【正文】 的空氣，所需的熱量為每分鐘33000CHU；并且還需相同的冷卻負(fù)荷，每小時(shí)的操作費(fèi)用為 5~10 英鎊。雖然又可能利用熱滅菌技術(shù)，但一般認(rèn)為其全部操作費(fèi)用過(guò)于昂貴。這些堿性物質(zhì)可以引起產(chǎn)物生產(chǎn)能力明顯波動(dòng)。雖然等級(jí)品比肥料級(jí)磷酸鹽的價(jià)格貴得多，但不含鐵、砷和氟化物等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的含量在制造食品和藥物時(shí)，都受到嚴(yán)格的控制。 無(wú)機(jī)組分只占培養(yǎng)基總成本中較小的比例。 多種廢棄物似乎也可以作為碳源，但是因?yàn)榕c其他適當(dāng)?shù)牡孜锏膬r(jià)格上的競(jìng)爭(zhēng)，使它的應(yīng)用受到限制，在加上其他一系列的問(wèn)題如物料的波動(dòng)性、夾雜的雜質(zhì)使工藝難以正常進(jìn)行、含水量高的增加了運(yùn)輸費(fèi)用、產(chǎn)地 的地理位置、產(chǎn)量的不穩(wěn)定性和季節(jié)性等，更增加其擴(kuò)大使用的困難。首先是作為單細(xì)胞蛋白質(zhì)生產(chǎn)時(shí)的底物?？砂凑战?jīng)濟(jì)上和第四章的原則，從中選擇。如果將價(jià)格低廉 這一因素考慮在內(nèi)，則實(shí)際上可用于工業(yè)規(guī)模的培養(yǎng)基組成的品種是有限的。如欲取得高產(chǎn)水平，可將碳源的碳水化合物改換成其他的底物。 研究如何適當(dāng)組合培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)成分時(shí)，可按照前面所列舉的 6 條標(biāo)準(zhǔn)，總會(huì)取得成功的。對(duì)于配置培養(yǎng)基的操作人員的培訓(xùn)是十分重要的。粉末狀原料必須保存在干燥處，防止結(jié)塊或呈粘膠狀。選擇具體的原料時(shí)，寧可選用當(dāng)?shù)貎r(jià)格低廉者，而不用工藝上“最佳”底物。天然物料的價(jià)格受到其他需求的競(jìng)爭(zhēng)和收獲量的影響。有機(jī)碳源通常是發(fā)酵成本中的主要組成。生產(chǎn)一噸醋酸需要49噸冷卻水、 10 噸生產(chǎn)用水、 12 噸蒸汽和 570kW 電。 發(fā)酵過(guò)程中的公用系統(tǒng)也需予以注意。而丁醇丙酮發(fā)酵曾在連續(xù)使用 25 年的容器中生產(chǎn)。 MacLennan 認(rèn)為一個(gè)單細(xì)胞蛋白質(zhì)工廠(chǎng)可使用的最低年限是 10 年。對(duì)一些設(shè)備成本的分解舉例見(jiàn)下表。 Whitaker, Humphrey, Mateles, Rolz以及 Nyiri 和 Charles 曾對(duì)發(fā)酵工廠(chǎng)中的設(shè)備投資的明細(xì)項(xiàng)目作了討論。雖然發(fā)酵罐基本建設(shè)費(fèi)用只占生產(chǎn)成本 45%，而操作成本占 10%，所以發(fā)酵罐的造型只影響生產(chǎn)總成本 15%。其中罐體占 510%，通氣攪拌占 510%，冷卻附件占 1015%。在這樣的工廠(chǎng)中，基本建設(shè)投資費(fèi)用只占生產(chǎn)成本的 20%。 發(fā)酵罐是為了某一特定的用途而設(shè)計(jì)的，如供單細(xì)胞蛋白質(zhì)生產(chǎn)用的發(fā)酵罐，要具有十分有效的氧傳遞能力，而且是非常規(guī)的、盡可能簡(jiǎn)單的，因而也影響到基本建設(shè)投資費(fèi)用和操作成本。 在釀造業(yè)中，所采用圓柱形 圓錐體的容器時(shí)，其容積如大于 108M3 時(shí)，就失去了經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性，雖然至今仍在使用 360M3 發(fā)酵罐。它是在法 國(guó)制造后，在 Tees 河上用駁船拖駁，大大縮短了陸地運(yùn)輸距離。許多國(guó)家在對(duì)道路運(yùn)輸時(shí)所允許的物件最大尺寸都有規(guī)定。 定制一個(gè)發(fā)酵罐的容積上限，還受到運(yùn)輸?shù)南拗?。