生物發(fā)酵制藥異味污染與治理方案淺析*

胡慶豐，王建偉，王澤雄，向逸婷，張正國(guó)

（北方民族大學(xué)a.化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院；b.醫(yī)學(xué)影像系，寧夏 銀川750021）

生物發(fā)酵制藥是傳統(tǒng)制藥行業(yè)中的重要組成部分。隨著生物技術(shù)和醫(yī)藥技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)已成為全球最大的抗生素類藥品的生產(chǎn)國(guó)與出口國(guó)，同時(shí)也是抗生素行業(yè)對(duì)環(huán)境造成污染最嚴(yán)重的國(guó)家之一[1]。每年都有大量抗生素被應(yīng)用于人類疾病治療和養(yǎng)殖業(yè)中。近年來，受到“限抗令”和環(huán)保政策的影響，生物發(fā)酵法制備抗生素的制藥企業(yè)受到一定沖擊，但2019年我國(guó)抗生素產(chǎn)量仍達(dá)到21.8萬t，其中82%被國(guó)內(nèi)消耗，其余出口至國(guó)外。除抗生素外，維生素及其衍生物等也是生物發(fā)酵制藥企業(yè)的主要產(chǎn)品，每年可達(dá)到30多萬t的產(chǎn)量[2,3]。

在以上藥品的巨大需求和大量生產(chǎn)背景下，生物發(fā)酵制藥過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和異味是制藥企業(yè)不可忽視的潛在危險(xiǎn)源，如不能用最優(yōu)的方法處理，對(duì)生產(chǎn)員工、周邊居民的健康和企業(yè)附近生態(tài)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害。

1 揮發(fā)性有機(jī)物及異味特征

生物發(fā)酵制藥過程會(huì)產(chǎn)生眾多揮發(fā)性有機(jī)物（V OC s）和一些刺激性異味（如臭味、甜味、芳香味）。這些V OC s大多含有異味，因此，V OC s和異味有很大的重疊，即異味的來源主要是V OC s。除此以外，異味物質(zhì)還包括有機(jī)揮發(fā)性酸（VF A s）和H2S、NH3等無機(jī)物[4]。世界衛(wèi)生組織對(duì)V OC s定義范圍較寬，包括了常溫下沸點(diǎn)50～260℃的各種有機(jī)化合物。我國(guó)多個(gè)行業(yè)的V OC s排放標(biāo)準(zhǔn)中，V OC s是指常溫下飽和蒸汽壓大于70P a、常壓下沸點(diǎn)在260℃以下的有機(jī)化合物，或在20℃條件下，蒸汽壓大于或者等于10P a且具有揮發(fā)性的全部有機(jī)化合物。2018年制藥工業(yè)大氣污染物企業(yè)邊界排放標(biāo)準(zhǔn)污染物限值（m g·m-3）：苯0.4，甲醛0.2，三氯乙烯0.1，硫酸二甲酯0.5，二氯甲烷4.0，非甲烷有機(jī)化合物（NMOC）4.0，臭氣濃度20。

2019年7月，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《重點(diǎn)行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物綜合治理方案》，指出VOCs是大氣顆粒物（PM2.5）和O3的重要前體物，在一定程度上加快了PM2.5和O3的形成。在大氣和太陽(yáng)光作用下VOCs可生成有機(jī)氣溶膠和O3，造成光化學(xué)煙霧、霧霾、腐蝕性降雨等環(huán)境污染。VOCs與異味污染物具有一些共同的特征，如具有刺激性氣味（含臭味），經(jīng)過吸入、接觸可致中毒，部分組分長(zhǎng)期吸入或接觸可致癌、致突變，對(duì)人和動(dòng)物胎兒致畸等，給人類健康造成極大危害。我國(guó)VOCs和異味污染源治理工作起步較晚，相對(duì)于顆粒物、SO2、氮氧化物等的污染控制，治理技術(shù)不夠完善，使得VOCs和異味排放及時(shí)、高效治理成為發(fā)酵制藥企業(yè)的心病[5,6]。2018年以來，中央派出多個(gè)環(huán)境保護(hù)督察組分赴各地督辦制藥企業(yè)異味擾民案件。寧夏泰瑞制藥、內(nèi)蒙古聯(lián)邦制藥、江西匯仁藥業(yè)都因排放惡臭異味廢氣而被關(guān)?；蛲I(yè)整頓。

表1為生物發(fā)酵原料藥生產(chǎn)過程中提取廢氣的特征污染物及其理化性質(zhì)。

表1 生物發(fā)酵原料藥生產(chǎn)過程中提取廢氣的特征污染物及其理化性質(zhì)Tab.1 Characteristic pollutants and physical and chemical properties of waste gas extracted in the production process of biological fermentation

2 生物發(fā)酵制藥異味污染治理現(xiàn)狀及治理技術(shù)

