基于AHP-FCE模型的制药行业清洁生产技术评价

2022-09-27李娟沈亮王良杰黄晶琳钱锋曾萍王辉锋王晨昊

环境工程技术学报 2022年5期

李娟，沈亮，王良杰，黄晶琳，钱锋，曾萍*，王辉锋，王晨昊

1.中国环境科学研究院

2.厦门大学化学化工学院

3.中船第九设计研究院工程有限公司

制药行业是我国国民经济的重要组成部分，是关系国计民生的重要产业。进入21世纪以来，我国制药行业一直保持较快的发展速度，产品种类日益增多，生产规模不断扩大[1-2]。然而，我国制药行业仍存在着产品技术含量低、新药研发能力低、经济效益低等缺点，导致我国制药企业竞争力差[3]、环境污染严重。据文献报道[4-7]，目前在地表水、地下水、饮用水及土壤环境中均有药类物质检出，对环境与人类健康造成了极大威胁。

近年来，我国对于制药行业的污染治理提出了更加严格的要求。制药废水具有成分复杂、有机物浓度高、毒性大、可生化性差等特点[8-9]，处理十分困难。现有的传统制药行业废水治理技术已经不足以支撑当前日趋严格的新标准下行业发展的需求，仅依靠末端治理无法从根本上解决问题。《水污染防治行动计划》（简称“水十条”）中明确提出要对包括制药行业在内的十大重点行业开展清洁化改造。因此，有必要在制药行业推行清洁生产技术，从源头减少污染物的产生[10]，从而减轻制药行业的环境污染，促进制药行业的健康、可持续发展。制药行业清洁生产技术种类较多，且每项技术有各自的特点，导致制药企业对清洁生产技术的选择具有一定困难。为正确地选择清洁生产技术，改善制药行业的污染现状，有效减少制药行业污染物产生量和排放量，有必要对制药行业清洁生产技术进行综合评价，为企业推荐适宜的可行技术。

技术评价方法的选择将直接影响到评价结果的正确性，目前国内外常用的评价方法主要包括数据包络分析法[11]、生命周期评价法[12-13]、灰色关联分析法[14-15]、德尔菲法[16]、层次分析法（AHP）[17-18]、模糊综合评价法（FCE）[19-20]以及组合评价方法[21]等。层次分析法-模糊综合评价法（AHP-FCE）评价模型是将AHP与FCE相结合的一种评价方法[22]，目前该评价模型已经在绩效考核[23]、管理软件选择[24]、人居环境评价[25]、教育质量评价[26]、旅游服务质量评价[27]以及方案优选[28]等诸多领域得到了广泛研究。AHP-FCE评价模型发挥了层次分析法和模糊综合评价法的优点，将定性与定量分析结合起来[29]，可实现指标的量化评价，减少评价过程中主观判断和多因素、模糊性等问题所带来的弊端，同时克服定性与半定量评价方法的不足，使最终的评价结果更加全面可靠[30]。

笔者建立适合制药行业清洁生产技术评价的指标体系，采用AHP-FCE评价模型对制药行业清洁生产技术进行综合评价，以期为制药行业清洁生产技术的评价和选择提供技术支持。

1 制药行业清洁生产技术备选清单

通过文献调研、企业现场调研与专家咨询相结合的方法，选取了基于培养基替代的青霉素发酵减排技术、头孢氨苄酶法合成技术、头孢氨苄连续结晶技术与装备、抗生素合成固定化酶规模化制备技术4项技术作为制药行业清洁生产技术备选清单（表1）。基于培养基替代的青霉素发酵减排技术在华北制药股份有限公司的 1 000 t/a头孢氨苄原料药前体青霉素发酵示范工程中应用，实现发酵废酸水COD较原工艺降低了近32.7%，氨氮浓度降低了46.5%。头孢氨苄酶法合成技术是国外头孢氨苄生产的主流清洁生产技术，为“水十条”提出的重点行业清洁化改造中制药行业重点发展的绿色酶法技术，也是近年来国内进行攻坚和推广的技术。该技术与抗生素合成固定化酶规模化制备技术一起在华北制药股份有限公司的1 000 t/a头孢氨苄原料药前体青霉素发酵示范工程中应用，与现有化学合成技术相比，COD排放量减少57.1%，取得了良好的效果。头孢氨苄连续结晶技术与装备在华北制药股份有限公司1 000 t/a头孢氨苄原料药酶法合成工艺的工程示范进行应用，实现了废水减排33.0%、COD下降30.8%，并推广应用于新发药业的维生素和新华制药公司的布洛芬结晶生产线，在青霉素、头孢菌素、红霉素等抗生素和维生素C等产品领域推广应用，覆盖度达到48%。因此，本研究所选取的4项技术为具有代表性的清洁生产技术。

