10微生物工程第十二章发酵工业清洁生产技术

第十二章发酵工业清洁生产技术一、清洁生产的概念及主要内容二、清洁生产与末端治理的比较三、发酵行业开展清洁生产的意义四、实现清洁生产的有效途径主要内容：一、清洁生产的概念及主要内容1、清洁生产的提出UNEP（联合国环境规划署）（1989）：清洁生产：是一种新的创造性思想，将整体预防的环境战略持续应用于生产过程、产品和服务中，以增加生态效率和减少人类和环境的风险。一、清洁生产的概念及主要内容对生产过程：节约原材料和能源，淘汰有毒原材料；对产品：要求减少从原材料提炼到产品最终处置的全生命周期的不利影响；对服务：要求将环境因素纳入设计和所提供的服务中。其他提法：欧洲：“少废无废工艺”,“无废生产”日本：“无公害工艺”美国：“废物最少化”、“减废技术”、“污染预防”《中华人民共和国清洁生产促进法》清洁生产：指不断采取改进设计、使用清洁的能源和原料，采用先进的工艺、技术与设备，改善管理、综合利用，从源头消减污染，提高资源利用效率，减少或者避免生产、服务和产品使用过程中污染物的产生和排放，以减少或者消除对人类健康和环境的危害。包括3各方面：采用清洁的能源采用清洁的生产过程生产清洁的产品清洁生产主要研究内容：政策和管理研究清洁生产技术研究、开发和示范清洁技术推广企业审计、宣传教育形成清洁生产的战略与方法：（1）污染预防（2）消减有毒物品使用（3）为保护环境而设计二、清洁生产与末端治理的比较清洁生产对产品和生产过程持续运用整体预防的环境保护战略，使污染物产生量、流失量和治理量达到最少，使资源充分利用。末端治理只把环境责任放在环保研究、管理等人员身上，仅仅把注意力集中在对生产过程中已经产生的污染物的处理上。侧重末端治理存在的问题：污染控制与生产过程没有密切结合起来，资源和能源不能在生产过程中得到充分利用。污染物产生后再进行治理，处理设施即将投资大，运行费用高。三、发酵行业开展清洁生产的意义发酵过程产生大量有机废液，是发酵工业的主要废水污染。发酵工业有机废水的特点：浓度高排放量大无毒且富含营养物质强化内部管理改进工艺技术废弃资源综合利用四、实现清洁生产的有效途径第十三章发酵工厂设计概述主要内容：发酵工厂基本建设程序和设计工作的基本内容发酵工厂厂址选择和总图布置发酵工艺流程设计物料衡算与设备选型发酵车间设备布置与管道设计发酵工业“三废处”理及其工厂化设计发酵工厂投资概算与经济评价一、发酵工厂基本建设程序和设计工作的基本内容发酵工厂基本建设程序设计工作的基本内容1、发酵工厂基本建设程序项目决策期建设期生产期两阶段：2、发酵工厂工程设计的基本内容初步设计施工图设计（1）初步设计阶段的内容

初步设计文件（初步设计说明书）。文字说明部分图纸：工艺流程、车间设备布置图、主要生产设备和电动机一览表、主要材料估算表。总概算②工艺设计选择并确定生产流程，确定技术经济指标进行生产工艺的各种计算设备的选型和计算车间设备布置的方案比较和设备配置的平面和空间关系的确定及设计制图向配套专业提出设计要求和有关资料正式绘制车间生产设备布置图、工艺流程图、编制设备表和主要材料估算表编写初步设计有关生产工艺部分的文件（2）施工图设计阶段的内容施工图设计文件

设计和施工说明书设计图纸设计表格工艺设计施工图设计的步骤p227二、发酵工厂厂址选择和总图布置厂址选择总平面布置1、厂址选择自然条件地理条件环境卫生条件地形、地势与地质气象条件技术经济条件原料、辅料等供应能源供应给排水交通运输条件设计依据：2、总平面布置厂址选择报告厂址总平面布置方案草图生产工艺流程简图遵循原则：合理紧凑符合生产流程要求，并能保证合理的布置生产线生产厂房布置在厂区中心地带考虑主风向人流、货流分开遵从城市规划要求1、设计原则三、发酵工艺流程设计保证产品质量符合国家标准尽量采用成熟的、先进的技术和设备尽量减少三废排放量确保生产安全尽量采用机械化自动化2、设计步骤生产工艺流程示意图定性表明原料变成产品的路线和顺序，应用的过程和设备生产工艺草图

