1、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n 菌株菌株 发酵工程原理发酵工程原理 反应过程（代谢、工艺过程及控制）反应过程（代谢、工艺过程及控制）后处理后处理 发酵经济学发酵经济学 发酵产品及发酵工厂设计（具体工艺、设备、效益分析）发酵产品及发酵工厂设计（具体工艺、设备、效益分析）前言前言在开发一个新的发酵产品时，应从以下几个方面考虑在开发一个新的发酵产品时，应从以下几个方面考
2、虑（1）总投资额应尽可能低。）总投资额应尽可能低。（2）发酵原料来源应广泛、价格低廉、易于采购、运输和有较高的利用）发酵原料来源应广泛、价格低廉、易于采购、运输和有较高的利用率，而且通常要有替代品。率，而且通常要有替代品。（3）发酵生产菌种应是高产稳定、适应性强的优良生产菌株；）发酵生产菌种应是高产稳定、适应性强的优良生产菌株；（4）发酵过程应易于控制，且可实现自动控制，以控制产品的质量；）发酵过程应易于控制，且可实现自动控制，以控制产品的质量；（5）发酵过程中尽量提高设备的利用率减少非生产时间。）发酵过程中尽量提高设备的利用率减少非生产时间。（6）发酵生产过程中应充分利用动力和热量，最大限度
3、降低单位能耗；）发酵生产过程中应充分利用动力和热量，最大限度降低单位能耗；（7）发酵产物的回收和纯化过程要简便、快速，以降低分离纯化成本并）发酵产物的回收和纯化过程要简便、快速，以降低分离纯化成本并减少总生产时间；减少总生产时间；（8）“三废三废”排放和处理排放和处理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原材料公用设施（动力费、污水处理费）；公用设施（动力费、污水处理费）；工资及管理费；工资及管理费；固定资产折旧费；固定资产折旧费；销售费用；销售费用；其它费用。其它费用。总成本费用总成本费用=生产成本生产成本+销售费用销售费用+管理费用管理费用+财务费用财务费用 +销售税金及附加销
4、售税金及附加盈亏平衡点产量费用(价值)固定成本可变成本总成本销售收入优良菌株选育优良菌株选育 分离一支有价值的菌株并不容易，通常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。大量的精力仍一无所获。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：热放线菌，这是由于：此菌可在此菌可在生长，所以可节约冷却水；生长，所以可节约冷却水；该菌体蛋白富
5、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该菌菌体系由菌丝构成，简单的过滤技术即可获得产品。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。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
6、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%,那么对一个年产那么对一个年产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。育费用的三倍。糖化酶生产株糖化酶生产株 UVB-11-1-3形态回复突变株具有形态回复突变株具有发酵单位高、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、发酵
7、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固体曲时降低固体曲时降低50%左右。左右。代谢工程育种代谢工程育种 培养基成本分析培养基成本分析碳源碳源（用量最多）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
8、的选用价格较低的C、N源组分源组分。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
9、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。后者腐蚀设备。后者腐蚀设备。无菌空气利用空气过滤器过滤空气是工业生产中最常用、最经济的无菌空气制备方法。一般工艺流程是：利用空气压缩机将空气压入储气罐；储气罐中空气通过净化罐除去小颗粒物质；在经过热空气冷却装置以及除水除油设备除去空气中的水蒸气和油（采用无油压缩机不需要除油）；最后，空气经过多级空气过滤器除去空气中的微生物获得具有压力和流量的无菌空气，其温度与发酵温度基本一致。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。加热直接灭菌空气：耗能太
10、大，不适合工业应用。利用压缩热进行空气的热灭菌利用压缩热进行空气的热灭菌，其最经济的无菌空气其最经济的无菌空气生产规模为生产规模为50150m3/min。单级压缩后再经空气过滤器的最经济的生产规模为单级压缩后再经空气过滤器的最经济的生产规模为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
11、费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。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。最低。动力费（加热、冷却）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：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
12、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
13、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）(Lh)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);辅助ttxxln1xPL0fmf 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
14、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。补料发酵n优点消除发酵初期底物抑制，减少副产物的形成，延长产物发酵时间，提高产品收得率。缺点开始时装料系数小，设备利用率有所下降；培养基流加需添加辅助设备，易造成杂菌污染。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
15、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）；YDxxxtxxcmmmm00ln辅助分批培养生产能力连续培养生产能力当发酵采用的微生物不受底物抑制，具有较强的基质转化能力和生产效率时，可采用分批发酵，对设备的要求低。微生物能高效地利用基质、菌种遗传性能稳定及抗杂菌污染能力强，可采用连续发酵。以发酵后处理成本为主的发酵不适于进行连续发酵，因为产物浓度低，提取成本高，可采用分批补料发酵。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
16、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、中和剂等辅助材料；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设备投资大，有的已占有全厂设备总投资额的80%，或是或是发酵设备投资额的发酵设备投资额的56倍。倍。提取收得率是后处理中判断工艺是否优越的重提取收得率是后处理中判断工艺是否优越的重要指标。要指标。对于同一种发酵产品，提取工艺不同时，其技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术经济指标的差异很大。发酵规模发酵规模从理论上说，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
17、验式：规模大小与成本的关系可用下列经验式：n规模规模成本成本 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 超大型罐的设计力求减少设备投资费和操作费，致力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。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
18、小。在筹建或扩建一个发酵工厂时，除了应慎重考虑设备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。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，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
19、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程的经济学评价n产物浓度产物浓度产物浓度一般以产物浓度一般以g/L表示，也有用质量百分比表表示，也有用质量百分比表示示 n生产效率生产效率又称发酵速率，是指单位操作时间、单位发酵体又称发酵速
20、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。生产效率有如下两种表示方法：主要指标之一。生产效率有如下两种表示方法：发酵过程的生产速率和发酵设备的生产能力。发酵过程的生产速率和发酵设备的生产能力。n（1）发酵过程的生产速率n发酵过程的生产速率指发酵过程中，单位时间内单位发酵体积所产生发酵产物量，以kg/(m3h）或g/(Lh）表示。对于连续发酵，其生产速率是不变的；而对于分批发酵，其生产速率随时间而变，一般可用平均生产速率表示：n（2）发酵设备的生产能力：指在一定时间内单位发酵罐容积所产生的发酵产物量。发酵设备的生产能力，不仅包括设备的有效运转时间、辅助时间和维修时间，而且与发酵罐的装料系数等有关，因而它更能全面反映发酵生产的效率。n基质转化率基质转化率是指发酵工艺中所使用的主要基质（一般指碳源或其它成本较高的基质）转化为发酵产物的得率，常以g/kg或表示。对于微生物代谢产物的发酵，基质转化率通常是指发酵使用的碳源转化为目的产物的得率；对于细胞产品，则指碳源合成细胞的得率；对于生物转化产品，基质转化率表示前体物质转化为产物的得率；对于活性物质产品，基质转化率的含义中还必须包括活力单位。n单位产品的能耗单位产品的能耗，包括水、电、汽总的消耗量，一般用生产每吨产品所消耗的水、电、蒸汽来表示。
