發(fā)酵工程——維生素C的生產(chǎn)工藝.ppt

1、,維生素的工藝原理,王桐 潘明陽 郁鯤,一、維生素C ( Vitamin C VC),維生素C又名抗壞血酸，呈白色粉末，無臭，味酸，熔點190192，易溶于水和甲醇，略溶于乙醇，不溶于乙醚、氯仿及石油醚等。具有較強的還原性，易受光、熱、氧等破壞，在堿液中或有微量金屬離子存在時，分解更快，但干燥結晶后較穩(wěn)定。VC是一種人體必需的水溶性維生素，也是一種抗氧化劑，廣泛應用于醫(yī)藥、食品、飼料等領域。,獲得維生素的方法,提取法：從富含維生素的天然食物和藥用 植物中濃縮、 提取。目前只有極少數(shù)維生素采用提取法，例如維生素A、E。,生物合成法：微生物發(fā)酵法和微藻類的生物轉化法，目前發(fā)展很快。,化學合成法：目

2、前生產(chǎn)維生素的主要方法。,二、目前合成方法,1、萊氏法,1933年瑞士化學家萊齊特因等用化學合成方法合成維生素C，也稱萊氏法。該法主要以D-山梨醇作為原料，是最早生產(chǎn)維生素C的方法，也是國外采用的方法。工藝路線主要如下：,D-山梨醇,L-山梨糖,黑醋菌的發(fā)酵氧化,二丙酮-L-山梨糖,丙酮,硫酸,雙丙酮-2-酮基 -L-古龍酸鈉,次氯酸納,氧化,雙丙酮-2-酮基- L-古龍酸,酸化,維生素C,HCl,化學轉化,優(yōu)點：該法生產(chǎn)的維生素C產(chǎn)品質(zhì)量好、收率高，達60，而且生產(chǎn)原料易獲得，中間產(chǎn)物化學性質(zhì)穩(wěn)定，一直是國外生產(chǎn)維生素C的重要方法,缺點：生產(chǎn)工序繁多、勞動強度大、大量有機溶劑的使用易造成環(huán)境

3、污染等,萊氏法的優(yōu)缺點,2、微生物發(fā)酵合成法,D-山梨醇途徑 L-山梨糖途徑 L-艾杜糖酸途徑 2-酮-D-葡糖糖酸途徑 2,5-二酮-D-葡糖糖酸途徑 2-酮-L-古龍酸途徑,三、二步發(fā)酵法生產(chǎn)工藝,六條不同的途徑最終都是以2-酮-L-古龍酸為最終產(chǎn)物，在經(jīng)過化學轉化合成維生素C。其中只有第二條實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，此即為我國自行開發(fā)的二步發(fā)酵法。二步發(fā)酵工藝是中國科學院微生物研究所和北京制藥廠于1975年合作發(fā)明的，此法進一步發(fā)展了維生素C的生產(chǎn)，是目前唯一成功應用于維生素C工業(yè)生產(chǎn)的微生物轉化法。,制備工藝簡單，生產(chǎn)周期短和三廢污染少等。,有什么優(yōu)點呢,1985年轉讓給世界上生產(chǎn)維生素最大的

4、企業(yè)瑞士霍夫曼羅氏制藥公司。,（一）二步發(fā)酵法生產(chǎn)維生素C的工藝流程,主要分為發(fā)酵、提取、轉化、精制四個過程?？偟墓に嚶肪€：,第一步：,D-葡萄糖,D-山梨醇,H2 催化,L-山梨糖,黑醋酸菌,第二步：,L-山梨糖,2-酮基-L-古龍酸 （2KGA),小菌氧化葡萄糖酸桿菌和大菌巨大芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌等伴生菌混合發(fā)酵,維生素C,內(nèi)脂化 烯醇化,（二）、具體步驟,1、發(fā)酵：在氫氣、黑醋酸菌的作用下通過一步和二步發(fā)酵得到古龍酸鈉 發(fā)酵液。,發(fā)酵液,2、提取:,上清液,離子交換,加熱凝聚,離心過濾,濾液,二次離子交換,濃縮,結晶,干燥,古龍酸去轉化,3、轉化：,甲酯化、類酯化,離心分離,維c鈉,酸

