第1页：第十一章 发酵经济学
第十一章 发酵经济学
第2页：本章内容
本章内容
- 前言
- 优良菌株选育
- 培养基成本分析
- 无菌空气与通气搅拌
- 动力费（加热、冷却）
- 培养方式
- 后处理成本
- 发酵规模
- 市场经济信息分析及管理技术
第3页：发酵经济学的构成
发酵经济学由三部分构成：菌株（发酵工程原理）、反应过程（代谢、工艺过程及控制）、后处理，共同支撑发酵产品及发酵工厂设计（具体工艺、设备、效益分析）。
第4页：开发新产品应考虑的因素
在开发一个新的发酵产品时，应从以下几个方面考虑
- 菌种：应选用高产稳定、适应性强的优良生产菌株
- 原料：来源广泛（易采购、价廉），利用率高，有替代品
- 发酵过程：易于控制，可实现自动控制系统，以控制产品质量
- 培养方式：尽量提高设备的利用率和劳动生产率，如果采用的是分批培养方式，则要尽量缩短生长周期，或采用补料分批提高发酵产量
第5页：开发新产品应考虑的因素（续）
在开发一个新的发酵产品时，应从以下几个方面考虑（续）
- 动力费用：充分利用动力和热量，最大限度降低单位能耗
- 后处理：产物回收和纯化过程要简便、快速
- 投资额要求：对发酵及辅助设备的投资额要尽可能低，且要求设备对不同的发酵产品有一定的通用能力
- 厂房规划及设计：建筑利用率高，要考虑发展余地
- 清洁（洁净）生产：排放物的数量和浓度应小，这样可减少物料的损失，降低废水处理的开支
第6页：发酵产品成本的主要组成
发酵产品成本的主要组成
- 原材料
- 公用设施（动力费、污水处理费）
- 工资及管理费
- 固定资产折旧费
- 销售费用
- 其它费用
总成本费用 = 生产成本 + 销售费用 + 管理费用 + 财务费用 + 销售税金及附加
第7页：盈亏平衡点
盈亏平衡点：以产量为横轴、费用（价值）为纵轴，绘出固定成本、可变成本、总成本与销售收入四条曲线，其交点即为盈亏平衡点。
第8页：提高筛选效率的重要性
提高筛选效率很重要：分离一支有价值的菌株并不容易，通常要花费较长的时间和代价，甚至花费了大量的精力仍一无所获。
第9页：耐热菌株的经济性
除了注意高产外，还应考虑提高发酵过程经济效益的其他性能因素——耐热性：在筛选菌体蛋白生产株时，国外曾选定了耐热放线菌，这是由于：
- 此菌可在55℃生长，所以可节约冷却水
- 该菌体蛋白富含甲硫氨酸，可用作强化蛋白添加剂
- 该菌菌体系由菌丝构成，简单的过滤技术即可获得产品
第10页：ICI公司选育SCP菌株的指标
ICI公司选定生产SCP的菌株时，考虑了几个经济技术指标
- 有较高的甲醇同化效率（利用石油发酵）
- 增长速率快
- 连续培养中遗传性能稳定
- 菌体蛋白营养价值高，且不存在毒性和病原性
第11页：产酶菌株的筛选目标
Aumstrup（1977）在筛选产酶菌株时，确定了下列目标
- 产酶单位高
- 遗传性能稳定
- 不产或少产杂酶
- 能充分利用培养基
第12页：生产菌株的改良
生产菌株的改良：改良成本与改良后效益相比很小。
- 只要突变株的青霉素生产单位数提高10%，那么对一个年产450吨的青霉素工厂来说，其一年内增加的产值可超过选育费用的三倍
- 糖化酶生产株UVB-11-1-3形态回复突变株具有发酵单位高、发酵周期短、通风量小、培养温度允许较高、酶系较纯、成本较低等优点，吨酒精的耗糖化酶成本可比使用UV-11固体曲时降低50%左右
- 代谢工程育种
第13页：碳源的价格与降本
碳源——价格影响因素：种植面积和收获情况、市场需求量、贮存问题。
贮存问题：需建大容量仓库；占用大量流动资金，影响资金周转；变质的危害。
降低培养基成本的主要方法：筛选发酵单位数较高的培养基配方；选用价格较低的C、N源组分。
第14页：碳源配方与工业废料
碳源（续）：在确定培养基配方时，不仅要比较它们的单耗成本，而且还要考虑通风量与搅拌功率。
工业废料的利用
- 优点：以此作为廉价C源，主要意义在其社会效益显著，保护了环境
- 缺点：经济效益不如传统原料高
第15页：矿物质
矿物质（无机盐）：原材料中矿物质所占比重一般较小，其中价高的为磷酸盐，且要求是食用级的而不是肥料级的。
培养基用的钾、镁、锌、铁盐，应采用它们的硫酸盐而不是氯化物。
第16页：无菌空气
