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1、发酵工程余龙江版第发酵工程余龙江版第1414章发章发酵经济学酵经济学本章内容本章内容前言前言优良菌株选育优良菌株选育 培养基成本分析培养基成本分析无菌空气与通气搅拌无菌空气与通气搅拌 动力费（加热、冷却）动力费（加热、冷却）培养方式培养方式后处理成本后处理成本发酵规模发酵规模 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除了注意高产外，还应考虑提高发除了注意高产外，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：线菌，这是由于：此菌可在此菌可在生长
2、，所以可节约冷却水；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。该菌菌体系由菌丝构成，简单的过滤技术即可获得产品。 ICI公司选定生产公司选定生产scp的菌株时，考虑了几个经济技术指标的菌株时，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）。有较高的甲醇同化效率（利用石油发酵）。 增长速率快。增长速率快。连续培养中遗传性能稳定。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。菌体蛋白营养价值高，且不存在毒性和病原性。 ICI公司公司-英国卜内
3、门化学工业英国卜内门化学工业有限公司有限公司 Aumstrup(1977)在筛选产酶菌株时，确定了下列目标在筛选产酶菌株时，确定了下列目标： 产酶单位高；产酶单位高； 遗传性能稳定；遗传性能稳定； 不产或少产杂酶；不产或少产杂酶； 能充分利用培养基。能充分利用培养基。 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只要突变株的青霉素生产单位数提高10%,那么对一那么对一个年产个年产450吨的青霉素工厂来说，其一年内增加的产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。值可超过选育费用的三倍。糖化酶生产株糖化酶
4、生产株 UVB-11-1-3形态回复突变株具有发酵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酶成本可比使用UV-11固体曲时降低固体曲时降低50%左右。左右。代谢工程育种代谢工程育种 碳源碳源 价格影响因素价格影响因素种植面积和收获情况种植面积和收获情况市场需求量市场需求量贮存问题贮存问题需建大容量仓库；需建大容量仓库；占用大量流动资金，影响资金周转；占用大量流动资金，影响资金周转；变质的危害。变质的危害。降低培养基成本的主要
5、方法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；筛选发酵单位数较高的培养基配方；选用价格较低的选用价格较低的C、N源组分源组分。发酵培养基成本分析发酵培养基成本分析 碳源（续）碳源（续）在确定培养基配方时，不仅要比较它们的单耗成本，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。而且还要考虑通风量与搅拌功率。 工业废料的利用工业废料的利用 优点：以此作为廉价优点：以此作为廉价C源，主要意义在其社会效益源，主要意义在其社会效益显著，保护了环境显著，保护了环境 。缺点：经济效益不如传统原料高。缺点：经济效益不如传统原料高。矿物质（无机盐）矿物质（无机盐） 原
6、材料中矿物质所占比重一般较小，其中价高的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。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酸盐而不是氯化物 。无菌空气成本分析无菌空气成本分析加热直接灭菌空气：耗能太大，不适合工业应用。加热直接灭菌空气：耗能太大，不适合工业应用。利利用用压压缩缩热热进进行行空空气气的的热热灭灭菌菌，其其最最经经济济的的无无菌菌空空气气生产规模为生产规模为50150m3/min。单单级级压压缩缩后后再再经经空空气气过过滤滤器器的的最最经
7、经济济的的生生产产规规模模为为140570 m3/min。 空气过滤器的总操作费：空气过滤器的总操作费： （1）大小与动力费的关系）大小与动力费的关系 （2）除菌效率上考虑）除菌效率上考虑 （3）过滤介质的选择）过滤介质的选择通风搅拌成本分析通风搅拌成本分析通风费与搅拌费相互关联，最佳的通风比和搅拌转速，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。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
8、，应根据工艺要求设计，使整个运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。转费最低。 动力费（加热、冷却）的成本分析动力费（加热、冷却）的成本分析发酵生产中，需要加热与冷却的工序大体有：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），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；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；发酵罐及辅助设备的加热灭菌与冷却；发酵热的冷却，发酵恒温；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。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