5、化脫色,離心分離,濃縮,結晶,離心分離,粗維c,粗維c,溶解脫色,活性炭、熱的去離子水,過濾,結晶,離心過濾,母液回收,真空干燥,過篩、包裝,維c成品,4.精制,四、菌種的制備及種子的擴大培養(yǎng),（1）、第一步發(fā)酵 1、菌種：一步發(fā)酵中所用菌種為生黑葡萄糖酸桿菌(Gluconobacter melagenus)，簡稱黑醋菌。最常用的生產(chǎn)菌株為R30，其主要特征是：細胞橢圓至短桿狀，革蘭氏染色陽性，無芽孢大小為(0.5一0.8)um x(1.0-2.2)um。端生草根鞭毛運動，菌落邊緣整介，微顯淺褐色。生長最適溫度為34l，氧化D-山梨醇的發(fā)酵收率可達98以上。 2、一級種子擴大培養(yǎng)：種子培養(yǎng)基成

6、分為：山梨醇20，酵母膏0.7，碳酸鈣0.15%，無機鹽溶液0.4。其中，無機鹽溶液的組成為：MgSO47H2O 1.25g100 mL,(NH4)H2PO47.5g/100mL,KH2PO45g/100mI,K2SO41.25g/100ml.PH6.7,121,30min滅菌。 3、第一步發(fā)酵培養(yǎng)：發(fā)酵液培養(yǎng)基成分為：酵母膏0.035，碳酸鈣0.1，玉米漿0.1，復合維生素B 0.001，山梨醇濃度視需要而定，該氧化反應的耗氧量較大，所以通氣比要求1:1VVM以上。即使在通氣量較大，且攪拌轉速較高的條件下，發(fā)酵至4h后溶解氧濃度急劇下降，甚至接近于零。直到10h左右才逐漸回升。當溶解氧濃度回

7、復至最高點，成水平直線時，表示該反應已達終點。D-山梨醇轉化為L-山梨糖的生物轉化率達98%以上。發(fā)酵液經(jīng)低溫60滅菌20min,冷卻至30，作為第二步發(fā)酵的原料。,（2）、第二步發(fā)酵法,1、菌種：第二步發(fā)酵采用的菌種為由大、小兩株細菌組成的混合菌種。小菌為氧化葡萄糖酸桿菌,大菌可采用巨大芽孢桿菌,稱2980菌；或蠟狀芽孢桿菌,稱152菌，或浸麻芽孢桿菌,稱169菌。也可采用其他一些桿菌與小菌混合培養(yǎng)。但工業(yè)上使用最多的是2980及152菌混合菌。 2、二級種子的擴大培養(yǎng)：種子培養(yǎng)基成分為：酵母膏0.3%,牛肉膏0.3%，玉米漿0.3%，蛋白胨1.0%，尿素0.1%，山梨糖2.0%，另加某些無

8、機鹽。PH6.7,121,30min滅菌。 3、第二步發(fā)酵培養(yǎng)：發(fā)酵液培養(yǎng)成分為：玉米漿0.5%，尿素0.1%，無機鹽及山梨糖。第二步發(fā)酵為混合菌種發(fā)酵。由于大、小菌兩者的最適培養(yǎng)條件是不同的，所以操作適宜條件是兼顧大、小菌兩者的條件。通常操作溫度為30；初始pH控制在6.8左右。該反應雖屬氧化反應，但對氧的消耗并不很大。氣升式發(fā)酵罐非常適合該發(fā)酵過程。溶氧濃度在20%即可。山梨糖的初始濃度對產(chǎn)物的生成影響較大。間歇發(fā)酵時初始山梨糖濃度超過80g/L，會對產(chǎn)物產(chǎn)生抑制。所以要取得最高濃度2KGA，需采用高濃度山梨糖流加發(fā)酵的方式。若采用建立在數(shù)學模型基礎上的流加控制策略，可獲得高濃度的2KGA

