第十一章-发酵经济学

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1、以最低的投资设置可靠的发酵罐及其附属设备；而且能应用于一定范围的产品种类的发酵过程；2、原料的价格尽可能的低，利用效率尽可能的高。即使对一个成熟产品的发酵原料，也应不断地予以研究和调整；3、所使用的微生物菌株的生产能力是最高的；4、尽可能少地使用劳动力，在适当的步骤中采用自动化；5、如果使用分批发酵法，要求在最短周期中，得到最大的产量；并尽量发挥设备的潜力。为达到这个目的，力争采用分批补料发酵或连续发酵；6、以最简单和快速的过程进行产品的回收和精制；7、废弃物的排放量应是最少的；8、热和动力的利用是时分充分的；9、厂房的占地面积最少，但仍留有可发展的余地。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）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%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5~10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10~20%。在这类发酵中，搅拌和氧传递费用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10~15%。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。