第七章维生素C的生产工艺

第七章维生素C的生产工艺教学目的：了解维生素C的用途、常见合成路线。掌握莱氏法生产维生素C的工艺原理、理解其生产过程。掌握两步发酵法生产维生素C的工艺原理、理解其生产过程，了解其与莱氏法的异同点。教学重点：莱氏法生产维生素C的工艺原理；两步发酵法生产维生素C的工艺原理和生产过程。教学方法：讲授、多媒体。教学手段与工具：采用多媒体形式，配之以必要的板书。教学指导思想：贯彻以学生为主体、教师为指导者的教学思想，充分调动学生主动、生动学习的积极性。教学内容：第一节概述一、化学结构式二、理化性质水溶性、酸性、还原性、水解性第二节合成路线一、莱氏法D-山梨醇为原料，经醋酸菌一步发酵得L-山梨糖，丙酮酮醇缩合、次氯酸钠氧化剂盐酸转化等5步优点工艺成熟、产品质量好生产周期短，总收率高（66%）缺点工序多，耗用原料多有易燃易爆有机溶剂对劳动保护和安全生产要求高二、两步发酵法简化缩短的莱氏法优点缩短工序降低了原料成本节约了大量有机溶剂，减少了“三废”多数是液体物料，有利于机械化和自动化生产缺点总收率较低（45-48%）发酵单位体积产率低（60mg/100mL）设备体积大，能耗大三、全化学合成方法三步法：将葡萄糖或葡萄糖醛酸内酯丙酮化、催化、氧化、水解还原成维生素葡萄糖为原料的缺点：丙酮用量大、须用昂贵的铂金属催化剂、收率低（25-28%）四、其他方法GLC技术DNA重组菌种第三节生产工艺原理和过程一、莱氏法生产维生素C的工艺原理和过程D-山梨醇的制备L-山梨糖的制备2,3,4,6-双酮基-L-山梨糖（双丙酮糖）的制备2,3,4,6-双酮基-L-古龙酸（双丙酮古龙酸）的制备粗品维生素C的制备粗品维生素C的精制１、D-山梨醇的制备（1）工艺原理控制压力、氢做还原剂、镍作催化剂（2）工艺过程在70-75℃下加水溶解葡萄糖，50%溶液氢气纯度≥99.3%、压强0.04MPa时，将糖液冲入釜内加入活性镍催化剂加碱液调pH8.2-8.4，通蒸汽，并搅拌温度升至120-135℃时关闭蒸汽控制温度在150-155℃，压强3.8-4.0MPa反应至不吸收氢气为反应终点0.2-0.3MPa压强下压料至沉淀缸、过滤、树脂交换处理收率95%（3）反应条件及影响因素pH值葡萄糖水pH8.0-8.5偏高或偏低会使甘露醇（副产物）含量增加设备材质山梨醇能溶解多种金属避免使用铁、铝或铜制设备，而用不锈钢副产物影响甘露醇影响产物比旋度残糖含量影响产物比旋度——氢化反应的终点指标（4）注意事项及三废处理车间进行还原反应时氢气自制，故配有氢气柜。应杜绝火源，以免氢气发生爆炸废镍催化剂可压制成块，冶炼回收再生废液中的镍经沉淀后可回收废酸、废碱经中和后放入下水道2、L-山梨糖的制备（1）工艺原理选择性地使C2位的羟基氧化成羰基生物氧化黑醋菌（2）工艺过程菌种部分斜面培养基中菌种活化传代24h后，产糖量达到100mg/mL。在30℃培养48h，镜检菌体正常、无杂菌放0-5℃冰箱保存备用。发酵部分投料。D-山梨醇浓度为16%-20%培养基控制pH5.4-5.6，120℃灭菌0.5h在发酵罐中培养（温度30-32℃；压力0.03-0.05MPa）一级种子罐发酵率40%以上，二级种子罐发酵率50%以上发酵培养的山梨醇的投料浓度为25%当发酵率在95%以上时，温度略高（31-33℃）；pH7.2左右，即为发酵终点控制真空度在0.05MPa以上，温度60℃以下，减压浓缩结晶即得L-山梨糖（3）反应条件及影响因素山梨醇的纯度影响收率山梨醇浓度影响氧化速率金属离子会抑制细菌的脱氢活性生物催化剂能促进细菌生长，提高发酵率空气流量影响深层发酵。