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生物转化法生产新型肥料添加剂——γ-聚谷氨酸

发布时间:2017年03月08日 21:08 

联系人:梁智群教授(二级),博导  

电话:137685969010771-3271181

 

(一)项目简介

1、项目背景

目前我国化肥消费量每年达5000多万吨,占世界化肥总消费量的35%左右,然而,我国化肥利用率远远低于世界水平美洲利用率达到52%,欧洲利用率达到68%,而我国仅为30%左右。据统计,我国130多个大中型湖泊已有60多个遭遇富营养化问题,根本原因在于过量氮、磷的迁移。因此,当今肥料营养问题已不再是营养的获得而是营养的利用。大量的肥料流失不仅增加了农业成本,造成巨大经济损失,而且造成了环境污染,导致农业生态系统失衡,对环境和可持续发展带来越来越大的负面影响。因此,在不影响农业丰收的前提下如何减少肥料用量,提高肥料利用率,减少环境污染,成为了当前农业领域的热点问题。

聚氨基酸是新一代植物营养促进剂,具有减少化肥流失、富集养分、提高化肥利用率,促进作物根系发育和改善土质等功能,从而达到增加农作物产量和改善农作物品质的效果。聚天冬氨酸作为农作物营养吸收促进剂的作用是近几年发现的,目前已形成超过10万吨的市场。但是,聚天冬氨酸作为化学合成物,其生物降解性能还不尽理想,且其生产和应用专利已被美国NanoChem 公司(原Donlar公司)垄断,中国只能作为该产品的使用消费国。值得高兴的是,另一种微生物源聚氨基酸——γ-聚谷氨酸Poly γ-glutamic acid, PGA,具有优良的生物兼容性、可降解性、无毒性和生物多样性,使其具有广泛的应用领域和巨大的经济价值,正被广泛开发利用。

PGA是由谷氨酸单体通过α-氨基和γ-羧基聚合而成的一种微生物源高分子化合物,通常由100-10000个谷氨酸单体组成,分子量在1×104~1×107道尔顿(Da)之间。不同分子量PGA因其分子中游离亲水性羧基数量的不同,而表现出不同的生物学特性,其工业性能也不同。作为药物载体材料,要求其分子量小于1×105 Da;作为保水剂、金属离子吸附剂和肥料添加剂,要求其分子量大于1×106 Da,且分子量越高性能越好。PGA作为新型肥料添加剂具有以下显著功效:

(1)       超强保水能力:PGA分子含有10,000个以上的超强亲水性基团(-COOH),能充分保持土壤中水份,改进黏重土壤的膨松度及空隙度、改善砂质土壤的保肥与保水能力,用于漫淹土壤时会在植株根毛表面形成一层薄膜保护根毛,从而有效提高肥料的溶解、储存、输送与吸收。

(2)       富集养分:PGA具多阴电性,对正电养分离子有较强的螯合功能,与养分离子的吸附交换能力是自然土壤的100倍左右,减少了养分的淋失和挥发,在富集氮磷钾的同时,也富集了钙、镁、钼、锌等中微量养分,满足了作物的多方面需求,大大提高了土壤养分的供应能力。使用后,氮肥利用率将提高50~60%,磷肥利用率提高5%以上,钾肥利用率提高15~20%,每亩可节约化肥10~20%,且不易发生缺素症状。

(3)       长效缓释功能:对养分具有吸蓄功能,把农作物暂时不用的养分储存起来,随作物的生长发育需要而缓慢释放,从而满足作物中后期的养分需求,避免了早衰和脱肥,减少了追肥次数和追肥量,对粮食作物基本可以施足底肥,满足整个生长期的营养需要。不用追肥,从而大大降低了劳动强度。

(4)       改善土壤理化性状:对酸、碱具有绝佳缓冲能力,可有效平衡土壤酸碱值,避免因长期使用化学肥料所造成的酸性土质及土壤板块化。

(5)       改善农作物产量和品质:对于铅、铜、铬、砷等重金属有极佳的螯合效果,可避免作物吸收过多有毒重金属。PGA营养液中含有微生物所产生的生长素、细胞分裂素等有益植物激素,能有效促进根系发育,提高作物吸收养分的能力,增强作物抗逆能力;可促进作物蛋白质合成,提早成熟,改善作物品质。参拌化肥使用时,可使粮食作物增产10~20%,蔬菜增产30~60%,茄果类作物增产10~15%,牧草增产30%左右,油料作物增产10%左右。

