抗生素菌渣熱解特性及氮遷移轉化機理研究

杜家興，李辰旭，周星星，萬 淦，徐林林，王 賁，李德念，孫路石,*

（1. 華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室,湖北 武漢 430074；2. 中國科學院廣州能源研究所,廣東 廣州 510640）

抗生素菌渣來源于抗生素生產過程中的提取和過濾工藝，主要成分包括菌絲體、發酵底物以及殘留的少量抗生素[1,2]。中國是抗生素生產大國，每年產生的抗生素菌渣達200 萬噸以上[3]。抗生素菌渣中存在大量有機成分以及重金屬、殘留抗生素等有毒物質[4]，如果對其進行露天堆放或填埋處理，會造成資源浪費及大氣和土壤等環境污染。實現抗生素菌渣資源化利用和無害化處置是中國亟待解決的一個問題。

熱解技術可實現較高的資源回收效率和較低的污染，已成為目前抗生素菌渣處置的研究熱點[5,6]。目前，針對抗生素菌渣熱解的研究主要集中在熱解條件（溫度、升溫速率和添加劑等）對產物和熱解過程的影響[6]。Wang 等[7]研究了青霉素菌渣熱解產物的生成機理，發現熱解炭中N-H、C=O、C-H、C-N 和C-O 鍵的斷裂會生成CH4、CO、NH3和HCN 氣體產物；熱解油中除了大量含氮和含氧物種之外，還含有少量碳氫化合物。Du 等[8]研究了生物質菌渣與煤共熱解特性，發現NH3是最先生成的氣態產物，然后開始生成烷烴、CO2和CO 等氣體。王斌等[9]在微型流化床上進行了青霉素菌渣的快速熱解實驗，發現在600 ℃時熱解油的產率最高；熱解溫度對CO 和CH4生成的影響比H2和CO2更加明顯。抗生素菌渣中的氮元素化合物在熱解過程中會轉化生成NH3、HCN、HNCO、酰胺及其他含氮化合物[10-12]，可能導致熱解氣和熱解油的品質下降，作為燃料使用時生成NOx[13]。因此，研究菌渣熱解過程中含氮產物的遷移轉化機理具有重要意義。現有的研究主要通過實驗手段分析不同熱解條件下氮在產物中的分布，但是熱解過程中氮的遷移轉化機理尚未明晰。Costanzo 等[14]研究了催化加氫對藻類生物油脫氮的影響，發現在Ru/C 催化劑的作用下，熱解溫度為225 ℃時熱解油中氮含量從7.5%下降至4.3%。詹昊等[15]以青霉素和土霉素菌渣為研究對象，研究了熱解過程中含氮官能團的熱解特性。結果表明，菌渣中的蛋白質和氨基酸氮主要在250-450 ℃發生轉化，是NH3中氮的主要來源。Zhu 等[16]研究了抗生素菌渣熱解過程中氮的轉化過程，發現NH3和HCN 是主要的氣態含氮產物，它們的產率與樣品中有機胺氮和蛋白質氮的含量密切相關，樣品中的吡咯氮和吡啶氮不易裂解，殘余在熱解焦中。Zhang 等[17]研究生物質熱解過程中氮的遷移轉化，發現氮在熱解焦中的含量和存在形式與熱解焦的吸附能力有關。

基于反應力場的反應分子動力學（ReaxFFMD）方法可以描述反應體系中原子間化學鍵的生成和斷裂，近年來，已被廣泛用于研究生物質、煤、塑料等物質的熱解、氣化及燃燒等復雜的化學反應過程[18-20]。Hong 等[18]采用ReaxFF-MD 方法研究了準東煤的熱解特性，發現與煤的初始裂解相比，熱解油的二次反應需要更多的能量。Du 等[21]研究了水蒸氣對硫化橡膠熱裂解過程中硫遷移轉化的影響，發現水蒸氣能夠增強硫化橡膠的裂解，促進硫元素向H2S 和CH4S 等氣態硫的轉化。Wang等[22]研究了褐煤加氫熱解過程中氮的遷移轉化機理，發現胺、亞胺和腈類化合物等中間含氮產物之間可以相互轉化，H2能夠促進雜環含氮化合物的分解及氮元素由固相向液相和氣相中轉移。

