李娟,沈亮,王良杰,黃晶琳,錢鋒,曾萍*,王輝鋒,王晨昊
1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院
2.廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院
3.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司
制藥行業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分,是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要產(chǎn)業(yè)。進(jìn)入21世紀(jì)以來,我國(guó)制藥行業(yè)一直保持較快的發(fā)展速度,產(chǎn)品種類日益增多,生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大[1-2]。然而,我國(guó)制藥行業(yè)仍存在著產(chǎn)品技術(shù)含量低、新藥研發(fā)能力低、經(jīng)濟(jì)效益低等缺點(diǎn),導(dǎo)致我國(guó)制藥企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力差[3]、環(huán)境污染嚴(yán)重。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[4-7],目前在地表水、地下水、飲用水及土壤環(huán)境中均有藥類物質(zhì)檢出,對(duì)環(huán)境與人類健康造成了極大威脅。
近年來,我國(guó)對(duì)于制藥行業(yè)的污染治理提出了更加嚴(yán)格的要求。制藥廢水具有成分復(fù)雜、有機(jī)物濃度高、毒性大、可生化性差等特點(diǎn)[8-9],處理十分困難?,F(xiàn)有的傳統(tǒng)制藥行業(yè)廢水治理技術(shù)已經(jīng)不足以支撐當(dāng)前日趨嚴(yán)格的新標(biāo)準(zhǔn)下行業(yè)發(fā)展的需求,僅依靠末端治理無法從根本上解決問題?!端廴痉乐涡袆?dòng)計(jì)劃》(簡(jiǎn)稱“水十條”)中明確提出要對(duì)包括制藥行業(yè)在內(nèi)的十大重點(diǎn)行業(yè)開展清潔化改造。因此,有必要在制藥行業(yè)推行清潔生產(chǎn)技術(shù),從源頭減少污染物的產(chǎn)生[10],從而減輕制藥行業(yè)的環(huán)境污染,促進(jìn)制藥行業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展。制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)種類較多,且每項(xiàng)技術(shù)有各自的特點(diǎn),導(dǎo)致制藥企業(yè)對(duì)清潔生產(chǎn)技術(shù)的選擇具有一定困難。為正確地選擇清潔生產(chǎn)技術(shù),改善制藥行業(yè)的污染現(xiàn)狀,有效減少制藥行業(yè)污染物產(chǎn)生量和排放量,有必要對(duì)制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),為企業(yè)推薦適宜的可行技術(shù)。
技術(shù)評(píng)價(jià)方法的選擇將直接影響到評(píng)價(jià)結(jié)果的正確性,目前國(guó)內(nèi)外常用的評(píng)價(jià)方法主要包括數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法[11]、生命周期評(píng)價(jià)法[12-13]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[14-15]、德爾菲法[16]、層次分析法(AHP)[17-18]、模糊綜合評(píng)價(jià)法(FCE)[19-20]以及組合評(píng)價(jià)方法[21]等。層次分析法-模糊綜合評(píng)價(jià)法(AHP-FCE)評(píng)價(jià)模型是將AHP與FCE相結(jié)合的一種評(píng)價(jià)方法[22],目前該評(píng)價(jià)模型已經(jīng)在績(jī)效考核[23]、管理軟件選擇[24]、人居環(huán)境評(píng)價(jià)[25]、教育質(zhì)量評(píng)價(jià)[26]、旅游服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)[27]以及方案優(yōu)選[28]等諸多領(lǐng)域得到了廣泛研究。AHP-FCE評(píng)價(jià)模型發(fā)揮了層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法的優(yōu)點(diǎn),將定性與定量分析結(jié)合起來[29],可實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的量化評(píng)價(jià),減少評(píng)價(jià)過程中主觀判斷和多因素、模糊性等問題所帶來的弊端,同時(shí)克服定性與半定量評(píng)價(jià)方法的不足,使最終的評(píng)價(jià)結(jié)果更加全面可靠[30]。
筆者建立適合制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系,采用AHP-FCE評(píng)價(jià)模型對(duì)制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以期為制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)的評(píng)價(jià)和選擇提供技術(shù)支持。
