【發(fā)酵工藝學總論】第六章-發(fā)酵經(jīng)濟學

第六章發(fā)酵經(jīng)濟學本章內(nèi)容一、概述二、影響發(fā)酵產(chǎn)品成本的主要因素的成本分析

（１）菌株選育

（２）發(fā)酵培養(yǎng)基

（３）無菌空氣與通氣攪拌

（４）動力費（加熱、冷卻）（５）培養(yǎng)方式（６）發(fā)酵產(chǎn)品的分離純化（７）發(fā)酵規(guī)模（８）市場經(jīng)濟信息分析及管理技術三、發(fā)酵過程的經(jīng)濟學評價

菌株

發(fā)酵工程原理反應過程（代謝、工藝過程及控制）

后處理

發(fā)酵經(jīng)濟學

發(fā)酵產(chǎn)品及發(fā)酵工廠設計（具體工藝、設備、效益分析）

一、概述在開發(fā)一個新的發(fā)酵產(chǎn)品時，應從以下幾個方面考慮

菌種：應選用高產(chǎn)穩(wěn)定、適應性強的優(yōu)良生產(chǎn)菌株

；原料：來源廣泛（易采購、價廉）,利用率高；有替代品;

發(fā)酵過程：易于控制，可實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)，以控制產(chǎn)品質量培養(yǎng)方式:盡量提高設備的利用率和勞動生產(chǎn)率，如果采用的是分批培養(yǎng)方式，則要盡量縮短生長周期，或采用補料分批提高發(fā)酵產(chǎn)量。一、概述在開發(fā)一個新的發(fā)酵產(chǎn)品時，應從以下幾個方面考慮(續(xù))動力費用：充分利用動力和熱量，最大限度降低單位能耗后處理：產(chǎn)物回收和純化過程要簡便、快速；投資額要求：對發(fā)酵及輔助設備的投資額要盡可能低，且要求設備對不同的發(fā)酵產(chǎn)品有一定的通用能力；廠房規(guī)劃及設計：建筑利用率高，要考慮發(fā)展余地；清潔（潔凈）生產(chǎn):排放物的數(shù)量和濃度應小，這樣可減少物料的損失，降低廢水處理的開支。一、概述發(fā)酵產(chǎn)品成本的主要組成原材料公用設施（動力費、污水處理費）；工資及管理費；固定資產(chǎn)折舊費；銷售費用；其它費用?？偝杀举M用=生產(chǎn)成本+銷售費用+管理費用+財務費用

+銷售稅金及附加一、概述二、影響發(fā)酵產(chǎn)品成本的主要因素

從發(fā)酵生產(chǎn)的角度看，影響發(fā)酵成本的因素主要包括：菌株性能培養(yǎng)基成分無菌空氣用量攪拌功率發(fā)酵生產(chǎn)方式發(fā)酵產(chǎn)物的分離純化發(fā)酵規(guī)模三廢的綜合利用與循環(huán)使用。。。等方面。對發(fā)酵生產(chǎn)成本進行分析的目的：一是可以看出哪些環(huán)節(jié)可以進一步降低生產(chǎn)成本；二是可以看出該發(fā)酵產(chǎn)品是否具有較好的經(jīng)濟效益。①提高篩選效率很重要分離一支有價值的菌株并不容易，通常要花費較長的時間和代價，甚至花費了大量的精力仍一無所獲。

（1）菌株選育對發(fā)酵成本的影響一般來說，菌種選育約占生產(chǎn)成本的20%-60%，篩選具有優(yōu)良性能的菌株和對菌株進行改良是降低生產(chǎn)成本的有效途徑。a優(yōu)良生產(chǎn)菌株的篩選②除了注意高產(chǎn)外，還應考慮提高發(fā)酵過程經(jīng)濟效益的其他性能因素。例1