2.1 污染來源

生物發(fā)酵過程存在多種化學(xué)反應(yīng)、生物過程、物理過程，在不同產(chǎn)品、不同工藝、不同車間排放的廢氣種類、濃度各不相同，成分較為復(fù)雜，而且在藥物發(fā)酵的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量有害副產(chǎn)物。生物發(fā)酵制藥過程中造成的環(huán)境污染程度，主要取決于原料、中間體、終端產(chǎn)品的毒性和流失（排放）的量。異味氣體來源于：發(fā)酵類制藥在提取、轉(zhuǎn)化和精制過程中產(chǎn)生的有機(jī)溶媒廢氣、菌渣干燥廢氣以及微生物發(fā)酵液活性成分提取分離過程中的有機(jī)溶劑揮發(fā)等。在非密閉式生產(chǎn)工藝的條件下，大量的異味污染氣體不受限制地通過蒸發(fā)，擴(kuò)散等方式快速的排放到大氣中[7]。

2.2 國(guó)內(nèi)外生物發(fā)酵異味污染治理現(xiàn)狀

在上世紀(jì)，生物發(fā)酵異味污染就已經(jīng)引起了大部分西方國(guó)家的重視，美國(guó)以及歐盟其他發(fā)達(dá)國(guó)家積極研究各種污染處理辦法，率先建立了數(shù)據(jù)庫(kù)，為污染氣體排放管理做出了一定的積極貢獻(xiàn)[8]。例如，美國(guó)現(xiàn)有的清潔空氣法案、清潔空氣州際法規(guī)等法律文件，提出超過180種重點(diǎn)防控的污染物質(zhì)，明確規(guī)定了有毒異味污染物必須治理后才能排放。由于我國(guó)制藥企業(yè)數(shù)量龐大，生物發(fā)酵制藥廢氣的環(huán)境監(jiān)測(cè)工作起步較晚，各項(xiàng)治理標(biāo)準(zhǔn)并不完善。近年來，國(guó)內(nèi)雖然大力強(qiáng)調(diào)保護(hù)環(huán)境，并且出臺(tái)了《石化行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物綜合整治方案》、《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》、《環(huán)境保護(hù)法》、《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》等一系列的法律法規(guī)。但由于現(xiàn)階段的生物發(fā)酵行業(yè)污染處理成本仍然較高，低成本、成熟的治理技術(shù)仍然難于大面積實(shí)現(xiàn)，尋找優(yōu)化的異味治理方案已經(jīng)迫在眉睫。

2.3 治理技術(shù)

目前，生物發(fā)酵異味污染治理主要為VOCs治理技術(shù)。主要包括吸收法、吸附法、熱破壞法等技術(shù)[9]。

吸收法 在異味污染處理中該法應(yīng)用最為廣泛，利用異味氣體在吸收液中相似相溶原理，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)苯類及大部分中高濃度有機(jī)異味氣體的高效處理。該法適用于高壓低溫，流量大的異味氣體處理，具有處理費(fèi)用低，工藝流程簡(jiǎn)單，部分化學(xué)物質(zhì)可以進(jìn)行回收利用等特點(diǎn)，但對(duì)處理環(huán)境的要求較高，而且吸收回收液的二次處理依然較為麻煩。

吸附法 國(guó)際主流研究方向是石墨烯納米吸附等技術(shù)，利用內(nèi)表面積較大的吸附劑，將中低濃度有機(jī)廢氣進(jìn)行吸附處理，從而達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。該方法簡(jiǎn)單高效，易于自動(dòng)化控制，并且吸附劑可以通過化學(xué)和熱方法進(jìn)行再利用，但由于吸附劑吸附限度一定，處理過程中需要定期更換或者加工吸附材料，而且對(duì)較高濃度的吸附效果較差，單一處理過程效果大打折扣，所以通常將該技術(shù)與其他處理技術(shù)綜合使用。

熱破壞法 主要是應(yīng)用燃燒消除的辦法，盡可能的將異味氣體燃燒生成無污染的CO2氣體以及水蒸氣。根據(jù)不同的處理?xiàng)l件可將其分為兩種具體的處理方式，其中直接燃燒法原理簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)易，且有機(jī)廢氣的處理效果最高可達(dá)99%。另一類催化燃燒法，通過選擇合適的催化劑，可以將中低濃度的異味氣體在260～350℃的條件下催化燃燒，最終實(shí)現(xiàn)有效控制氣體的污染。但該方法使用的多為貴重金屬作催化劑，自然界不易獲得，而且這類催化劑易揮發(fā)，操作技術(shù)要求較高，不慎進(jìn)入大氣容易造成催化劑中毒事故?，F(xiàn)科研工作者重點(diǎn)聚焦具有較高的催化活性且成本較低的鈷類非貴金屬催化劑的創(chuàng)新研究。

