生物制药中异味污染治理的现状和技术分析

　　摘    要：　生物发酵制药是一种重要的制药技术，但生产过程中的异味污染依然是一项世界性难题。发酵类气体多具有难闻气味，如果这些异味气体未经处理直接排放到大气中，将严重威胁人类生命健康。本文介绍了一般生物发酵类制药工艺发酵过程，以及异味废气来源和治理现状。通过对吸附、吸收、热破坏、膜分离、生物技术、等离子处理等异味处理技术进行总结和浅析，结合我国实际发展情况，提出了一些生物发酵制药行业异味污染的综合治理建议。

　　关键词 :     生物发酵;制药;异味;污染;治理;

　　Abstract：　Biofermentation pharmacy is an important pharmaceutical technology, but the odor pollution in the production process is still a worldwide problem. Fermentative gases often have unpleasant smell. If these odorous gases are discharged into the atmosphere without treatment, they will seriously threaten human life and health. This paper introduces the general biological fermentation pharmaceutical technology fermentation process, as well as the odor waste gas sources and treatment status. Based on the summary and analysis of the odor treatment technologies such as adsorption, absorption, thermal destruction, membrane separation, biotechnology and plasma treatment, some suggestions for the comprehensive treatment of odor pollution in the bio-fermentation pharmaceutical industry were put forward in combination with the actual development of China.

　　Keyword：　biofermentation; pharmacy; peculiar smell; pollution; governance;

　　生物发酵制药是传统制药行业中的重要组成部分。随着生物技术和医药技术的发展，我国已成为全球最大的抗生素类药品的生产国与出口国，同时也是抗生素行业对环境造成污染最严重的国家之一[1]。每年都有大量抗生素被应用于人类疾病治疗和养殖业中。近年来，受到“限抗令”和环保政策的影响，生物发酵法制备抗生素的制药企业受到一定冲击，但2019年我国抗生素产量仍达到21.8万t，其中82%被国内消耗，其余出口至国外。除抗生素外，维生素及其衍生物等也是生物发酵制药企业的主要产品，每年可达到30多万t的产量[2,3]。

　　在以上药品的巨大需求和大量生产背景下，生物发酵制药过程中产生的挥发性有机物（VOCs）和异味是制药企业不可忽视的潜在危险源，如不能用最优的方法处理，对生产员工、周边居民的健康和企业附近生态环境会产生严重危害。

　　1 、挥发性有机物及异味特征

　　生物发酵制药过程会产生众多挥发性有机物（VOCs）和一些刺激性异味（如臭味、甜味、芳香味）。这些VOCs大多含有异味，因此，VOCs和异味有很大的重叠，即异味的来源主要是VOCs。除此以外，异味物质还包括有机挥发性酸（VFAs）和H2S、NH3等无机物[4]。世界卫生组织对VOCs定义范围较宽，包括了常温下沸点50～260℃的各种有机化合物。我国多个行业的VOCs排放标准中，VOCs是指常温下饱和蒸汽压大于70Pa、常压下沸点在260℃以下的有机化合物，或在20℃条件下，蒸汽压大于或者等于10Pa且具有挥发性的全部有机化合物。2018年制药工业大气污染物企业边界排放标准污染物限值（mg·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，非甲烷有机化合物（NMOC)4.0，臭气浓度20。

　　2019年7月，生态环境部印发《重点行业挥发性有机物综合治理方案》，指出VOCs是大气颗粒物（PM2.5）和O3的重要前体物，在一定程度上加快了PM2.5和O3的形成。在大气和太阳光作用下VOCs可生成有机气溶胶和O3，造成光化学烟雾、雾霾、腐蚀性降雨等环境污染。VOCs与异味污染物具有一些共同的特征，如具有刺激性气味（含臭味），经过吸入、接触可致中毒，部分组分长期吸入或接触可致癌、致突变，对人和动物胎儿致畸等，给人类健康造成极大危害。我国VOCs和异味污染源治理工作起步较晚，相对于颗粒物、SO2、氮氧化物等的污染控制，治理技术不够完善，使得VOCs和异味排放及时、高效治理成为发酵制药企业的心病[5,6]。2018年以来，中央派出多个环境保护督察组分赴各地督办制药企业异味扰民案件。宁夏泰瑞制药、内蒙古联邦制药、江西汇仁药业都因排放恶臭异味废气而被关停或停业整顿。