通過文獻(xiàn)調(diào)研、企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與專家咨詢相結(jié)合的方法,選取了基于培養(yǎng)基替代的青霉素發(fā)酵減排技術(shù)、頭孢氨芐酶法合成技術(shù)、頭孢氨芐連續(xù)結(jié)晶技術(shù)與裝備、抗生素合成固定化酶規(guī)模化制備技術(shù)4項(xiàng)技術(shù)作為制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)備選清單(表1)。基于培養(yǎng)基替代的青霉素發(fā)酵減排技術(shù)在華北制藥股份有限公司的 1 000 t/a頭孢氨芐原料藥前體青霉素發(fā)酵示范工程中應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)發(fā)酵廢酸水COD較原工藝降低了近32.7%,氨氮濃度降低了46.5%。頭孢氨芐酶法合成技術(shù)是國(guó)外頭孢氨芐生產(chǎn)的主流清潔生產(chǎn)技術(shù),為“水十條”提出的重點(diǎn)行業(yè)清潔化改造中制藥行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的綠色酶法技術(shù),也是近年來國(guó)內(nèi)進(jìn)行攻堅(jiān)和推廣的技術(shù)。該技術(shù)與抗生素合成固定化酶規(guī)?;苽浼夹g(shù)一起在華北制藥股份有限公司的1 000 t/a頭孢氨芐原料藥前體青霉素發(fā)酵示范工程中應(yīng)用,與現(xiàn)有化學(xué)合成技術(shù)相比,COD排放量減少57.1%,取得了良好的效果。頭孢氨芐連續(xù)結(jié)晶技術(shù)與裝備在華北制藥股份有限公司1 000 t/a頭孢氨芐原料藥酶法合成工藝的工程示范進(jìn)行應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了廢水減排33.0%、COD下降30.8%,并推廣應(yīng)用于新發(fā)藥業(yè)的維生素和新華制藥公司的布洛芬結(jié)晶生產(chǎn)線,在青霉素、頭孢菌素、紅霉素等抗生素和維生素C等產(chǎn)品領(lǐng)域推廣應(yīng)用,覆蓋度達(dá)到48%。因此,本研究所選取的4項(xiàng)技術(shù)為具有代表性的清潔生產(chǎn)技術(shù)。
表 1 備選的4項(xiàng)制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)簡(jiǎn)介Table 1 Brief introduction of 4 alternative cleaner production technologies in the pharmaceutical industry
在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上,到內(nèi)蒙古、山東、新疆、湖北、江蘇、浙江等?。ㄗ灾螀^(qū))的制藥園區(qū)以及華北制藥、石家莊制藥、科倫藥業(yè)(川寧)、齊魯制藥、呼倫貝爾北方藥業(yè)有限公司、華海藥業(yè)、哈爾濱制藥等20余家制藥企業(yè)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,在中國(guó)化學(xué)制藥協(xié)會(huì)的支持下發(fā)放了100余份調(diào)查問卷,在獲得制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系數(shù)據(jù)和對(duì)制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)初步打分評(píng)估的基礎(chǔ)上,邀請(qǐng)了多位行業(yè)專家對(duì)各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行咨詢和打分。邀請(qǐng)的專家均為十分熟悉制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)的制藥企業(yè)高級(jí)工程師,環(huán)境、健康、安全(environmental health safety,EHS)主管,或在高校及科研院所開展相關(guān)研究的教授,其中1/2專家來自制藥工程專業(yè),1/2來自環(huán)境科學(xué)及環(huán)境工程專業(yè)。針對(duì)制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)的技術(shù)特點(diǎn),在文獻(xiàn)調(diào)研、企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、調(diào)查問卷以及專家咨詢的基礎(chǔ)上,形成了制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表2)。指標(biāo)體系包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個(gè)層次,其中一級(jí)指標(biāo)(B層)包括技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性能和環(huán)境性能3類指標(biāo),二級(jí)指標(biāo)(C層)包括技術(shù)先進(jìn)性、技術(shù)可靠性、技術(shù)適用性、技術(shù)成本和環(huán)境效益5項(xiàng)指標(biāo),三級(jí)指標(biāo)(D層)包括技術(shù)先進(jìn)性、每噸產(chǎn)品原料投入量、廢水量削減效果、COD削減效果等14項(xiàng)指標(biāo)。
2.2.1 利用AHP計(jì)算不同層級(jí)指標(biāo)權(quán)重
