制药工业改善能效和节约成本的机会-向能源和工厂管理人员提供的能源之星指南.pdf
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1、LBNL-57260修订版Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory 劳伦斯-伯克利国家实验室Energy Efficiency Improvementand Cost Saving Opportunities for the Pharmaceutical Industry 制药工业改善能效和节约成本的机会An ENERGY STAR Guide for Energy and Plant Managers向能源和工厂管理人员提供的能源之星指南Christina Galitsky,Sheng-chieh Chang,Ernst Wor
2、rell,and Eric MasanetEnvironmental Energy Technologies Division环境能源技术处一Sponsored by the U.S.EnvironmentalProtection Agency 由美国环保局赞助2008年3月声明本文是对美国政府所赞助项目的记述。尽管我们相信本文所含的信息是准确的,但是美 国政府和各有关部门、加州大学校务委员会以及它们的雇员并不对本文所披露的资讯、设备、产品、工艺的准确性、完整性、实用性作任何保证、表述、暗示及承担任何法 律责任,而且并非代表它们的使用将不会侵犯任何私人权益。本文所引证的任何具体商 业产品、加工
3、工艺和服务的商业名称、商标、制造厂商等并非构成或暗示获得美国政 府和各有关部门、加州大学校务委员会的认可、推荐或者赞赏。本文作者所表达的观 点并非代表美国政府和各有关部门以及加州大学校务委员会。劳伦斯-伯克利国家实验室是一个提供平等就业机会的雇主。11LBNL-57260-修订版制药工业改善能效和节约成本的机会向能源和工厂管理人员提供的能源之星.指南Christina Galitsky,Sheng-chieh Chang,Ernst Worrell,and Eric Masanet能源分析处环境能源技术部 劳伦斯伯克利国家实验室加利福尼亚大学Energy Analysis Department
4、 Environmental Energy Technologies Division Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory University of California Berkeley,CA 947202008年3月作为能源之星计划的一部分,本报告由美国环保局的气候保护合作处资助。能源之星是一个 由政府支持、以帮助企业通过优越的能效来保护环境的计划。这项工作是由环保局通过美国 能源部合同DE-AC02-05CH11231所支持的。in制药工业改善能效和节约成本的机会向能源和工厂管理人员提供的能源之星,指南Christi
5、na Galitsky,Sheng-chieh Chang,Ernst Worrell,and Eric Masanet能源分析处环境能源技术部 劳伦斯伯克利国家实验室加利福尼亚大学2008年3月摘要美国的制药工业每年要消耗将近$10亿(约83亿人民币)的能源I改善能效是减低 这些成本和增加可预期的收入的一个重要途径,特别是在能源价格波动大的时期。在 美国制药工业的各个工厂中存在着各种以经济有效的方式来减少能源消耗的机会。本 指南讨论了可以在部件、工艺过程、系统、机构层面上实施的能效实践和能效技术。也提供了对趋向、结构、以及美国制药工业的特征的讨论并带有对主要药品制造工艺 步骤的介绍。根据世界
6、各地在制药和有关设施的实际应用的案例分析数据,对许多能 效措施提供了预期在能源和与能源有关的节约。如果有可能,也会提供典型的措施归 本期以及在技术文献中的详尽资讯的索引。本能源指南中的资讯是希望能帮助能源和 工厂管理人员在达到规管制度的要求和保持所生产产品的质量的同时以经济有效的方 式来减少能耗。在各个不同的工厂中,需要对措施在经济上,以及对不同的生产方式 的适用性,开展进一步的研究以评估所选择的技术在实施上的可能性。1本文采用2003年美元对人民币之间的平均汇率:$1美元=8.2672人民币。IV目录1.介绍.12.制药工业.23.生产过程介绍.63.1 研究和开发.63.2 转化原料药.7
