萬古霉素菌渣生物炭的制備及特性研究

馬雅怡 黃朝暉 劉秋新 陳黎

（1.海南熱帶海洋學(xué)院，海南三亞572000；2.武漢城市學(xué)院，湖北 武漢 430083）

0 引言

我國是抗生素生產(chǎn)大國且制藥企業(yè)數(shù)量繁多，據(jù)統(tǒng)計我國每年約生產(chǎn)抗生素24.8萬t，抗生素菌渣年產(chǎn)130萬t，約占全球生產(chǎn)總量的70%，人均使用量也穩(wěn)居世界第一［1］。2016年，利用生物技術(shù)生產(chǎn)生物化學(xué)藥品、基因工程藥物工程中的蒸餾及反應(yīng)殘渣（包含抗生素菌渣）危險廢物屬性進一步被確定為HW02醫(yī)藥廢物類。由于多數(shù)制藥企業(yè)規(guī)模較小，部分企業(yè)管理能力較差，產(chǎn)生的大量抗生素菌渣缺乏有效的科學(xué)處理?？股氐牟豢茖W(xué)處理將導(dǎo)致嚴重后果［2］。因此，眾多企業(yè)面臨著如何實現(xiàn)抗生素菌渣合理安全處理與資源化這一難題。

國內(nèi)外的研究主要集中于抗生素菌渣熱解氣化反應(yīng)機理、各種因素對于熱解氣化過程的影響、污染物生成、轉(zhuǎn)化、遷移與釋放規(guī)律以及熱解氣化與其他技術(shù)的耦合等。本研究選用某制藥廠發(fā)酵萬古霉素濕菌渣（WG）為研究對象，對萬古霉素菌渣（WG）制備生物炭進行研究，以了解其表面形貌特征，進一步拓寬抗生素菌渣生物炭在重金屬廢水處理中的應(yīng)用；采用高效液相色譜儀、元素分析儀、掃描電子顯微鏡、傅里葉紅外光譜儀、氮氣吸脫附儀、同步熱分析儀等多種現(xiàn)代分析技術(shù)對WG和由WG制備的生物炭的組成結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)特征進行分析，為抗生素菌渣的無害化處理和資源化利用提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究選用樣品取自珠海市某制藥廠萬古霉素藥物生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的菌渣，首先將菌渣放入80℃烘箱內(nèi)干燥24 h，將干燥后的菌渣研磨篩分，過60目尼龍篩，再將樣品進行充分混合，以保證原料的均勻性，然后密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 實驗方法

1.2.1 菌渣生物炭的制備

取一定量備用的萬古霉素菌渣放于100 mL瓷坩堝中，密封，于箱式馬弗爐（KSL-1200X，中國合肥科晶材料技術(shù)有限公司）中熱解，馬弗爐設(shè)置10℃/min的升溫速度，控制熱解時間為1h。熱解溫度是一個很重要的參數(shù)，熱化學(xué)變化比如從生物質(zhì)中無組織相釋放的揮發(fā)物和可冷凝的化合物都和溫度有關(guān)，所以熱解溫度設(shè)置4個水平，分別為400、500、600、700℃。熱解完成后關(guān)閉箱式馬弗爐，降至室溫后取出坩堝，密封保存?zhèn)溆?。將菌渣在不同熱解溫度下熱解時間為1 h時，所制備的生物炭標記為TB-400℃-1h，TB-500℃-1h，TB-600℃-1h和TB-700℃-1h。

1.2.2 材料的表征

采用元素分析儀（Vario EL CUBE型，德國Elementar公司）和傅里葉紅外光譜分析儀（Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR）用于C、N、H、S、O元素和菌渣炭表面的官能團分析；采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Sigma，Zeiss，Germany）對菌渣炭的表面形貌進行觀察，氮氣吸脫附儀（Micromeritics Tristar 3000 system，USA）用于表征材料的物理吸附性能及孔性質(zhì)，在N2氣氛中以40 mL/min的氣流率和10℃/min的升溫速度升至設(shè)定速度，同步熱分析儀（STA449F3型，德國NETZSCH公司）：測定各樣品的TG-DTG譜圖。

2 實驗與分析

2.1 C、N、H、S、O元素分析

由菌渣制備的生物炭經(jīng)烘箱干燥至恒重，C、N、H、S、O采用元素分析儀測定。萬古霉素菌渣及菌渣在不同溫度下制備生物炭的結(jié)果如表1所示。從表1可知，WG熱解后的C含量比熱解前大，且C含量都在60%以上，表明炭化程度加強，熱解后菌渣生物炭中的C—H、C—O鍵斷裂，H、O元素從生物炭中分離出來以氣體或蒸汽的形式喪失，C元0素越來越富集，這與文獻報道一致。菌渣熱解前后H含量伴隨溫度的升高不斷降低，是因為熱解過程中它們以小分子有機物和H2O的形式析出。H/C可以表征生物的芳香性，菌渣熱解后，H/C比值均下降，這說明熱解后生物芳香性增強，生物炭越穩(wěn)定，因為在熱解過程中炭會發(fā)生環(huán)縮聚和再固化，脂肪族化合物會轉(zhuǎn)化為芳香族化合物。O/C代表生物炭的親水性和極性，O/C越高說明親水性和極性越強，隨著溫度的升高，O/C下降，說明溫度升高，親水性和極性減弱，生物炭穩(wěn)定性增強［3］。另外，WG制得的生物炭中N元素、S元素含量隨著溫度的升高先減小后增大，這說明生物炭中的N、S元素的含量的與不同熱解溫度沒有明顯變化關(guān)系。

