發(fā)酵工程第十章

1、本章內(nèi)容本章內(nèi)容前言前言優(yōu)良菌株選育優(yōu)良菌株選育 培養(yǎng)基成本分析培養(yǎng)基成本分析無菌空氣與通氣攪拌無菌空氣與通氣攪拌 動(dòng)力費(fèi)（加熱、冷卻）動(dòng)力費(fèi)（加熱、冷卻）培養(yǎng)方式培養(yǎng)方式后處理成本后處理成本發(fā)酵規(guī)模發(fā)酵規(guī)模 市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)信息分析及管理技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)信息分析及管理技術(shù)n 菌株菌株 發(fā)酵工程原理發(fā)酵工程原理 反應(yīng)過程（代謝、工藝過程及控制）反應(yīng)過程（代謝、工藝過程及控制） 后處理后處理 發(fā)酵經(jīng)濟(jì)學(xué)發(fā)酵經(jīng)濟(jì)學(xué) 發(fā)酵產(chǎn)品及發(fā)酵工廠設(shè)計(jì)（具體工藝、設(shè)備、效益分析）發(fā)酵產(chǎn)品及發(fā)酵工廠設(shè)計(jì)（具體工藝、設(shè)備、效益分析） 在開發(fā)一個(gè)新的發(fā)酵產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮在開發(fā)一個(gè)新的發(fā)酵產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮

2、菌菌種：應(yīng)選用種：應(yīng)選用高產(chǎn)穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)良生產(chǎn)菌株高產(chǎn)穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)良生產(chǎn)菌株 ；原料：來源廣泛（易采購、價(jià)廉）原料：來源廣泛（易采購、價(jià)廉）, 利用率高；有替代品利用率高；有替代品; 發(fā)酵過程：易于控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，以控制產(chǎn)品發(fā)酵過程：易于控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，以控制產(chǎn)品質(zhì)量質(zhì)量培養(yǎng)方式培養(yǎng)方式: 盡量提高設(shè)備的利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率，如果采用盡量提高設(shè)備的利用率和勞動(dòng)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，或采用補(bǔ)料的是分批培養(yǎng)方式，則要盡量縮短生長周期，或采用補(bǔ)料分批提高發(fā)酵產(chǎn)量。分批提高發(fā)酵產(chǎn)量。在開發(fā)一個(gè)新的發(fā)酵產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮在開發(fā)一個(gè)

3、新的發(fā)酵產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮(續(xù)續(xù))動(dòng)力費(fèi)用：充分利用動(dòng)力和熱量，最大限度降低單位能動(dòng)力費(fèi)用：充分利用動(dòng)力和熱量，最大限度降低單位能耗耗后處理：產(chǎn)物回收和純化過程要簡便、快速；后處理：產(chǎn)物回收和純化過程要簡便、快速；投資額要求：對(duì)發(fā)酵及輔助設(shè)備的投資額要盡可能低，投資額要求：對(duì)發(fā)酵及輔助設(shè)備的投資額要盡可能低，且要求設(shè)備對(duì)不同的發(fā)酵產(chǎn)品有一定的通用能力；且要求設(shè)備對(duì)不同的發(fā)酵產(chǎn)品有一定的通用能力；廠房規(guī)劃及設(shè)計(jì)：建筑利用率高，要考慮發(fā)展余地；廠房規(guī)劃及設(shè)計(jì)：建筑利用率高，要考慮發(fā)展余地；清潔（潔凈）生產(chǎn)清潔（潔凈）生產(chǎn): 排放物的數(shù)量和濃度應(yīng)小，這樣排放物的數(shù)量和濃度應(yīng)小，這樣 可減少