9、法节约冷却水用量的办法 采用气升式发酵罐；采用气升式发酵罐；选育嗜热或耐热的生产菌株；选育嗜热或耐热的生产菌株；改变原料路线，少用烃类原料。改变原料路线，少用烃类原料。淀粉质原料酒精发酵中的节能问题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无蒸煮发酵或低温蒸煮发酵 浓醪发酵浓醪发酵高温发酵高温发酵蒸馏流程中的热泵节能和汽相过塔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余热利用和废醪沼气发酵回收燃烧值培养方式培养方式 分批培养时，在整个操作周期中的平均生产能力为：分批培养时，在整个操作周期中的平均生产能力为： P生产能力生产能力，g cell（或产物或产物）(L
10、h) Xf最终细胞浓度最终细胞浓度，（g/l）； X0初始细胞浓度初始细胞浓度，(g/l)m最大比生长率最大比生长率，(h1)； tL生长迟缓期的时间生长迟缓期的时间，(h);不同培养方式的成本对比分析不同培养方式的成本对比分析 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，增加接种量，X0值增大值增大 ；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 ;选育选育m值较大的生产菌株或高产菌株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
11、周期发酵产品则影响较小。很大；而对长周期发酵产品则影响较小。连续培养的主要优点是生产能力较高，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将连续培养与分批培 养的生产能力相比较，得养的生产能力相比较，得 xm最大细胞浓度最大细胞浓度； x0起始细胞浓度起始细胞浓度； m 最大比生长速率最大比生长速率；DC临界稀释速率临界稀释速率； Y细胞得率系数（对限制性基质）细胞得率系数（对限制性基质）； 一般对生长较快的菌株来说，采用连续培养是很有利的。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以后处理成本为主的发酵不适合进行连续发酵 。发酵产品分
12、离纯化发酵产品分离纯化-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：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；影响着成本的最终收得率；提取过程动力费用大；提取过程动力费用大；提取过程要耗用大量的溶剂、吸附剂、中和剂提取过程要耗用大量的溶剂、吸附剂、中和剂等辅助材料；等辅助材料；设备投资大，有的已占有全厂设备总投资额的设备投资大，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或是发酵设备投资额的56倍。倍。提取收得率是后处理中判断工艺是否优越提取收得率是后处理中判断工艺是否优越的重要指标。的重要指标。对于同一种发酵产品，提取工艺不同时，对于同一
13、种发酵产品，提取工艺不同时，其技术经济指标的差异很大其技术经济指标的差异很大 。发酵规模的成本分析发酵规模的成本分析从理论上说，规模越大越经济。从理论上说，规模越大越经济。规模大小与成本的关系可用下列经验式：规模大小与成本的关系可用下列经验式： n规模系数规模系数(啤酒啤酒: n=0.6; SCP: n=0.70.8)发酵规模（续）发酵规模（续） 具体确定规模时具体确定规模时, 还要考虑以下节约性因素：还要考虑以下节约性因素：设备可获得的最大通气能力设备可获得的最大通气能力(传质传质);冷却能力冷却能力(传热传热);制造技术水平和运输安装等问题制造技术水平和运输安装等问题 超超大大型型罐罐的的
14、设设计计力力求求减减少少设设备备投投资资费费和和操操作作费费，致致力力于提高传氧效率且结构简单。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装置的使用寿命直接影响着折旧费的大小 。在在筹筹建建或或扩扩建建一一个个发发酵酵工工厂厂时时，除除了了应应慎慎重重考考虑虑设设备备的的放放大大方方案案、市市场场需需求求和和原原料料来来源源等等因因素素外外，还还应应注注意水、电、汽的配套或供应问题。意水、电、汽的配套或供应问题。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，
15、预测今后的变化趋势，及早做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。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，随时更换菌种或基配方，以便按照市场的供应情况，随时更换菌种或配方。配方。在新产品的开发方面，要根据国民经济发展规划，并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。对今后的市场需求进行可行性分析，然后再做定论。 发酵过程的经济学评价发酵过
16、程的经济学评价n产物浓度产物浓度n生产效率生产效率n基质转化率基质转化率n单位产品的能耗单位产品的能耗1、产物浓度 产物浓度在一定情况下可以代表菌种和发酵水平的高低。表示方法：ng/Ln %（v/v）nU/mL（发酵单位或发酵效价）n发酵液产物浓度高，提取收得率也相应高，且可减轻产品提取与分离工序的操作负荷；n较高产物浓度将提高产物的回收率。2、生产效率n生产效率又称发酵速率，是指单位操作时间、单位发酵体积所产生的发酵产物量，它是评价发酵生产的主要指标之一。n表示方法：发酵过程的生产速率发酵设备的生产能力发酵过程的生产速率n发酵过程中单位时间内单位发酵体积所产生的发酵产物量，以kg/（m3h）或 g/（Lh）n对分批发酵： 平均生产速率=（最终产物浓度-初始产物浓度）/发酵周期发酵设备的生产能力n指一定时间内单位发酵罐容积所产生的发酵产物量。Kg/（m3年）n与设备有效运转时间、辅助时间、维修时间及发酵罐装料系数等有关，能更全面地反映发酵生产效率。3、基质转化率n指发酵工艺中所使用的主要基质转化为发酵产物的得率，常以g/kg或%表示。4、单位产品的能耗n生产每吨产品所消耗的水电汽的总消耗量。