抗生素菌渣成分復雜，其熱解特性及熱解過程中氮元素的遷移轉化機理尚未明確。因此，本實驗選取青霉素菌渣為原料開展熱解實驗，研究其熱解特性及含氮組分的生成轉化特性，同時采用ReaxFF-MD 的方法研究了三種氨基酸（天冬氨酸、組氨酸和谷氨酸）及2,5-哌嗪二酮（DKP）的熱解過程和氮的轉化機理，為抗生素菌渣的熱解回收工藝提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

實驗原料選用華北制藥集團提供的青霉素菌渣。原料取樣時進行脫水和常溫干化處理后，將樣品放入鼓風干燥箱中干燥24 h，然后進行研磨并通過150 目的標準篩。樣品的元素分析（Vario Micro Cube,Elementar Analysensysteme GmbH,German）和工業分析（TGA 2000,Las Navas,Spain）結果如表1 所示。此外，通過X 射線熒光能譜儀（M4 TORNADO，Bruker,German）對樣品中的灰分進行了分析，結果如表2 所示。

表1 青霉素菌渣樣品工業分析及元素分析Table 1 Industrial analysis and elemental analysis of penicillin residue samples

表2 青霉素菌渣樣品中灰分的XRF 分析Table 2 The XRF analysis of ash in penicillin residue samples

采用X 射線光電子能譜儀（ESCALAB 250Xi,Thermo VG Scientific,UK）分析了樣品中含N官能團的賦存形態，如圖1 所示。在分峰擬合前，以C 1s（284.6 eV）對N 1s的XPS 譜圖進行能量校正。N 官能團種類分為：吡啶氮（N-6）、蛋白質/氨基/酰胺（N-A）、吡咯氮（N-5）、質子化吡啶N（N-Q）和氮氧化物（N-X），相對應的電子結合能分別為398.6-399.0、399.5-400.1、400.1-400.6、401.2-401.6 和402-405 eV[15,23-25]。根據N 官能團結合能位置，使用XPSPEAK 軟件（1.2-2.0 eV FWHM）對譜圖進行分峰擬合。結果表明，蛋白質及氨基酸是青霉素菌渣樣品中主要含N 組分。

圖1 青霉素菌渣樣品的XPS 譜圖Figure 1 XPS spectrum of penicillin residue samples

1.2 實驗系統與方法

實驗在圖2 所示的固定床反應系統上進行。反應系統由配氣系統、立式電阻爐和產物收集系統組成。配氣系統選取高純氮氣為載氣，流量為0.1 L/min。電阻爐上下兩段的溫度由溫度控制器調控，石英管總長664 mm，上半部分用于氣體的預熱，下半部分用于樣品熱解。石英管內置一個內徑20 mm、高度36 mm 的柱型石英吊籃，用于盛放菌渣樣品。

圖2 熱解實驗裝置示意圖Figure 2 Schematic diagram of the pyrolysis experimental setup

實驗前稱取2.0 g 樣品置于吊籃中，連接實驗裝置并檢查氣密性，通入N2吹掃30 min 以排除石英管和管路系統中的空氣。以10 ℃/min 的加熱速率將石英管加熱至反應溫度并保溫30 min 保證熱解完全。熱解結束后，收集石英管內的殘余固體焦，稱重得到熱解焦的質量。使用冷凝裝置收集液態產物，實驗結束后進行稱量洗滌。使用氣相色譜質譜聯用儀（Agilent，7890A/5975C）分析熱解油中含氮化合物的組分。GC-MS 分析的參數如下：色譜柱為HP-5-MS（30 m × 0.25 mm），載氣為氦氣，柱溫在45 ℃維持4 min，然后以10 ℃/min的升溫速率升溫至300 ℃保溫10 min。使用氣袋對熱解氣進行收集，實驗結束后使用氣體分析儀（Gasboard-3100）分析不同氣體組分的體積分數。實驗溫度為300、400、500、600 和700 ℃，每組實驗重復三次，保證誤差在5%以內。