在醋酸生產(chǎn)中，有效的通氣是極度重要的。另一方法是更換生產(chǎn)菌株，它是能適應(yīng)較高溫度發(fā)酵的。除非利用 內(nèi)蛇管或外循環(huán)熱交換器增加冷卻能力。因此，放大容器，勢(shì)必降低表面積對(duì)容積的比值，因而降低發(fā)酵罐的夾套冷卻效率。多種工業(yè)發(fā)酵所需的冷卻量，在前面已作過(guò)描述，在這里僅需清楚發(fā)酵罐的體積是與 r3（發(fā)酵罐的半徑）成正比。單細(xì)胞蛋白質(zhì)工廠(chǎng)則為 或 。 n 是一個(gè)指數(shù)或等級(jí)因素。 第五節(jié) 工廠(chǎng)與設(shè)備 一般認(rèn)為設(shè)備越打，生產(chǎn)越經(jīng)濟(jì)，然而在成本與設(shè)備大小之間有個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。但在 1971 年在洗滌劑工廠(chǎng)的操作工人中發(fā)現(xiàn)有過(guò)敏性反應(yīng)后，就在大部分洗滌劑中不在添加酶，因而使酶的生產(chǎn)規(guī)模突然下降。正如工業(yè)酶市場(chǎng)的劇變。這個(gè)結(jié)論是對(duì)建設(shè)單細(xì)胞蛋白質(zhì)生產(chǎn)工廠(chǎng)的支持。 Taylor 和 Senior 對(duì)主要的單細(xì)胞蛋白質(zhì)工廠(chǎng)作過(guò)判斷，這些工廠(chǎng)中，有的已經(jīng)投產(chǎn)，有的正在計(jì)劃中。 決定增加一個(gè)化合物的產(chǎn)量前，首先要對(duì)目前的和將來(lái)的市場(chǎng)作出估計(jì)。在 1977 年時(shí)乙醇的產(chǎn)量為 7 萬(wàn) M3，并期望在 1979 年時(shí)能達(dá)到 15萬(wàn) M3。如以 1977 年的價(jià)格為基礎(chǔ)，原油每噸為 100 美圓，而初制蔗糖為 109 美圓時(shí)，則發(fā)酵法幾乎沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力，想要使發(fā)酵法具有優(yōu)勢(shì)，則必需采用每噸 75 美圓的糖蜜作原料。 Hepner 曾對(duì)大規(guī)模的乙醇發(fā)酵生產(chǎn)的可行性作過(guò)考察。如采用多步驟化學(xué)合成法生產(chǎn)，則其成本是較昂貴的。利用微生物生產(chǎn)這些化合物都比化學(xué)合成法經(jīng)濟(jì)得多。大約有 100 種十分重要的有機(jī)化合物是由微生物發(fā)酵生產(chǎn)的。 發(fā)酵產(chǎn)物生產(chǎn)可分為二大類(lèi)，即低產(chǎn)值 大體積；高產(chǎn)值 小體積。 第四節(jié) 市場(chǎng)潛力 市場(chǎng)的現(xiàn)狀和估計(jì)所需要的數(shù)據(jù)，雖然不是發(fā)酵工藝師的首要任務(wù)，但必需對(duì)市場(chǎng)的潛力作出估計(jì)。例如 19731976 年間， Pamlabs公司改善了產(chǎn)黃青霉的青霉素產(chǎn)量，（見(jiàn)下表）。 Calam認(rèn)為只要為一個(gè)大學(xué)畢業(yè)生配備二名助手，就可以進(jìn)行一個(gè)或二個(gè)抗生素產(chǎn)生菌的菌種誘變研究工作，并可獲得有效進(jìn)展。另外一個(gè)例子是，發(fā)酵工廠(chǎng)的年產(chǎn)量為 453600公斤，假設(shè)產(chǎn)品的銷(xiāo)售價(jià)格為每公斤 90 便 士。如果生成規(guī)模擴(kuò)大十倍，即使也只提高 1%產(chǎn)量，增加的產(chǎn)值就是 10700 英鎊，這些收入足以支付菌種的研究費(fèi)用。顯然，在誘變和選育工作上的時(shí)間和金錢(qián)的投資額，需視生成規(guī)模而定。 第三節(jié) 菌種改良 利用誘變和選育以改良菌種，對(duì)一個(gè)已成熟的發(fā)酵工藝過(guò)程而言，其經(jīng)濟(jì)效益是十分可觀的。因?yàn)椋? 它具有高度的同化甲醇作為碳源的能力； 生長(zhǎng)速度快； 在連續(xù)培養(yǎng)時(shí)，遺傳性穩(wěn)定； 含有高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的蛋白質(zhì)，不含毒素和致病物質(zhì)。