膜分離技術(shù) 適合處理較高濃度的有機(jī)廢氣。常見的膜分離技術(shù)類型有微濾，超濾，納濾，電滲析和反滲透等技術(shù)。雖然這些方法各有千秋，但處理流程十分類似，先將廢氣冷凝回收之后，剩余的氣體進(jìn)行膜分離后排放。該方法工藝流程簡(jiǎn)單、能耗低、可回收有用氣體，且無二次污染，但該技術(shù)造價(jià)昂貴，膜壽命短，操作條件要求較高且應(yīng)用范圍較小，因此，改進(jìn)膜材料成為眾多科研團(tuán)隊(duì)不斷突破的課題。

生物法 這是近年來較為熱門的處理方法，通過微生物的催化氧化作用下分解異味氣體，最終轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的有機(jī)物。根據(jù)不同的處理方式有生物吸收法、滴濾法、過濾法、洗滌法4大類。生物法具有處理費(fèi)用低，效率高等優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，但使用生物處理需要較大的占地面積，而且反應(yīng)不易控制，開發(fā)創(chuàng)新型綜合生物反應(yīng)器具有較大的前景。

等離子處理技術(shù) 低溫等離子體可吸收制藥工業(yè)廢氣中的異味物質(zhì)，利用外加電場(chǎng)的加速作用，產(chǎn)生活化的自由基或高能電子，當(dāng)這些離子具有的能量可以破壞異味氣體分子的化學(xué)鍵能時(shí)，廢氣中的基團(tuán)或粒子開始互相反應(yīng)，最終生成清潔的基團(tuán)或粒子，從而達(dá)到消除氣態(tài)異味污染的目的。等離子體法的特點(diǎn)是能耗低，流程短和效率高，具有非常廣泛的適用范圍。但凈化效率不穩(wěn)定，離子板和電極板易污染等問題仍然亟待解決。

為了更好的處理異味尾氣，一些藥企現(xiàn)多將各種處理技術(shù)創(chuàng)新融合，設(shè)計(jì)出更完善的綜合處理工藝，如冷凝+吸附+催化燃燒法，臭氧+噴淋+篩濾法等一體化技術(shù)，均獲得了許多藥企的青睞。將各種處理技術(shù)綜合應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，盡可能避免生產(chǎn)過程中異味氣體污染環(huán)境是發(fā)展的必然趨勢(shì)。

3 治理建議

政府應(yīng)該加大管理、指導(dǎo)力度，完善異味排放標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)程。讓藥企有章可循，集中規(guī)劃化工、制藥類企業(yè)園區(qū)建設(shè)，要綜合環(huán)境、人類健康需求批復(fù)各企業(yè)的選址[10,11]。給每一個(gè)藥企制定單獨(dú)且詳細(xì)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)以及應(yīng)急預(yù)案制定，積極幫助企業(yè)渡過建設(shè)發(fā)展期。

發(fā)酵制藥類企業(yè)應(yīng)該把環(huán)境污染治理作為頂層設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)先進(jìn)生產(chǎn)流程，根據(jù)企業(yè)需求進(jìn)行工藝流程定期升級(jí)。遵循科學(xué)生產(chǎn)要求，嚴(yán)格按照物料配比進(jìn)行投料發(fā)酵，使用合理、清潔的生產(chǎn)流程，盡可能的做到無毒、無污染。在各種化學(xué)反應(yīng)和生化反應(yīng)流程中要保證生產(chǎn)工藝的高度密閉，生產(chǎn)過程中的廢氣要及時(shí)通入尾氣處理裝置。綜合處理技術(shù)配合各種泄漏檢測(cè)與修復(fù)技術(shù)，不僅可以全面的防止污染氣體排放到大氣中，而且可以保證生產(chǎn)過程的安全可靠，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

發(fā)酵制藥類企業(yè)應(yīng)該注重新材料的使用。材料的進(jìn)步可以為各種生產(chǎn)提供基礎(chǔ)保障，發(fā)酵類制藥企業(yè)在注重生物發(fā)酵技術(shù)研發(fā)的同時(shí)，更要嘗試研究并且使用新型微生物做反應(yīng)物進(jìn)行生產(chǎn)。好的藥物并不僅僅是追求其藥用價(jià)值，環(huán)境的友好與否同樣重要，不能顧此失彼，遵循可持續(xù)發(fā)展任重道遠(yuǎn)。

4 結(jié)論

生物發(fā)酵制藥行業(yè)仍然面臨著巨大的環(huán)境挑戰(zhàn)，我國(guó)發(fā)酵類制藥企業(yè)眾多，藥物生產(chǎn)工序復(fù)雜繁多，各大生物制藥企業(yè)都面臨著異味污染問題。由于不同的階段產(chǎn)生的有機(jī)廢氣也不同，因此，各個(gè)藥企的處理方法不能一概而論，需要根據(jù)實(shí)際產(chǎn)生的有機(jī)廢氣成分、濃度、風(fēng)量等因素綜合考慮，合理選擇搭配各種處理技術(shù)進(jìn)行治理，最終做到異味氣體的防控效益最大化，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。