物料衡算→设备设计→草图修改和充实生产工艺流程图

车间设备布置设计1、物料衡算四、物料衡算与设备选型2、主要技术经济指标p2303、设备选型专业设备通用设备非标准设备（1）设备选型原则p231（2）设备选型类型专业设备的设计与选型通用设备的设计与选型非标准设备的设计与选型五、发酵车间设备布置与管道设计车间设备布置管道设计原则p2331、车间设备布置本车间与其他车间的关系；设备布置应按工艺流程顺序；操作中相互有联系的设备，应布置得彼此接近；应满足检修要求；充分考虑劳动保护、安全防火和防腐等特殊要求；考虑今后发展，留有余地；同时满足其它非工艺专业设计要求，搞好相互协作步骤和方法车间布置草图

将车间内所有设备按比例、设备平面投影的图形逐一画在厂房建筑平面内。车间布置图

车间平面布置图、立面布置图和剖面图。工艺管道设计内容：2、车间工艺管道设计车间水、蒸汽、压缩空气、真空、物料等管道平面、立面布置图；分区工艺设备的管道布置图和管段轴测图；管架和特殊管件施工制造图及安装图；管段材料表和车间管道材料汇总表六、“三废”处理及工厂化设计废气：

防尘装置、气体吸收、冷凝等废水：

节水、改进生产工艺、废水处理站废渣：

煤渣、酒糟等废渣七、发酵工厂投资概算与经济评价总投资概算费用计算产品成本计算借款利息和还款能力预测项目投资的经济评价1、总投资概算建设项目总投资=

建设投资+流动资金+建设期借款利息（1）建设投资工程费用主要生产项目工程费用、辅助生产工程费用、公用工程费用、三废治理工程费用、服务性工程项目费用、生活福利工程项目费用其它费用预备费基本预备费、涨价预备费（2）流动资金储备资金生产资金成品资金占全年生产成本的30%左右。2、费用计算设备费概算：占总投资50%以上

设备购置费、设备运输费、设备安装费工艺管道安装费：设备总价的25-35%管道安装材料费、人工费土建费用计算直接费用其他直接费电气工程和仪表自控费用3、产品成本计算原材料和辅助材料费用原、辅材料年总费用=产品消耗定额*年产量*原辅材料价格燃料费用=燃料消耗定额*年产量*燃料单价动力费用=产品电耗*年产量*电单价人工费用直接生产工人工资=平均月工资*车间人数*12工资附加费车间维修费车间折旧费车间管理费：前六项总和的2-3%车间成本费：前七项总和企业管理费：车间成本的5-10%副产品收入工厂成本：工厂成本=车间成本+企业管理费-副产品收入销售费产品运输费、广告费、推销费销售成本=工厂成本+销售费单位产品成本=销售成本/年产量4、借款利息和还款能力预测借款利息还款能力预测利润：利润=销售收入-成本-税金折旧费还款资金来源：5、项目投资的经济评价综合经济评价盈亏平衡点分析敏感性分析借款偿还期投资回收期投资利润率投资利税率内部收益率净现值第十四章发酵经济学本章内容：概述影响发酵产品成本的主要因素发酵过程的经济学评价一、概述发酵工程原理菌株反应过程（代谢、工艺过程及控制）后处理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）在开发一个新的发酵产品时，应考虑的条件：菌种：应选用高产稳定、适应性强的优良生产菌株；原料：来源广泛,利用率高；有替代品;

发酵过程：易于控制，可实现自动控制系统，以控制产品质量培养方式:

尽量提高设备的利用率和劳动生产率，缩短生长周期，或采用补料分批发酵提高发酵产量。动力费用：充分利用动力和热量，最大限度降低单位能耗后处理：产物回收和纯化过程要简便、快速；投资额要求：对发酵及辅助设备的投资额要尽可能低，且对不同的发酵产品有一定的通用能力；厂房规划及设计：建筑利用率高，考虑发展余地；清洁（洁净）生产:排放物的数量和浓度应小，这样可减少物料的损失，降低“三废”处理的开支。总成本费用=生产成本+销售费用+管理费用+财务费用+销售税金及附加发酵产品成本的主要组成：二、影响发酵产品成本的主要因素原材料公用设施（动力费、污水处理费）；工资及管理费；固定资产折旧费；销售费用；其它费用。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影响发酵成本的主要因素：菌株性能培养基成分无菌空气用量搅拌功率发酵生产方式发酵产物分离纯化发酵规模“三废”综合利用与循环使用1、菌株选育对发酵成本的影响提高筛选效率很重要：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，甚至花费了大量的精力仍一无所获。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！！对培养基的同化能力生长速率遗传稳定性抗污染能力耐热性培养基适应性耐热性：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：此菌可在55℃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；该菌菌体系由菌丝构成，简单的过滤技术即可获得产品。有较高的甲醇同化效率（利用石油发酵）。增长速率快。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。

ICI公司选定生产scp的菌株时，考虑了几个经济技术指标：产酶单位高；遗传性能稳定；不产或少产杂酶、杂蛋白；同化培养基能力强，能充分利用培养基。

Aumstrup(1977)在筛选产酶菌株时，确定了下列目标：生产菌株的改良：改良成本与改良后效益相比很小；突变株的青霉素生产单位数提高10%,年产450吨的青霉素工厂一年内增加的产值超过选育费三倍。糖化酶生产株UVB-11-1-3形态回复突变株每吨酒精消耗糖化酶成本可比使用UV-11固体曲时降低50%左右。利用基因工程、代谢工程育种；2、发酵培养基成本分析碳源：价格影响因素：种植面积和收获情况。市场需求量。贮存问题：需建大容量仓库；占用大量流动资金，影响资金周转；变质的危害。降低培养基成本的主要方法：筛选发酵单位较高的培养基配方，提高培养基的利用率和转化率。选用价格较低、来源广泛的C、N源组分。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。工业废料的利用。优点：以此作为廉价C源，主要意义在其社会效益显著，保护了环境。缺点：经济效益不如传统原料高。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，应采用它们的硫酸盐而不是氯化物。3、无菌空气与通气搅拌成本分析无菌空气制备成本分析：加热直接灭菌空气：耗能太大，不适合工业应用。利用压缩热进行空气的热灭菌，其最经济的无菌空气生产规模为140~150m3/min。空气过滤器的总操作费：（1）大小与动力费的关系（2）除菌效率上考虑（3）过滤介质的选择通气搅拌设备及运行成本分析：通气费与搅拌费相互关联，最佳的通气量和搅拌转速，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，最适通气量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。

4、动力费的成本分析发酵生产中，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），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。节约冷却水用量的办法：

采用气升式发酵罐；选育嗜热或耐热的生产菌株；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：

无蒸煮发酵或低温蒸煮发酵浓醪发酵高温发酵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5、发酵工艺不同培养方式的成本对比分析分批培养时，在整个操作周期中的平均生产能力为：P—生产能力，〔gcell（或产物）／(L·h)〕Xf—最终细胞浓度，（g/l）；X0—初始细胞浓度，(g/l)μm—最大比生长率，(h-1)；tL—生长迟缓期的时间，(h);提高平均生产能力的措施：增加接种量，X0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tL;选育μm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，将连续培养与分批培养的生产能力相比较，得：Xm—最大细胞浓度；X0—起始细胞浓度；μm—最大比生长速率；DC—临界稀释速率；YX/S—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。以后处理成本为主的发酵不适合进行连续发酵。6、发酵产品分离纯化的成本分析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；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；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5~6倍。提取收得率是后处理中判断工艺是否优越的重要指标。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。7、发酵规模的成本分析从理论上说，规模越大越经济。规模大小与成本的关系可用下列经验式：n—规模系数(啤酒:n=0.6;SCP:n=0.7~0.8)具体确定规模时,还要考虑以下节约性因素：设备可获得的最大通气能力(传质);冷却能力(传热);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。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，还应注意水、电、汽的配套或供应问题。8、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。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基配方，以便按照市场的供应情况，随时更换菌种或配方。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，再做定论。三、发酵过程的经济学评价产物浓度生产效率基质转化率单位产品的能耗树立质量法制观念、提高全员质量意识。12月-2312月-23Monday,December11,