四環(huán)素發(fā)酵過程中揮發(fā)性有機物的研究

邢麗

（寧夏啟元藥業(yè)有限公司，寧夏銀川 750100）

大氣污染問題是當今我國面臨的重大環(huán)境問題之一。導致我國城市地區(qū)空氣環(huán)境問題的重要污染物是SO2、NOx、顆粒物和揮發(fā)性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）[1]。近些年來，燃燒煙氣實施脫硫和除塵等一系列措施后，大氣中的SO2和顆粒物得到了有效控制，而NOx和VOCs 的排放控制相對滯后[2]。

目前，國內(nèi)研究者對工業(yè)源VOCs 的研究多集中在石油化工、燃料燃燒、交通尾氣等行業(yè)，對制藥行業(yè)產(chǎn)生的VOCs 的環(huán)境影響研究相對較少。制藥企業(yè)排放源是工業(yè)源VOCs 排放的重要組成部分，占總排放量的16%左右[3-4]。周靜博等研究石家莊市制藥行業(yè)VOCs排放以丙酮、乙醇、乙酸乙酯、乙酸丁酯、正丁醇等9 種典型種類為主[5]。另有研究表明，制藥企業(yè)密集區(qū)周邊大氣環(huán)境中可檢測到31 種VOCs，主要有丙酮、間二甲苯、對二甲苯、1，3，5-三甲苯、鄰二甲苯等[6]。因此，制藥過程排放VOCs 的環(huán)境污染貢獻不容忽視。

綜上所述，對制藥行業(yè)排放VOCs 的種類識別、污染程度分析等有助于了解VOCs 排放對區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量的影響，可為制定制藥行業(yè)VOCs 排放控制標準提供基礎數(shù)據(jù)。因此，本文以四環(huán)素發(fā)酵為例，總結其發(fā)酵過程VOCs 排放的主要節(jié)點，檢測分析藥品生產(chǎn)過程中不同階段VOCs 的主要排放種類及排放量，為有效控制VOCs 的排放奠定基礎。

1 樣品的采集與分析

1.1 樣品的采集

本研究以寧夏地區(qū)的四環(huán)素生產(chǎn)為主。四環(huán)素生產(chǎn)工藝中菌種選育及發(fā)酵過程存在耗時長且溫度較高的特點，易產(chǎn)生揮發(fā)性低分子烴類，因此本文對其菌種選育及發(fā)酵工藝過程的無組織VOCs 樣品進行采集，4個工藝過程（種子罐培養(yǎng)、發(fā)酵培養(yǎng)前期、發(fā)酵培養(yǎng)中期和發(fā)酵培養(yǎng)后期）均采集3 個平行樣品。

為了采樣結果代表性更高，采樣期間，生產(chǎn)工況正常，采樣時段安排在6:00～7:00，此時太陽輻射強度弱，VOCs 揮發(fā)活動速率較低。本研究樣品收集采用SUMMA 罐，采樣前預先抽真空，每個樣品均被收集在3.2 L 內(nèi)表面硅烷化專用不銹鋼采樣罐內(nèi)，采樣時間為5 min，為保證勻速采樣，使用美國ENTECH 公司生產(chǎn)的CS1200 系列限流閥，最終收集有效樣品12 個。

1.2 樣品的分析

VOCs 樣品分析基于EPA 推薦的TO-15 分析方法[7]，采用預濃縮-色譜-質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用分析系統(tǒng)對樣品中VOCs 化合物進行定性定量分析。樣品首先由自動進樣器進樣，經(jīng)預冷濃縮富集進入GC-MS 進行定量分析。該系統(tǒng)主要包括超低溫預濃縮系統(tǒng)及進樣裝置、GC-MS/FID、自動清罐儀和標準氣體自動稀釋儀4 個部分[8]。

樣品經(jīng)預濃縮系統(tǒng)自動進樣，進入冷阱去除水、CO2等雜質(zhì)后，冷凍至-160 ℃，聚集冷凍后快速升溫使冷凍在毛細柱頭的VOCs 迅速氣化，在載氣（N2）推動下進入色譜儀的毛細柱得到分離，然后進入質(zhì)譜檢測儀檢測；GC 柱箱升溫程序為：初始溫度為-35 ℃，保持3 min，以6 ℃/min 的速率升到220 ℃，保持6 min，MS掃描模式為全掃描，目標化合物由色譜保留時間和MS圖來鑒別，濃度通過內(nèi)標法計算[9]。

本研究對樣品進行了55 種VOCs 的檢測，其中包括30 種烷烴、13 種含氧烴類、8 種芳香烴、3 種烯烴和二硫化碳（表1）。

1.3 分析過程控制

采集樣品前，對SUMMA 罐的真空度進行檢查；采集完樣品的SUMMA 罐均在10 d 內(nèi)分析完畢。樣品分析過程嚴格按照實驗室操作規(guī)范和分析儀器標準程序進行，在分析樣品前需要對GC-MS 系統(tǒng)運行狀態(tài)進行檢查，以保證GC-MS 定性和定量數(shù)據(jù)的準確性和精確性。另外，對儀器進行空白試驗，保證分析系統(tǒng)無污染。此外，VOCs 定量的標準工作曲線是通過7 個梯度濃度混合標樣建立的，所得標準曲線相關系數(shù)R2均大于0.99。