4、物料的損失，降低廢水處理的開支?？蓽p少物料的損失，降低廢水處理的開支。發(fā)酵產(chǎn)品成本的主要組成發(fā)酵產(chǎn)品成本的主要組成原材料原材料公用設(shè)施（動(dòng)力費(fèi)、污水處理費(fèi)）；公用設(shè)施（動(dòng)力費(fèi)、污水處理費(fèi)）；工資及管理費(fèi)；工資及管理費(fèi)；固定資產(chǎn)折舊費(fèi)；固定資產(chǎn)折舊費(fèi)；銷售費(fèi)用；銷售費(fèi)用；其它費(fèi)用。其它費(fèi)用?？偝杀举M(fèi)用總成本費(fèi)用=生產(chǎn)成本生產(chǎn)成本+銷售費(fèi)用銷售費(fèi)用+管理費(fèi)用管理費(fèi)用+財(cái)務(wù)費(fèi)用財(cái)務(wù)費(fèi)用 +銷售稅金及附加銷售稅金及附加盈虧平衡點(diǎn)產(chǎn)量費(fèi)用(價(jià)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提高篩選效率很重要分離一支有價(jià)值的菌株并不容易，通常分離一支有價(jià)值的菌株并不容易，通常要花費(fèi)較長的時(shí)間和代價(jià)，甚

5、至花費(fèi)了要花費(fèi)較長的時(shí)間和代價(jià)，甚至花費(fèi)了大量的精力仍一無所獲。大量的精力仍一無所獲。 除了注意高產(chǎn)外，還應(yīng)考慮提高發(fā)除了注意高產(chǎn)外，還應(yīng)考慮提高發(fā)酵過程經(jīng)濟(jì)效益的其他性能因素酵過程經(jīng)濟(jì)效益的其他性能因素 耐熱性：在篩選菌體蛋白生產(chǎn)株時(shí)，國外曾選定了耐耐熱性：在篩選菌體蛋白生產(chǎn)株時(shí)，國外曾選定了耐熱放線菌，這是由于：熱放線菌，這是由于：此菌可在此菌可在生長，所以可節(jié)約冷卻水；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(qiáng)化蛋白添加劑；該菌體蛋白富含甲硫氨酸，可用作強(qiáng)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。產(chǎn)品。 IC

6、I公司選定生產(chǎn)公司選定生產(chǎn)scp的菌株時(shí)，考慮了幾個(gè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的菌株時(shí)，考慮了幾個(gè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)：有較高的甲醇同化效率（利用石油發(fā)酵）。有較高的甲醇同化效率（利用石油發(fā)酵）。 增長速率快。增長速率快。連續(xù)培養(yǎng)中遺傳性能穩(wěn)定。連續(xù)培養(yǎng)中遺傳性能穩(wěn)定。菌體蛋白營養(yǎng)價(jià)值高，且不存在毒性和病原性。菌體蛋白營養(yǎng)價(jià)值高，且不存在毒性和病原性。 Aumstrup(1977)在篩選產(chǎn)酶菌株時(shí)，確定了下列目標(biāo)在篩選產(chǎn)酶菌株時(shí)，確定了下列目標(biāo)： 產(chǎn)酶單位高；產(chǎn)酶單位高； 遺傳性能穩(wěn)定；遺傳性能穩(wěn)定； 不產(chǎn)或少產(chǎn)雜酶；不產(chǎn)或少產(chǎn)雜酶； 能充分利用培養(yǎng)基。能充分利用培養(yǎng)基。 生產(chǎn)菌株的改良生產(chǎn)菌株的改良 改良成本與改

7、良后效益相比很小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)提高只要突變株的青霉素生產(chǎn)單位數(shù)提高10%,那么對(duì)一個(gè)年產(chǎn)那么對(duì)一個(gè)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(fèi)用的三倍。育費(fèi)用的三倍。糖化酶生產(chǎn)株糖化酶生產(chǎn)株 UVB-11-1-3形態(tài)回復(fù)突變株具有形態(tài)回復(fù)突變株具有發(fā)酵單位高、發(fā)酵單位高、發(fā)酵周期短、通風(fēng)量小、培養(yǎng)溫度允許較高、酶系較純、發(fā)酵周期短、通風(fēng)量小、培養(yǎng)溫度允許較高、酶系較純、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，噸酒精的耗糖化酶成本可比使用成本較低等優(yōu)點(diǎn)，噸酒精的耗糖化酶成本可比使用UV-11固體曲時(shí)降低固體曲時(shí)降低5