不同層級(jí)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算采用AHP[31]:首先根據(jù)專家對(duì)制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)相對(duì)重要性的賦值結(jié)果構(gòu)建判斷矩陣;接著,通過計(jì)算判斷矩陣的特征向量,分別計(jì)算各指標(biāo)對(duì)上一層級(jí)指標(biāo)的權(quán)重;然后,根據(jù)判斷矩陣的最大特征根進(jìn)行一致性檢驗(yàn),當(dāng)隨機(jī)一致性比例小于0.1時(shí),判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn),可由歸一化處理得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。其中,D層各指標(biāo)對(duì)A層的綜合權(quán)重=一級(jí)指標(biāo)權(quán)重×二級(jí)指標(biāo)權(quán)重×三級(jí)指標(biāo)權(quán)重。
2.2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)
通過文獻(xiàn)調(diào)研、企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及專家咨詢等方法,將制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為很好、較好和一般3個(gè)等級(jí)(表3)。采用FCE[31]進(jìn)行技術(shù)的綜合評(píng)價(jià):根據(jù)專家對(duì)4項(xiàng)清潔生產(chǎn)技術(shù)的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的打分結(jié)果構(gòu)建權(quán)重矩陣,按照一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)、二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)、三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)的計(jì)算步驟,根據(jù)式(1)~式(3)分別計(jì)算得到第一層、第二層和第三層模糊綜合評(píng)價(jià)集;然后對(duì)指標(biāo)的很好、較好、一般3個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)分別賦值為5分、3分和1分,根據(jù)第二層模糊綜合評(píng)價(jià)和第三層模糊綜合評(píng)價(jià)集可分別計(jì)算得出4項(xiàng)技術(shù)準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)結(jié)果和技術(shù)的綜合得分。計(jì)算公式如下:
表 2 制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 2 Evaluation index system of cleaner production technology in pharmaceutical industry
表 3 制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Grade standard of evaluation index for cleaner production technology in pharmaceutical industry
式中:WCi為評(píng)價(jià)技術(shù)的第一層模糊綜合評(píng)價(jià)集;i為D層指標(biāo)的序號(hào),i取1,2,…,14;Wi為評(píng)價(jià)技術(shù)的D層指標(biāo)i的權(quán)重;Ri為評(píng)價(jià)技術(shù)的D層指標(biāo)i的權(quán)重矩陣。
式中:WBj為評(píng)價(jià)技術(shù)的第二層模糊綜合評(píng)價(jià)集;j為C層指標(biāo)的序號(hào),j取1,2,…,5;Wj為評(píng)價(jià)技術(shù)的C層指標(biāo)j的權(quán)重;WEj為評(píng)價(jià)技術(shù)的C層指標(biāo)j的權(quán)重矩陣。
式中:WA為評(píng)價(jià)技術(shù)的第三層模糊綜合評(píng)價(jià)集;W為B層指標(biāo)的權(quán)重;WB為B層權(quán)重矩陣。
根據(jù)專家對(duì)制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)評(píng)價(jià)體系中各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要性的賦值結(jié)果,可計(jì)算得到不同層級(jí)指標(biāo)的權(quán)重以及D層各指標(biāo)對(duì)A層的綜合權(quán)重(表4)。由表4可知,在B層指標(biāo)中,技術(shù)性能指標(biāo)所占的權(quán)重最大,表明在制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)中,相較于經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)和環(huán)境性能指標(biāo),技術(shù)性能更為重要。對(duì)C層指標(biāo)而言,技術(shù)性能指標(biāo)中技術(shù)可靠性所占的權(quán)重最大,表明技術(shù)性能指標(biāo)中最重視技術(shù)可靠性。在D層指標(biāo)中,綜合權(quán)重最大的是每噸產(chǎn)品有機(jī)溶劑消耗量,表明在制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)中,最重視的指標(biāo)是每噸產(chǎn)品所消耗的有機(jī)溶劑量。