2 結果與分析

2.1 不同工藝過程無組織排放VOCs 濃度水平

種子罐培養(yǎng)和發(fā)酵培養(yǎng)過程中共檢測出15 種VOCs 組分，其中包括烷烴、烯烴、鹵化烴、芳香烴及含氧烴類等種類。各培養(yǎng)過程無組織排放VOCs 質(zhì)量濃度水平及百分比特征，如：發(fā)酵前期ρ（TVOCs）（VOCs各組分質(zhì)量濃度之和）最高，為2 010.0 μg/m3，其次為種子罐（820.0 μg/m3）、發(fā)酵中期（340.0 μg/m3）及發(fā)酵后期（290.0 μg/m3）。發(fā)酵前期的ρ（TVOCs）分別是發(fā)酵中期和發(fā)酵后期的5.91、6.91 倍。各工藝過程優(yōu)勢種類均為含氧烴類和芳香烴，其中含氧烴類占主導，ω（含氧烴類）范圍為77.6%～95.9%，ω（芳香烴）范圍為2.3%～16.0%，徐志榮等研究浙江省發(fā)酵類制藥企業(yè)無組織VOCs 排放特征時得到，該企業(yè)排放VOCs 以含氧烴類為主，占總VOCs 的85%以上[10]；其次是鹵代烴，各工藝過程ω（鹵代烴）為1.6%～4.7%；ρ（烷烴）和ρ（烯烴）較低，在各工藝過程中ω（烷烴）和ω（烯烴）范圍分別為0.0%～1.5%、0.3%～1.7%。

2.2 不同工藝過程無組織排放VOCs 組分特征

各工藝過程排放的VOCs 主要組分為：種子罐培養(yǎng)過程中以丙酮、乙醇、正丁醇為優(yōu)勢組分，ρ（丙酮）、ρ（乙醇）、ρ（正丁醇）分別為567.33 μg/m3、154.69 μg/m3和41.23 μg/m3，三種優(yōu)勢種類質(zhì)量分數(shù)分別為69.2%、18.9%和5.1%；發(fā)酵培養(yǎng)前期排放VOCs 優(yōu)勢組分為丙酮和正丁醇，在該過程中ρ（丙酮）為1 426.18 μg/m3，ρ（正丁醇）為490.86 μg/m3，兩者質(zhì)量分數(shù)分別為71.0%和24.4%；在發(fā)酵培養(yǎng)中期過程中乙醇、丙酮、甲苯和鄰/間二甲苯質(zhì)量分數(shù)較高，ω（乙醇）、ω（丙酮）、ω（甲苯）和ω（鄰/間二甲苯）分別為43.3%、31.4%、4.6%和4.1%，ρ（乙醇）、ρ（丙酮）、ρ（甲苯）和ρ（鄰/間二甲苯）分 別 為147.24 μg/m3、106.68 μg/m3、15.77 μg/m3和13.89 μg/m3；發(fā)酵培養(yǎng)后期主要組分為乙醇、丙酮、三氯甲烷、甲苯和鄰/間二甲苯，ω（乙醇）、ω（丙酮）、ω（三氯甲烷）、ω（甲苯）和ω（鄰/間二甲苯）分別為40.1%、30.8%、4.69%、6.36%和5.11%，ρ（乙醇）、ρ（丙酮）、ρ（三氯甲烷）、ρ（甲苯）和ρ（鄰/間二甲苯）分別為116.24 μg/m3、89.24 μg/m3、13.60 μg/m3、18.45 μg/m3和14.83 μg/m3。

從各個過程排放VOCs 組分可以看出：三氯甲烷是發(fā)酵培養(yǎng)過程中的獨有種類，ρ（三氯甲烷）在發(fā)酵前期為31.76 μg/m3，發(fā)酵中期為8.49 μg/m3，發(fā)酵后期為13.60 μg/m3，ω 均在2%～5%，其濃度變化可能與發(fā)酵培養(yǎng)時菌種的分泌過程有關。

種子罐培養(yǎng)和發(fā)酵培養(yǎng)前期的優(yōu)勢組分均有丙酮和正丁醇，但發(fā)酵培養(yǎng)前期ρ（丙酮）和ρ（正丁醇）分別是種子罐培養(yǎng)的2.5、11.9 倍，存在以上差距的原因可能是各培養(yǎng)過程添加劑和有機溶劑的用量不同導致的。發(fā)酵培養(yǎng)中期和發(fā)酵培養(yǎng)后期的優(yōu)勢種類相近，且各個優(yōu)勢種類的濃度水平也相差不大，主要原因是發(fā)酵培養(yǎng)中后期工藝操作過程相似，試劑用量相近。在發(fā)酵培養(yǎng)后期，三氯甲烷成為該工藝過程的主要組分，部分原因是該時期VOCs 排放總量有所減少。

3 結論

（1）四環(huán)素生產(chǎn)過程中，各工藝過程無組織的ρ（TVOCs）較高，范圍在290.0～2 010.0 μg/m3；各工藝中檢測到的VOCs 物質(zhì)結構整體而言具有一定的相似性，均以含氧烴類和芳香烴為主。

（2）在4 個工藝流程中，種子罐培養(yǎng)、發(fā)酵培養(yǎng)中期和發(fā)酵培養(yǎng)后期無組織排放VOCs 特征組分均為丙酮和乙醇，但各工藝兩種VOCs 的占比略有不同。發(fā)酵培養(yǎng)前期特征組分為丙酮和正丁醇，其中丙酮占比為71.0%。

（3）基于ρ（TVOCs）排放水平，優(yōu)先控制含氧烴類和芳香烴，具體種類為正丁醇、丙酮、乙醇、甲苯和鄰/間二甲苯，重點控制工藝為種子罐培養(yǎng)和發(fā)酵培養(yǎng)前期。