14第十四章发酵过程经济学1已.

任何工业过程都面临着以低成本生产高价值产品的任务，发酵工业也是如此。对发酵过程中的经济因素进行研究，从中找到降低生产成本的有效途径，并建立一套过程经济学的评价体系是发酵工业所必需的。一个成功而具有市场价值的发酵过程通常具有以下的基本条件：①以最低的投资配置可靠的反应器及其附属设备，并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，利用率尽可能高；第十四章发酵过程经济学③菌株的生产能力是最高的；④在适当的过程中使用自动化操作，尽可能降低劳动力的使用；⑤提高设备的使用效率，尽可能使用连续发酵、分批补料、连续灭菌等技术；⑥简单而快速的产品提取和精制过程；⑦废弃物的排放量最少；⑧动力和热能的充分利用；⑨厂房占地面积最小，但要留有可发展的余地。一、发酵成本的构成1．固定成本(间接生产成本)发酵成本2．可变成本(直接生产成本)第一节发酵成本的构成及影响因素第一节发酵成本的构成及影响因素一、发酵成本的构成1．固定成本不随或很少随产出的多少而变化的成本称为固定成本。也就是说，无论工厂是否开工，有没有产出产品；也不论开工程度多大，生产多少产品，它的数额差不多总是固定不变的。固定成本主要包括以下项目：固定资产折旧、贷款利息、税金、保险金、广告与捐赠、研究与发展、固定工资、企业一般管理费（包括行政管理、财务管理、质量管理、安全保卫、消防、职工培训、生活服务、厂区清洁绿化等）。这类成本又称为非生产成本或间接生产成本。2．可变成本可变成本是直接与生产过程直接关联的成本，也叫做直接生产成本。它随产出的多少而变化。可变成本主要项目有：原材料及贮运、动力消耗（电力、蒸汽、水等）、可变工资、维修、中间检验及化验、排污及废弃物处理、包装、储运和销售、直接生产管理费。3发酵产品各项成本的分布由表-1和表-2可知，占发酵生产成本的第一位总是原料成本，其次是包括劳动力在内的固定成本，第三是公用事业。这些资料的来源是发达国家的发酵工业的数据，在实行低工资、低折旧政策且设备落后的不发达国家来说，占第二位的一般是公用事业成本。二、影响发酵成本的因素许多因素对发酵生产成本造成影响，它设计到国家计划政策、管理水平、菌种性能、工艺路线、原材料及能源价格的波动等各个方面。1．菌种性能菌种是影响发酵成本的最重要因素，其生产性能主要有以下几点：比生产率：发酵生产用菌种的最关键性能是它的比生产率，即单位重量菌体在单位时间内的生产能力。比生产率高的菌株能以较短的时间及较少的基质和能量消耗，获得较高的发酵产量，从而全面降低发酵生产成本。第一节发酵成本的构成及影响因素维持因数：是菌株维持基础代谢所需要消耗的基质和氧的指标。大量实验数据证明，微生物相对于基质或氧消耗的纯生长得率和纯产物得率都是比较稳定的参数，不因菌株改良或退化发生明显波动，而维持因数伴随着菌株变异常常出现某些程度的变化。维持因数的降低由于减少了用于呼吸的基质消耗，使基质或氧至菌体和产物的转化得率（实际生长得率和实际生产得率）都相应提高，从而降低发酵过程原材料和氧传递动力消耗。二、影响发酵成本的因素1．菌种性能其他特性：影响发酵生产成本的菌种性能还有最大比生长率、基质饱和常数、菌体生长形态等等。最大比生长率高的菌株可缩短生长期，提高发酵罐周转率；基质饱和常数小的菌株可在发酵液中维持较低的残留基质浓度，提高基质利用率；菌体形态影响发酵液的流变学性质，增加或者降低发酵过程中的搅拌功率消耗。二、影响发酵成本的因素1．菌种性能2．发酵工艺工艺改进促使生产成本下降大致经历如下几个阶段：①由固体发酵转向沉没发酵固体发酵技术由于发酵速度慢、产率低、劳动强度大、发酵过程不易控制、难于实现大规模化生产等缺点，在绝大多数工业发酵产品的生产中，已被现代液体沉没发酵工艺所取代。沉没发酵产率高，自动化程度高，劳动力省，虽然装备成本和动力消耗较高，生产成本一般仍低于固体发酵，特别是大规模发酵生产过程。