Humphrey 等選育得一株嗜熱放線(xiàn)菌（ Thermoactinomyces），因?yàn)椋? 它的最適生長(zhǎng)溫度為 55℃，可以節(jié)省冷卻費(fèi)用； 在蛋白質(zhì)中，甲硫氨酸含量較高，可以作為飼料蛋白質(zhì)的添加劑； 菌體呈絲狀，可以簡(jiǎn)化從發(fā)酵液中獲得菌體的過(guò)濾技術(shù)。這種類(lèi)型的篩選，可以大幅度地提高投資效益和生產(chǎn)能力。另一些公司仍然指揮他們自己所擁有的具有廣泛篩選基礎(chǔ)的工作者，其工作重點(diǎn)則并不放在抗生素上。 Yamada 曾報(bào)道在日本發(fā)現(xiàn)了較多的抗生素，同時(shí)也表明日本的專(zhuān)家在進(jìn)入 70 年代后，還繼續(xù)發(fā)現(xiàn)新的、有用的抗生素。這個(gè)政策上的變化，是由于日本的工作者有系統(tǒng)地篩 選所發(fā)現(xiàn)的新抗生素所需的時(shí)間，僅為美國(guó)工作者的 1/5到 1/10。在美國(guó)， 1961 年就已達(dá)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)期。 Merck， Sharp 和 Dohme 研究所從一萬(wàn)株菌株中，只獲得一株有用的微生物， Eli Lilly 公司花了十年時(shí)間，從 40 萬(wàn)株微生物中發(fā)現(xiàn)了三個(gè)新抗生素。遺憾的是這些分離計(jì)劃消耗了許多時(shí)間和十分昂貴的代價(jià)，似乎帶有一定的冒險(xiǎn)性，尤其是篩選新抗生素。在戰(zhàn)時(shí)，英國(guó)政府支持丁醇 丙酮和青霉素生產(chǎn)計(jì)劃，使得它們?cè)讷@得經(jīng)濟(jì)上可行性以前就能進(jìn)行生產(chǎn)。例如當(dāng)發(fā)酵工業(yè)在 自由經(jīng)濟(jì)中失去競(jìng)爭(zhēng)力時(shí)，美國(guó)農(nóng)業(yè)資助規(guī)劃將谷物和馬鈴薯等以低價(jià)供應(yīng)給發(fā)酵工業(yè)，使它得以繼續(xù)維持生產(chǎn)。它可以運(yùn)用化學(xué)工程成本原理進(jìn)行計(jì)算，確切的發(fā)酵工業(yè)成本，幾乎是不發(fā)表的。 本章中所引用的成本，只代表發(fā)表時(shí)的情況，因?yàn)榻陙?lái)，所有的價(jià)格都在急劇上漲，而且增長(zhǎng)的比例各不相同，所以難以據(jù)此表示現(xiàn)在的情況，所得的數(shù)據(jù)只是個(gè)近似值。如果原料成本占總成本的主要比例時(shí)，培養(yǎng)基和菌種的改良，將是發(fā)展工作中的主要研究任務(wù)。 以上眾多的要求，表明對(duì)一個(gè)具體的工藝過(guò)程來(lái)說(shuō)，要進(jìn)行彼此間的協(xié)調(diào)，任何一個(gè)工藝過(guò)程的關(guān)鍵是成本分析，從而得到最大的節(jié)約潛力。即使對(duì)一個(gè)成熟產(chǎn)品的發(fā)酵原料，也應(yīng)不斷地予以研究和調(diào)整； 所使用的微生物菌株的生產(chǎn)能力是最高的； 盡可能少地使用勞動(dòng)力，在適當(dāng)?shù)牟襟E中采用自動(dòng)化； 如果使用分批發(fā) 酵法，要求在最短周期中，得到最大的產(chǎn)量；并盡量發(fā)揮設(shè)備的潛力。第十七章 發(fā)酵經(jīng)濟(jì)學(xué) 第一節(jié) 引言 在價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下，用發(fā)酵方法生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)，則所用的微生物，其最終產(chǎn)物應(yīng)是預(yù)期的產(chǎn)品，并且有經(jīng)濟(jì)上的合理性和巨大的生產(chǎn)能力。一個(gè)成功的發(fā)酵過(guò)程，通常應(yīng)具有下列九個(gè)基本條件： 以最低的投資設(shè)置可靠的發(fā)酵罐極其附屬設(shè)備；而且能應(yīng)用于一定范圍的產(chǎn)品種類(lèi)的發(fā)酵過(guò)程； 原料的價(jià)格盡可能的低，利用效率盡可能的高。