發(fā)酵工程余龍江版第14章發(fā)酵經(jīng)濟學.ppt

1、第14章 發(fā)酵經(jīng)濟學,本章內(nèi)容,前言 優(yōu)良菌株選育 培養(yǎng)基成本分析 無菌空氣與通氣攪拌 動力費（加熱、冷卻） 培養(yǎng)方式 后處理成本 發(fā)酵規(guī)模 市場經(jīng)濟信息分析及管理技術(shù),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）,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(zhì)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，

2、或采用補料分批提高發(fā)酵產(chǎn)量。,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。,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。,總成本費用=生產(chǎn)成本+銷售費用+管理費用+財務費用 +銷售稅金及附

3、加,盈虧平衡點,產(chǎn)量,費用 (價值),固定成本,可變成本,總成本,銷售收入,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。,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,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(gòu)成，簡單的過濾技術(shù)即可獲得產(chǎn)品。,ICI公司選定生產(chǎn)scp的菌株時，考慮了幾個經(jīng)濟技術(shù)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

4、養(yǎng)價值高，且不存在毒性和病原性。,ICI公司-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。,生產(chǎn)菌株的改良,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。 糖化酶生產(chǎn)株 UVB-11-1-3形態(tài)回復突變株具有發(fā)酵單位高、發(fā)酵周期短、通風量小、培養(yǎng)溫度允許較高、酶系較純、成本較低等優(yōu)點，噸酒精的耗糖化酶成本可比使用UV-11固體曲時降低50%左右。 代謝工程育種,碳源,價格影響因素

5、 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(zhuǎn)； 變質(zhì)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。,發(fā)酵培養(yǎng)基成本分析,碳源（續(xù)）,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。 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。,礦物質(zhì)（無機鹽）,原材料中礦物質(zhì)所占比重一般較小，其中價高的為磷酸鹽，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 。,無菌空氣

6、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50150m3/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140570 m3/min。 空氣過濾器的總操作費： （1）大小與動力費的關(guān)系 （2）除菌效率上考慮 （3）過濾介質(zhì)的選擇,通風攪拌成本分析,通風費與攪拌費相互關(guān)聯(lián)，最佳的通風比和攪拌轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速亦會改變，應根據(jù)工藝要求設計，使整個運轉(zhuǎn)費最低。,動力費（加熱、冷卻）的成本分析,發(fā)酵生產(chǎn)中，需要加熱

7、與冷卻的工序大體有： 培養(yǎng)基的加熱滅菌（或者淀粉質(zhì)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(jié)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。,淀粉質(zhì)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,培養(yǎng)方式,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，g cell（或產(chǎn)物）(Lh) Xf最終細胞濃度，（g/l）； X0初始細胞濃度，(g

8、/l) m最大比生長率，(h1)； tL生長遲緩期的時間，(h);,不同培養(yǎng)方式的成本對比分析,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m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。,連續(xù)培養(yǎng)的主要優(yōu)點是生產(chǎn)能力較高， 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； m 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(zhì)）；,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

9、不適合進行連續(xù)發(fā)酵 。,發(fā)酵產(chǎn)品分離純化-后處理成本,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56倍。,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(shù)經(jīng)濟指標的差異很大 。,發(fā)酵規(guī)模的成本分析,從理論上說，規(guī)模越大越經(jīng)濟。 規(guī)模大小與成本的關(guān)系可用下列經(jīng)驗式：,n規(guī)模系數(shù)(啤酒: n=0.6; SCP: n=0.70.8),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

10、素： 設備可獲得的最大通氣能力(傳質(zhì)); 冷卻能力(傳熱); 制造技術(shù)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(jié)構(gòu)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。,市場經(jīng)濟信息分析及管理技術(shù),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(guān)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

11、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。,發(fā)酵過程的經(jīng)濟學評價,產(chǎn)物濃度 生產(chǎn)效率 基質(zhì)轉(zhuǎn)化率 單位產(chǎn)品的能耗,1、產(chǎn)物濃度,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。 表示方法： g/L %（v/v） U/mL（發(fā)酵單位或發(fā)酵效價）,發(fā)酵液產(chǎn)物濃度高，提取收得率也相應高，且可減輕產(chǎn)品提取與分離工序的操作負荷； 較高產(chǎn)物濃度將提高產(chǎn)物的回收率。,2、生產(chǎn)效率,生產(chǎn)效率又稱發(fā)酵速率，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： 發(fā)酵過程的生產(chǎn)速率 發(fā)酵設備的生產(chǎn)能力,發(fā)酵過程的生產(chǎn)速率,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/（m3h）或 g/（Lh） 對分批發(fā)酵： 平均生產(chǎn)速率=（最終產(chǎn)物濃度