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1、1,第四章 维生素生产工艺,2,一、概况,1、概念： 是一类维持细胞生长和正常代谢所必须的微量小分子有机化合物，人体不能合成。 能量和物质代谢的辅酶。 某些激素的前提，调节物质代谢。,3,2、维生素的发展,4,3、维生素的分类,维生素可分为脂溶性维生素和水溶性维生素两大类。,5,6,二、维生素的生产方法,生产维生素的方法有三种：提取法，化学合成法，生物合成法。,提取法是从富含维生素的天然食物或药用植物中浓缩、提取而得。目前只有极少数维生素采用提取法。如维生素A原、维生素E等。化学合成法是目前生产维生素主要方法。微生物发酵法和微藻类的生物转化法（统称生物合成法）发展非常快。,7,8,9,三、维生
2、素C生产工艺,1. 维生素C的合成方法,维生素C的合成方法主要有莱氏化学合成法 和微生物发酵合成法两种。,1、莱氏化学合成法,1933年德国Reichstein等人首先用化学合成法制取维生素C获得成功。 至今许多国家仍采用此方法或采用改进的莱氏法进行工业生产。 该方法以D山梨醇作原料，需经四大步反应，才能得到维生素C产品。,10,D-葡萄糖为原料，经高压催化加氢制取D-山梨醇；D-山梨醇经黑醋菌（Gluconobacter melagenus）发酵得L-山梨糖；,莱氏化学合成法,L-山梨糖,11,b. L-山梨糖和丙酮反应制得二丙酮-L-山梨糖,糖,12,C、二丙酮-L-山梨糖氧化得二丙酮-2
3、-酮-L-古龙酸钠，再经酸化得二丙酮-2-酮-L-古龙酸,13,d. 二丙酮-2-酮-L-古龙酸经转化得维生素C。,酸转化,14,改进莱氏法（碱转化）,15,2、微生物发酵合成法,D-山梨醇途径 L-山梨糖途径 L-艾杜糖酸途径 2-酮-D-葡萄糖酸途径 2,5-二酮-D-葡萄糖酸途径 2-酮-L-古龙酸途径,从葡萄糖出发，采用微生物发酵合成维生素C，有以下六种合成途径：,16,六种合成途径之间既有联系又有区别。,D-山梨醇途径,L-山梨糖途径,L-艾杜糖酸途径,2-酮-D-葡萄糖酸途径,2,5-二酮-D-葡萄糖酸途径,2-酮-L-古龙酸途径,17,2. 二步发酵法生产工艺,六条不同的微生物发
4、酵合成途径最终都是以2-酮基-L-古龙酸 （简称2KGA）为最终产物，再经化学转化合成维生素C。 在这六条合成途径中，只有第二条途径已实现了工业化生产。此即为我国自行开发的二步发酵法。优点：制备工艺简单，生产周期短和“三废”污染少等。 1985年转让给世界上生产维生素最大企业瑞士霍夫曼罗氏制药公司。我国医药工业史上首次出口技术。,二步发酵法生产工艺有酸转化工艺和碱转化工艺两种。 酸转化设备简单、流程短，但制得的维生素C破坏严重、质量差，设备腐蚀严重，三废多，因此逐渐淘汰。 碱转化虽然流程较长、投资大，但产品质量好，故目前绝大部分工厂均采用碱转化工艺。,18,3、二步发酵法反应步骤,19,4、二
5、步发酵法生产维生素C的工艺流程,二步发酵法的整个工艺流程可分为发酵、提取、转化和精制四部分。,斜面活化,三角瓶转代,克氏瓶扩培种液,4L,321 发酵率50,351 发酵率50,无菌山梨糖醪液,37-38 残醇1,终点后 80，20min,4L,291 产酸3mg/ml,291 产酸3mg/ml,25NaCO3溶液 调pH6.7-7.0,20,二步发酵菌种及发酵工艺说明,A. 菌种,一步发酵中所用菌种为生黑葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter melagenus），简称黑醋菌。 最常用的生产菌株为R-30，其主要特征是：细胞椭圆至短杆状，G+，无芽孢，大小为（0.50.8）m（1.02.2