1.3 ReaxFF-MD 模擬方法

1.3.1 分子模型建立

根據XPS 結果可知，樣品中的氮主要存在于蛋白質和氨基酸中。青霉素菌渣中含有多種氨基酸，其中，天冬氨酸、組氨酸和谷氨酸的含量最高[10,26]。此外，DKP 是蛋白質或氨基酸熱解過程中的主要中間產物[10,11,26]，對其熱解機理的研究有助于分析青霉素菌渣熱解過程中氮的轉化。因此，本實驗以L 型天冬氨酸、組氨酸、谷氨酸和DKP 為研究對象，進行熱解分子動力學模擬。建模過程如下：利用Material Studio 軟件建立三種氨基酸及DKP 的分子模型，在DMol3 模塊中利用GGA/BLYP基組進行幾何結構和能量優化。優化后的分子模型如圖3 所示。

圖3 優化后的分子模型Figure 3 Molecular models of (a) aspartic acid,(b) histidine,(c) glutamic acid and (d) DKP

利用Amorphous Cell 模塊構建包含15 個天冬氨酸、15 個組氨酸和15 個谷氨酸分子的三維氨基酸反應體系模型，采用周期性邊界條件進行約束。為了避免構建模型時發生原子重疊，初始密度設置為0.3 g/cm3。利用Forcite 模塊對模型進行幾何結構優化，然后基于NPT 系綜（恒定的粒子數、壓力和溫度）在0.1 MPa 和293 K 條件下進行密度優化，優化后的密度為1.05 g/cm3，盒子尺寸為21.7 ?× 21.7 ?× 21.7 ?。最后基于NVT 系綜（恒定的粒子數、體積和溫度）在300-600 K 進行循環退火處理，以優化體系的自由度，最終氨基酸體系模型如圖4(a)所示。構建包含15 個DKP 分子的反應體系模型時，其構建及優化過程與氨基酸體系模型一致，最終模型如圖4(b)所示。

圖4 優化后的三維體系模型Figure 4 Three-dimensional models of reaction systems of(a) amino acids and (b) DKP

1.3.2 熱解反應條件

為了研究氨基酸的熱解機理及溫度對其熱解產物的影響，以50 ℃/ps 的升溫速率將氨基酸體系模型分別從27 ℃升溫至1827、2127、2427 和2727 ℃，然后保溫至100 ps。同樣以50 ℃/ps 的升溫速率對DKP 體系模型從27 ℃升溫至2727 ℃，并保溫至100 ps。模擬過程選取NVT 正則系綜，時間步長為0.1 fs，采用Berendsen 熱浴法控制體系的溫度，阻尼系數為100 fs。鍵級和非鍵級截斷值分別為0.3 和4.5 ?，選取C/H/O/N 力場參數描述原子間的勢能[27,28]，模擬過程在Lammps 軟件中進行。反應分子動力學模擬的時間為皮秒級別，明顯低于實驗過程中的反應時間，所以需要通過提高模擬的溫度來增加原子之間的碰撞，使反應可以在短時間內進行[20-22,29]。

2 結果與討論

2.1 熱解特性分析

圖5 是青霉素菌渣熱解產物分布。從圖5(a)可見，樣品在300 ℃終溫下熱解不完全，熱解焦的產率高達64.3%，熱解油的產率僅為30.9%。在這一溫度下，化學鍵斷裂不徹底，小分子氣體產物較難生成，以糖類和蛋白質等大分子有機物斷裂生成短鏈小分子液相產物的反應為主。隨著溫度的升高，更多菌渣發生裂解。值得注意的是，在700 ℃時熱解焦的產率仍高達37.7%。從表2 可以看出，CaO、SiO2和Al2O3的含量較高，表明灰分中富含化學穩定性高的硅酸鹽等物質，高溫下這些物質依舊殘留在固相中導致熱解焦的產率較高。熱解油的產率由生物油揮發性組分的析出和二次裂解的程度決定，在500 ℃時達到最大為42.3%，隨著溫度進一步升高，二次裂解的程度大于樣品中揮發組分的析出導致其產率有所下降。熱解油的二次裂解及熱解焦中部分化合物的分解和縮合反應導致熱解氣的產率隨溫度的升高逐漸增加[30]，在700 ℃達到最大為21.5%。氮元素的含量在三相產物中的分布如圖5(b)所示。熱解焦和熱解油中的含氮量是根據元素分析的結果計算所得，熱解氣中的含氮量由總含氮量減去熱解焦和熱解油中的含氮量計算得到。可以看出，隨著溫度的升高，熱解焦中的氮含量逐漸下降而熱解氣中的氮含量逐漸增加，更多含氮化合物發生裂解由固態向液態和氣態轉化。熱解油中的氮含量隨著溫度的升高呈先增加后減少的規律，說明熱解油在高溫下發生二次反應時存在部分含氮化合物的二次裂解，導致氮從液態向氣態轉變，李益飛[10]在研究中發現了相似的規律。

