5 环境商值(environmental quotient,绿色量EQ)
环境因子虽然考虑了产品生产全过程中产生的化学废物量。但是干衡很显然,不同类型的绿色量废弃物,在环境中的化学毒性行为也有所不同。综合衡量一个产品工艺的干衡好坏,必须同时考虑废物的绿色量排放量和废物的环境行为本质。环境商值综合考虑了这两种因素,化学EQ = E × Q,干衡即环境因子E与废弃物对环境的绿色量不友好程度Q的乘积。在传统上,化学化学危险物的干衡定量评价是用“致命剂量50”(LD50)来衡量的。Q值的绿色量大小通常也以LD50为参考。例如,化学无害的干衡氯化钠或硫酸铵的Q值为1,而重金属盐基于其毒性大小,Q值在100–1000之间。如将Q值通过欧元来估算,将衡量废物的EQ值转变成价格,再结合原材料和能量消耗的价格因素,可以为工艺的成本分析提供更加精细的测算。
6 过程质量强度(process mass intensity,PMI)
随着环境因子的普及,化学家们在进行产品和工艺设计时,开始越来越重视废物的耐久性、可降解性和处理等问题。然而对于商业行为而言,过多地将衡量指标聚焦在废物的量上并没有太大的意义。化工生产企业的利润来源于可以销售的产品,一项能衡量产率提升及原料成本控制的指标则更加实际。所以,过程质量强度(PMI)开始被众多的化工企业和制药企业所接受和采用。
PMI是指产品生产全过程中所有物质的质量总和(单位:公斤)与目标产物质量(单位:公斤)的比值。这里的物质既包括反应使用的原料、试剂、溶剂和催化剂,也包括反应后处理和纯化时所使用的全部化学品。ACS GCI制药业圆桌会议的成员建议制药行业将水也计算入消耗的物质之内。因为药物的生产往往使用高纯水,且反应后处理阶段会产生大量的水-有机溶剂混合体系,在把水送去污水处理厂之前,企业还需要额外的过程把水从有机体系中分离出来。当然也有一些企业认为,水非常廉价且对环境污染较轻,所以不将其计算在废物之列。为了区别PMI,这一指标用质量强度(mass intensity,MI)来表示。
从上述定义可知,环境因子EF = MI − 1。虽然环境因子与质量强度仅仅差了“1”,而这个数值恰恰代表了企业可销售的产品,也是其利润的来源。衡量质量强度MI的方法,可以进一步拓展至生产过程中的其他物质,例如溶剂强度(solvent intensity,SI)和水强度(water intensity,WI)。
7 生命周期评价(life cycle assessment,LCA)
一个产品从原料精炼、预处理、生产、应用、循环到最终被废弃并处理,整个过程称为产品的生命周期。对于一条工艺而言,其对环境的影响不仅仅需要考虑排放的废物,还应纳入制造原料、溶剂、助剂等所消耗的能量和物质。除此之外,产品废弃后在环境中的持久毒性、积累毒性以及其降解物的可能毒性,也需要考虑。因此,生命周期评价是一种对产品“从诞生到坟墓”的全周期评价(图3),主要针对取自自然界的原料、能源的消耗和向环境排放废弃物的数量与质量影响。
生命周期评价是一种环境管理技术,它对产品生命周期的各个阶段进行跟踪,并做定量分析与定性评价,从而获得产品相关信息的总体情况,为产品制造工艺改进提供完整、准确的信息。用于生命周期评价(LCA)的主要指标包括:
1) 产品全生命周期使用的原料(kg);
2) 需要的全部能量(MJ);
3) 全球变暖潜力值(GWP,每公斤CO2当量);
4) 水资源消耗(kg);
5) 原料制造时原油和天然气的消耗(kg);
6) 酸化潜力值(AP,每公斤SO2当量);
7) 富营养化潜力值(EP,每公斤PO43−当量);
8) 光化学臭氧形成潜力值(POCP,每公斤乙烯当量);
9) 在废物处理前全部有机碳的使用量(TOC,kg);
10)对人体的毒性(每公斤1,4-二氯苯当量);
11) 环境毒性(每公斤1,4-二氯苯当量);
12) 土地使用(m2/ 年)。
由于完整获取上述各类数据较为困难,对产品的全生命周期进行精确评价几乎是一项不可能完成的任务。例如,医药行业药物生产涉及的化学品通常在20个以上,完成评估需要每一个化学品的相关指标数据。如果再将上游原料的全生命周期考虑进去,则会进一步增加评估的复杂性。所以为了缩短评估周期,尽快确定最为绿色的工艺,许多公司都将导致全球气候变化的因素作为核心指标。
21世纪早期,葛兰素史克公司(GSK)发展了一种针对合成化学的精简生命周期评价工具FLASCTM。该工具基于GSK公司全球供应链的碳足迹分析,来最终确定药品生产时排放到大气中温室气体的量。当缺乏某一特定化学品的数据时,FLASCTM会基于同类物质,再经过统计学方法,给出一个估算的平均值。FLASCTM工具可以帮助那些没有LCA专门知识的科学家,从实验室到大规模生产各个阶段对合成路线进行评价,目前已被制药行业普遍采用。
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