為達(dá)到這個(gè)目的，力爭(zhēng)采用分批補(bǔ)料發(fā)酵； 以最簡(jiǎn)單和快速的過(guò)程進(jìn)行產(chǎn)品的回收和精制； 廢棄物的排放量應(yīng)是最少的； 熱和動(dòng)力的利用是時(shí)分充分的； 廠(chǎng)房的占地面積最少，但仍留有可發(fā)展的余地。 Nyiri 和 Charles 對(duì)許多發(fā)酵工藝進(jìn)行分析后認(rèn)為可將發(fā)酵過(guò)程的成本分解為四個(gè)主要成分，按其重要性的順序排列為：原料成本、維修費(fèi)用、公用 系統(tǒng)費(fèi)用和人工費(fèi)用。如果將占總成本比例很小的項(xiàng)目作為發(fā)展工作的主要任務(wù)是不恰當(dāng)?shù)摹? 考查某個(gè)發(fā)酵過(guò)程時(shí)，必需注意到投資成本和操作成本。 政府的資助或課稅，能決定許多發(fā)酵工業(yè)的生命力。 1980 年，歐洲共同體將碳水化合物的價(jià)格調(diào)低到只有產(chǎn)糖國(guó)所供應(yīng)的糖蜜和甘蔗汁的價(jià)格一半。 第二節(jié) 分離有工業(yè)潛在價(jià)值的微生物 從各種不同來(lái)源，特別是土壤中分離重要的工業(yè)微生物，作了許多工作。如 Pfizer 公司，為了要篩選一 個(gè)廣譜抗生素而花費(fèi)了 1430000英鎊，結(jié)果只得到土霉素。 由于廣泛地進(jìn)行土壤篩選，已發(fā)現(xiàn)了大量能合成新抗生素的微生物群體，因而從1961 年以來(lái)的抗生素篩選的成本效益和發(fā)現(xiàn)新抗生素的可能性不斷下降。至少已經(jīng)有一個(gè)美國(guó)制藥公司停止了他們的篩選計(jì)劃，轉(zhuǎn)而依賴(lài)日本的實(shí)驗(yàn)室的合同。 Arima 查閱了在 19291966 年間所發(fā)現(xiàn)的新抗生素和在日本作為醫(yī)療用的新抗生素目錄后，發(fā)現(xiàn)其中有 40%是日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)的。有些公司與日本實(shí)驗(yàn)室建立合同關(guān)系。 對(duì)一個(gè)已知的微生物生產(chǎn)過(guò)程，有可能設(shè)計(jì)出一個(gè)篩選方法，使篩選具有專(zhuān)一的目標(biāo)，淘汰不 合宜特性的菌株。在單細(xì)胞蛋白質(zhì)的生產(chǎn)研究中，以經(jīng)濟(jì)學(xué)的觀點(diǎn)，篩選適宜的微生物。 Taylon 和 Senior 曾報(bào)道 ICI 公司選用一株嗜甲烷甲烷單毛桿菌（ Methylophilus methylotrophus）作為單細(xì)胞 蛋白質(zhì)的生產(chǎn)菌株。 在酵母生產(chǎn)中的菌株篩選， Aunstrup 的目標(biāo)是： 酶的產(chǎn)量高； 遺傳性穩(wěn)定； 微生物能生成酶的組成； 微生物能有效地利用培養(yǎng)基中的組成。利用誘變改良菌種，并結(jié)合培養(yǎng)基的改進(jìn)，明顯增加了青霉素的產(chǎn)量，它從 1940 年 100U/ml 上升到目前的 80000U/ml 左右。例如有一個(gè)發(fā)酵過(guò)程，其年產(chǎn)量為 453600 公斤，每公斤產(chǎn)值為 便士，如果使產(chǎn)量增加 1%時(shí)只能增加1070 英鎊收入，因而不值得投資支持菌種選育計(jì)劃。如果可提高 10%產(chǎn)量，則可使產(chǎn)值增加到 107000 英鎊，這時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益就大大超過(guò)菌種選育的費(fèi)用。如果將生成提高 10%，所提供的經(jīng)濟(jì)效益約為 41000 英鎊，如果將其中的 1/3 投資作為研究費(fèi)用是合理的。 有許多公司，如 Cetus 公司， Panlab 公司都聘請(qǐng)有專(zhuān)門(mén)技能的專(zhuān)家主持菌種發(fā)展計(jì)劃，或改造菌種，使培養(yǎng)物適應(yīng)工業(yè)上的要求。