邀請(qǐng)行業(yè)內(nèi)相關(guān)專家根據(jù)指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表3)對(duì)4項(xiàng)制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行打分,采用百分比統(tǒng)計(jì)法統(tǒng)計(jì)專家意見,得到4項(xiàng)技術(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。首先分別對(duì)基于培養(yǎng)基替代的青霉素發(fā)酵減排技術(shù)、頭孢氨芐酶法合成技術(shù)、頭孢氨芐連續(xù)結(jié)晶技術(shù)與裝備、抗生素合成固定化酶規(guī)模化制備技術(shù)這4項(xiàng)制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)。
表 4 制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Table 4 Weight of technical evaluation indexes for cleaner production technology in pharmaceutical industry
表 5 制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)專家打分統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 5 Statistics of evaluation results of experts on cleaner production technologies in pharmaceutical industry
3.2.1 準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)結(jié)果
基于培養(yǎng)基替代的青霉素發(fā)酵減排技術(shù)的二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果:
技術(shù)性能指標(biāo)的WB1為{0.266 4,0.627 9,0.105 7};
經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)的WB2為{0.050 2,0.903 0,0.046 8};
環(huán)境性能指標(biāo)的WB3為{0.525 8,0.312 9,0.161 3}。
頭孢氨芐酶法合成技術(shù)的二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果:
技術(shù)性能指標(biāo)的WB1為{0.626 7,0.331 0,0.042 3};
經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)的WB2為{0.276 8,0.699 8,0.023 4};
環(huán)境性能指標(biāo)的WB3為{0.412 4,0.463 4,0.124 2}。
頭孢氨芐連續(xù)結(jié)晶技術(shù)與裝備的二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果:
技術(shù)性能指標(biāo)的WB1為{0.383 8,0.535 6,0.080 6};
經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)的WB2為{0.351 6,0.449 8,0.198 6};
環(huán)境性能指標(biāo)的WB3為{0.200 3,0.613 4,0.186 3}。
抗生素合成固定化酶規(guī)?;苽浼夹g(shù)的二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果:
技術(shù)性能指標(biāo)的WB1為{0.488 6,0.349 0,0.162 4};
經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)的WB2為{0.551 4,0.375 0,0.073 6};
環(huán)境性能指標(biāo)的WB3為{0.250 8,0.574 4,0.174 8}。
根據(jù)二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分別計(jì)算得出4項(xiàng)制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)在技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性能和環(huán)境性能指標(biāo)方面的得分,如圖1所示。由圖1可知,在技術(shù)性能方面得分較高的是頭孢氨芐酶法合成技術(shù)和頭孢氨芐連續(xù)結(jié)晶技術(shù)與裝備;在經(jīng)濟(jì)性能方面得分較高的是抗生素合成固定化酶規(guī)?;苽浼夹g(shù)和頭孢氨芐連續(xù)結(jié)晶技術(shù)與裝備;在環(huán)境性能方面得分較高的是基于培養(yǎng)基替代的青霉素發(fā)酵減排技術(shù)和頭孢氨芐酶法合成技術(shù)。
圖 1 4項(xiàng)制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.1 Evaluation results of four cleaner production technologies in pharmaceutical industry