表1萬古霉素菌渣以及菌渣在不同溫度下制備生物炭元素分析結(jié)果

2.2 掃描電子顯微鏡分析（SEM分析）

利用掃描電子顯微鏡可以直觀地分析活性炭成炭顆粒的大小、顆粒結(jié)合程度、孔分布情況和粗糙度等物理特征。取適量最佳條件下制得的萬古霉素菌渣和菌渣在不同熱解溫度下所制備的生物炭固定在樣品臺先進行噴金處理，再做掃描電子顯微鏡分析。圖1為菌渣和菌渣生物炭表面5 000倍的掃描電鏡圖，由圖1（a）—（e）可以看出萬古霉素菌渣表面凹凸不平，表面形狀具有不均勻性，孔徑大小不是很均勻，且隨著溫度的升高孔的數(shù)量增加，孔徑增加，主要空隙從微孔和中孔變?yōu)榇罂?，且大孔中還分布和鑲嵌著微孔和中孔，孔徑分布也相對集中，孔的結(jié)構(gòu)也更加規(guī)則，這說明隨著熱解溫度的增加更有利于孔隙結(jié)構(gòu)的增加，這種結(jié)構(gòu)可有效提高活性炭的比表面積和吸附性能［4］。

圖1 WG及WG在不同溫度下制備的生物炭的SEM圖（5 000倍）

2.3 紅外光譜分析

眾所周知，紅外光譜可以作為鑒別氫鍵相互作用的方法，依據(jù)對紅外光譜圖吸收帶的分析，可從中了解菌渣中有機質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其變化。如圖2所示為不同熱解溫度下萬古霉素菌渣的紅外光譜圖，由圖譜分析可知菌渣熱解后官能團變少，萬古霉素菌渣炭在3 700~3 300 cm-1之間出現(xiàn)較寬的吸收峰，可歸屬為糖類、脂類或碳水化合物中結(jié)合水的羥基O—H的伸縮振動產(chǎn)生的吸收峰，且熱解后羥基數(shù)量在減少，說明隨著溫度的升高結(jié)合水的脫離和氫鍵結(jié)合的羥基逐漸斷裂［5］，羥基的存在不利于芳香化合物的吸附，因芳香化合物的吸附主要受活性炭基面和吸附質(zhì)芳香環(huán)之間的-色散相互作用支配，與石墨邊沿鍵合的氧能束縛電子并將電子從基面電子體系中移走，使-相互作用變?nèi)?；在波?shù)為3 100~2 750 cm-1的波峰代表烷烴中C—H（甲基—CH3和亞甲基—CH2）伸縮振動峰，熱解后隨著溫度的升高不斷減弱，說明隨著溫度的上升，烷烴基團不斷減少，脂肪類化合物徹底揮發(fā)或分解，生物炭芳香性增強［6］，從而提高抗生素菌渣生物炭的吸附性能。蛋白質(zhì)是菌渣的主要成分之一，1 802.7 cm-1處的譜峰來自仲酰胺Ⅰ帶，是C=O的伸縮振動引起的，在1627.9cm-1出現(xiàn)較強吸收峰，主要是由于C=C的伸縮振動；1 495.6 cm-1處的峰來自對稱伸縮離子羧基—COO—，熱解后該峰減弱，并在500℃、600℃和700℃時逐漸消失，這與熱解過程中揮發(fā)分的析出有關(guān)；1 070.6 cm-1處的吸收主要產(chǎn)生于O—H的彎曲振動和C—O—C（纖維素等中存在）的伸縮振動。這些官能團在一定程度上增強了生物炭的吸附性能。

圖2 不同熱解溫度下萬古霉素菌渣的紅外光譜圖

2.4 熱重-差熱分析

將菌渣原樣和在500℃熱解后的樣品，在80℃下烘干8 h作為樣品原料，通入40 mL/min的氮氣，以保持動態(tài)氣氛，升溫速率為50℃/min，升溫至800℃。萬古霉素菌渣原樣的熱重分析結(jié)果如圖3（a）所示，在500℃高溫下熱解后的樣品熱重分析結(jié)果如圖（b）所示。一般生物質(zhì)的熱解可以分為3個階段：第1階段為失水階段；第2階段主要是熱解析出大量的揮發(fā)分，導(dǎo)致大量的失重；第3階段主要是殘余物質(zhì)繼續(xù)發(fā)生緩慢的熱解［7］。