　　表1为生物发酵原料药生产过程中提取废气的特征污染物及其理化性质。

　　Tab.1 Characteristic pollutants and physical and chemical properties of waste gas extracted in the production process of biological fermentation

　　表1 生物发酵原料药生产过程中提取废气的特征污染物及其理化性质

　　2 、生物发酵制药异味污染治理现状及治理技术

　　2.1、 污染来源

　　生物发酵过程存在多种化学反应、生物过程、物理过程，在不同产品、不同工艺、不同车间排放的废气种类、浓度各不相同，成分较为复杂，而且在药物发酵的同时，会产生大量有害副产物。生物发酵制药过程中造成的环境污染程度，主要取决于原料、中间体、终端产品的毒性和流失（排放）的量。异味气体来源于：发酵类制药在提取、转化和精制过程中产生的有机溶媒废气、菌渣干燥废气以及微生物发酵液活性成分提取分离过程中的有机溶剂挥发等。在非密闭式生产工艺的条件下，大量的异味污染气体不受限制地通过蒸发，扩散等方式快速的排放到大气中[7]。

　　2.2、 国内外生物发酵异味污染治理现状

　　在上世纪，生物发酵异味污染就已经引起了大部分西方国家的重视，美国以及欧盟其他发达国家积极研究各种污染处理办法，率先建立了数据库，为污染气体排放管理做出了一定的积极贡献[8]。例如，美国现有的清洁空气法案、清洁空气州际法规等法律文件，提出超过180种重点防控的污染物质，明确规定了有毒异味污染物必须治理后才能排放。由于我国制药企业数量庞大，生物发酵制药废气的环境监测工作起步较晚，各项治理标准并不完善。近年来，国内虽然大力强调保护环境，并且出台了《石化行业挥发性有机物综合整治方案》、《大气污染防治行动计划》、《环境保护法》、《恶臭污染物排放标准》等一系列的法律法规。但由于现阶段的生物发酵行业污染处理成本仍然较高，低成本、成熟的治理技术仍然难于大面积实现，寻找优化的异味治理方案已经迫在眉睫。

　　2.3 、治理技术

　　目前，生物发酵异味污染治理主要为VOCs治理技术。主要包括吸收法、吸附法、热破坏法等技术[9]。

　　吸收法在异味污染处理中该法应用最为广泛，利用异味气体在吸收液中相似相溶原理，即可实现对苯类及大部分中高浓度有机异味气体的高效处理。该法适用于高压低温，流量大的异味气体处理，具有处理费用低，工艺流程简单，部分化学物质可以进行回收利用等特点，但对处理环境的要求较高，而且吸收回收液的二次处理依然较为麻烦。

　　吸附法国际主流研究方向是石墨烯纳米吸附等技术，利用内表面积较大的吸附剂，将中低浓度有机废气进行吸附处理，从而达到国家排放标准。该方法简单高效，易于自动化控制，并且吸附剂可以通过化学和热方法进行再利用，但由于吸附剂吸附限度一定，处理过程中需要定期更换或者加工吸附材料，而且对较高浓度的吸附效果较差，单一处理过程效果大打折扣，所以通常将该技术与其他处理技术综合使用。

　　热破坏法主要是应用燃烧消除的办法，尽可能的将异味气体燃烧生成无污染的CO2气体以及水蒸气。根据不同的处理条件可将其分为两种具体的处理方式，其中直接燃烧法原理简单，操作简易，且有机废气的处理效果最高可达99%。另一类催化燃烧法，通过选择合适的催化剂，可以将中低浓度的异味气体在260～350℃的条件下催化燃烧，最终实现有效控制气体的污染。但该方法使用的多为贵重金属作催化剂，自然界不易获得，而且这类催化剂易挥发，操作技术要求较高，不慎进入大气容易造成催化剂中毒事故。现科研工作者重点聚焦具有较高的催化活性且成本较低的钴类非贵金属催化剂的创新研究。

　　膜分离技术适合处理较高浓度的有机废气。常见的膜分离技术类型有微滤，超滤，纳滤，电渗析和反渗透等技术。虽然这些方法各有千秋，但处理流程十分类似，先将废气冷凝回收之后，剩余的气体进行膜分离后排放。该方法工艺流程简单、能耗低、可回收有用气体，且无二次污染，但该技术造价昂贵，膜寿命短，操作条件要求较高且应用范围较小，因此，改进膜材料成为众多科研团队不断突破的课题。