一般为0.7-1VVM细菌接种量影响氧化速率（4）注意事项尽量减少染菌途径其途径有种子或发酵罐带菌接种时罐压低于大气压培养基消毒不彻底操作中染菌阀门泄露3、2,3,4,6-双酮基-L-山梨糖的制备（1）工艺原理（2）工艺过程配料比：L-山梨糖：丙酮：发烟硫酸：氢氧化钠=1:9:0.4:0.6步骤5℃下压入丙酮、发烟硫酸，加入山梨糖15-20℃下溶糖6h降温至-8℃，保持6-7h得酮化液。25℃，加入18%-22%的氢氧化钠溶液，中和至pH8.0-8.5下层硫酸钠用丙酮洗涤，回收单丙酮糖上层清液常压蒸馏至100℃，减压蒸馏至90℃为终点苯提取蒸馏后剩余溶液，减压蒸馏得双丙酮糖收率88%（3）反应条件及影响因素缩酮化反应有多种副产物温度高、水分多、时间过长、硫酸过多则副反应增多，双酮糖收率降低酮化反应温度低于20℃高于20℃将有利于单酮糖的生产，收率降低（4）注意事项双酮糖在酸性中不稳定，碱性中较温定。因此中和时，必须保持碱性和低温条件加料的先后顺序，先加入丙酮古龙酸与盐酸，易于结块，造成搅拌困难4、2,3,4,6-双酮基-L-古龙酸（双丙酮古龙酸）的制备（1）工艺原理（2）工艺过程次氯酸钠的制造——新鲜配制14.5%-15.5%的氢氧化钠溶液通入液氯，以有效氯浓度9.5-9.7%，余碱浓度2.8-3.2%为终点双丙酮酸的氧化配料比：双丙酮糖：次氯酸钠：硫酸镍=1：10：0.04投料，40℃保温搅拌30min静止片刻，抽滤滤液冷至0-5℃，用盐酸中和（pH7、3、1.5）过滤、水洗、过滤。得结晶，收率86%。5、粗品维生素C的制备（1）工艺原理（2）工艺过程配料比：双丙酮古龙酸（折纯）：精制盐酸（38%）：乙醇=1.0：0.27：0.31步骤加部分双丙酮古龙酸，搅拌加盐酸，再加余下的古龙酸蒸汽加温，升至37℃左右关蒸汽，自然升温至52-54℃，保温5-7h。50-52℃保温20h，然后通水降温1h加适量乙醇，冷却至-2℃放料，甩滤0.5h乙醇洗涤，甩滤3-3.5h干燥得粗品维生素C，收率88%（3）注意事项加料的先后次序先加双丙酮古龙酸与盐酸，易结块，搅拌困难先加丙酮，使之与双丙酮古龙酸形成悬浮液，易搅拌盐酸浓度不能过低（38%），否则催化效果降低，收率降低析出温度的影响析出期为转化反应的剧烈期析出期温差太小，为1℃，说明反应不剧烈，放热小，不完全温差太大，为5℃，则反应放热太多，反应太剧烈，热量不能很快传递出去，加速副反应发生，严重时会引起烧料最佳温差2.5℃，析出温度不能高于59℃如遇突然停电，应选关蒸汽，后关搅拌来电后，先开搅拌，后开蒸汽，缓慢升温6、粗品维生素C的精制配料比：粗维生素C(折纯)：蒸馏水：活性炭：乙醇=1：1.1:0.06:0.6步骤粗品（85%）真空干燥（50-55℃，20-30min）除去挥发性杂质（盐酸、丙酮）投入热水（68-70℃）中溶解加入活性炭搅拌5-10min保温压滤结晶罐中降温至45-50℃加入晶种，缓慢冷却至-2℃，结晶晶体离心甩滤，冰乙醇洗涤甩滤，低温干燥（43-45℃，1.5h）得精制维生素C（m.p.190-192℃）收率91%总收率60%（对D-山梨醇计）二、两步发酵法生产维生素C的工艺原理及过程（一）、D-山梨醇的制备（二）、2-酮基-L-古龙酸的制备1、工艺原理：微生物氧化法2、工艺过程菌种部分菌种活化、分离、混合培养移入三角瓶种液培养基，29-33℃振荡培养24h，产酸量在6-9mg/mL，pH降至7以下，镜检正常无杂菌发酵部分一级种子罐加料控温29-30℃，压强0.05MPa，pH6.7-7.0二级种子罐培养，发酵终点：温度31-33℃，pH7.2，残糖量0.8mg/mL两步发酵收率78.5%提取部分一次交换盐酸酸化，调菌体蛋白等电点，沉降4h以上上清液以2-3m3/h的流速压入阳离子交换柱当流出液pH为3.5时，收集交换液，控制pH交换完，纯水冲柱加热过滤合并流出液和洗液调pH至蛋白等电点加热至70℃，加0.3%活性炭升温至90-95℃，保温10-15min，使蛋白凝结停止搅拌，快速冷却，高速离心二次交换上清液打入二次交换柱洗脱，至流出液pH=1.5时，收集交换液控制pH1.5-1.7之间。