7、3.3 成品的配制.94.美国制药工业的能源使用.105.制药工业的能效机会.155.1 能源管理体系和计划.155.2 供暖、通风和空调(HVAC)系统.185.3 排烟柜.255.4 洁净室.265.5 电机和电机系统.275.6 压缩空气系统.325.7 泵.385.8 冷冻.415.9 照明.435.10 热和蒸汽的配送.475.11 热电联产.525.12 其他措施.546.总结和结论.567.鸣谢.598.参考.609.词汇.72附录A:工厂人员的基本能效行动.75附录B:能源之星的能源管理计划评估对照表.76附录C:改善工业能效的支持计划.80V1.介绍由于美国的制造业面对着一个
8、竞争日益增加的环境,他们要在对产品的产量和质量不 产生消极影响之下寻找减低生产成本的机会。当今市场波动的能源价格会对预期的收 入产生负面的影响,成为对制药工业中公开上市公司的关注。通过向能效技术和能效 实践投资能经得起在减低生产成本的同时仍然保持高质量产品的挑战。能效技术常常 提供了额外的收益,例如改善质量、增加产量、增加工艺过程的效率而导致进一步提 高生产力。由于改善能效常常导致减少污染排放,因此它是公司环境策略的一个重要 部分。一个有力的能源管理计划也对公司的温室效应气体管理计划提供了坚实的基础。简单地来说,在当今的制造业环境中向能效投资是一个完善的商业策略。为了帮助工业通过提高能效和减少
9、对环境的影响来改善竞争能力,联邦政府提供了 一 些自愿的计划。能源之星是美国环护局(EPA)与美国能源部(DOE)协调开展的一个自 愿计划,它强调需要有力的和有策略的公司能源管理计划。能源之星也提供许多能源 管理的工具和策略来支持实行企业的能源管理计划。本能源指南报导了为支持美国环 护局的能源之星制药工业的重点所作的研究,即与美国的制药工业共同确定改善能 效的资讯和资源。欲了解更多的能源之星资讯以及促进企业的能源管理实践的工具,请访问 网站 http:www.energystar.qov/。本能源指南评估了美国制药工业的能效机会。生产药品和药物是美国的重要工业。在 2002年,美国制药工业生产
10、了超过$1.4千亿(约12千亿人民币)的产品,比1999 年的$1.08千亿(约9千亿人民币)有所增加(U.S.Census 2001,2005a)。该工业在 2002年直接地雇用了将近250000人(US Census 2005a)。制药生产设施分布在全美 国;然而,生产主要集中在几个州。虽然能源开支在制药工业中一般只代表了总体生 产成本的少量百分比,但能源的开支仍然是相当大的。美国制药工业在2002年购买 燃料和电力的总开支是$9.2亿(约76亿人民币)(U.S.Census 2005a)o此外,由于 美国的天然气和电力费用的上涨使能源开支迅速地增长,使能源管理成为改善营运和 生产力的重要
11、焦点。本能源指南首先介绍了美国制药工业的趋向、结构、生产特征。然后介绍主要的生产 过程和讨论在制药工业的能源使用,包括能源的主要终端用途。由于美国制药工业的 产品和生产方法范围广乏,所以不可能介绍所有的能源最终用途。因此,本能源指南 着重于典型的美国制药厂中最重要的能源终端用途。最后在本能源指南余下的部分讨 论在美国制药厂中改善能效的机会,集中在美国和国外的各个工厂中表现成功的能效 措施和技术。虽然新的能效技术正在不断地发展(参见Martin et al.2000的举例),但 本能源指南将着重于已被证实和目前已经商业化的技术和实践。12.制药工业美国的制药工业包括了很多的产品。本能源指南把焦点
12、放在由北美洲工业分类系统(NAICS)代码3254指定的美国制药和医药生产工业。?美国的制药和医药生产工业包 括医药和植物药剂生产(NAICS 325411),药物制配生产(NAICS 325412),体外诊断药 物生产(NAICS 325413)和生物制品(除了诊断以外)生产(NAICS 325414)。药物制配生 产有史以来代表着美国的制药和医药总产量最大的组份(大约75%)o虽然其他行业部 门在过去十年中已显示了强大的增长,例如生物制品生产,这些部门乃然只生产占25%的美国制药工业总增值(U.S.Census 2005a)0图1 1980-2002年美国制药工业的货值和增值年份资料来源:
