四环素发酵过程中挥发性有机物的研究

2022-04-07邢丽

石油化工应用 2022年10期

邢丽

（宁夏启元药业有限公司，宁夏银川 750100）

大气污染问题是当今我国面临的重大环境问题之一。导致我国城市地区空气环境问题的重要污染物是SO2、NOx、颗粒物和挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）[1]。近些年来，燃烧烟气实施脱硫和除尘等一系列措施后，大气中的SO2和颗粒物得到了有效控制，而NOx和VOCs 的排放控制相对滞后[2]。

目前，国内研究者对工业源VOCs 的研究多集中在石油化工、燃料燃烧、交通尾气等行业，对制药行业产生的VOCs 的环境影响研究相对较少。制药企业排放源是工业源VOCs 排放的重要组成部分，占总排放量的16%左右[3-4]。周静博等研究石家庄市制药行业VOCs排放以丙酮、乙醇、乙酸乙酯、乙酸丁酯、正丁醇等9 种典型种类为主[5]。另有研究表明，制药企业密集区周边大气环境中可检测到31 种VOCs，主要有丙酮、间二甲苯、对二甲苯、1，3，5-三甲苯、邻二甲苯等[6]。因此，制药过程排放VOCs 的环境污染贡献不容忽视。

综上所述，对制药行业排放VOCs 的种类识别、污染程度分析等有助于了解VOCs 排放对区域大气环境质量的影响，可为制定制药行业VOCs 排放控制标准提供基础数据。因此，本文以四环素发酵为例，总结其发酵过程VOCs 排放的主要节点，检测分析药品生产过程中不同阶段VOCs 的主要排放种类及排放量，为有效控制VOCs 的排放奠定基础。

1 样品的采集与分析

1.1 样品的采集

本研究以宁夏地区的四环素生产为主。四环素生产工艺中菌种选育及发酵过程存在耗时长且温度较高的特点，易产生挥发性低分子烃类，因此本文对其菌种选育及发酵工艺过程的无组织VOCs 样品进行采集，4个工艺过程（种子罐培养、发酵培养前期、发酵培养中期和发酵培养后期）均采集3 个平行样品。

为了采样结果代表性更高，采样期间，生产工况正常，采样时段安排在6:00～7:00，此时太阳辐射强度弱，VOCs 挥发活动速率较低。本研究样品收集采用SUMMA 罐，采样前预先抽真空，每个样品均被收集在3.2 L 内表面硅烷化专用不锈钢采样罐内，采样时间为5 min，为保证匀速采样，使用美国ENTECH 公司生产的CS1200 系列限流阀，最终收集有效样品12 个。

1.2 样品的分析

VOCs 样品分析基于EPA 推荐的TO-15 分析方法[7]，采用预浓缩-色谱-质谱（GC-MS）联用分析系统对样品中VOCs 化合物进行定性定量分析。样品首先由自动进样器进样，经预冷浓缩富集进入GC-MS 进行定量分析。该系统主要包括超低温预浓缩系统及进样装置、GC-MS/FID、自动清罐仪和标准气体自动稀释仪4 个部分[8]。

样品经预浓缩系统自动进样，进入冷阱去除水、CO2等杂质后，冷冻至-160 ℃，聚集冷冻后快速升温使冷冻在毛细柱头的VOCs 迅速气化，在载气（N2）推动下进入色谱仪的毛细柱得到分离，然后进入质谱检测仪检测；GC 柱箱升温程序为：初始温度为-35 ℃，保持3 min，以6 ℃/min 的速率升到220 ℃，保持6 min，MS扫描模式为全扫描，目标化合物由色谱保留时间和MS图来鉴别，浓度通过内标法计算[9]。

本研究对样品进行了55 种VOCs 的检测，其中包括30 种烷烃、13 种含氧烃类、8 种芳香烃、3 种烯烃和二硫化碳（表1）。

1.3 分析过程控制

采集样品前，对SUMMA 罐的真空度进行检查；采集完样品的SUMMA 罐均在10 d 内分析完毕。样品分析过程严格按照实验室操作规范和分析仪器标准程序进行，在分析样品前需要对GC-MS 系统运行状态进行检查，以保证GC-MS 定性和定量数据的准确性和精确性。另外，对仪器进行空白试验，保证分析系统无污染。此外，VOCs 定量的标准工作曲线是通过7 个梯度浓度混合标样建立的，所得标准曲线相关系数R2均大于0.99。

