第十七章发酵经济学.ppt

1、第十一章 发酵经济学,本章为自学内容，要求了解发酵过程中各单元操作的费用及其控制方法。,第一节 概述,发酵经济学主要讲述关于发酵行业的产品开发、投资建厂、生产加工、市场需求、市场经营相关内容，以控制生产成本、增加产品功能和扩大市场需求为重点。,1、能够生产出优秀产品满足市场需求 2、能够有效的控制和降低成本,一、一个好企业应具备的条件,一、要使发酵最经济，应做到下列九点,三、了解市场需求,市场需要是产品研发和生产的基础，它决定产品能否被市场接受和存在多大的市场规模，直接决定产品的利润空间和产品的前途。,只有少数产物的生产是属于低产值-大体积，如溶剂、有机酸和单细胞蛋白质。大约有100种十分重要

2、的有机化合物是由微生物发酵生产是经济的。例如：乙醇、正丁醇、丙酮、甘油和醋酸。一些化学分子结构复杂，或对热不稳定化合物利用微生物发酵进行生产，其全过程具有经济上的可行性。如采用多步骤化学合成法生产，则其成本是较昂贵的。,发酵产物生产可分为二大类，即低产值-大体积；高产值-小体积。,抗生素、甾体、L型氨基酸、维生素等都属于高产值-小体积的范畴。,四、开发新产品,1、开发符合市场需求的产品； 2、确定开发的技术水平和难度，确保开发成功； 3、确定开发费用，一定要量力而行； 4、产品开发的准备可行性要高； 5、要控制开发进度，缩短开发时间； 6、开发的产品要容易实现工业化生产。,开发新产品要遵循以下

3、几个原则：,第二节 产品成本控制,产品成本涉及内容广泛，在此主要讨论产品的生产成本。对于产品的生产成本主要包括生产菌种、生产工艺、生产原辅料和产品提取纯化等各步骤的费用。,分离筛选重要的工业微生物，要消耗较长时间和较大的代价，尤其是筛选新抗生素。如Pfizer公司，为了要筛选一个广谱抗生素而花费了1430000英镑，结果只得到土霉素。因此要充分利用已经发展起来的各种菌种筛选方法，如选择性培养筛选、富集培养分离筛选等，以提高菌种的筛选效率，降低筛选风险。另外，应该尽量筛选发酵过程中费用低廉的优良菌种。如在单细胞蛋白质的生产研究中，可筛选嗜热放线菌（Thermoactinomyces），因为：（1

4、）它的最适生长温度为55，可以节省冷却费用；（2）在蛋白质中，甲硫氨酸含量较高，可以作为饲料蛋白质的添加剂；（3）菌体呈丝状，可以简化从发酵液中获得菌体的过滤技术。,一、选育优良菌种,1、优良菌种的筛选,2、生产菌种的改良,利用诱变和选育以改良菌种，对一个已成熟的发酵工艺过程而言，是提高经济效益的有效途径。如：利用诱变改良菌种，并结合培养基的改进，明显增加了青霉素的产量，它从1940年100U/ml上升到目前的80000U/ml左右。要注意的是：在诱变和选育工作上的时间和金钱的投资额，需视生成规模而定。例如：有一个发酵过程，其年产量为453600公斤，每公斤产值为23.5便士，如果使产量增加1

5、%时只能增加1070英镑收入，因而不值得投资支持菌种选育计划。如果生成规模扩大十倍，即使也只提高1%产量，增加的产值就是10700英镑，这些收入足以支付菌种的研究费用。如果可提高10%产量，则可使产值增加到107000英镑，这时，经济效益就大大超过菌种选育的费用。,二、培养基成本分析,生产培养基的成本，在总成本中占很大比重，可达38-72%。有机碳源通常是发酵成本中的主要组成。天然物料的价格会比较底，但受到其他需求的竞争和收获量的影响。选择具体的原料时，宁可选用当地价格低廉者，而不用工艺上“最佳”底物。培养基的贮存、装卸、管理和混合等费用也应该考虑在内。为进一步降低成本，可考虑采用工农业废物作

6、为培养基。,三、工厂与设备规模,一般认为设备越大，生产越经济，然而在成本与设备大小之间有个经验关系。按照这个关系，随着设备的增加，成本也随之增加。,n是一个指数或等级因素。在酿造业中的n值，Pratten认定为0.6。单细胞蛋白质工厂则为0.7或0.8。,关于发酵罐规模的大小的决定，还受到许多因素的限制，如冷却、通气量和发酵罐的建造方法等。发酵罐的体积是与r3（发酵罐的半径）成正比。发酵罐的表面积也是与r2成比例。因此，放大容器，势必降低表面积对容积的比值，因而降低发酵罐的夹套冷却效率。所以，当发酵罐容积超过一定值以后，就难以利用其表面积作充分的热交换以保持恒温培养。除非利用内蛇管或外循环热交