耐熱性：在篩選菌體蛋白生產(chǎn)株時，國外曾選定了耐熱放線菌，這是由于：此菌可在５５℃生長，所以可節(jié)約冷卻水；該菌體蛋白富含甲硫氨酸，可用作強化蛋白添加劑；該菌菌體系由菌絲構成，簡單的過濾技術即可獲得產(chǎn)品。（1）菌株選育對發(fā)酵成本的影響a優(yōu)良生產(chǎn)菌株的篩選例2ICI公司選定生產(chǎn)scp的菌株時，考慮了幾個經(jīng)濟技術指標：有較高的甲醇同化效率（利用石油發(fā)酵）。增長速率快。連續(xù)培養(yǎng)中遺傳性能穩(wěn)定。菌體蛋白營養(yǎng)價值高，且不存在毒性和病原性。

例3英國卜內(nèi)門化學工業(yè)有限公司

Aumstrup(1977)在篩選產(chǎn)酶菌株時，確定了下列目標：

產(chǎn)酶單位高；遺傳性能穩(wěn)定；不產(chǎn)或少產(chǎn)雜酶；能充分利用培養(yǎng)基。

改良成本與改良后效益相比很小只要突變株的青霉素生產(chǎn)單位數(shù)提高10%,那么對一個年產(chǎn)450噸的青霉素工廠來說，其一年內(nèi)增加的產(chǎn)值可超過選育費用的三倍。（1）菌株選育對發(fā)酵成本的影響b生產(chǎn)菌株的改良

菌株改良方法：誘變育種、雜交育種、基因工程育種、代謝工程育種等。價格影響因素種植面積和收獲情況市場需求量貯存問題需建大容量倉庫；占用大量流動資金，影響資金周轉；變質的危害。降低培養(yǎng)基成本的主要方法篩選發(fā)酵單位數(shù)較高的培養(yǎng)基配方；選用價格較低的C、N源組分。

（2）發(fā)酵培養(yǎng)基成本分析a碳源

約占總成本的38%-73%主要來源：淀粉糖蜜等農(nóng)副產(chǎn)品在確定培養(yǎng)基配方時，不僅要比較它們的單耗成本，而且還要考慮通風量與攪拌功率。（黏度、溶氧）工業(yè)廢料的利用

優(yōu)點：以此作為廉價C源，主要意義在其社會效益顯著，保護了環(huán)境。缺點：經(jīng)濟效益不如傳統(tǒng)原料高。a碳源（續(xù)）

原材料中礦物質所占比重一般較小，其中較高的為磷酸鹽，且要求是食用級的而不是肥料級的。

培養(yǎng)基用的鉀、鎂、鋅、鐵鹽，應采用它們的硫酸鹽而不是氯化物。b礦物質（無機鹽）（2）發(fā)酵培養(yǎng)基成本分析加熱直接滅菌空氣：耗能太大，不適合工業(yè)應用。利用壓縮熱進行空氣的熱滅菌，其最經(jīng)濟的無菌空氣生產(chǎn)規(guī)模為50~150m3/min。單級壓縮后再經(jīng)空氣過濾器的最經(jīng)濟的生產(chǎn)規(guī)模為140~570m3/min。

空氣過濾器的總操作費：（1）大小與動力費的關系（2）除菌效率上考慮（3）過濾介質的選擇

（3）無菌空氣與通氣攪拌成本分析a無菌空氣通風費與攪拌費相互關聯(lián)，最佳的通風比和攪拌轉速，應在工藝允許的范圍內(nèi)，以兩者合計的動力費和設備維修費為最低來確定。在分批培養(yǎng)的不同時期，需氧量有所不同，最適通風比與攪拌轉速亦會改變，應根據(jù)工藝要求設計，使整個運轉費最低。

（3）無菌空氣與通氣攪拌成本分析b通風攪拌發(fā)酵生產(chǎn)中，需要加熱與冷卻的工序大體有：培養(yǎng)基的加熱滅菌（或者淀粉質原料的蒸煮糊化），然后冷卻到接種溫度；發(fā)酵罐及輔助設備的加熱滅菌與冷卻；發(fā)酵熱的冷卻，發(fā)酵恒溫；產(chǎn)物提煉與純化過程的蒸發(fā)、蒸餾、結晶、干燥等。節(jié)約冷卻水用量的辦法