8、0%左右。左右。代謝工程育種代謝工程育種 碳源碳源 價(jià)格影響因素價(jià)格影響因素種植面積和收獲情況種植面積和收獲情況市場(chǎng)需求量市場(chǎng)需求量貯存問題貯存問題需建大容量倉庫；需建大容量倉庫；占用大量流動(dòng)資金，影響資金周轉(zhuǎn)；占用大量流動(dòng)資金，影響資金周轉(zhuǎn)；變質(zhì)的危害。變質(zhì)的危害。降低培養(yǎng)基成本的主要方法降低培養(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；篩選發(fā)酵單位數(shù)較高的培養(yǎng)基配方；選用價(jià)格較低的選用價(jià)格較低的C、N源組分源組分。碳源（續(xù)）碳源（續(xù)）在確定培養(yǎng)基配方時(shí)，不僅要比較它們的單耗成本，在確定培養(yǎng)基配方時(shí)，不僅要比較它們的單耗成本，而且還要考慮通風(fēng)量與攪拌功率。而且還要考慮通風(fēng)量與攪拌功率。

9、 工業(yè)廢料的利用工業(yè)廢料的利用 優(yōu)點(diǎn)：以此作為廉價(jià)優(yōu)點(diǎn)：以此作為廉價(jià)C源，主要意義在其社會(huì)效益源，主要意義在其社會(huì)效益顯著，保護(hù)了環(huán)境顯著，保護(hù)了環(huán)境 。缺點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)效益不如傳統(tǒng)原料高。缺點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)效益不如傳統(tǒng)原料高。礦物質(zhì)（無機(jī)鹽）礦物質(zhì)（無機(jī)鹽） 原材料中礦物質(zhì)所占比重一般較小，其中價(jià)高的原材料中礦物質(zhì)所占比重一般較小，其中價(jià)高的為磷酸鹽，且要求是食用級(jí)的而不是肥料級(jí)的。為磷酸鹽，且要求是食用級(jí)的而不是肥料級(jí)的。 培養(yǎng)基用的鉀、鎂、鋅、鐵鹽，應(yīng)采用它們的硫培養(yǎng)基用的鉀、鎂、鋅、鐵鹽，應(yīng)采用它們的硫酸鹽而不是氯化物酸鹽而不是氯化物 。無菌空氣無菌空氣加熱直接滅菌空氣：耗能太大，不適合工業(yè)應(yīng)用。加

10、熱直接滅菌空氣：耗能太大，不適合工業(yè)應(yīng)用。利用壓縮熱進(jìn)行空氣的熱滅菌利用壓縮熱進(jìn)行空氣的熱滅菌，其最經(jīng)濟(jì)的無菌空氣其最經(jīng)濟(jì)的無菌空氣生產(chǎn)規(guī)模為生產(chǎn)規(guī)模為50150m3/min。單級(jí)壓縮后再經(jīng)空氣過濾器的最經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)規(guī)模為單級(jí)壓縮后再經(jīng)空氣過濾器的最經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)規(guī)模為140570 m3/min。 空氣過濾器的總操作費(fèi)：空氣過濾器的總操作費(fèi)： （1）大小與動(dòng)力費(fèi)的關(guān)系）大小與動(dòng)力費(fèi)的關(guān)系 （2）除菌效率上考慮）除菌效率上考慮 （3）過濾介質(zhì)的選擇）過濾介質(zhì)的選擇 通風(fēng)攪拌通風(fēng)攪拌通風(fēng)費(fèi)與攪拌費(fèi)相互關(guān)聯(lián)，最佳的通風(fēng)比和攪拌轉(zhuǎn)速，應(yīng)通風(fēng)費(fèi)與攪拌費(fèi)相互關(guān)聯(lián)，最佳的通風(fēng)比和攪拌轉(zhuǎn)速，應(yīng)在工藝允許的范圍內(nèi)，以

