四環素發酵過程中揮發性有機物的研究

邢麗

（寧夏啟元藥業有限公司，寧夏銀川 750100）

大氣污染問題是當今我國面臨的重大環境問題之一。導致我國城市地區空氣環境問題的重要污染物是SO2、NOx、顆粒物和揮發性有機物（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，國內研究者對工業源VOCs 的研究多集中在石油化工、燃料燃燒、交通尾氣等行業，對制藥行業產生的VOCs 的環境影響研究相對較少。制藥企業排放源是工業源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，制藥企業密集區周邊大氣環境中可檢測到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 的環境污染貢獻不容忽視。

綜上所述，對制藥行業排放VOCs 的種類識別、污染程度分析等有助于了解VOCs 排放對區域大氣環境質量的影響，可為制定制藥行業VOCs 排放控制標準提供基礎數據。因此，本文以四環素發酵為例，總結其發酵過程VOCs 排放的主要節點，檢測分析藥品生產過程中不同階段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

本研究以寧夏地區的四環素生產為主。四環素生產工藝中菌種選育及發酵過程存在耗時長且溫度較高的特點，易產生揮發性低分子烴類，因此本文對其菌種選育及發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、發酵培養前期、發酵培養中期和發酵培養后期）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 內表面硅烷化專用不銹鋼采樣罐內，采樣時間為5 min，為保證勻速采樣，使用美國ENTECH 公司生產的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-質譜（GC-MS）聯用分析系統對樣品中VOCs 化合物進行定性定量分析。樣品首先由自動進樣器進樣，經預冷濃縮富集進入GC-MS 進行定量分析。該系統主要包括超低溫預濃縮系統及進樣裝置、GC-MS/FID、自動清罐儀和標準氣體自動稀釋儀4 個部分[8]。

樣品經預濃縮系統自動進樣，進入冷阱去除水、CO2等雜質后，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 內分析完畢。樣品分析過程嚴格按照實驗室操作規范和分析儀器標準程序進行，在分析樣品前需要對GC-MS 系統運行狀態進行檢查，以保證GC-MS 定性和定量數據的準確性和精確性。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

種子罐培養和發酵培養過程中共檢測出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。各培養過程無組織排放VOCs 質量濃度水平及百分比特征，如：發酵前期ρ（TVOCs）（VOCs各組分質量濃度之和）最高，為2 010.0 μg/m3，其次為種子罐（820.0 μg/m3）、發酵中期（340.0 μg/m3）及發酵后期（290.0 μg/m3）。發酵前期的ρ（TVOCs）分別是發酵中期和發酵后期的5.91、6.91 倍。各工藝過程優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酵類制藥企業無組織VOCs 排放特征時得到，該企業排放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：種子罐培養過程中以丙酮、乙醇、正丁醇為優勢組分，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/m3，三種優勢種類質量分數分別為69.2%、18.9%和5.1%；發酵培養前期排放VOCs 優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/m3，兩者質量分數分別為71.0%和24.4%；在發酵培養中期過程中乙醇、丙酮、甲苯和鄰/間二甲苯質量分數較高，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；發酵培養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：三氯甲烷是發酵培養過程中的獨有種類，ρ（三氯甲烷）在發酵前期為31.76 μg/m3，發酵中期為8.49 μg/m3，發酵后期為13.60 μg/m3，ω 均在2%～5%，其濃度變化可能與發酵培養時菌種的分泌過程有關。

種子罐培養和發酵培養前期的優勢組分均有丙酮和正丁醇，但發酵培養前期ρ（丙酮）和ρ（正丁醇）分別是種子罐培養的2.5、11.9 倍，存在以上差距的原因可能是各培養過程添加劑和有機溶劑的用量不同導致的。發酵培養中期和發酵培養后期的優勢種類相近，且各個優勢種類的濃度水平也相差不大，主要原因是發酵培養中后期工藝操作過程相似，試劑用量相近。在發酵培養后期，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）四環素生產過程中，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、發酵培養中期和發酵培養后期無組織排放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。發酵培養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和發酵培養前期。