无菌空气
- 加热直接灭菌空气：耗能太大，不适合工业应用
- 利用压缩热进行空气的热灭菌，其最经济的无菌空气生产规模为50~150 m³/min
- 单级压缩后再经空气过滤器的最经济的生产规模为140~570 m³/min
- 空气过滤器的总操作费：大小与动力费的关系、除菌效率上考虑、过滤介质的选择
第17页：通风搅拌
通风搅拌：通风费与搅拌费相互关联，最佳的通风比和搅拌转速，应在工艺允许的范围内，以两者合计的动力费和设备维修费为最低来确定。
在分批培养的不同时期，需氧量有所不同，最适通风比与搅拌转速亦会改变，应根据工艺要求设计，使整个运转费最低。
第18页：动力费
动力费（加热、冷却）：发酵生产中，需要加热与冷却的工序大体有
- 培养基的加热灭菌（或者淀粉质原料的蒸煮糊化），然后冷却到接种温度
- 发酵罐及辅助设备的加热灭菌与冷却
- 发酵热的冷却，发酵恒温
- 产物提炼与纯化过程的蒸发、蒸馏、结晶、干燥等
节约冷却水用量的办法：采用气升式发酵罐；选育嗜热或耐热的生产菌株；改变原料路线，少用烃类原料。
第19页：酒精发酵的节能
淀粉质原料酒精发酵中的节能问题
- 无蒸煮发酵或低温蒸煮发酵
- 浓醪发酵
- 高温发酵
- 蒸馏流程中的热泵节能和汽相过塔
- 余热利用和废醪沼气发酵回收燃烧值
第20页：分批培养的平均生产能力
培养方式：分批培养时，在整个操作周期中的平均生产能力为
- P—生产能力，〔g cell（或产物）／(L·h)〕
- Xf—最终细胞浓度（g/l）；X₀—初始细胞浓度（g/l）
- μm—最大比生长率（h⁻¹）；tL—生长迟缓期的时间（h）
第21页：提高平均生产能力的措施
提高平均生产能力的措施
- 增加接种量，X₀值增大
- 接种时接入处于生长旺盛期的种子，可以有效地缩短tL
- 选育μm值较大的生产菌株或高产菌株
- 辅助操作所占用时间的影响，对发酵周期较短的过程影响很大；而对长周期发酵产品则影响较小
第22页：连续培养的生产能力
连续培养的主要优点是生产能力较高。将连续培养与分批培养的生产能力相比较：
- xm—最大细胞浓度；x₀—起始细胞浓度
- μm—最大比生长速率；DC—临界稀释速率
- Y—细胞得率系数（对限制性基质）
第23页：连续培养的适用性
- 一般对生长较快的菌株来说，采用连续培养是很有利的
- 以后处理成本为主的发酵不适合进行连续发酵
第24页：后处理成本
后处理成本：下游工艺的优劣对产品成品的影响主要表现在
- 影响着成本的最终收得率
- 提取过程动力费用大
- 提取过程要耗用大量的溶剂、吸附剂、中和剂等辅助材料
- 设备投资大，有的已占有全厂设备总投资额的80%，或是发酵设备投资额的5~6倍
第25页：提取收得率
- 提取收得率是后处理中判断工艺是否优越的重要指标
- 对于同一种发酵产品，提取工艺不同时，其技术经济指标的差异很大
第26页：发酵规模
发酵规模：从理论上说，规模越大越经济。规模大小与成本的关系可用经验式表示，其中 n 为规模系数（啤酒：n=0.6；SCP：n=0.7~0.8）。
第27页：确定规模的考虑因素
发酵规模（续）：具体确定规模时，还要考虑以下节约性因素
- 设备可获得的最大通气能力（传质）
- 冷却能力（传热）
- 制造技术水平和运输安装等问题
- 超大型罐的设计力求减少设备投资费和操作费，致力于提高传氧效率且结构简单
- 装置的使用寿命直接影响着折旧费的大小
在筹建或扩建一个发酵工厂时，除了应慎重考虑设备的放大方案、市场需求和原料来源等因素外，还应注意水、电、汽的配套或供应问题。
第28页：市场经济信息分析及管理技术
市场经济信息分析及管理技术
- 及时了解原材料和产品的市场行情，并收集、分析国内外的有关经济信息，预测今后的变化趋势，及早做好应变的准备
- 为了增加对原材料变动的应变能力，需有能吃其他代用原料的备用菌种，或者为同一生产株筛选好几个培养基配方，以便按照市场的供应情况，随时更换菌种或配方
- 在新产品的开发方面，要根据国民经济发展规划，并对今后的市场需求进行可行性分析，然后再做定论
第29页：思考题
思考题：根据清洁生产的涵义，在发酵生产过程中应该怎样才能做到清洁生产呢？
第30页：发酵过程的经济学评价
发酵过程的经济学评价