圖5 不同熱解溫度下產物的（a）產率和（b）氮含量Figure 5 (a) yield and (b) nitrogen content of pyrolytic products at different temperatures

圖6(a)是熱解氣中主要氣體組分在不同熱解溫度下的體積分數，圖6(b)是通過熱解氣的產率與氣體組分的體積分數計算得到的主要氣體的產率。由于CnHm的相對分子質量無法獲得，且其在氣體中的占比很小，因此，計算產率時將其忽略不計。在300 ℃下，氣體組分主要為CO2和CO，而沒有H2和烴類氣體的生成。這是因為CO2主要來自蛋白質的分解和氨基酸的脫羧反應，而羧基的低溫穩定性較差容易發生裂解。但在高溫下，羧基更傾向于與氫或羥基、氨基等發生脫水反應，導致CO2的體積分數隨溫度的升高而逐漸減少[10]。但是由于熱解氣的產率逐漸增加，CO2的產率也隨溫度的升高而逐漸增加，但增速逐漸放緩。CO的體積分數在300-600 ℃變化不大，部分酮類化合物在高溫下發生分解導致其體積分數和產率在700 ℃下明顯增加[7]。CH4的生成過程主要來自大分子發生脫甲基或脫亞甲基反應，甲基或亞甲基與系統中的H 原子結合生成CH4。隨著溫度的升高，CH4的體積分數和產率先上升后下降，這是因為CH4在高溫下會發生脫氫裂解反應。H2主要來源于系統中的氫自由基之間相互結合或與其他分子發生奪氫反應。在300-500 ℃幾乎沒有H2生成，這可能是因為在青霉素菌渣熱解過程中，H 原子在低溫下更加傾向于與羥基或氨基結合生成H2O 或NH3。但在高溫下脫氫反應加劇，H2的產率明顯上升。

圖6 不同溫度下主要氣體組分的（a）體積分數和（b）產率Figure 6 Volume fraction (a) and yield (b) of gas components at different temperatures

由上述研究可知，青霉素菌渣熱解過程中有相當一部分氮存在于熱解油中。含氮化合物在熱解油中的分布如圖7 所示。熱解油中的含氮化合物包括酰胺、亞胺、腈類、吲哚、咪唑、吡嗪、吡啶和其他雜環含氮化合物。隨著熱解溫度的升高，含氮化合物的占比先增加后減少，在600 ℃達到最大，這與熱解油中的氮含量隨溫度的變化相關。酰胺是氮在熱解油中的主要存在形式，且在300-700 ℃，其占比逐漸下降。酰胺主要是由蛋白質分解或氨基酸之間發生脫水縮合生成[7]，在高溫下容易發生脫氫或脫羰基生成亞胺或胺等化合物，或脫氫環化生成吡啶等環狀含氮化合物導致其占比隨溫度的升高逐漸減少。熱解油中的吡啶和咪唑化合物主要來源于不同氨基酸的分解環化反應，而吡嗪主要是由氨基酸和多糖化合物之間發生美拉德反應生成[31]。腈類化合物可以由脂肪族酰胺脫水或芳香族氨基酸分解生成，腈在高溫下分解生成HCN 導致其在700 ℃下占比有所下降[10,16]。吲哚主要由苯丙氨酸及酪氨酸環化反應或含苯環自由基與吡咯類化合物結合形成[32]，由于氨基酸的環化反應或苯環的生成需要高溫條件，因此，隨著溫度的升高吲哚的占比有所增加。