(6)       环境友好:PGA本身是营养物质,无毒副作用,可被土壤微生物降解。

2、项目技术特点

本项目利用具有自主知识产权的PGA生产菌B. subtilis GXA-28菌株,以糖蜜和味精生产废液为原料,生物转化法高效生产分子量段在3×106~5×106Da之间的PGA,发酵液经浓缩制成半凝固型或经喷雾干燥制成可湿性粉剂,即可作为肥料添加剂。

该项目具有几个突出优点:一、直接利用糖蜜中的蔗糖、葡萄糖和果糖作为碳源,味精生产废液中残余的谷氨酸钠作为底物合成PGA,糖蜜和味精生产废液中的其它组分可作为有机肥料被农作物利用,生产成本低;二、发酵后,只需进行简单灭菌、浓缩处理,或全部进行干燥、利用,不存在废液的二次排放问题,可基本实现生产零排放,既解决了味精厂废液的污染问题,同时又可变废为宝,降低了企业生产成本,具有很好的经济效益和社会效益;三、该项目生产的PGA,其分子量段在3×106~5×106Da之间,属于超高分子量范畴,相较于分子量在1×106 Da以下的PGA具有更加优良的保水、缓释和增效作用。

3、知识产权

该项目相关技术已获得2项国家发明专利授权,专利申请号:201210371764.2201210371783.5。专利菌种Bacillus subtilis GXA-28该项目属本课题组自主研制开发,无知识产权纠纷。

(二)生产流程、设备、产品质量指标

 

 

生产设备:发酵罐、浓缩设备、喷雾干燥设备、包装设备和动力设施等等。

产品质量指标:形态为半凝固型(水分含量30~40%或粉剂(水分含量小于10%;色泽呈棕色;pH6.0-8.0;有效成分PGA含量≥4%PGA分子量在3×106~5×106Da之间。

(三)市场分析

目前上市的PGA肥料添加剂或含有PGA的生物肥料产品还不多。台湾味丹企业的PGA肥料添加剂纳多力1号和有机液肥纳多力2号,均为约含有4% PGA的产品,其市场售价约为8000元人民币/吨,且已在台湾地区广泛使用,取得了良好效果。按吨肥使用平均需2 Kg PGA、每亩地需施肥40 Kg计,则每亩地成本只需增加16元。按粮食亩产500 Kg,保守估计增产率10~20%计算,则每亩可增产粮食50~100 Kg,按国家粮食最低收购价计算每亩经济增收66~132元;另外每亩可减少肥料用量20%以上,按现行化肥价格计算每亩可节省肥料支出12~15元。以广西有效耕地面积0.63亿亩和全国有效耕地面积18.27亿亩来看,PGA肥料添加剂的成功应用,具有巨大的社会经济效益。

目前,用于肥料添加剂的农业级PGA浓缩液市场价为:8000元人民币/吨(PGA含量为4%)。另一种聚氨基酸肥料增效剂——聚天冬氨酸,市场价为9000~10000元人民币/吨,且已形成超过10万吨的市场。广西是重要的甘蔗产区,糖蜜作为白砂糖产业的副产品,年产量约400万吨,目前主要用来进行酒精生产;位于南宁市的荷花味精厂,年产味精1.5万吨,其味精生产废水一直是困扰该厂发展的重要问题。本项目菌株可利用甘蔗糖蜜和含有少量谷氨酸钠的味精生产废液高效生产PGA。借助本项目原料来源和菌株优势,可将生产成本控制在2000元人民币/吨以下,具有非常大的市场竞争力和经济效益。

(四)经济效益及社会效益分析

4、  生产成本分析

生产规模为年产5000PGA半凝固态肥料添加剂,总投资1200万元,固定资产投资600万元,流动资金600万元。课题吨生产成本分析如下表:

项目名称

单位

单耗

单价(元)

吨总价(元)

甘蔗糖蜜

1.1

800

880

可变成本

味精废液

100

可变成本

100

0.90

90

可变成本

30

1.45

43.5

可变成本

0.5

600

300

可变成本

工资及福利

10×30000/

60

不变成本

厂房设备折旧费

(含设备维修费,8年计

145

不变成本

销售费

125

可变成本

管理费

125

不变成本

吨成本合计

1868.5

其中,吨固定成本为330元,吨可变成本为1538.5元,成本1868.5/吨。

5、  经济效益分析

目前,用于肥料添加剂的农业级PGA浓缩液市场价为8000元人民币/吨(PGA含量为4%)。另一种聚氨基酸肥料增效剂——聚天冬氨酸,市场价为9000~10000元人民币/吨。拟定本项目PGA半凝固态肥料添加剂销售价为5000/吨。