采用氣升式發(fā)酵罐；選育嗜熱或耐熱的生產(chǎn)菌株；改變原料路線，少用烴類原料。

（4）動力費（加熱、冷卻）成本分析淀粉質原料酒精發(fā)酵中的節(jié)能問題無蒸煮發(fā)酵或低溫蒸煮發(fā)酵濃醪發(fā)酵高溫發(fā)酵蒸餾流程中的熱泵節(jié)能和汽相過塔余熱利用和廢醪沼氣發(fā)酵回收燃燒值（4）動力費（加熱、冷卻）成本分析（5）培養(yǎng)方式成本分析a分批培養(yǎng)

優(yōu)點：操作簡單、技術容易掌握，易于控制雜菌的污染。缺點：設備利用率較低，培養(yǎng)開始時較高的培養(yǎng)基濃度易造成底物抑制及副產(chǎn)物的形成。此外，發(fā)酵中后期，營養(yǎng)物的消耗不利于發(fā)酵產(chǎn)品的積累。適用菌種：不受底物抑制，具有較強的基質轉化能力和生產(chǎn)效率的菌種，如酒精的發(fā)酵。分批培養(yǎng)時，在整個操作周期中的平均生產(chǎn)能力為：P—生產(chǎn)能力，〔gcell（或產(chǎn)物）／(L·h)〕

Xf—最終細胞濃度，（g/l）；X0—初始細胞濃度，(g/l)μm—最大比生長率，(h－1)；tL—生長遲緩期的時間，(h);（5）培養(yǎng)方式成本分析a分批培養(yǎng)

提高平均生產(chǎn)能力的措施：增加接種量，X0值增大；接種時接入處于生長旺盛期的種子，可以有效地縮短tL;選育μm值較大的生產(chǎn)菌株或高產(chǎn)菌株;輔助操作所占用時間的影響，對發(fā)酵周期較短的過程影響很大；而對長周期發(fā)酵產(chǎn)品則影響較小。（5）培養(yǎng)方式成本分析b補料分批培養(yǎng)

優(yōu)點：可將營養(yǎng)物濃度控制在最適合微生物生長與代謝的水平，從而消除發(fā)酵初期底物抑制，延長產(chǎn)物發(fā)酵時間，提高產(chǎn)品的收得率。此外，碳源、氮源的流加可用來控制發(fā)酵過程的RQ、DO及PH的變化，減少或免除酸堿的使用。缺點：裝料容積較少，設備利用率有所下降；易造成雜菌污染。適用菌種：存在底物抑制或營養(yǎng)物濃度高時易導致副產(chǎn)品形成的菌種，如青霉素發(fā)酵。（5）培養(yǎng)方式成本分析c連續(xù)培養(yǎng)

優(yōu)點：生產(chǎn)能力較高，設備利用率高，易于實現(xiàn)自動控制，勞動生產(chǎn)率高。缺點：輔助設備多，成本較高，不易控制雜菌污染。適用菌種：菌體比生長速率較高、遺傳性狀穩(wěn)定以及不易污染雜菌的菌種，如單細胞蛋白的生產(chǎn)。將連續(xù)培養(yǎng)與分批培養(yǎng)的生產(chǎn)能力相比較，得

xm—最大細胞濃度；x0—起始細胞濃度；

μm—最大比生長速率；DC—臨界稀釋速率；

Y—細胞得率系數(shù)（對限制性基質）；

一般對生長較快的菌株來說，采用連續(xù)培養(yǎng)是很有利的。以后處理成本為主的發(fā)酵不適合進行連續(xù)發(fā)酵。下游工藝的優(yōu)劣對產(chǎn)品成品的影響主要表現(xiàn)在：影響著成本的最終收得率；提取過程動力費用大；提取過程要耗用大量的溶劑、吸附劑、中和劑等輔助材料；設備投資大，有的已占有全廠設備總投資額的80%，或是發(fā)酵設備投資額的5~6倍。

（6）發(fā)酵產(chǎn)品分離純化的成本分析提取收得率是后處理中判斷工藝是否優(yōu)越的重要指標。對于同一種發(fā)酵產(chǎn)品，提取工藝不同時，其技術經(jīng)濟指標的差異很大。最合理的產(chǎn)品提純工藝：工藝簡單、耗費低、純度高