6、）m。端生草根鞭毛运动，菌落边缘整齐，微显浅褐色。生长最适温度为34，氧化D-山梨醇的发酵收率可达98以上。,第一步发酵： D-葡萄糖高压加氢制成D-山梨醇（发酵主要原料）； 利用生黑葡萄糖酸杆菌将D-山梨醇转化为L-山梨糖,21,（1）第一步发酵 B. 培养基,无机盐溶液的组成：MgSO47H2O 1.25 g/100mL，(NH4)H2PO4 7.5 g/100mL，KH2PO4 5 g/100mL，K2SO4 1.25 g/100mL。,22,发酵过程特征,在发酵过程中，控制发酵温度34，初始pH5.15.3。该氧化反应的耗氧量较大，所以通气比要求1:1 VVM以上。即使在通气量较大，且
7、搅拌转速较高的条件下，发酵至4h后溶解氧浓度急剧下降，甚至接近于零。直到10h左右才逐渐回升。当溶解氧浓度回复至最高点，呈水平直线时，表示该反应已达终点。 该发酵过程受山梨醇底物浓度的影响，当其浓度超过250 g/L时，底物对产物形成有抑制作用。故要获得高浓度山梨糖时，必须采用流加发酵方式。为了配合第二步的高浓度山梨糖流加发酵工艺，尽可能提高一步发酵的最终山梨糖浓度是至关重要的。目前山梨糖浓度可达450 g/L。,23,第二步发酵,小菌为氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter oxydans）， 大菌可采用,巨大芽孢杆菌（Bacillus megateriam），称2980菌， 或蜡状芽
8、孢杆菌（Bacillus cereus），称152菌， 或浸麻芽孢杆菌（Bacillus macerans），称169菌。,也可采用其他一些杆菌与小菌混合培养。,工业生产过程中使用最多的为2980及152混合菌。,第二步发酵采用的菌种为由大、小两株细菌组成的混合菌种。,氧化葡萄糖酸杆菌的主要特征为：细胞椭圆至短杆状，G-，无芽孢。30培养2d后大小为（0.50.7）m （0.61.2）m ，单个或成对排列。在葡萄糖培养基上生长极微弱，甘露醇培养基上生长良好。,A. 菌种,24,B. 培养基,25,C. 发酵过程特征,步骤：第一步生成的L-山梨糖于80加热10min，再按一定比例加入消毒辅料（玉
9、米浆、尿素、无机盐） 第二步发酵为混合菌种发酵。由于大、小菌两者的最适培养条件是不同的，所以其操作适宜条件是兼顾大、小菌两者的条件。通常操作温度为30；初始pH控制在6.8左右。发酵pH控制在4.4-6.8。该反应虽属氧化反应，但对氧的消耗并不很大。气升式发酵罐非常适合该发酵过程。溶氧浓度控制在2030即可【通气比1:(0.8-1.0)。 发酵过程中，生物量大量生成，对氮源需求量增加。及时补充氮源，用尿素调节,26,山梨糖的初始浓度对产物的生成影响较大。间歇发酵时初始山梨糖浓度超过80 g/L，会对产物生成产生抑制。所以要取得高浓度2KGA，需采用高浓度山梨糖流加发酵方式。若采用建立在数学模型
10、基础上的流加控制策略，可获得高浓度的2KGA，二步收率可达83。 控制措施：初糖浓度控制在3050g/L，810h内，是菌体快速增殖期，发酵初期温度较低，控制在301，pH6.0-7.0。当“大菌”开始形成芽孢，“小菌”开始产酸，补加L-山梨糖。发酵进行到2024h，第二次补加L-山梨糖，可达140g/L 当大菌完全形成芽孢和出现游离芽孢时，产酸达到最高峰。从产酸高峰期起，随着2酮基L古洛糖酸浓度的增加，发酵液pH不断降低，自动控制流加30NaOH使pH保持在6.7-7.2以保证产酸的顺利进行。 当残糖浓度降到5g/L以下时，发酵结束，保持略高的温度（321），pH保持在7.2左右。当L山梨糖
11、耗尽（0.6mg/ml)，“大菌”游离芽孢及残存菌体已逐步自溶，整个发酵结束。,27,静止沉降罐,渣液,一次离子交换液贮罐,静止沉降罐,压滤,上清,二次液贮罐,滤渣,环保处理,5、 提取,28,无水甲醇，浓硫酸,古 龙 酸,甲 酯 化,内 酯 化,离心分离,50硫酸，活性炭,维 C 钠,离心分离,浓 缩,结 晶,母液回收,离心分离,酸化脱色,含水甲醇,去回收塔,粗 维 C,去精制,回收甲醇,硫酸钠及废炭,6、 转化,29,7、 精制,30,四、 生物合成法生产维生素的前景,对自然界中微生物及藻类进行广泛和深入的筛选和分离，以获得优良的生产菌株。 对现有生产菌株用突变等方法进行改造，以提高其生产能力。 利用基因重组技术，获得高产基因工程菌株。,31,谢谢,
