维生素C生产工艺

2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物1维生素概述维生素C生产工艺2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物2概述基本概念维生素是生物体内一类量微、化学结构各异，具有特殊功能的小分子有机化合物，它们大多需从外界摄取。维生素有以下特点：（1）维生素是天然食物中的一种成分，是一种活性物质，对机体代谢起调节和整合作用。（2）维生素需求量很小。（3）大多数维生素在体内不能合成，要从外界摄取。（4）绝大多数维生素是通过辅酶或辅基的的形式参与体内酶促反应体系。（5）人体内维生素缺乏时，会发生一类特殊的疾病，称“维生素缺乏症”。维生素并不是补品，人体每日需要量是一定的，多摄入并不一定好，使用不当，反而会导致疾病。2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物3维生素分为脂溶性和水溶性两大类。脂溶性：维生素A，D，E，K，Q和硫辛酸等。水溶性：维生素B1、B2、B6、B12、烟酸、泛酸、叶酸、生物素和维生素C等。概述2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物4维生素与辅酶、辅基的关系长期以来，人们就认识到食物中缺乏某种维生素，会导致某种疾病，维生素在机体的代谢中起着十分重要的作用，后来陆续发现大部分维生素或者其本身就是辅酶、辅基，或者是辅酶、辅基的组成部分。例如维生素B1（硫胺素），它在体内的辅酶形式是硫胺素焦磷酸（TPP），是α—酮酸氧化脱羧酶的辅酶，又如泛酸，其辅酶形式是COA，是转乙酰基酶的辅酶。概述2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物5生产方法（1）化学合成法烟酸、烟酰胺、叶酸、维生素B1、B6、D、E、K等。（2）发酵法B12、B2，维生素C和生物素，维生素原等。（3）生物提取法从猪心中提取辅酶Q10，从槐花米中提取芦丁，从提取链霉素后的废液中提取B12等。概述2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物6维生素C生产工艺维生素C又名抗坏血酸（Ascorbicacid）是细胞氧化-还原反应中的催化剂，它释放两个氢原子后变成氧化型维生素C，有供氢体存在时，脱氢抗坏血酸可以接受两个氢原子变成抗坏血酸，参与机体新陈代谢，增加机体对感染的抵抗力。用于防止坏血酸和抵抗传染性疾病，促进创伤和骨折愈合，以及用作辅助药物治疗。2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物7维生素C生产工艺1、化学结构和性质维生素C(多羟基不饱和内酯衍生物)分子中有两个手性碳原子，故有4种光学异构体，其中L（+）抗坏血酸效果最好，其他三种临床效果很低或无效。OCCCCCH2COHHOHHOHOOHOCCCCCH2COHHOHHOHOOHOCCCCCH2COHHOHHOHOOHOCCCCCH2COHHOHHOOHOHL-抗坏血酸D-抗坏血酸L-异抗坏血酸D-异抗坏血酸2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物81、化学结构和性质白色粉末，无臭、味酸、熔点190-192℃，易溶于水，略溶于乙醇，不溶于乙醚，氯仿及石油醚等。它是一种还原剂，易受光、热、氧等破坏，尤其在碱液中或有微量金属离子存在时，分解更快，但干燥结晶较稳定。维生素C生产工艺2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物9维生素C生产工艺2、莱氏法化学合成工艺(CH3)2COCH2OHCCCCCHOHOHOHHOHHHOHCH2OHCCCCCH2OHHHOH3CH3CCH3CH3OH2CH2OHCCCCCH2OHHOHOHHOHHHOHO2COOHCCCCCH2OHHOHHOHOHOHH2SO4KMnO4NaOHO2OCCCCCH2CHOOHHHOHOOHCH2OHCCCCCH2OHHOHHOHOHOHCOOHCCCCCH2OHHHOH3CH3CCH3CH3O内酯化烯醇化D-葡萄糖D-山梨醇L-山梨醇双丙酮-L-山梨糖双丙酮-L-古龙酸2-酮基-L-古龙酸维