二、影响发酵成本的因素②由简单分批发酵发展为补料分批发酵A.简单分批发酵由于基质浓度前期高、后期低，使发酵过程处于不稳定的状态，B.并限制了可以加入的基质总量和发酵周期，影响生产能力的发挥。C.同时，要求所用的基质必须能够缓慢地代谢，从而限制了选用的余地。补料分批发酵在一定程度上克服了以上缺点，使基质的利用和发酵产物的生成得以延续，因而能较大幅度地提高发酵产率，发酵成本相应地显著降低。③由间歇补料改进成连续流加补料连续流加补料按适当的生理变量进行控制，提高了补料的适合度和精细度，可避免因基质加入不足造成的生物合成限制或基质加入过量引起的调控反应，强化基质的有效利用，在进一步增加产率的同时减少基质的消耗，从而全面地降低发酵生产各项成本。3．生产规模一般情况下，生产规模越大，产品的生产成本就越低。对于发酵工厂来说，就是要增加单台发酵罐容积。生产成本与发酵罐容积的关系在相同发酵工艺和同等发酵生产水平下，单位数量发酵产品的生产成本与发酵罐容积之间存在如下经验关系式：二、影响发酵成本的因素C1/C2=（V1/V2）n式中C1，V1—使用小发酵罐的生产成本和小发酵罐的几何容积；C2，V2—使用大发酵罐的生产成本和大发酵罐的几何容积；n—规模指数。一般n=0.6～0.8。由此计算，发酵罐容积每增加10倍，生产成本将下降37%～60%。发酵罐容积的增加受许多因素的限制，包括混和特性和冷却效率的限制，铁路、公路运输能力的限制等等。①在单位容积输入功率相同的情况下，机械搅拌发酵罐内液体的混和时间随发酵罐容积的增加而延长。影响基质、氧和热量的传递，致使发酵产率下降。②直径为D的发酵罐，其容积正比于D3，表面积正比于D2，因而随着发酵容积的加大，依靠罐壁传热的发酵罐来说，意味着冷却面积的减少。故安装冷却管，这样既增加了制造成本，又干扰了罐内液体的混和，还造成清洗和灭菌的困难。③铁路和公路都有最大运输件重量的尺寸的限制。④另外，太大的发酵罐对风险的承受力弱，因染菌或其他故障造成的损失较大。因此目前理想的发酵罐容积为100-200M3，对于染菌风险较小的发酵产业，也有达到1000M3的。4．产业政策国家和企业实施的产业政策，如固定资产折旧率，科研经费投入率，国家对企业以及企业对车间的考核政策等，都影响产品的生产成本和经济效益。二、影响发酵成本的因素①固定资产折旧率固定资产折旧率的高低，决定企业设备的更新改造速度。折旧率高，使企业有足够的资金，对故障率高，能耗大、自动化程度低的陈旧设备适时地进行更新、改造，从而不断提高产品的生产能力，降低消耗。反之，如果折旧率低，或者折旧费挪作他用，则企业的设备日渐陈旧，致使滴、漏、跑、冒及故障损失上升，维修费、能耗及工时消耗增加，从而提高产品成本。一般情况下，设备和厂房的年折旧率应分别为10%和3%。二、影响发酵成本的因素②研发费用科研投入多，使科技人员能够不断研究和开发新产品、新工艺，加速企业的产品更新和技术改造。前已述及，新工艺的应用，在提高现有设备的生产能力、降低生产成本方面有重要的作用。至于新产品的投产，将能取得更加可观的经济效益。因此，国家应当在政策上鼓励企业有更多的科技投入。许多发达国家的制药公司，科技投入一般占总销售额的10%以上。③考核政策国家对企业以及企业对车间的考核，都应当以实现的利润为根本。如果把产量、产值其他什么指标置于利润之上，必然刺激企业不管市场需求，片面增加生产，以致产品积压，消耗上升，生产效益下降。5．生产计划年产出计划:通过对市场需求与生产成本的核算，决定实现最高利润全年产出计划；日常生产计划:以发酵周期和罐批数的合理实排，在年产出计划的基础上，达到最大的产出与投入比。许多发酵工厂由于设计不甚合理，或者由于局部工艺技术改进，造成设备不平衡——设备生产能力的“填平补齐”，就能较大幅度地加大产出计划，提高经济效益。二、影响发酵成本的因素6．设备出力与大修设备出力指的是设备运转时的输出功率与额定功率之比，或实际运转时间与额定运转时间之比，又称负荷率。