13、国家经济研究局(2000);美国统计局(2003,2005a)如表1所示,美国制药工业的总产值在过去20年来迅速地增长。图1绘出了美国制 药工业从1980-2002年的增值和货值情况。从表1可以看出这项工业产生的增值的增 长几乎与产量的增长平行。在过去二十年中美国制药工业由货值带来的增值几乎稳定 在70%左右。2002年,美国制药工业的产值($1410亿,约11,656亿人民币)是美国2以前的标准工业分类(SIC)代码283。2化学工业整体产值($4600亿,约38,000亿人民币)的四分之一以上(U.S.Census 2005a)o2002年的全球药品市场估计刚超过$4千亿(约33,000亿
14、人民币)(IMS Health 2003)0 在此之中,美国显然是最大的市场,占将近一半的全球药品销售量。美国的市场也是 世界上增长最快的药品市场,自1999年以来平均每年的增长率是14%(IMS Health 2005)o图2绘出了美国制药工业的四个主要部门的货值历史数据,清楚地展现了药物配制生 产的重要性,尽管其他部门也有强大的增长。图2也展示了在过去二十年中美国制药 工业强大的整体增长。年份资料来源:国家经济研究局(2000);美国统计局(2003,2005a)目前美国的制药工业由几个大型药品制造商主导,他们也在全世界经营。在2002年,前十大公司占了全世界药品销售的将近一半(Selle
15、rs 2003)0该工业的主要收入来源常 常是来自几种药物。例如在2002年全世界名列前茅的五种药物的销售共计是$280亿(约 2,315 亿人民币)(IMS Health 2003)o表1汇总了在美国的主要制药公司。虽然药品的生产设施遍及美国各地,但大多数公 司的总部都设在东北的各州。美国制药工业在2002年直接地雇用了将近250000人3(U.S.Census 2005a)0美国制药工业的生产地点主要位于宾夕法尼亚(Pennsylvania)、3匕卡罗来纳(North Carolina)、加利福尼亚(California)、新泽西(New Jersey)和纽约(NewYork)(参见表2)
16、。在美国的波多里哥(Puerto Rico)联邦也有可观的药品生产。根 据波多里哥的制药工业协会,波多黎哥的制药工业在2003年提供了 30000个直接工 作职位并从该岛出口了价值将近$370亿(约3,056亿人民币)的药品(PIAPR 2005)。表1美国的主要制药公司3(以首个字母的顺序排列)公司在美国的总部2002年销售量(十亿$)2002年销售量(亿人民币)Abbott LaboratoriesAbbot Park,Illinois9.27766.4AmgenThousand Oaks,California4.99412.5AstraZenecaWilmington,Delaware1
17、7.841,474.9AventisBridgewater,New Jersey17.251,426.1Baxter HealthcareDeerfield,Illinois3.10256.3BayerWest Haven,Connecticut5.12423.3Boehringer IngelheimRidgefield,Connecticut7.92654.8Bristol-Myers SquibbNew York,NY14.701,215.3GlaxoSmithKlineResearch Triangle Park,North Carolina28.202,331.4Hoffman-La
18、 RocheNutley,New Jersey10.81893.7Johnson&JohnsonNew Brunswick,New Jersey17.201,422.0Eli LillyIndianapolis,Indiana11.07915.2Merck&Co.Whitehouse Station,New Jersey21.631,788.2NovartisEast Hanover,New Jersey15.361,269.8Pharmacia*4见注释12.03994.5PfizerNew York,New York28.282,338.0Schering-PloughKenilworth
19、,New Jersey8.70719.3WyethMadison,New Jersey11.70967.33表1的销售量包括了每家被美国国家统计局归类为制药公司”的公司的所有销售量,也可能包括除了 处方药物之外的如医疗保健或其他产品的销售。销售数据是根据2002年的全球性销售量(Sellers 2003)04 Pfizer在2003年收购了 Pharmacia,使Pfizer成为世界上最大的制药公司。制药工业也从事大量的研究工作。表1列出的主要制药公司在2002年花费了大约$420亿(约3,472亿人民币)在研究与开发(R&D)上,或以平均来计,相当于17%的 全球销售量(Sellers 20