2 结果与分析

2.1 不同工艺过程无组织排放VOCs 浓度水平

种子罐培养和发酵培养过程中共检测出15 种VOCs 组分，其中包括烷烃、烯烃、卤化烃、芳香烃及含氧烃类等种类。各培养过程无组织排放VOCs 质量浓度水平及百分比特征，如：发酵前期ρ（TVOCs）（VOCs各组分质量浓度之和）最高，为2 010.0 μg/m3，其次为种子罐（820.0 μg/m3）、发酵中期（340.0 μg/m3）及发酵后期（290.0 μg/m3）。发酵前期的ρ（TVOCs）分别是发酵中期和发酵后期的5.91、6.91 倍。各工艺过程优势种类均为含氧烃类和芳香烃，其中含氧烃类占主导，ω（含氧烃类）范围为77.6%～95.9%，ω（芳香烃）范围为2.3%～16.0%，徐志荣等研究浙江省发酵类制药企业无组织VOCs 排放特征时得到，该企业排放VOCs 以含氧烃类为主，占总VOCs 的85%以上[10]；其次是卤代烃，各工艺过程ω（卤代烃）为1.6%～4.7%；ρ（烷烃）和ρ（烯烃）较低，在各工艺过程中ω（烷烃）和ω（烯烃）范围分别为0.0%～1.5%、0.3%～1.7%。

2.2 不同工艺过程无组织排放VOCs 组分特征

各工艺过程排放的VOCs 主要组分为：种子罐培养过程中以丙酮、乙醇、正丁醇为优势组分，ρ（丙酮）、ρ（乙醇）、ρ（正丁醇）分别为567.33 μg/m3、154.69 μg/m3和41.23 μg/m3，三种优势种类质量分数分别为69.2%、18.9%和5.1%；发酵培养前期排放VOCs 优势组分为丙酮和正丁醇，在该过程中ρ（丙酮）为1 426.18 μg/m3，ρ（正丁醇）为490.86 μg/m3，两者质量分数分别为71.0%和24.4%；在发酵培养中期过程中乙醇、丙酮、甲苯和邻/间二甲苯质量分数较高，ω（乙醇）、ω（丙酮）、ω（甲苯）和ω（邻/间二甲苯）分别为43.3%、31.4%、4.6%和4.1%，ρ（乙醇）、ρ（丙酮）、ρ（甲苯）和ρ（邻/间二甲苯）分别为147.24 μg/m3、106.68 μg/m3、15.77 μg/m3和13.89 μg/m3；发酵培养后期主要组分为乙醇、丙酮、三氯甲烷、甲苯和邻/间二甲苯，ω（乙醇）、ω（丙酮）、ω（三氯甲烷）、ω（甲苯）和ω（邻/间二甲苯）分别为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（邻/间二甲苯）分别为116.24 μg/m3、89.24 μg/m3、13.60 μg/m3、18.45 μg/m3和14.83 μg/m3。

从各个过程排放VOCs 组分可以看出：三氯甲烷是发酵培养过程中的独有种类，ρ（三氯甲烷）在发酵前期为31.76 μg/m3，发酵中期为8.49 μg/m3，发酵后期为13.60 μg/m3，ω 均在2%～5%，其浓度变化可能与发酵培养时菌种的分泌过程有关。

种子罐培养和发酵培养前期的优势组分均有丙酮和正丁醇，但发酵培养前期ρ（丙酮）和ρ（正丁醇）分别是种子罐培养的2.5、11.9 倍，存在以上差距的原因可能是各培养过程添加剂和有机溶剂的用量不同导致的。发酵培养中期和发酵培养后期的优势种类相近，且各个优势种类的浓度水平也相差不大，主要原因是发酵培养中后期工艺操作过程相似，试剂用量相近。在发酵培养后期，三氯甲烷成为该工艺过程的主要组分，部分原因是该时期VOCs 排放总量有所减少。