且收得率高。

從理論上說，規(guī)模越大越經(jīng)濟。規(guī)模大小與成本的關系可用下列經(jīng)驗式：

n—規(guī)模系數(shù)(啤酒:n=0.6;SCP:n=0.7~0.8)（7）發(fā)酵規(guī)模的成本分析發(fā)酵規(guī)模（續(xù)）

具體確定規(guī)模時,還要考慮以下節(jié)約性因素：設備可獲得的最大通氣能力(傳質);冷卻能力(傳熱);制造技術水平和運輸安裝等問題超大型罐的設計力求減少設備投資費和操作費，致力于提高傳氧效率且結構簡單。裝置的使用壽命直接影響著折舊費的大小。在籌建或擴建一個發(fā)酵工廠時，除了應慎重考慮設備的放大方案、市場需求和原料來源等因素外，還應注意水、電、汽的配套或供應問題。

及時了解原材料和產(chǎn)品的市場行情，并收集、分析國內(nèi)外的有關經(jīng)濟信息，預測今后的變化趨勢，及早做好應變的準備。為了增加對原材料變動的應變能力，需有能吃其他代用原料的備用菌種或者為同一生產(chǎn)株篩選好幾個培養(yǎng)基配方，以便按照市場的供應情況，隨時更換菌種或配方。在新產(chǎn)品的開發(fā)方面，要根據(jù)國民經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃，并對今后的市場需求進行可行性分析，然后再做定論。

（8）發(fā)酵規(guī)模的成本分析（1）產(chǎn)物濃度（2）生產(chǎn)效率（3）基質轉化率（4）單位產(chǎn)品的能耗一個新菌種、新工藝、新材料或新設備，在發(fā)酵生產(chǎn)中有沒有推廣和應用價值，主要是看它的技術經(jīng)濟指標是否先進。主要技術經(jīng)濟指標：三、發(fā)酵過程的經(jīng)濟學評價（1）

產(chǎn)物濃度產(chǎn)物濃度的表示方法：g/L、%、v/v、U/mL（發(fā)酵單位或發(fā)酵效價）發(fā)酵產(chǎn)物濃度高的優(yōu)點：①發(fā)酵液產(chǎn)物濃度高，產(chǎn)物提取收得率也相應高，可減輕產(chǎn)品提取與分離工序的操作負荷，節(jié)省能源；

②

在萃取、沉淀、結晶、離子交換等分離操作單元工藝中，提取廢液中產(chǎn)物的殘余量往往是不變的，由具體的操作條件決定。在此情況下，較高的產(chǎn)物濃度將提高產(chǎn)物的回收率。三、發(fā)酵過程的經(jīng)濟學評價產(chǎn)物濃度在一定情況下可以代表菌種和發(fā)酵水平的高低。（2）

生產(chǎn)效率定義：又稱發(fā)酵效率，是指單位操作時間、單位發(fā)酵體積所產(chǎn)生的發(fā)酵產(chǎn)物量，它是評價發(fā)酵生產(chǎn)的主要指標之一。

表示方法：①發(fā)酵過程的生產(chǎn)效率指發(fā)酵過程中單位時間內(nèi)單位發(fā)酵體積所產(chǎn)生的發(fā)酵產(chǎn)物量，以kg/(m3·h)或g/(L·h)；

②

發(fā)酵設備的生產(chǎn)能力指在一定時間內(nèi)單位發(fā)酵灌容積所產(chǎn)生的發(fā)酵產(chǎn)物量kg/(m3·年)表示

。

與設備有效運轉時間、輔助時間、維修時間及發(fā)酵罐裝料系數(shù)等有關，能更全面地反映發(fā)酵生產(chǎn)效率。三、發(fā)酵過程的經(jīng)濟學評價（3）

基質轉化率定義：指發(fā)酵工藝中所使用的主要基質（一般指碳源或其他成本較高的基質）轉化為發(fā)酵產(chǎn)物的得率，常以g/kg或%表示

。