1)项目实施期间各年总成本分析表如下:

 

1

2

达产后各年

产量(吨)

3000

5000

5000

总成本(万元)

626.55

934.25

934.25

固定成本(万元)

165

165

165

可变成本(万元)

461.55

769.25

769.25

2)销售收入估算

以生产规模为年产PGA肥料添加剂5000、售价5000/吨计算,

年销售收入=5000/×5000=2500(万元)

3)年税后利润

增值税率17%,城建税为增值税的7%,教育费附加为增值税额的3%,所得税按销售利润的25%缴纳。

增值税=销售额×17%-含增值税原料×17%

=5000/×5000×17%-880/吨(糖蜜)+100/吨(味精废液)+300/吨(煤))×5000×17%=316.2(万元)

销售税金=增值税+城建税+教育费附加

       =316.2+316.2×7%+316.2×3%=347.82(万元)

销售利润=销售收入-总成本-销售税金

       =2500-934.25-347.82=1217.93(万元)

所得税=销售利润×25%1217.93×25%304.4825(万元)

税后纯利=销售收入-总成本-销售税金-所得税

       =2500-934.25-347.82-304.4825=913.4475(万元)

4)年利税总额

年利税总额=销售收入-总成本=2500-934.25=1565.75(万元)

6、  社会效益分析

预计2030年我国化肥需求量将达7000万吨,比目前再增加约2000万吨,国家需再投资1000亿元相关综合设施,农民购买化肥需增加2000亿余元开支,土壤、环境及经济将承受更巨大压力。因此,只有通过提高化肥的有效使用率,通过研制和推广缓释肥料以及高效无污染的生物缓释增效剂,通过施用高效缓释肥,将化肥有效使用率再提升20%,年综合可减少用肥1500万吨,可以保证我国未来20年內粮食增产而肥料不增量,对保证我国农业安全、环境安全具有十分重要的意义。

本课题实施可以充分发挥、综合利用广西甘蔗糖蜜资源优势及促进其环境保护。位于南宁市的荷花味精厂,年产味精1.5万吨,其味精生产废水一直是困扰该厂发展的重要问题,本项目利用味精生产废水作为生产原料,不仅节约了自身生产成本,同时为味精厂废水的排放处理提供了一条新型可持续发展的解决方法,利于当地环境保护。

(五)项目风险分析与对策

7、  技术风险

试生产阶段会存在一些不确定因素,但均属于可控范围之内。如发酵时间、温度、溶氧等在放大过程中会产生变化;通过工艺参数调整后,逐步完善解决。课题组成员均为长期从事发酵工程研究的专职科研人员和研究生, 对完成本项目有着较丰富的实践经验和理论基础, 将可以很好完成本项目,技术风险可降低到最小。

8、  市场风险

目前国内已有数家肥料生产企业利用PGA作为添加剂进行使用,且该类添加有PGA的肥料推广使用情况很好,因此产品的市场潜力是巨大的。目前国内市场PGA肥料添加剂报价为8000元人民币/吨。本项目以生产规模为年产5000吨,总投资1200万元,固定资产投资600万元,流动资金600万元,吨生产成本为1868.5元,即使售价按5000/吨计,都将具有非常大的市场竞争力和经济效益。

9、  自然风险分析

生产不受气候、地理影响。项目几乎无自然风险。

10、           盈亏平衡分析

A、生产能力利用率盈亏平衡分析

盈亏平衡点= ×100% ×100%9.5%

B、销售价格敏感性分析

盈亏平衡点= × 100% = ×100% =37.37%

即只要达到生产能力的9.5%企业可保本,产品价格只要达到原价格的37.37%可保本,可见抗风险能力是很强的。

(六)三废问题

该项目以甘蔗糖蜜和味精生产废液为原料,发酵后,只需进行简单灭菌、浓缩处理,或全部进行干燥、利用,不存在废液的二次排放问题,可基本实现生产零排放,因此无三废污染,既解决了味精厂废液的污染问题,同时又可变废为宝,为企业增加了效益。

 

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