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

（北方民族大學a.化學與化學工程學院；b.醫(yī)學影像系，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，我國已成為全球最大的抗生素類藥品的生產(chǎn)國與出口國，同時也是抗生素行業(yè)對環(huán)境造成污染最嚴重的國家之一[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年我國抗生素產(chǎn)量仍達到21.8萬t，其中82%被國內(nèi)消耗，其余出口至國外。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)性有機物（VOCs）和異味是制藥企業(yè)不可忽視的潛在危險源，如不能用最優(yōu)的方法處理，對生產(chǎn)員工、周邊居民的健康和企業(yè)附近生態(tài)環(huán)境會產(chǎn)生嚴重危害。

1 揮發(fā)性有機物及異味特征

生物發(fā)酵制藥過程會產(chǎn)生眾多揮發(fā)性有機物（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)還包括有機揮發(fā)性酸（VF A s）和H2S、NH3等無機物[4]。世界衛(wèi)生組織對V OC s定義范圍較寬，包括了常溫下沸點50～260℃的各種有機化合物。我國多個行業(yè)的V OC s排放標準中，V OC s是指常溫下飽和蒸汽壓大于70P a、常壓下沸點在260℃以下的有機化合物，或在20℃條件下，蒸汽壓大于或者等于10P a且具有揮發(fā)性的全部有機化合物。2018年制藥工業(yè)大氣污染物企業(yè)邊界排放標準污染物限值（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)《重點行業(yè)揮發(fā)性有機物綜合治理方案》，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。在大氣和太陽光作用下VOCs可生成有機氣溶膠和O3，造成光化學煙霧、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，部分組分長期吸入或接觸可致癌、致突變，對人和動物胎兒致畸等，給人類健康造成極大危害。我國VOCs和異味污染源治理工作起步較晚，相對于顆粒物、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、高效治理成為發(fā)酵制藥企業(yè)的心病[5,6]。2018年以來，中央派出多個環(huán)境保護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，會產(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)，擴散等方式快速的排放到大氣中[7]。

2.2 國內(nèi)外生物發(fā)酵異味污染治理現(xiàn)狀

在上世紀，生物發(fā)酵異味污染就已經(jīng)引起了大部分西方國家的重視，美國以及歐盟其他發(fā)達國家積極研究各種污染處理辦法，率先建立了數(shù)據(jù)庫，為污染氣體排放管理做出了一定的積極貢獻[8]。例如，美國現(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)測工作起步較晚，各項治理標準并不完善。近年來，國內(nèi)雖然大力強調(diào)保護環(huán)境，并且出臺了《石化行業(yè)揮發(fā)性有機物綜合整治方案》、《大氣污染防治行動計劃》、《環(huán)境保護法》、《惡臭污染物排放標準》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，即可實現(xiàn)對苯類及大部分中高濃度有機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，具有處理費用低，工藝流程簡單，部分化學物質(zhì)可以進行回收利用等特點，但對處理環(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，將中低濃度有機廢氣進行吸附處理，從而達到國家排放標準。該方法簡單高效，易于自動化控制，并且吸附劑可以通過化學和熱方法進行再利用，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)不同的處理條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單，操作簡易，且有機廢氣的處理效果最高可達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，不慎進入大氣容易造成催化劑中毒事故?，F(xiàn)科研工作者重點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，剩余的氣體進行膜分離后排放。該方法工藝流程簡單、能耗低、可回收有用氣體，且無二次污染，但該技術(shù)造價昂貴，膜壽命短，操作條件要求較高且應(yīng)用范圍較小，因此，改進膜材料成為眾多科研團隊不斷突破的課題。

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)化成簡單的有機物。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。生物法具有處理費用低，效率高等優(yōu)點，不會產(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)，利用外加電場的加速作用，產(chǎn)生活化的自由基或高能電子，當這些離子具有的能量可以破壞異味氣體分子的化學鍵能時，廢氣中的基團或粒子開始互相反應(yīng)，最終生成清潔的基團或粒子，從而達到消除氣態(tài)異味污染的目的。等離子體法的特點是能耗低，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。

3 治理建議

政府應(yīng)該加大管理、指導(dǎo)力度，完善異味排放標準與技術(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]。給每一個藥企制定單獨且詳細的檢測標準以及應(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，設(shè)計先進生產(chǎn)流程，根據(jù)企業(yè)需求進行工藝流程定期升級。遵循科學生產(chǎn)要求，嚴格按照物料配比進行投料發(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通入尾氣處理裝置。綜合處理技術(shù)配合各種泄漏檢測與修復(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，最終實現(xiàn)企業(yè)的長遠發(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，更要嘗試研究并且使用新型微生物做反應(yīng)物進行生產(chǎn)。好的藥物并不僅僅是追求其藥用價值，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。

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)生的有機廢氣也不同，因此，各個藥企的處理方法不能一概而論，需要根據(jù)實際產(chǎn)生的有機廢氣成分、濃度、風量等因素綜合考慮，合理選擇搭配各種處理技術(shù)進行治理，最終做到異味氣體的防控效益最大化，實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。