11、兩者合計(jì)的動(dòng)力費(fèi)和設(shè)備維修費(fèi)在工藝允許的范圍內(nèi)，以兩者合計(jì)的動(dòng)力費(fèi)和設(shè)備維修費(fèi)為最低來確定。為最低來確定。在分批培養(yǎng)的不同時(shí)期，需氧量有所不同，最適通風(fēng)比與在分批培養(yǎng)的不同時(shí)期，需氧量有所不同，最適通風(fēng)比與攪拌轉(zhuǎn)速亦會(huì)改變，應(yīng)根據(jù)工藝要求設(shè)計(jì)，使整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)攪拌轉(zhuǎn)速亦會(huì)改變，應(yīng)根據(jù)工藝要求設(shè)計(jì)，使整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)最低。最低。 動(dòng)力費(fèi)（加熱、冷卻）動(dòng)力費(fèi)（加熱、冷卻）發(fā)酵生產(chǎn)中，需要加熱與冷卻的工序大體有：發(fā)酵生產(chǎn)中，需要加熱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），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；然后冷卻到接種溫度；發(fā)酵罐及輔助設(shè)備的加熱滅菌與

12、冷卻；發(fā)酵罐及輔助設(shè)備的加熱滅菌與冷卻；發(fā)酵熱的冷卻，發(fā)酵恒溫；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。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節(jié)約冷卻水用量的辦法 采用氣升式發(fā)酵罐；采用氣升式發(fā)酵罐；選育嗜熱或耐熱的生產(chǎn)菌株；選育嗜熱或耐熱的生產(chǎn)菌株；改變?cè)下肪€，少用烴類原料。改變?cè)下肪€，少用烴類原料。 淀粉質(zhì)原料酒精發(fā)酵中的節(jié)能問題淀粉質(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)酵無蒸煮發(fā)酵或低溫蒸煮發(fā)酵 濃醪發(fā)酵濃醪發(fā)酵高溫發(fā)酵高溫發(fā)酵蒸餾流程中的熱泵節(jié)能和汽相過塔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

13、燃燒值余熱利用和廢醪沼氣發(fā)酵回收燃燒值培養(yǎng)方式培養(yǎng)方式 分批培養(yǎng)時(shí)，在整個(gè)操作周期中的平均生產(chǎn)能力為：分批培養(yǎng)時(shí)，在整個(gè)操作周期中的平均生產(chǎn)能力為：P生產(chǎn)能力生產(chǎn)能力，g cell（或產(chǎn)物或產(chǎn)物）(Lh) Xf最終細(xì)胞濃度最終細(xì)胞濃度，（g/l）； X0初始細(xì)胞濃度初始細(xì)胞濃度，(g/l)m最大比生長率最大比生長率，(h1)； tL生長遲緩期的時(shí)間生長遲緩期的時(shí)間，(h);輔助ttxxln1xPL0fmfhttp:/ 提高平均生產(chǎn)能力的措施：提高平均生產(chǎn)能力的措施：增加接種量，增加接種量，X0值增大值增大 ；接種時(shí)接入處于生長旺盛期的種子，可以有效地縮短接種時(shí)接入處于生長旺盛期的種子，可以有效

14、地縮短tL ;選育選育m值較大的生產(chǎn)菌株或高產(chǎn)菌株值較大的生產(chǎn)菌株或高產(chǎn)菌株 ;輔助操作所占用時(shí)間的影響，對(duì)發(fā)酵周期較短的過程影響輔助操作所占用時(shí)間的影響，對(duì)發(fā)酵周期較短的過程影響很大；而對(duì)長周期發(fā)酵產(chǎn)品則影響較小。很大；而對(duì)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(diǎn)是生產(chǎn)能力較高，連續(xù)培養(yǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)能力較高，將連續(xù)培養(yǎng)與分批培將連續(xù)培養(yǎng)與分批培 養(yǎng)的生產(chǎn)能力相比較，得養(yǎng)的生產(chǎn)能力相比較，得 xm最大細(xì)胞濃度最大細(xì)胞濃度；x0起始細(xì)胞濃度起始細(xì)胞濃度； m 最大比生長速率最大比生長速率；DC臨界稀釋速率臨界稀釋速率； Y細(xì)胞得率系數(shù)（對(duì)限制性基質(zhì)）細(xì)胞得率系數(shù)（對(duì)限制性基質(zhì)）； YDx