　　生物法这是近年来较为热门的处理方法，通过微生物的催化氧化作用下分解异味气体，最终转化成简单的有机物。根据不同的处理方式有生物吸收法、滴滤法、过滤法、洗涤法4大类。生物法具有处理费用低，效率高等优点，不会产生二次污染，但使用生物处理需要较大的占地面积，而且反应不易控制，开发创新型综合生物反应器具有较大的前景。

　　等离子处理技术低温等离子体可吸收制药工业废气中的异味物质，利用外加电场的加速作用，产生活化的自由基或高能电子，当这些离子具有的能量可以破坏异味气体分子的化学键能时，废气中的基团或粒子开始互相反应，最终生成清洁的基团或粒子，从而达到消除气态异味污染的目的。等离子体法的特点是能耗低，流程短和效率高，具有非常广泛的适用范围。但净化效率不稳定，离子板和电极板易污染等问题仍然亟待解决。

　　为了更好的处理异味尾气，一些药企现多将各种处理技术创新融合，设计出更完善的综合处理工艺，如冷凝+吸附+催化燃烧法，臭氧+喷淋+筛滤法等一体化技术，均获得了许多药企的青睐。将各种处理技术综合应用到实际生产中，尽可能避免生产过程中异味气体污染环境是发展的必然趋势。

　　3 、治理建议

　　政府应该加大管理、指导力度，完善异味排放标准与技术规程。让药企有章可循，集中规划化工、制药类企业园区建设，要综合环境、人类健康需求批复各企业的选址[10,11]。给每一个药企制定单独且详细的检测标准以及应急预案制定，积极帮助企业渡过建设发展期。

　　发酵制药类企业应该把环境污染治理作为顶层设计，设计先进生产流程，根据企业需求进行工艺流程定期升级。遵循科学生产要求，严格按照物料配比进行投料发酵，使用合理、清洁的生产流程，尽可能的做到无毒、无污染。在各种化学反应和生化反应流程中要保证生产工艺的高度密闭，生产过程中的废气要及时通入尾气处理装置。综合处理技术配合各种泄漏检测与修复技术，不仅可以全面的防止污染气体排放到大气中，而且可以保证生产过程的安全可靠，最终实现企业的长远发展。

　　发酵制药类企业应该注重新材料的使用。材料的进步可以为各种生产提供基础保障，发酵类制药企业在注重生物发酵技术研发的同时，更要尝试研究并且使用新型微生物做反应物进行生产。好的药物并不仅仅是追求其药用价值，环境的友好与否同样重要，不能顾此失彼，遵循可持续发展任重道远。

　　4、 结论

　　生物发酵制药行业仍然面临着巨大的环境挑战，我国发酵类制药企业众多，药物生产工序复杂繁多，各大生物制药企业都面临着异味污染问题。由于不同的阶段产生的有机废气也不同，因此，各个药企的处理方法不能一概而论，需要根据实际产生的有机废气成分、浓度、风量等因素综合考虑，合理选择搭配各种处理技术进行治理，最终做到异味气体的防控效益最大化，实现人与自然的和谐发展。

　　参考文献

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　　[3]马嘉伟，王彦杰,郭雪松,等.生物发酵制药废水产生的恶臭与VOCs特征及评估[J]环境工程, 2019,37(9):34-39.

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　　[6]周洁,何雪芹, 王捷化学合成类制药行业I艺废气VOCs排放特征与危害评估分析[J] .中国资源综合利用, 2020,38(5):166-169.

　　[7]周游制药VOCs监测技术及质量保证研究[J].节能, 2019,38(9):118-119.

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　　[9]朱迪,周咪，龚道程, 等非提取类中药制药行业VOCs排放特征与控制对策研究[J] .环境科技, 2019,32(4)-16-22.

　　[10]窦红,姜建彪,刘翠棉,等发酵类制药企业污水处理厂废气中VOCs及厂界恶臭物质特征分析[J]河北工业科技，2019,36(3):215-220.

　　[11]吴剑,张玲玲,章许云，等基于PTR-TOF的化工园区VOCs监控预警体系建设研究与实践[J].广东化工, 2020,47(22):225-227.