圖7 不同溫度下熱解油中含氮化合物的分布Figure 7 Distribution of nitrogen-containing compounds in tar at different temperatures

2.2 氨基酸熱解機理分析

不同溫度下氨基酸的熱解產物隨熱解時間的變化如圖8 所示。

圖8 不同溫度下氨基酸熱解產物隨時間的變化Figure 8 Evolution of pyrolytic products at different temperatures for amino acids

隨著熱解時間的延長，更多的氨基酸分子發生裂解。NH3是三種氨基酸熱解時生成的主要氣態含氮產物，主要來自氨基酸的脫氨反應。在1827 ℃，NH3的數量隨熱解時間的延長逐漸增加，在90 ps 左右數量趨于穩定。隨著熱解溫度的升高，NH3的數量在更早的時間達到峰值。由于模擬是在封閉的系統中進行，生成的NH3不能及時排出，在高溫下發生脫氫裂解導致其在2427 和2727 ℃呈現先增加后減少的趨勢。與NH3相比，HCN 開始生成的時間明顯更晚，數量也更少。在1827 ℃沒有觀察到HCN 的生成，隨著溫度的升高，其含量逐漸增加。HCN 主要來自腈類、酮類等環狀含氮化合物在高溫下裂解，因此，受熱解溫度的影響比較大。在相關的實驗研究中同樣發現[33]，氨基酸熱解過程中NH3的生成明顯早于HCN，且在350-550 ℃產量變化不大，而HCN 的產量隨溫度的上升而逐漸增加。H2O 的生成主要來源于氨基酸分子之間或內部的脫水反應，且隨著溫度的升高，脫水反應越劇烈，水分子的生成越多。在1827 和2127 ℃，CO2的數量略高于CO。這是因為脫羧反應更容易在低溫下發生，但在高溫下羧基更傾向于與氨基發生脫水反應，因此，CO2的數量隨著溫度的升高雖然有所增加，但是變化不明顯。高溫下酮類化合物的分解導致CO 的數量在高溫下高于CO2。

在模擬過程中，隨著反應的進行觀察到的三種氨基酸主要熱解過程如圖9 所示，生成的含氮產物在實驗結果中都有所體現。在初始熱解中，三種氨基酸都會發生脫氨反應生成NH3，這是NH3在較短的時間和較低的溫度下生成的原因。組氨酸在熱解初期發生脫氫反應，導致其數量會在更短的時間開始下降。熱解過程中，氨基酸分子間發生脫水反應（一個氨基酸分子中的氨基與另一個氨基酸分子中的羧基）生成酰胺類化合物，而后進一步脫水環化生成DKP 類產物，這是蛋白質和氨基酸熱解生成DKP 中間產物的主要過程。此外，天冬氨酸發生脫水反應之后，還觀察到脫羰基生成CO 或進一步脫水環化生成吡咯酮類化合物。組氨酸熱解過程中發生C-C 鍵斷裂生成游離的咪唑基，與系統中其他自由基結合生成咪唑類化合物，是熱解油中咪唑化合物的主要來源，與常曉囡等的研究結果一致[26]。與分子之間的脫水反應相比，谷氨酸會在更早的時間發生分子內脫水，脫水后的自由基發生脫羰基或進一步脫水環化生成吡啶酮類化合物。李益飛[10]進行天冬氨酸和谷氨酸的熱解實驗研究時同樣發現，天冬氨酸在高溫下熱解容易發生分子間脫水環化生成丁二酰亞胺和酮類化合物；谷氨酸在熱解時發生分子內脫水生成戊二酰亞胺，隨著溫度的升高，戊二酰亞胺脫水環化生成吡啶酮。

圖9 （a）天冬氨酸、（b）組氨酸、（c）谷氨酸的熱解反應過程Figure 9 Process of pyrolysis reaction of (a) aspartic acid,(b) histidine and (c) glutamic acid