15、xxtxxcmmmm00ln輔助分批培養(yǎng)生產(chǎn)能力連續(xù)培養(yǎng)生產(chǎn)能力 一般對(duì)生長較快的菌株來說，采用連續(xù)培養(yǎng)是很有利的。一般對(duì)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)酵不適合進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵以后處理成本為主的發(fā)酵不適合進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵 。后處理成本后處理成本下游工藝的優(yōu)劣對(duì)產(chǎn)品成品的影響主要表現(xiàn)在：下游工藝的優(yōu)劣對(duì)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；影響著成本的最終收得率；提取過程動(dòng)力費(fèi)用大；提取過程動(dòng)力費(fèi)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；提取過程要耗用大量的溶劑、吸附劑、中和劑等輔助材料；設(shè)備投資大，有的已占有全廠設(shè)備總投資額的設(shè)備投資大，

16、有的已占有全廠設(shè)備總投資額的80%，或是或是發(fā)酵設(shè)備投資額的發(fā)酵設(shè)備投資額的56倍。倍。 提取收得率是后處理中判斷工藝是否優(yōu)越的重提取收得率是后處理中判斷工藝是否優(yōu)越的重要指標(biāo)。要指標(biāo)。對(duì)于同一種發(fā)酵產(chǎn)品，提取工藝不同時(shí)，其技對(duì)于同一種發(fā)酵產(chǎn)品，提取工藝不同時(shí)，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的差異很大術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的差異很大 。發(fā)酵規(guī)模發(fā)酵規(guī)模從理論上說，規(guī)模越大越經(jīng)濟(jì)。從理論上說，規(guī)模越大越經(jīng)濟(jì)。規(guī)模大小與成本的關(guān)系可用下列經(jīng)驗(yàn)式：規(guī)模大小與成本的關(guān)系可用下列經(jīng)驗(yàn)式： n規(guī)模規(guī)模成本成本 n規(guī)模系數(shù)規(guī)模系數(shù)(啤酒啤酒:n=0.6;SCP:n=0.70.8)發(fā)酵規(guī)模（續(xù)）發(fā)酵規(guī)模（續(xù)） 具體確定規(guī)模時(shí)具體確定規(guī)模

17、時(shí), 還要考慮以下節(jié)約性因素：還要考慮以下節(jié)約性因素：設(shè)備可獲得的最大通氣能力設(shè)備可獲得的最大通氣能力(傳質(zhì)傳質(zhì));冷卻能力冷卻能力(傳熱傳熱);制造技術(shù)水平和運(yùn)輸安裝等問題制造技術(shù)水平和運(yùn)輸安裝等問題 超大型罐的設(shè)計(jì)力求減少設(shè)備投資費(fèi)和操作費(fèi)，致力超大型罐的設(shè)計(jì)力求減少設(shè)備投資費(fèi)和操作費(fèi)，致力于提高傳氧效率且結(jié)構(gòu)簡單。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(fèi)的大小裝置的使用壽命直接影響著折舊費(fèi)的大小 。在籌建或擴(kuò)建一個(gè)發(fā)酵工廠時(shí)，除了應(yīng)慎重考慮設(shè)備在籌建或擴(kuò)建一個(gè)發(fā)酵工廠時(shí)，除了應(yīng)慎重考慮設(shè)備的放大方案、市場(chǎng)需求和原料來源等因素外，還應(yīng)注的放大方案、市場(chǎng)需求和原料來源等因素外，還應(yīng)注意水、電、汽的配套或供應(yīng)問題。意水、電、汽的配套或供應(yīng)問題。 市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)信息分析及管理技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)信息分析及管理技術(shù)及時(shí)了解原材料和產(chǎn)品的市場(chǎng)行情，并收集、分析國及時(shí)了解原材料和產(chǎn)品的市場(chǎng)行情，并收集、分析國內(nèi)外的有關(guān)經(jīng)濟(jì)信息，預(yù)測(cè)今后的變化趨勢(shì)，及早做內(nèi)外的有關(guān)經(jīng)濟(jì)信息，預(yù)測(cè)今后的變化趨勢(shì)，及早做好應(yīng)變的準(zhǔn)備。好應(yīng)變的準(zhǔn)備。為了增加對(duì)原材料變動(dòng)的應(yīng)變能力，需有能吃其他代為了增加對(duì)原材料變動(dòng)的應(yīng)變能力，需有能吃其他代用原料的備用菌種或者為