7、换器增加冷却能力。添置这类设施，必定会增加成本，或干扰发酵罐内的搅拌效果。另一方法是更换生产菌株，它是能适应较高温度发酵的。发酵过程对氧的需求，限制了发酵罐无限地放大。在醋酸生产中，有效的通气是极度重要的。在1977年最大的醋酸生产罐容积是50M3。,四、能源费用,1、无菌空气的制备,供应大量的灭菌空气，是需氧发酵时十分重要的问题。虽然可利用热灭菌技术，但操作费用过于昂贵。Richards曾设计过利用热对空气进行灭菌的方案。他估计处理每分钟283M3的空气，所需的热量为每分钟33000CHU；并且还需相同的冷却负荷，每小时的操作费用为510英镑。目前进行空气除菌的最好方式是将压缩空气通过纤维或

8、颗粒物质的深床过滤。过滤器的投资费用取决于它的大小，主要是截面积。,几乎所有的发酵都需要各种形式的混合，以保持培养环境的均一性；有些发酵也需要通入空气。按照通气的情况，可以将发酵粗略地分为：（1）厌氧发酵，即在发酵时不宜有游离氧存在，如丁醇丙酮发酵；（2）发酵时只需要供应少量氧气，如乙醇发酵；（3）需氧发酵，发酵时需要大量氧，如抗生素、乙酸和单细胞蛋白质发酵。第一、二种发酵，通气费用不是经济上主要考虑的问题。需氧量较高的发酵，必需有适当功率的搅拌以保持均一的发酵环境，并分散引入的空气流。在早期的资料中，酵母生产时，所需要的压缩空气能量支出占生产总成本的1020%。在这类发酵中，搅拌和氧传递费用

9、仍只占生产总成本的1.9%。即使其费用只占生产总成本中一小部分，但研究人员普遍认为氧的供应是这类发酵的限制因素。,2、通气和搅拌,理想的发酵过程是省略了加热和冷却，但这是不可能的。所以设计时要注意如何保存热量和最小的冷却量。发酵过程包括下列加热和冷却步骤：（1）将培养基加热到100及以上，再冷却到35或更低；（2）将发酵罐及其附属设备加热灭菌后再冷却；（3）发酵时会产生热量，必须将这些热量输出，即用冷却处理，使温度保持在微生物生长的规定范围之内；（4）发酵结束后，还需加热将产品中的水分除去。,3、加热和冷却,冷却的需要量，则随工艺的类型及大小而异。英国石油公司曾对一个用正烃或汽油作底物，年产量

10、为10万吨的单细胞蛋白质工厂的冷却量作出估计为11亿千卡。用气升式发酵罐时，由于它的比能量输入量最小，因而减少了冷却的需要量。在单细胞蛋白质生产工厂的投资中，冷却设备费用约占总投资数的1015%。另一条减少冷却成本的途径，是如有可能，尽可能选用最适温度较高的微生物。筛选并使用嗜热和耐热的微生物，能明显地节省冷却费用。,五、培养方式,1、分批发酵,2、连续发酵,六、产物提取和收集的成本,1）产物的损失； 2）过滤和离心设备的能量消耗和维修费用高； 3）在过程中是使用价格较高的熔剂和其他原料。,1、下游工艺对成本的影响主要表现在：,2、不同发酵产品的提取费用的控制要求：,1）使用当地的碳水化合物生

11、产乙醇，培养液中乙醇含量在7%（W/V）时，提取产物的费用应控制在销售价的18%以下； 2）以石油为基本底物生产单细胞蛋白，转化产率为3%（W/V）时，收集产物的费用应控制在销售价的33%以下； 3）对有机酸或甘油，在碳水化合物培养基中产物浓度为10%时，提取收集产物的费用应控制在销售价的42%以下。,七、清洁生产费用,许多发酵工厂的水的消耗量很大。往往由于单位体积产物所消耗的水太多，而使得一些生产工艺在成本上具有弱点。现在，已对减少水的消耗具有广泛的兴趣。Bernstein等曾为奶酪发酵设计一个闭路循环系统使水完全反复利用。在大规模的单细胞蛋白质生产过程中，一个年产量10万吨的工厂，将水重复

12、利用，可使水的消耗量降低至每天10万吨。同时减少废弃物的处理费用，改善对营养物的利用和整个生产。,1、水的消耗和重复利用,2、废弃物的处理,大多数的发酵过程不可能将废弃物的处理费用降到零。不论是采用焚烧、在荒芜地上堆存，或倾倒入下水道、河流或潮水中。但必需为这些处理付出代价以保证环境只受到最少的污染。在英国，允许，直接倒入河流中的废弃物必需保证在5天内的生物需氧量低于20mg/升，固体含量低于30mg/升，而废弃物还要预先经8倍的稀释。显然，只有极少数的未经处理的废弃物是符合这个严格的规定。在多种处理方法能符合经济观点。Pape指出最廉价的处理方法是控制堆积量，随后再予以焚烧，或堆放在废弃的盐矿中。废水的生物降解是工厂中最昂贵的处理方法，但却是常用的方法。因为在废水中只含有少量的有机物，如将它分离、浓缩和焚烧，将是一笔更大的支出。对于废物的处理现在很多工厂都开展了费物再利用的研究，以此来降低处理费用。,