交换完毕，洗柱减压浓缩二次交换液进行一级浓缩控制真空度、内温，至浓缩液的相对密度达1.2出料同样条件二次浓缩，至尽量干加少量乙醇，冷却结晶甩滤，冰乙醇洗涤得2-酮基-L-古龙酸（m.p.158-162℃）收率80%3、反应条件及影响因素山梨糖的影响山梨糖初浓度过高，将抑制菌体生长，使发酵收率降低从生产角度考虑，保证尽可能高的酸度，需山梨糖初浓度越高越好较适宜为80mg/mL采用滴加或待菌体生长正常后一次性补加的方法，来提高产物的浓度。溶解氧浓度的影响溶解氧浓度影响好氧菌的活性产酸前期应处于高溶氧浓度产酸中期，溶氧浓度为3.5-6.0mg/mL产酸后期，耗氧量减少。pH的影响pH过低（6.4）不利于发酵控制pH6.7-7.94、注意事项及“三废”处理调好等电点是凝聚菌体蛋白的重要因素树脂再生直接影响2-酮基-L-古龙酸的提取，其标准为进出酸差在1%以下，无Cl-浓缩时，温度控制在45℃左右较好，以防止跑料和炭化三废处理。母液回收、浓缩、结晶甩滤，提高收率废盐酸回收后可再用于第一次交换浓缩时，温度控制在45℃左右较好，以防止跑料和炭化三废处理。母液回收、浓缩、结晶甩滤，提高收率废盐酸回收后可再用于第一次交换（三）粗维生素C的制备1、酸转化（1）工艺原理（2）工艺过程配料比：2-酮基-L-古龙酸：38%盐酸：丙酮=1:0.4:0.3先将丙酮和一半古龙酸加入转化罐，搅拌再加入盐酸和余下的古龙酸蒸汽加热，升温至30-38℃，关闭蒸汽，自然升温至52-54℃，保温5h达到反应高潮，保持温度50-52℃，至总反应时间20h，冷却过滤、冷乙醇洗涤，得维生素C粗品，收率88%（3）反应条件及影响因素盐酸浓度的影响若盐酸浓度偏低，则转化不完全，收率低若盐酸浓度偏高，则分解成许多杂质，使反应物颜色较深丙酮的影响酸性条件下，产物容易分解为糠醛，进一步聚合成水和醇不溶的糠醛树脂。加入丙酮可以溶解糠醛，降低其活性而阻止其聚合（4）工艺过程酯化加入甲醇、浓硫酸和干燥的古龙酸搅拌加热，升温至66-68℃，反应4h左右即为酯化终点冷却，加入碳酸氢钠升温至66℃左右，回流10h后，即为转化终点冷却至0℃，离心分离，得维生素C钠盐母液回收酸化将维C钠盐和一母干品、甲醇加入罐中，搅拌硫酸调反应液pH为2.2-2.4在40℃左右保温1.5h冷却，离心分离，弃去硫酸钠加少量活性炭，冷却压滤真空减压浓缩，蒸出甲醇浓缩液冷却结晶，离心分离2、改进后的转化工艺旧工艺的缺点带入大量钠离子，影响维生素C的质量转化后母液中产生大量硫酸钠，严重影响母液套用及成品质量劳动生产强度大碱转化的新工艺有机胺代替碳酸氢钠工艺原理工艺过程将2-酮基-L-古龙酸甲酯加入到甲醇中搅拌、升温、回流、溶解在惰性气体中滴加胺，回流、搅拌浓缩、蒸馏水溶解油状物有机溶媒提取、分离有机层用硫酸钠干燥后，回收套用水层经浓缩、结晶得维生素C晶体优点提高产品质量和收率有机溶剂回收套用率高反应条件、温度要求不高大量使用液体投料，有利于自动化控制缺点：反应在惰性气体（氮气、氩气）保护下进行酸转化新工艺工艺过程将古龙酸钠盐加到乙醇和丙酮的混合溶液中室温下搅拌，通入氢气60℃反应，析出氯化钠晶体过滤，乙醇和丙酮的混合溶液洗涤合并滤液，加入惰性溶剂保温、搅拌、冷却、析晶得维生素C优点析晶纯度高反应温度低工艺时间缩短去除了维生素C精制过程中的水溶解提高产品的质量和收率溶剂经分馏后可重新使用（3）两条转化路线的比较各占50%酸转化优点设备简单操作方便中间过程少，利于收率提高缺点：设备易被腐蚀碱转化优点：产品质量较好缺点设备多，操作过程长，不利于提高总收率