9、，二步收率可達83%。,五、發(fā)酵工藝中的部分設備,1、機械攪拌罐： 第一步發(fā)酵采用機械攪拌發(fā)酵罐。機械攪拌通風發(fā)酵罐是利用機械攪拌器的作用，使空氣和醪液充分混合促使氧在醪液中溶解，以保證供給微生物生長繁殖、代謝所需要的氧氣。,2、氣升式發(fā)酵罐： 第二步發(fā)酵采用氣升式發(fā)酵罐。在反應器內(nèi)沒有攪拌器，其中央有一個導流筒，將發(fā)酵液分為上升區(qū)（導流筒內(nèi)）和下降區(qū)（導流筒外），在上升區(qū)的下部安裝了空氣噴嘴，或環(huán)型空氣分布管，空氣分布管的下方有許多噴孔。反應溶液分布均勻，基質(zhì)和溶氧均勻分散，使基質(zhì)在發(fā)酵罐內(nèi)各處的濃度均勻，溶解氧恒定。,六無菌空氣的制備,微生物在生產(chǎn)過程中需要氧氣，因此需要通入空氣。然而空氣

10、是氧氣、二氧化碳、氮氣等的混合物，其中還有水汽及懸浮的塵埃，包括各種微粒、灰塵及微生物。這就需要對空氣嚴格滅菌，達到無菌狀態(tài)，才能使用。,1、空氣的預處理和設備： （1）采風塔 在工廠的上風頭，高度一般在10m左右，設計流速8m/s。可建在高壓機房的屋頂上。 （2）粗過濾器 安裝在空壓機吸入口前，前置過濾器。作用是截留空氣中較大的灰塵，保護壓縮機，減輕總過濾器的負擔，也能起到一定的除菌作用。介質(zhì)為泡沫塑料（平板式）或無紡布（折疊式），流速0.1-0.5m/s。要求是阻力小，灰容量大。 （3）空氣壓縮機 作用是提供空氣流動的動力。常用往復式、螺桿式、渦輪式空壓機。 （4）空氣儲罐 消除壓縮空氣的

11、脈動，用于往復式空壓機。螺桿式和渦輪式空壓機提供均勻連續(xù)空氣可省去。設置在空壓站附近。 （5）冷卻器 空氣壓縮機出口氣溫一般在120，必須冷卻。在潮濕季節(jié)，除濕?？諝饫鋮s器的傳熱系數(shù)為105W/(m2)。采用雙程或四程結構，兩級串聯(lián)使用。第一級循環(huán)水冷卻，第二級低溫水（9）冷卻。設置在發(fā)酵車間外。壓縮空氣每經(jīng)過1m管道，溫度下降0.5-1.0。,2、空氣的凈化,A、兩級冷卻、加熱除菌流程 尤其適合用于潮濕地區(qū),B、冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程 適用于中等濕含量地區(qū)，不適合于空氣濕含量高的地區(qū),C、高效前置過濾空氣除菌流程 可獲得無菌程度很高的空氣,VC工藝流程圖,VC生產(chǎn)工廠設計簡圖,維c的益處：,1、治療壞血病。 2、預防牙齦萎縮、出血。 3、預防動脈硬化：可促進膽固醇的排泄，防止膽固醇在動脈內(nèi)壁沉積，甚至可以使沉積的粥樣斑塊溶解。 4、抗氧化劑：可以保護其它抗氧化劑，如維生素A、維生素E、不飽和脂肪酸，防止自由基對人體的傷害。 5、治療貧血：使難以吸收利用的三價鐵還原成二價鐵，促進腸道對鐵的吸收，提高肝臟對鐵的利用率，有助于治療缺鐵性貧血。 6、提高人體的免疫力 ：白細胞含有豐富的VC，當機體感染時白細胞內(nèi)的VC急劇減少。VC可增強中性粒細胞的趨化性和變形能力，提高殺菌能力。,天然維