基于AHP-FCE模型的制藥行業清潔生產技術評價

李娟，沈亮，王良杰，黃晶琳，錢鋒，曾萍*，王輝鋒，王晨昊

1.中國環境科學研究院

2.廈門大學化學化工學院

3.中船第九設計研究院工程有限公司

制藥行業是我國國民經濟的重要組成部分，是關系國計民生的重要產業。進入21世紀以來，我國制藥行業一直保持較快的發展速度，產品種類日益增多，生產規模不斷擴大[1-2]。然而，我國制藥行業仍存在著產品技術含量低、新藥研發能力低、經濟效益低等缺點，導致我國制藥企業競爭力差[3]、環境污染嚴重。據文獻報道[4-7]，目前在地表水、地下水、飲用水及土壤環境中均有藥類物質檢出，對環境與人類健康造成了極大威脅。

近年來，我國對于制藥行業的污染治理提出了更加嚴格的要求。制藥廢水具有成分復雜、有機物濃度高、毒性大、可生化性差等特點[8-9]，處理十分困難。現有的傳統制藥行業廢水治理技術已經不足以支撐當前日趨嚴格的新標準下行業發展的需求，僅依靠末端治理無法從根本上解決問題。《水污染防治行動計劃》（簡稱“水十條”）中明確提出要對包括制藥行業在內的十大重點行業開展清潔化改造。因此，有必要在制藥行業推行清潔生產技術，從源頭減少污染物的產生[10]，從而減輕制藥行業的環境污染，促進制藥行業的健康、可持續發展。制藥行業清潔生產技術種類較多，且每項技術有各自的特點，導致制藥企業對清潔生產技術的選擇具有一定困難。為正確地選擇清潔生產技術，改善制藥行業的污染現狀，有效減少制藥行業污染物產生量和排放量，有必要對制藥行業清潔生產技術進行綜合評價，為企業推薦適宜的可行技術。

技術評價方法的選擇將直接影響到評價結果的正確性，目前國內外常用的評價方法主要包括數據包絡分析法[11]、生命周期評價法[12-13]、灰色關聯分析法[14-15]、德爾菲法[16]、層次分析法（AHP）[17-18]、模糊綜合評價法（FCE）[19-20]以及組合評價方法[21]等。層次分析法-模糊綜合評價法（AHP-FCE）評價模型是將AHP與FCE相結合的一種評價方法[22]，目前該評價模型已經在績效考核[23]、管理軟件選擇[24]、人居環境評價[25]、教育質量評價[26]、旅游服務質量評價[27]以及方案優選[28]等諸多領域得到了廣泛研究。AHP-FCE評價模型發揮了層次分析法和模糊綜合評價法的優點，將定性與定量分析結合起來[29]，可實現指標的量化評價，減少評價過程中主觀判斷和多因素、模糊性等問題所帶來的弊端，同時克服定性與半定量評價方法的不足，使最終的評價結果更加全面可靠[30]。

筆者建立適合制藥行業清潔生產技術評價的指標體系，采用AHP-FCE評價模型對制藥行業清潔生產技術進行綜合評價，以期為制藥行業清潔生產技術的評價和選擇提供技術支持。

1 制藥行業清潔生產技術備選清單

通過文獻調研、企業現場調研與專家咨詢相結合的方法，選取了基于培養基替代的青霉素發酵減排技術、頭孢氨芐酶法合成技術、頭孢氨芐連續結晶技術與裝備、抗生素合成固定化酶規模化制備技術4項技術作為制藥行業清潔生產技術備選清單（表1）。基于培養基替代的青霉素發酵減排技術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酵示范工程中應用，實現發酵廢酸水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是國外頭孢氨芐生產的主流清潔生產技術，為“水十條”提出的重點行業清潔化改造中制藥行業重點發展的綠色酶法技術，也是近年來國內進行攻堅和推廣的技術。該技術與抗生素合成固定化酶規模化制備技術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酵示范工程中應用，與現有化學合成技術相比，COD排放量減少57.1%，取得了良好的效果。頭孢氨芐連續結晶技術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行應用，實現了廢水減排33.0%、COD下降30.8%，并推廣應用于新發藥業的維生素和新華制藥公司的布洛芬結晶生產線，在青霉素、頭孢菌素、紅霉素等抗生素和維生素C等產品領域推廣應用，覆蓋度達到48%。因此，本研究所選取的4項技術為具有代表性的清潔生產技術。

表 1 備選的4項制藥行業清潔生產技術簡介Table 1 Brief introduction of 4 alternative cleaner production technologies in the pharmaceutical industry