3.2.2 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果
通過計(jì)算得出4項(xiàng)制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果:基于培養(yǎng)基替代的青霉素發(fā)酵減排技術(shù)的WA為{0.320 8,0.563 4,0.115 9};頭孢氨芐酶法合成技術(shù)的WA為{0.519 4,0.415 3,0.065 3};頭孢氨芐連續(xù)結(jié)晶技術(shù)與裝備的WA為{0.471 4,0.425 0,0.103 6};抗生素合成固定化酶規(guī)?;苽浼夹g(shù)的WA為{0.422 8,0.421 5,0.155 7}。
根據(jù)三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,分別計(jì)算得出4項(xiàng)制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)的綜合得分,如表6所示。
由表6可知,4項(xiàng)制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)綜合得分最高的是頭孢氨芐酶法合成技術(shù),其次分別為頭孢氨芐連續(xù)結(jié)晶技術(shù)與裝備、抗生素合成固定化酶規(guī)?;苽浼夹g(shù)和基于培養(yǎng)基替代的青霉素發(fā)酵減排技術(shù)。其中,頭孢氨芐酶法合成技術(shù)是針對(duì)頭孢氨芐生產(chǎn)過程中存在的能耗高、污染嚴(yán)重等問題開發(fā)的清潔生產(chǎn)技術(shù),具有反應(yīng)效率高、條件溫和、清潔安全等特點(diǎn)[32]。該技術(shù)突破了頭孢氨芐酶法合成技術(shù)難題,實(shí)現(xiàn)了水溶液中頭孢氨芐一步催化合成制備,反應(yīng)過程中不使用揮發(fā)性有機(jī)溶劑、基團(tuán)保護(hù)劑等輔助化學(xué)品,從工藝源頭大幅降低了廢水COD、VOCs等污染物的排放。頭孢氨芐酶法合成技術(shù)在技術(shù)性能方面表現(xiàn)優(yōu)異,在經(jīng)濟(jì)性能和環(huán)境性能方面也具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。頭孢氨芐連續(xù)結(jié)晶技術(shù)與裝備是通過提高產(chǎn)品收率降低母液中COD,從而減少污染物的排放。該技術(shù)在技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能方面均具有較為明顯的優(yōu)勢(shì),可以在減少污染物排放的同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益,但其在環(huán)境效益方面較其他3項(xiàng)技術(shù)相對(duì)較差??股睾铣晒潭ɑ敢?guī)?;苽浼夹g(shù)在經(jīng)濟(jì)性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì),但在技術(shù)性能和環(huán)境性能方面優(yōu)勢(shì)不明顯。基于培養(yǎng)基替代的青霉素發(fā)酵減排技術(shù)是通過對(duì)培養(yǎng)基的精確控制,減少培養(yǎng)基中的殘留物從而降低污染物排放量。該技術(shù)在環(huán)境性能方面表現(xiàn)優(yōu)異,但在技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能方面相對(duì)較差。相關(guān)制藥企業(yè)可根據(jù)對(duì)技術(shù)的要求及預(yù)期目標(biāo)進(jìn)行清潔生產(chǎn)技術(shù)的選擇。
表 6 4項(xiàng)制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)綜合得分Table 6 Comprehensive scores of four cleaner production technologies in pharmaceutical industry
(1)構(gòu)建了包含技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性能和環(huán)境性能3個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)、5項(xiàng)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)、14項(xiàng)三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的適用于制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系,采用AHP法計(jì)算得出不同層級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,通過FCE模型計(jì)算得到各項(xiàng)技術(shù)的三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)集,并由此計(jì)算得出各項(xiàng)制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)的綜合得分。
(2)采用AHP-FCE模型對(duì)4項(xiàng)制藥行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),得出頭孢氨芐酶法合成技術(shù)綜合得分最優(yōu)。
環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)2022年5期