技术，以微生物降解后的药物菌渣为主要原料，生产高效复合酶制剂；王冰对青霉素菌渣进行稀酸加热预处理，继而将优选的酵母菌接入蛋白胨培养基进行培养，最后制备得到饲料酵母和酵母膏等产品，对实际生产过程具有一定的指导意义。
然而，目前有用物质回收技术普遍回收率较低，难以实现药物发酵菌渣的彻底处理；制备水煤浆的方法虽然可以不考虑甾体等有害物质残留，但由于菌渣中存在大量有机质极易腐败，使得所制备的水煤浆变得不易储存，并影响水煤浆的稳定性；采用化学活化法制备活性炭虽然可以完全消除菌渣的有害物质残留，但目前该技术处理成本较高，不适宜规模化生产应用。因此，将这些技术引入药物菌渣的资源化处理是否可行仍有待进一步讨论。
3. 菌渣处置技术
药物发酵菌渣等固体废弃物的处置技术是指对其进行最终处置或安全处置，是固体废弃物污染控制途径的末端环节，也可以有效解决固体废弃物最终归宿的问题。
1）焚烧处置。
焚烧是常见的固体垃圾处置方式之一，在高热值类有机固体废物处理处置中应用广泛。在药物菌渣被列为危险废弃物后，受处理技术发展水平限制，焚烧因其较为彻底的无害化效果而用于药物菌渣处置，并逐渐发展为主流处置工艺。焚烧技术在菌渣处置中的应用，特别是在一系列资源化处理技术发展成熟之前，有效地控制了菌渣中污染物向环境排放。李刚等通过对药物菌渣焚烧处理工艺及燃料配比进行设计，比较分析了菌渣焚烧处置过程中最佳的系统燃料配比以及干燥水分比例。张晓虹等针对某制药企业的废药渣开发了一类特种流化床焚烧装置，通过检测常规污染物排放、重金属浸出毒性等多项指标对其焚烧可能性进行印证。郑向军等则采用中温中压氧化干化(MOD)技术与焚烧技术联合处置抗生素菌渣，联合处理后菌渣及残液中抗生素残留均未检出，菌渣减量化程度达到90%。
然而，菌渣含水率均较高，使得菌渣的处理处置费用远高于甾体物质产品的销售利润，高昂的处理费用甚至在一定程度上限制了制药企业发展。此外，焚烧残渣和飞灰中残留的重金属存在富集现象，而且烟气中二噁英等“三致”物质浓度极易超标，增加了后续的处理成本。这样的处置方式不仅不符合企业的发展利益，同样与当前的环保理念相悖，已难以满足当前药物菌渣的处理要求。然而由于焚烧的无害化效果好，使得其在万古霉素等毒性较大的抗生素类发酵菌渣的处置应用中依然具有无可替代的地位。
2）安全填埋。
作为危险废弃物，药物菌渣在进行填埋处置时必须采用危险废物安全填埋场。同时，为了保证菌渣在储存、转运及填埋过程中的安全性，必须严格按照GB18598—2001《危险废物填埋污染控制标准》和GB18597—2001《危险废物贮存污染控制标准》中的规定进行操作。目前有少数制药厂对发酵菌渣直接填埋，也有部分厂家通过前处理后再进行安全填埋。虽然填埋技术在一定程度上可以彻底解决困扰企业发展的菌渣处理处置问题，但因菌渣含水率较高，安全填埋在菌渣处置时不仅处理成本高，而且菌渣中个别成分填埋后长期内仍无法彻底降解，仍存在二次污染风险，并会进一步增加后续渗滤液的处理压力。此外，菌渣中含有大量可回收利用成分，直接进行填埋也会造成严重的资源浪费。因此，填埋技术在菌渣处置方面并未得到大规模应用。
03
总结与展望
综上，目前已有的药物菌渣无害化与资源化技术中:填埋处置浪费资源，并且不适合大规模地处置药物菌渣；焚烧处理成本较高，且易引发二次污染问题；厌氧消化技术虽然高效但会增加污水处理压力；好氧发酵研究主要集中在抗生素菌渣处理，对甾体药物菌渣的研究鲜有报道。因此针对大量甾体药物菌渣的无害化处理与安全利用难题，亟待进一步研究开发高效的菌渣处理工艺，寻找安全利用的有效途径。
来源：郭李恒,关小红,刘惠玲,戴晓虎.甾体类药物发酵菌渣的无害化与资源化研究进展[J].环境工程,2022,40(5):244-250.
全文下载链接：
关于期刊
《环境工程》创刊于1982年，是国内外公开发行的国家级环境科学类期刊，由中冶建筑研究总院有限公司主办、工业建筑杂志社有限公司出版发行。本刊主编由中国工程院院士、美国国家工程院外籍院士、中国科学院生态环境研究中心研究员、清华大学教授曲久辉担任。报导内容涵盖水污染防治、大气污染控制、有机固废生物处理与资源化、过程工程环境污染控制与资源化、环境生态工程、海绵城市建设规划与实践、碳减排技术路径研究与实践等。本刊已入选北大中文核心期刊要目总览、中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊（核心库）、RCCSE中国核心学术期刊、ISTIC中国科技核心期刊、环境科学领域高质量科技期刊分级目录T2级、世界期刊影响力指数(WJCI)报告等。在科学技术迅猛发展和全球变化的大背景下，《环境工程》既要关注解决环境治理工程难题的最新科技进展，也必须突破以末端治理为主要目标的学科局限，深刻认识制约我国社会经济发展的重大环境工程问题，深入思考环境工程科技发展的未来与方向，深度融合相关学科的科技成果，报导更有学术高度和应用价值的综合性成果。
推荐阅读：
环保面前 没有旁观者