表 1 备选的4项制药行业清洁生产技术简介Table 1 Brief introduction of 4 alternative cleaner production technologies in the pharmaceutical industry

2 技术评价方法

2.1 评价指标体系的构建

在文献调研的基础上，到内蒙古、山东、新疆、湖北、江苏、浙江等省（自治区）的制药园区以及华北制药、石家庄制药、科伦药业（川宁）、齐鲁制药、呼伦贝尔北方药业有限公司、华海药业、哈尔滨制药等20余家制药企业进行了现场调研，在中国化学制药协会的支持下发放了100余份调查问卷，在获得制药行业清洁生产技术评价指标体系数据和对制药行业清洁生产技术初步打分评估的基础上，邀请了多位行业专家对各项技术进行咨询和打分。邀请的专家均为十分熟悉制药行业清洁生产相关技术的制药企业高级工程师，环境、健康、安全（environmental health safety，EHS）主管，或在高校及科研院所开展相关研究的教授，其中1/2专家来自制药工程专业，1/2来自环境科学及环境工程专业。针对制药行业清洁生产的技术特点，在文献调研、企业现场调研、调查问卷以及专家咨询的基础上，形成了制药行业清洁生产技术评价指标体系（表2）。指标体系包括目标层、准则层和指标层3个层次，其中一级指标（B层）包括技术性能、经济性能和环境性能3类指标，二级指标（C层）包括技术先进性、技术可靠性、技术适用性、技术成本和环境效益5项指标，三级指标（D层）包括技术先进性、每吨产品原料投入量、废水量削减效果、COD削减效果等14项指标。

2.2 AHP-FCE评价模型

2.2.1 利用AHP计算不同层级指标权重

不同层级指标权重的计算采用AHP[31]：首先根据专家对制药行业清洁生产技术评价体系中各指标相对重要性的赋值结果构建判断矩阵；接着，通过计算判断矩阵的特征向量，分别计算各指标对上一层级指标的权重；然后，根据判断矩阵的最大特征根进行一致性检验，当随机一致性比例小于0.1时，判断矩阵通过一致性检验，可由归一化处理得到各评价指标的权重。其中，D层各指标对A层的综合权重=一级指标权重×二级指标权重×三级指标权重。

2.2.2 模糊综合评价

通过文献调研、企业现场调研及专家咨询等方法，将制药行业清洁生产技术评价体系中各指标的评价标准分为很好、较好和一般3个等级（表3）。采用FCE[31]进行技术的综合评价：根据专家对4项清洁生产技术的各项评价指标的打分结果构建权重矩阵，按照一级模糊综合评价、二级模糊综合评价、三级模糊综合评价的计算步骤，根据式（1）～式（3）分别计算得到第一层、第二层和第三层模糊综合评价集；然后对指标的很好、较好、一般3个评价等级分别赋值为5分、3分和1分，根据第二层模糊综合评价和第三层模糊综合评价集可分别计算得出4项技术准则层评价结果和技术的综合得分。计算公式如下：

表 2 制药行业清洁生产技术评价指标体系Table 2 Evaluation index system of cleaner production technology in pharmaceutical industry

表 3 制药行业清洁生产技术评价指标的等级标准Table 3 Grade standard of evaluation index for cleaner production technology in pharmaceutical industry

式中：WCi为评价技术的第一层模糊综合评价集；i为D层指标的序号，i取1,2,…,14；Wi为评价技术的D层指标i的权重；Ri为评价技术的D层指标i的权重矩阵。

式中：WBj为评价技术的第二层模糊综合评价集；j为C层指标的序号，j取1,2,…,5；Wj为评价技术的C层指标j的权重；WEj为评价技术的C层指标j的权重矩阵。

式中：WA为评价技术的第三层模糊综合评价集；W为B层指标的权重；WB为B层权重矩阵。

3 技术评价结果与分析

3.1 评价指标权重计算结果

根据专家对制药行业清洁生产技术评价体系中各评价指标相对重要性的赋值结果，可计算得到不同层级指标的权重以及D层各指标对A层的综合权重（表4）。由表4可知，在B层指标中，技术性能指标所占的权重最大，表明在制药行业清洁生产技术中，相较于经济性能指标和环境性能指标，技术性能更为重要。对C层指标而言，技术性能指标中技术可靠性所占的权重最大，表明技术性能指标中最重视技术可靠性。在D层指标中，综合权重最大的是每吨产品有机溶剂消耗量，表明在制药行业清洁生产技术中，最重视的指标是每吨产品所消耗的有机溶剂量。