由圖3（a）可以看出萬古霉素菌渣原樣的熱解符合一般生物質(zhì)熱解的3個階段。第1階段為失水階段，由于實驗用萬古霉素菌渣已經(jīng)烘干24 h，因此含水率較低，在圖中僅有一個較小的失重峰出現(xiàn)。在230~320℃左右失重明顯，這是由于萬古霉素菌渣內(nèi)部的粗蛋白以及其他有機物在此溫度段大量分解造成，含碳化合物的C—C鍵斷裂，產(chǎn)生了CO2和CO［8］，整個過程中，失重率為84.28%。圖3（b）405~430℃左右出現(xiàn)第3個失重高峰，原因主要是菌渣中有機物含量比較高，殘余的物質(zhì)繼續(xù)分解。而圖3（b）中經(jīng)過500℃高溫?zé)峤獾木?0~100℃出現(xiàn)明顯失重，此時有機物大量分解，在200~400℃出現(xiàn)較小失重，500~650℃出現(xiàn)明顯失重，失重率比原菌渣小19.099%，與原菌渣比較，WG-500℃-1h生物炭在200~400℃和500~650℃的吸熱峰沒有原菌渣明顯，是因為生物炭在制備過程中有機物分解而含量下降。

圖3 萬古霉素菌渣原樣和500℃高溫下熱解后的樣品的熱重分析結(jié)果

2.5 菌渣的比表面積

從2.4節(jié)部分掃描電鏡可以看出菌渣具有多孔結(jié)構(gòu)。采用BET氮氣吸附法測定菌渣的比表面積，不同熱解溫度下所制備生物炭的比表面積和孔徑分析結(jié)果如表2。比較熱解前后菌渣的比表面積，會發(fā)現(xiàn)熱解后菌渣的比表面積增大，WG熱解前的比表面積為0，而WG-700℃-1h的比表面積達到19.847 0 m2/g，菌渣的比表面積越大就越有利于吸附質(zhì)的吸附。另外，熱解前后萬古霉素菌渣生物炭的孔徑也在不斷增大，據(jù)資料顯示［9］，它們的孔結(jié)構(gòu)為中孔，中孔適合液體分子的吸附，因此由菌渣制備的生物炭孔結(jié)構(gòu)和比表面積都有利于水中重金屬離子和有機污染物的吸附。

表2 萬古霉素菌渣以及菌渣制備的生物炭的比表面積及孔徑分析

3 菌渣生物炭吸附Pb（Ⅱ）的研究

3.1 實驗方法

在250 mL錐形瓶中加入不同熱解溫度（WG-400℃-1h，WG-500℃-1h，WG-600℃-1h和WG-700℃-1h）下產(chǎn)生的生物炭0.2 g及Pb（Ⅱ）25 mg/L溶液50 mL，調(diào)節(jié)pH=4，蓋緊蓋子以防實驗過程中體積變化。將其放入25℃的恒溫水浴振蕩器中，在轉(zhuǎn)速為120 r/min下振蕩3 h，過濾，取上清液，用原子分光光度計測定其中金屬離子濃度。

3.2 不同吸附劑的影響

考察不同吸附劑對吸附Pb（Ⅱ）的影響，結(jié)果如表3所示，可以發(fā)現(xiàn)Pb（Ⅱ）的去除率隨菌渣熱解溫度的的升高而增大，當熱解溫度為700℃時，對廢水中重金屬離子Pb（Ⅱ）去除率最大。WG-700℃-1h生物炭表面官能團豐富，比表面積和孔徑相對較大，C元素相對較富集，有利于菌渣生物炭對重金屬離子吸附的研究。

表3 不同熱解溫度下萬古霉素菌渣對Pb（Ⅱ）的吸附

4 結(jié)論

本文借助多種鑒定物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的分析檢測方法如元素分析儀、紅外光譜分析、掃描電鏡、熱重-差熱分析氮氣吸脫附等，確定了菌渣主要組成成分的含量和其結(jié)構(gòu)特征，主要結(jié)論如下：

1）萬古霉素菌渣生物炭熱解前后C元素含量增大，H元素隨溫度的升高而減小，H/C下降，生物炭芳香性增強；O/C下降，溫度升高，親水性和極性減弱，生物炭穩(wěn)定性增強。傅里葉紅外光譜分析表明菌渣表面有豐富的官能團，有羥基、羧基、酯羰基等，這些官能團有利于生物炭對水中重金屬離子的吸附。

2）熱解后菌渣生物炭的表面有明顯的多孔結(jié)構(gòu)，而且菌渣熱解后的比表面積和孔容也都比熱解前高，有利于生物炭對水中重金屬離子的吸附。

3）菌渣生物炭對重金屬離子Pb（Ⅱ）的去除率隨熱解溫度的升高而增大。

萬古霉素菌渣表面特性受熱解溫度影響顯著，菌渣生物炭表面含有豐富的官能團，比表面積和孔徑相對較大，可用來用作生物吸附劑。本研究為菌渣生物炭吸附重金屬和有機物污染物提供重要的理論依據(jù)。