生素-CH2O2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物10（1）工艺路线[转化][酸化]HCl[氧化]NaOH,O2,KMnO4[酮化]H2SO4丙酮[加氢]H2D-葡萄糖D-山梨醇双丙酮-L-山梨糖维生素CL-山梨糖[酶菌氧化]O2双丙酮-L-古龙酸2-酮-L-古龙酸维生素C生产工艺2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物11（2）工艺过程①山梨醇发酵菌种醋酸菌属可使山梨醇氧化成山梨糖，一般用A.Suboxyclans和A.Melangenum。②发酵条件温度为26-30℃，最适pH为4.4-6.8。pH4.0以下菌的活性受影响。用0.5%酵母浸膏为主要营养源，山梨醇浓度为19.8%，通气量1800ml/min，30℃培养33h，山梨糖收率可达97.6%。氮源：无机氮源不能利用，使用有机氮源。金属离子的影响：Ni2+、Cu2+能阻止菌的发育，铁能妨碍发酵，为了使发酵顺利进行，需用阳离子交换树脂将山梨醇中的金属离子去掉。2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物12整个合成过程中必须保持第4位碳原子的构型不变；维生素C的总收率约60%。C-4内酯化、C-2烯醇化：酸转化：配料比2-酮基-L-古龙酸：38%盐酸：丙酮=1：0.4：0.3（质量/体积）碱转化：先形成2-酮基-L-古龙酸甲酯，加NaHCO3转化生成维生素C钠盐，经氢型离子交换树脂酸化，在50-55℃下减压烘干，得粗品维生素C。2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物133、两步发酵工艺CH2OHCCCCCHOHOHOHHOHHHOHH2CH2OHCCCCCH2OHHOHOHHOHHHOHO2CH2OHCCCCCH2OHHOHHOHOHOHCOOHCCCCCH2OHHOHHOHOHOHOCCCCCH2CHOOHHHOHOOH内酯化烯醇化D-葡萄糖D-山梨醇L-山梨醇2-酮基-L-古龙酸维生素-C氢化AcetobacterPseudomonas2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物143、两步发酵工艺2-酮-L-古龙酸[内酯化，烯醇化][生物转化]假单孢菌D-山梨醇维生素C（L-抗坏血酸）L-山梨糖[氧化]醋酸杆菌2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物153、两步发酵工艺（1）D-山梨醇的化学合成50%葡萄糖溶液在75℃下加入活性炭，用石灰乳液调节pH8.4，加镍催化剂，通氢气，压力3.43MPa，反应温度140℃。反应结束后，静置沉降出去催化剂，反应液经离子交换树脂、活性炭处理后，减压浓缩，得到含量60-70%的D-山梨醇，无色透明或微黄色透明粘稠液体，收率约97%。2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物163、两步发酵工艺（2）2-酮-L-古龙酸的微生物发酵第一步发酵：黑醋酸杆菌（从D-山梨醇到L-山梨糖）第二步发酵：葡萄糖酸杆菌和巨大芽孢杆菌混合培养发酵罐：气升式反应器，100立方米。（3）2-酮-L-古龙酸的分离纯化发酵液中：2-酮-L-古龙酸8%，杂质有菌丝体、蛋白质和悬浮的固体颗粒等。除杂操作：加热、离心。2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物17莱氏法是最早生产维生素C的方法,其以葡萄糖为原料,先经黑醋菌发酵生成L-山梨糖,再经丙酮化及NaClO氧化、水解得到2-酮-L古龙酸钠,然后进行化学合成得到维生素C。此法存在着很多缺陷,如生产工艺复杂、劳动强度大、生产环境恶劣、易对人体造成伤害,因此人们不断对此工艺进行改进。2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物18两步发酵工艺发酵：此法省略了酮化和NaClO氧化过程,简化了工艺，极大地改善了操作环境。除主耗山梨醇消耗较高外，其他辅料消耗较低。且多为液体反应，物料输送方便，更有利于生产连续化和操作自动化。