2 技術評價方法

2.1 評價指標體系的構建

在文獻調研的基礎上，到內蒙古、山東、新疆、湖北、江蘇、浙江等省（自治區）的制藥園區以及華北制藥、石家莊制藥、科倫藥業（川寧）、齊魯制藥、呼倫貝爾北方藥業有限公司、華海藥業、哈爾濱制藥等20余家制藥企業進行了現場調研，在中國化學制藥協會的支持下發放了100余份調查問卷，在獲得制藥行業清潔生產技術評價指標體系數據和對制藥行業清潔生產技術初步打分評估的基礎上，邀請了多位行業專家對各項技術進行咨詢和打分。邀請的專家均為十分熟悉制藥行業清潔生產相關技術的制藥企業高級工程師，環境、健康、安全（environmental health safety，EHS）主管，或在高校及科研院所開展相關研究的教授，其中1/2專家來自制藥工程專業，1/2來自環境科學及環境工程專業。針對制藥行業清潔生產的技術特點，在文獻調研、企業現場調研、調查問卷以及專家咨詢的基礎上，形成了制藥行業清潔生產技術評價指標體系（表2）。指標體系包括目標層、準則層和指標層3個層次，其中一級指標（B層）包括技術性能、經濟性能和環境性能3類指標，二級指標（C層）包括技術先進性、技術可靠性、技術適用性、技術成本和環境效益5項指標，三級指標（D層）包括技術先進性、每噸產品原料投入量、廢水量削減效果、COD削減效果等14項指標。

2.2 AHP-FCE評價模型

2.2.1 利用AHP計算不同層級指標權重

不同層級指標權重的計算采用AHP[31]：首先根據專家對制藥行業清潔生產技術評價體系中各指標相對重要性的賦值結果構建判斷矩陣；接著，通過計算判斷矩陣的特征向量，分別計算各指標對上一層級指標的權重；然后，根據判斷矩陣的最大特征根進行一致性檢驗，當隨機一致性比例小于0.1時，判斷矩陣通過一致性檢驗，可由歸一化處理得到各評價指標的權重。其中，D層各指標對A層的綜合權重=一級指標權重×二級指標權重×三級指標權重。

2.2.2 模糊綜合評價

通過文獻調研、企業現場調研及專家咨詢等方法，將制藥行業清潔生產技術評價體系中各指標的評價標準分為很好、較好和一般3個等級（表3）。采用FCE[31]進行技術的綜合評價：根據專家對4項清潔生產技術的各項評價指標的打分結果構建權重矩陣，按照一級模糊綜合評價、二級模糊綜合評價、三級模糊綜合評價的計算步驟，根據式（1）～式（3）分別計算得到第一層、第二層和第三層模糊綜合評價集；然后對指標的很好、較好、一般3個評價等級分別賦值為5分、3分和1分，根據第二層模糊綜合評價和第三層模糊綜合評價集可分別計算得出4項技術準則層評價結果和技術的綜合得分。計算公式如下：

表 2 制藥行業清潔生產技術評價指標體系Table 2 Evaluation index system of cleaner production technology in pharmaceutical industry

表 3 制藥行業清潔生產技術評價指標的等級標準Table 3 Grade standard of evaluation index for cleaner production technology in pharmaceutical industry

式中：WCi為評價技術的第一層模糊綜合評價集；i為D層指標的序號，i取1,2,…,14；Wi為評價技術的D層指標i的權重；Ri為評價技術的D層指標i的權重矩陣。

式中：WBj為評價技術的第二層模糊綜合評價集；j為C層指標的序號，j取1,2,…,5；Wj為評價技術的C層指標j的權重；WEj為評價技術的C層指標j的權重矩陣。

式中：WA為評價技術的第三層模糊綜合評價集；W為B層指標的權重；WB為B層權重矩陣。

3 技術評價結果與分析

3.1 評價指標權重計算結果

根據專家對制藥行業清潔生產技術評價體系中各評價指標相對重要性的賦值結果，可計算得到不同層級指標的權重以及D層各指標對A層的綜合權重（表4）。由表4可知，在B層指標中，技術性能指標所占的權重最大，表明在制藥行業清潔生產技術中，相較于經濟性能指標和環境性能指標，技術性能更為重要。對C層指標而言，技術性能指標中技術可靠性所占的權重最大，表明技術性能指標中最重視技術可靠性。在D層指標中，綜合權重最大的是每噸產品有機溶劑消耗量，表明在制藥行業清潔生產技術中，最重視的指標是每噸產品所消耗的有機溶劑量。

3.2 模糊綜合評價結果

邀請行業內相關專家根據指標評價等級標準(表3)對4項制藥行業清潔生產技術進行打分，采用百分比統計法統計專家意見，得到4項技術的評價結果如表5所示。首先分別對基于培養基替代的青霉素發酵減排技術、頭孢氨芐酶法合成技術、頭孢氨芐連續結晶技術與裝備、抗生素合成固定化酶規模化制備技術這4項制藥行業清潔生產技術進行一級、二級和三級模糊綜合評價。

表 4 制藥行業清潔生產技術評價指標權重Table 4 Weight of technical evaluation indexes for cleaner production technology in pharmaceutical industry

表 5 制藥行業清潔生產技術專家打分統計結果Table 5 Statistics of evaluation results of experts on cleaner production technologies in pharmaceutical industry