表中所列的數(shù)據(jù)表明，在不同的生成規(guī)模中的生成能力上的差異。 MacLennan, Hepner 以及 Lawson 和 Sutherlang 在這方面曾作過(guò)討論。只有少數(shù)產(chǎn)物的生產(chǎn)是屬于低產(chǎn)值 大體積，如溶劑、有機(jī)酸和單細(xì)胞蛋白質(zhì)。例如：乙醇、正丁醇、丙酮、甘油和醋酸。一些化學(xué)分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或?qū)岵环€(wěn)定化合物利用微 生物發(fā)酵進(jìn)行生產(chǎn)，其全過(guò)程具有經(jīng)濟(jì)上的可行性?？股?、甾體、L 型氨基酸、維生素等都屬于高產(chǎn)值 小體積的范疇。他認(rèn)為用發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇與從原油合成乙醇法競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，只有在當(dāng)?shù)啬芄?yīng)廉價(jià)碳水化合物時(shí)才有其生命力。 1975 年巴西推行以蔗糖作底物生產(chǎn)乙醇的計(jì)劃，目 的是減少石油的進(jìn)口。雖然巴西政府將乙醇的銷(xiāo)售價(jià)格定為每 升為 1 美圓，仍高于進(jìn)口石油的價(jià)格，但減少了外匯的支出。單細(xì)胞蛋白質(zhì)的擴(kuò)大生產(chǎn)前，曾作過(guò)類(lèi)似的嘗試。他們估計(jì)了1980 年和 1985 年單細(xì)胞蛋白質(zhì)的產(chǎn)量，并斷言全世界所需求的高蛋白質(zhì)膳食量在 1985 年每年需求 50 萬(wàn) 噸。 要推斷一個(gè)化合物擁有市場(chǎng)的時(shí)間，即使有專(zhuān)利權(quán)的保護(hù)也是困難的。大約在 1965 年，廣泛地在洗滌劑中添加酶，因而使微生物酶的生產(chǎn)規(guī)模大大增加。在改進(jìn)洗滌劑的生產(chǎn)工藝后，在添加酶，使酶的生產(chǎn)規(guī)模又得到恢復(fù)。按照這個(gè)關(guān)系，隨著設(shè)備的增加， 成本也隨之增加。在釀造業(yè)中的 n 值， Pratten 認(rèn)定為 。 關(guān)于操作規(guī)模的大小的決定，還收到許多因素的限制，如冷卻、通氣量和發(fā)酵罐的建造方法等。發(fā)酵罐的表面積也是與 r2 成比例。所以，當(dāng)發(fā)酵罐容積超過(guò)一定值以后，就難以利用其表面積作充分的熱交換以保持恒溫培養(yǎng)。添置這類(lèi)設(shè)施，必定會(huì)增加成本，或干擾發(fā)酵罐內(nèi)的攪拌效果。發(fā)酵過(guò)程對(duì)氧的需求，限制了發(fā)酵罐無(wú)限地放大。在 1977 年最大的醋酸生產(chǎn)罐容積是 50M3。一個(gè)很大的容器一般都是就地裝配制造。在 1979年 ICI 公司第一個(gè)供單細(xì)胞蛋白質(zhì)生產(chǎn)用發(fā)酵罐的容積為 1500M3，高 80M，價(jià)值 60 萬(wàn)英鎊。這是當(dāng)時(shí)所運(yùn)輸?shù)淖畲蟮慕M裝好的發(fā)酵罐。在另外一些釀造廠(chǎng)中，則采用許多個(gè)較小的容器以應(yīng)付不同的啤酒品種的需求變化。 Schugerl 曾對(duì)用甲醇作為底物、年產(chǎn)量為 10 萬(wàn)噸的單細(xì)胞蛋白質(zhì)的生產(chǎn)工廠(chǎng)作過(guò)考察。發(fā)酒瘋的費(fèi)用占基本建設(shè)投資的 2025%。能源、水、壓縮空氣和其他輔助費(fèi)用估計(jì)為生產(chǎn)成本 10%以上。如采用塔式發(fā)酵罐，其主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約操作成本，這是由于省略了機(jī)械攪拌，減少了冷卻水的耗用量而節(jié)省了電力和冷卻水費(fèi)用。其中大部分?jǐn)?shù)據(jù)可供設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用。 對(duì)一個(gè)工廠(chǎng)的使用年限