3.2 模糊综合评价结果

邀请行业内相关专家根据指标评价等级标准(表3)对4项制药行业清洁生产技术进行打分，采用百分比统计法统计专家意见，得到4项技术的评价结果如表5所示。首先分别对基于培养基替代的青霉素发酵减排技术、头孢氨苄酶法合成技术、头孢氨苄连续结晶技术与装备、抗生素合成固定化酶规模化制备技术这4项制药行业清洁生产技术进行一级、二级和三级模糊综合评价。

表 4 制药行业清洁生产技术评价指标权重Table 4 Weight of technical evaluation indexes for cleaner production technology in pharmaceutical industry

表 5 制药行业清洁生产技术专家打分统计结果Table 5 Statistics of evaluation results of experts on cleaner production technologies in pharmaceutical industry

3.2.1 准则层评价结果

基于培养基替代的青霉素发酵减排技术的二级模糊综合评价结果：

技术性能指标的WB1为{0.266 4,0.627 9,0.105 7}；

经济性能指标的WB2为{0.050 2,0.903 0,0.046 8}；

环境性能指标的WB3为{0.525 8,0.312 9,0.161 3}。

头孢氨苄酶法合成技术的二级模糊综合评价结果：

技术性能指标的WB1为{0.626 7,0.331 0,0.042 3}；

经济性能指标的WB2为{0.276 8,0.699 8,0.023 4}；

环境性能指标的WB3为{0.412 4,0.463 4,0.124 2}。

头孢氨苄连续结晶技术与装备的二级模糊综合评价结果：

技术性能指标的WB1为{0.383 8,0.535 6,0.080 6}；

经济性能指标的WB2为{0.351 6,0.449 8,0.198 6}；

环境性能指标的WB3为{0.200 3,0.613 4,0.186 3}。

抗生素合成固定化酶规模化制备技术的二级模糊综合评价结果：

技术性能指标的WB1为{0.488 6,0.349 0,0.162 4}；

经济性能指标的WB2为{0.551 4,0.375 0,0.073 6}；

环境性能指标的WB3为{0.250 8,0.574 4,0.174 8}。

根据二级模糊综合评价结果分别计算得出4项制药行业清洁生产技术在技术性能、经济性能和环境性能指标方面的得分，如图1所示。由图1可知，在技术性能方面得分较高的是头孢氨苄酶法合成技术和头孢氨苄连续结晶技术与装备；在经济性能方面得分较高的是抗生素合成固定化酶规模化制备技术和头孢氨苄连续结晶技术与装备；在环境性能方面得分较高的是基于培养基替代的青霉素发酵减排技术和头孢氨苄酶法合成技术。

图 1 4项制药行业清洁生产技术准则层评价结果Fig.1 Evaluation results of four cleaner production technologies in pharmaceutical industry

3.2.2 综合评价结果

通过计算得出4项制药行业清洁生产技术三级模糊综合评价结果：基于培养基替代的青霉素发酵减排技术的WA为{0.320 8,0.563 4,0.115 9}；头孢氨苄酶法合成技术的WA为{0.519 4,0.415 3,0.065 3}；头孢氨苄连续结晶技术与装备的WA为{0.471 4,0.425 0,0.103 6}；抗生素合成固定化酶规模化制备技术的WA为{0.422 8,0.421 5,0.155 7}。

根据三级模糊综合评价结果，分别计算得出4项制药行业清洁生产技术的综合得分，如表6所示。

由表6可知，4项制药行业清洁生产技术综合得分最高的是头孢氨苄酶法合成技术，其次分别为头孢氨苄连续结晶技术与装备、抗生素合成固定化酶规模化制备技术和基于培养基替代的青霉素发酵减排技术。其中，头孢氨苄酶法合成技术是针对头孢氨苄生产过程中存在的能耗高、污染严重等问题开发的清洁生产技术，具有反应效率高、条件温和、清洁安全等特点[32]。该技术突破了头孢氨苄酶法合成技术难题，实现了水溶液中头孢氨苄一步催化合成制备，反应过程中不使用挥发性有机溶剂、基团保护剂等辅助化学品，从工艺源头大幅降低了废水COD、VOCs等污染物的排放。头孢氨苄酶法合成技术在技术性能方面表现优异，在经济性能和环境性能方面也具有较为明显的优势。头孢氨苄连续结晶技术与装备是通过提高产品收率降低母液中COD，从而减少污染物的排放。该技术在技术性能和经济性能方面均具有较为明显的优势，可以在减少污染物排放的同时提高经济效益，但其在环境效益方面较其他3项技术相对较差。抗生素合成固定化酶规模化制备技术在经济性能方面具有明显优势，但在技术性能和环境性能方面优势不明显。基于培养基替代的青霉素发酵减排技术是通过对培养基的精确控制，减少培养基中的残留物从而降低污染物排放量。该技术在环境性能方面表现优异，但在技术性能和经济性能方面相对较差。相关制药企业可根据对技术的要求及预期目标进行清洁生产技术的选择。