此外，氨基酸的脫羧反應是CO2的主要來源，谷氨酸脫羧基之后還可能進一步脫水環化生成吡咯烷酮化合物[33]。通過模擬結果可以發現，氨基酸在低溫下熱解生成的液相含氮產物主要為鏈狀化合物如酰胺及含氮自由基等，因此，在較低的熱解溫度下獲得的熱解油中酰胺是主要的含氮化合物。隨著溫度的升高及反應的進行，酰胺和其他鏈狀含氮化合物或自由基開始環化生成酮等環狀含氮化合物，導致酰胺的占比隨著溫度的升高逐漸下降。

2.3 DKP 熱解機理分析

DKP 是蛋白質和氨基酸熱解過程中的主要中間產物，其熱解機理與菌渣熱解過程中氮的遷移轉化密切相關，DKP 的熱解產物隨熱解時間的變化規律如圖10 所示。可以看出，DKP 在1327 ℃左右開始發生裂解，主要氣態含氮產物為NH3、HCN和HNCO，其中，HCN 開始生成的時間早于NH3和HNCO。在熱解過程中，HNCO 的含量呈現先增加后減少的規律，說明其在高溫下會發生分解反應。DKP 的熱解反應過程如圖11 所示。

圖10 DKP 熱解產物隨時間的變化Figure 10 Evolution of pyrolytic products for DKP

圖11 DKP 的熱解反應過程示意圖Figure 11 Process of pyrolysis reaction of DKP

熱解過程中伴隨著C-N 鍵的斷裂會形成CH2CONH 自由基，其在后續反應中與其他自由基結合會生成酰胺或胺等化合物，NH 基能與系統中的氫原子結合生成NH3（步驟1）。DKP 脫氫異構化會形成C=N 結構，隨著C-N 斷裂生成HCN 和CHOCH2NHCHO 自由基，CHOCH2NHCHO 自由基進一步裂解會生成CO。水的生成過程主要為R-C=O 自由基中的氧原子與系統中氫原子結合生成羥基（R-C-OH），羥基進一步與氫自由基結合（步驟2）。此外，DKP 發生C-C 和C-N 鍵斷裂會生成HNCO 氣體和CH2NHCOCH2自由基，而HNCO 在高溫下會發生裂解生成CO，這是熱解后期HNCO 的數量減少的原因。CH2NHCOCH2自由基不穩定，容易發生裂解生成CH2NH 和CH2CO自由基[10]，在反應中還觀察到CH2NHCOCH2自由基會與其它含碳自由基結合，而后進一步環化生成吡咯酮或吡啶酮類化合物（步驟3）。

從研究結果可以看出，氨基酸和DKP 熱解過程中生成的部分含氮自由基（R-NH、R-NH-R）會與氫自由基結合生成NH3，但是在高溫下會發生環化生成環狀含氮化合物繼續存在于熱解油或熱解焦中。后續可以嘗試將抗生素菌渣在水蒸氣或氫氣等氣氛下進行熱裂解實驗，一方面，水蒸氣或氫氣能夠提供更多氫自由基，促進液態產物中的氮向NH3、HCN 等氣態氮轉化；另一方面，可以促進抗生素菌渣的裂解程度，抑制部分含氮化合物的環化反應，從而更容易實現氮的收集脫除。

3 結論

本實驗通過進行不同溫度下的熱解實驗及反應分子動力學模擬，研究了青霉素菌渣的熱解特性和氮遷移轉化機理，主要得出以下結論：

青霉素菌渣具有良好的熱解特性，在500 ℃溫度下熱解油的產率和含氮量達到最大。CO2和CO 是青霉素菌渣熱解的主要氣體產物，CO2主要來自氨基酸的脫羧反應，CO 主要來源于脫羰基反應和酮類化合物的分解。

青霉素菌渣中的氮主要以蛋白質及其含氮水解產物（氨基酸等）的形式存在。隨著熱解反應的進行，氮在三相產物中都有分布，溫度的升高能夠促進固相中的氮向液相和氣相中轉化。

天冬氨酸、組氨酸和谷氨酸在熱解初期發生脫氨反應生成NH3，氨基酸分子之間或內部會發生脫水環化反應。DKP 在熱解過程中伴隨著C-N、C-C 等化學鍵的斷裂會生成含氮自由基，含氮自由基進一步生成酰胺、NH3和HCN 等產物或環化生成環狀含氮化合物。