但此法仍存在很多缺点，如占地面积大、发酵基质浓度低、在高湿高温条件下染菌机率高、设备利用率低、后续处理能耗高等问题。在未来的工艺优化过程中，除了进行发酵工艺改进外,更应注重优良菌种的选育。发酵液的提取工艺是维生素C生产行业中较为重视的问题。经过两次发酵后,发酵液的含量仅为6%～9%，且残留有菌丝体、蛋白质和悬浮微粒等，分离提纯较为困难。传统的处理方法有加热沉淀法和化学凝聚法。针对以上两种方法中存在的缺点和不足，一种新的处理方法———超滤法在维生素生产中得以应用。此法具有操作方便、节能、不造成新的环境污染等优点。此法与加热沉淀法相比，可在常温下操作，减少了有效成分的损失;且为后步树脂交换提供了有利的条件,减少了树脂的污染，从而有利于提高树脂的使用率。与化学凝聚法相比,在处理染菌的发酵液时仍可达到较好的处理效果。随着新型膜材料技术的开发,如陶瓷膜、不锈钢膜等的应用,超滤法的应用效果会有进一步的提高。同时,国内外正在探索反渗透、纳滤等后序处理新工艺的应,用完善工艺联结。2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物19两步发酵工艺转化工艺(1)酸转化法。传统的酸转化法是采用浓HCl将古龙酸直接转化为Vc，但酸转化对设备的腐蚀严重,污染环境，影响产品质量,现已逐渐被碱转化法所取代。(2)碱转化法。碱转化法是先将古龙酸与甲醇在浓硫酸催化作用下生成古龙酸甲酯,再使用NaHCO3进行碱转化，使古龙酸甲酯转化为Vc-Na。采用此法可避免酸转化的缺点,且操作简单,适用于Vc的规模化生产,但是碱转化存在着反应周期较长,甲醇单耗高。目前有些单位及生产厂家研究采用CH3ONa代替NaHCO3进行碱转化,此法转化率高,可达9216%,但质量较差,且甲醇钠价格贵,造成成本较高。酸化酸化是将维生素C-Na转变为维生素C的过程。目前采用的普遍方法是硫酸酸化法和树脂交换法。采用硫酸酸化操作简单,但要控制好甲醇的浓度和pH值,才能使硫酸钠与维生素C分离出来,从而提高Vc的质量。采用氢型离子树脂交换设备庞大,操作复杂,且需经常再生树脂,增加了酸耗,酸液大量排放污染环境。目前有些单位及个人正在探索使用电渗析法代替传统的酸化方法,此法过程简单,能耗低,投资少,转化率高,可望应用到实际生产中。综上所述，我们在以后的维生素C工艺发展过程中，要以两步发酵法为基础,不断优化工艺，同时借鉴国外的新技术、新信息,避免低水平重复,提高Vc的产量和质量,同时注重Vc系列产品的开发和应用,创造出更大的经济效益。2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物20思考题1、简述维生素的特点及区分脂溶性维生素和水溶性维生素。2、简述维生素C的生产工艺。2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物21总复习思考题1、生物制药工艺学研究的内容或对象。2、生物药物的分类方法及分类。3、简述生物制药的一般过程。4、对比生化药物的各种沉析(浓缩)方法的异同。5、详细阐述超滤、离子交换法、凝胶层析和亲合层析的异同（包括基本原理、所用的介质、分离的对象以及主要应用等）。2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物22总复习思考题6、叙述酸解法生产胱氨酸的生产工艺（包括工艺路线和过程）以及对工艺过程的评价。7、叙述发酵法生产L-异亮氨酸的生产工艺（包括工艺路线和过程）以及对工艺过程的评价。8、多肽及蛋白质类药物的分类。9、简述CMC精制法制备促皮质腺素的生产工艺。10、阐述胰岛素的酸沉提取和锌盐直接沉淀法的工艺过程以及工艺工程的评价。2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物23总复习思考题11、了解核酸及核苷酸的结构。12、阐述以兔肌肉为原料制备三磷酸腺苷的工艺路线。13、简述酶类药物的分类。14、阐述溶菌酶的生产工艺及对工艺过程的评价。15、了解糖类药物的分类16、阐述盐解（或酶解）—离子交换法制备肝素的工艺路线。17、简述甘露醇的生产工艺。2019/9/30生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物24总复习思考题18、了解脂类药物的特性。19、简述胆固醇的生产工艺。20、了解水溶性和脂溶性的维生素。21、简述维生素C的生产工艺。