设备出力与维修成本有关。二、影响发酵成本的因素当设备在满负荷的70%以内运转时，维修费用变化不大；出力超过70%，维修费用呈较快↑；出力超过100%，即超负荷时，维修费用急剧↑。一般，设备最好在接近满负荷的状态下运转，既充分发挥了设备的生产能力，维修成本又不致过高。维修费用高的设备，在60%-70%满负荷运转。必须避免大马拉小车或超负、拼设备的运转方式,前者设备能力浪费，增加产品的固定成本和动力成本；后者加速设备的损坏，显著提高维修费用，最终导致产品成本增加。设备大修水平对生产成本的影响低水平的大修不能保证足够的设备完好率，使设备故障频率上升，故障造成的生产损失增加，同时加大了日常维修保养费用。过高水平的大修使大修费用提高，并增加停机时间，同样导致生产成本上升。将设备故障损失、维修保养费用和大修费用三者迭加，可以找到一个最低维修总成本点，说明选择适当的大修水平对于降低生产成本具有一定的意义。这个最低点的位置，视设备况和设备管理水平而异。当设备完好率和管理水平较高时，不需要太高的大修投入；反之，必须增加大修的投入。大修时机的选择也很重要。当设备故障率明显↑，维修保养费用显著增加时，就应适当地进行停产大修。根据前述影响发酵生产成本的因素，可以制订一些控制成本的措施，如：加强思想和业务教育，提高人的素质；制订正确的计划，增加产出，降低消耗；重视科技投入，发挥技术效益；强化工艺和设备管理，全面提高工作质量；采用高产、低耗的新菌株、新工艺。第二节发酵成本的控制及过程的经济学评价一、降低原材料成本原材料成本是发酵产品生产中最大的一项成本，因此，我们对它的控制优先予以考虑。具体对策主要有：1．菌种改良以降低原材料消耗为目标的菌种改良，就是要获得能以较少的基质投入生产出更多产物的优良菌株，提高基质至产物的转化得率。第二节发酵成本的控制及过程的经济学评价2．发酵工艺改进由简单分批发酵向流加补料分批发酵的改进，对于发酵生产成本的降低起到了突出的作用。基质的流加可以避免因为基质的一次性过量加入，造成的一切弊端，在增加发酵产率的同时提高基质的利用效率，降低消耗。基质至产物的实际转化得率，随菌体比生长率的上升而下降。因此，在满足工艺要求，保持比生产率稳定的前提下，应当尽可能降低菌体比生长率。控制比生长率的最有效方法是严格控制生长限制基质的流加补料速率。一、降低原材料成本3．选用廉价原材料不影响产率和产品质量前提下，尽量选用廉价原料。①能用工业级不用试剂级；能用粗制品不用精制品。②有时粗制原料比高价精制原料更利于发酵，因含有各种微量元素和生长刺激因子。③同时注意某些粗制原料中含有一些有害杂质及色素，可能降低发酵产率或增加产品提炼工序的困难。④原材料选用，不能只看绝对价格。对碳-能源来说，只有当价格/碳密度比或价格/能量密度较低时，才是真正的廉价。氮源，以价格/氮含量比低者较为经济。一、降低原材料成本蛋白胨报价500g260元59元/吨在选用原材料时，除了注重发酵效果、价格、有效成分含量、杂质影响等因素外，还应当考虑价格和供应的稳定性，运输、贮存、预处理费用及安全性，溶液的流变学性质及表面张力等等。例如，淀粉是一种比葡萄糖价廉的碳-能源，但贮运当中要求防爆，使用前须进行液化处理，液化后的溶液粘度亦偏高，因而综合成本性能未必优于葡萄糖。高粘度的基质增加发酵过程传质和传热阻力，加大动力消耗；二、节能发酵耗能：蒸汽（设备和培养基灭菌），通气、搅拌和制冷等；耗水：设备的清洗、配料和冷却。1．菌种和发酵工艺改良提高基质至产物的转化得率，可使氧至产物的转化得率也相应提高。可减少氧的消耗，从而节省通气和搅拌动力；氧消耗的下降同时使产生的发酵热减少，从而降低冷却动力消耗。第二节发酵成本的控制及过程的经济学评价1．菌种和发酵工艺改良从形态上改良菌种，也是降低发酵过程中能源消耗的一个重要途径。如丝状菌的发酵，在菌种改良中，筛选菌丝较短、分枝较多的菌株，可以降低发酵液粘度，减少动力