3.2.1 準則層評價結果

基于培養基替代的青霉素發酵減排技術的二級模糊綜合評價結果：

技術性能指標的WB1為{0.266 4,0.627 9,0.105 7}；

經濟性能指標的WB2為{0.050 2,0.903 0,0.046 8}；

環境性能指標的WB3為{0.525 8,0.312 9,0.161 3}。

頭孢氨芐酶法合成技術的二級模糊綜合評價結果：

技術性能指標的WB1為{0.626 7,0.331 0,0.042 3}；

經濟性能指標的WB2為{0.276 8,0.699 8,0.023 4}；

環境性能指標的WB3為{0.412 4,0.463 4,0.124 2}。

頭孢氨芐連續結晶技術與裝備的二級模糊綜合評價結果：

技術性能指標的WB1為{0.383 8,0.535 6,0.080 6}；

經濟性能指標的WB2為{0.351 6,0.449 8,0.198 6}；

環境性能指標的WB3為{0.200 3,0.613 4,0.186 3}。

抗生素合成固定化酶規模化制備技術的二級模糊綜合評價結果：

技術性能指標的WB1為{0.488 6,0.349 0,0.162 4}；

經濟性能指標的WB2為{0.551 4,0.375 0,0.073 6}；

環境性能指標的WB3為{0.250 8,0.574 4,0.174 8}。

根據二級模糊綜合評價結果分別計算得出4項制藥行業清潔生產技術在技術性能、經濟性能和環境性能指標方面的得分，如圖1所示。由圖1可知，在技術性能方面得分較高的是頭孢氨芐酶法合成技術和頭孢氨芐連續結晶技術與裝備；在經濟性能方面得分較高的是抗生素合成固定化酶規模化制備技術和頭孢氨芐連續結晶技術與裝備；在環境性能方面得分較高的是基于培養基替代的青霉素發酵減排技術和頭孢氨芐酶法合成技術。

圖 1 4項制藥行業清潔生產技術準則層評價結果Fig.1 Evaluation results of four cleaner production technologies in pharmaceutical industry

3.2.2 綜合評價結果

通過計算得出4項制藥行業清潔生產技術三級模糊綜合評價結果：基于培養基替代的青霉素發酵減排技術的WA為{0.320 8,0.563 4,0.115 9}；頭孢氨芐酶法合成技術的WA為{0.519 4,0.415 3,0.065 3}；頭孢氨芐連續結晶技術與裝備的WA為{0.471 4,0.425 0,0.103 6}；抗生素合成固定化酶規模化制備技術的WA為{0.422 8,0.421 5,0.155 7}。

根據三級模糊綜合評價結果，分別計算得出4項制藥行業清潔生產技術的綜合得分，如表6所示。

由表6可知，4項制藥行業清潔生產技術綜合得分最高的是頭孢氨芐酶法合成技術，其次分別為頭孢氨芐連續結晶技術與裝備、抗生素合成固定化酶規模化制備技術和基于培養基替代的青霉素發酵減排技術。其中，頭孢氨芐酶法合成技術是針對頭孢氨芐生產過程中存在的能耗高、污染嚴重等問題開發的清潔生產技術，具有反應效率高、條件溫和、清潔安全等特點[32]。該技術突破了頭孢氨芐酶法合成技術難題，實現了水溶液中頭孢氨芐一步催化合成制備，反應過程中不使用揮發性有機溶劑、基團保護劑等輔助化學品，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在技術性能方面表現優異，在經濟性能和環境性能方面也具有較為明顯的優勢。頭孢氨芐連續結晶技術與裝備是通過提高產品收率降低母液中COD，從而減少污染物的排放。該技術在技術性能和經濟性能方面均具有較為明顯的優勢，可以在減少污染物排放的同時提高經濟效益，但其在環境效益方面較其他3項技術相對較差。抗生素合成固定化酶規模化制備技術在經濟性能方面具有明顯優勢，但在技術性能和環境性能方面優勢不明顯。基于培養基替代的青霉素發酵減排技術是通過對培養基的精確控制，減少培養基中的殘留物從而降低污染物排放量。該技術在環境性能方面表現優異，但在技術性能和經濟性能方面相對較差。相關制藥企業可根據對技術的要求及預期目標進行清潔生產技術的選擇。

表 6 4項制藥行業清潔生產技術綜合得分Table 6 Comprehensive scores of four cleaner production technologies in pharmaceutical industry

4 結論

（1）構建了包含技術性能、經濟性能和環境性能3個一級評價指標、5項二級評價指標、14項三級評價指標的適用于制藥行業清潔生產技術評價的指標體系，采用AHP法計算得出不同層級評價指標的權重，通過FCE模型計算得到各項技術的三級模糊綜合評價集，并由此計算得出各項制藥行業清潔生產技術的綜合得分。

（2）采用AHP-FCE模型對4項制藥行業清潔生產技術進行了綜合評價，得出頭孢氨芐酶法合成技術綜合得分最優。