20、03)。因此无论在世界上或在美国,制药工业是最多研发的行业 之一。药品的生产和研究也紧密地相结合;事实上,在许多地方的生产设施是位于同 一地点的研发实验室旁边。4表2 2002年美国制药工业在各州的地理分布。5以就业和总货值为计的前十个州。各州以首 个字母的顺序排列。资料来源:美国统计局(2005a-2005e)州2002年的货值2002年的雇员十亿$亿 人民币占美国的 份额(%)人数占美国的 份额()California10.60876.327.5%59,25323.8%Connecticut3.09255.462.2%7,8193.1%Illinois8.34689.485.9%22,37
21、39.0%Indiana7.52621.695.3%8,9563.6%Massachusetts3.63300.102.6%9,1183.7%Michigan3.78312.502.7%6,2692.5%New Jersey13.101,083.009.3%31,16412.5%New York17.091,412.8612.1%22,2648.9%North Carolina15.531,283.9011.0%13,4135.4%Pennsylvania19.771,634.4314.0%11,7704.7%U.S.141.1511,669.15249,3845编写此报告时还没有美国国家统计
22、局有关2002年波多里哥制药业的数据。然而,美国国家统计局在 1997年对波多里哥的统计数据显示了波多里哥制药业有24892个直接就业和$231.2亿的总货值(U.S.Census 2000)o53.生产过程介绍在原料药品的生产中有三个整体阶段:(1)研发,(2)天然物质到原料药的转化,(3)配 制最终产品。图3介绍了在药品制造中的主要工艺阶段。以下会更详细地介绍每一个 阶段。66有关药品制造过程的详情在可以在美国环保局的药品制造工业的特征”中找到(US EPA 1997)o图3药品制造中的主要工艺步骤研究和开发四个阶段:1.临床前的研发:确定物质是否有作用和安全(6年)2.临床研发:人体测试
23、(6年)3.回顾新药的应用(1-2年)4.营销后的监察天然物质到原料药转 化转化的方式:化学合成发酵提取配制最终产品 更大规模的物质转化3.1 研究和开发由于研发是受严格管制的,因此它是药品制造中最长的阶段。在研发的开始阶段中确 定了上千种化合物以后,仅有一种会成为新药。这个开发阶段需要投入很多的资源。图3列出了研发的四个基本阶段:(1)临床前的研发、(2)临床研发、(3)回顾新药的应 用、(4)营销后的监察。在临床前的研发阶段,用动物来测试化合物以确定生物的作 用和安全性。这项测试平均需要大约六年来完成。在临床前试验以后,要向美国食品 和药物管理局(FDA)提出研发新药申请,目的是提供数据以
24、显示开始在人体测试一 种新药是合理的。下一个阶段是临床研发,一般有三个阶段,每一个进行更进一步的人体参与。临床研 发的第一个阶段要确定新药的安全性,第二个阶段要确定新药的效用,第三个阶段将 进一步证实安全和效用并测定任何副作用。临床研发阶段平均一共要用大约六年来完 成。6在下一个阶段中制药公司要向美国食品和药物管理局提出一个“新药申请”(NDA)。1996年新药申请的审批时间大约是15个月(U.S.EPA 1997)。最后,在批准新药营销以后,美国食品和药物管理局通过营销后的监察来监测该上市 药品的持续安全性。而制药商将评估各种大规模配制药品的方式以取得最佳的供货方 法。3.2 转化原料药原料
25、药物是通过化工合成、提取、发酵或这些加工过程的组合生产的(U.S.EPA 1997)o 抗组胺剂、心血管制剂、中枢神经系统兴奋剂和激素是由化工合成生产的。酵素和助 消化药、抗过敏药、血液制剂、胰岛素、抗癌药物和疫苗是从自然产生的物质中提取 的。多数的类固醇,抗生素和一些食品添加剂(如维生素),是通过发酵生产的。抗生 素、抗肿瘤的制剂、中枢神经系统抑制剂和维生素一般是由这三个加工中超过一个的 过程生产的。以下将分别论述化工合成、提取和发酵。欲了解关于这些加工的详情,请见美国环保 局的“药品制造工业的特征”。(U.S.EPA 1997)o化工合成图4显示了制药化工合成过程的简化图。化工合成有五个主
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