发酵工程――维生素C的生产工艺

维生素的工艺原理王桐潘明阳郁鲲一、维生素C(VitaminCVC)维生素C又名抗坏血酸，呈白色粉末，无臭，味酸，熔点190～192℃，易溶于水和甲醇，略溶于乙醇，不溶于乙醚、氯仿及石油醚等。具有较强的还原性，易受光、热、氧等破坏，在碱液中或有微量金属离子存在时，分解更快，但干燥结晶后较稳定。VC是一种人体必需的水溶性维生素，也是一种抗氧化剂，广泛应用于医药、食品、饲料等领域。获得维生素的方法提取法：从富含维生素的天然食物和药用植物中浓缩、提取。目前只有极少数维生素采用提取法，例如维生素A、E。生物合成法：微生物发酵法和微藻类的生物转化法，目前发展很快。化学合成法：目前生产维生素的主要方法。维c合成方法莱氏化学合成法微生物发酵合成法二、目前合成方法1、莱氏法1933年瑞士化学家莱齐特因等用化学合成方法合成维生素C，也称莱氏法。该法主要以D-山梨醇作为原料，是最早生产维生素C的方法，也是国外采用的方法。工艺路线主要如下：D-山梨醇L-山梨糖黑醋菌的发酵氧化二丙酮-L-山梨糖丙酮硫酸双丙酮-2-酮基-L-古龙酸钠次氯酸纳氧化双丙酮-2-酮基-L-古龙酸酸化维生素CHCl化学转化优点：该法生产的维生素C产品质量好、收率高，达60％，而且生产原料易获得，中间产物化学性质稳定，一直是国外生产维生素C的重要方法缺点：生产工序繁多、劳动强度大、大量有机溶剂的使用易造成环境污染等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-葡糖糖酸途径2,5-二酮-D-葡糖糖酸途径2-酮-L-古龙酸途径三、二步发酵法生产工艺六条不同的途径最终都是以2-酮-L-古龙酸为最终产物，在经过化学转化合成维生素C。其中只有第二条实现了工业化生产，此即为我国自行开发的二步发酵法。二步发酵工艺是中国科学院微生物研究所和北京制药厂于1975年合作发明的，此法进一步发展了维生素C的生产，是目前唯一成功应用于维生素C工业生产的微生物转化法。制备工艺简单，生产周期短和三废污染少等。有什么优点呢1985年转让给世界上生产维生素最大的企业——瑞士霍夫曼·罗氏制药公司。（一）二步发酵法生产维生素C的工艺流程主要分为发酵、提取、转化、精制四个过程。总的工艺路线：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-古龙酸（2KGA)小菌氧化葡萄糖酸杆菌和大菌巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌等伴生菌混合发酵维生素C内脂化烯醇化（二）、具体步骤1、发酵：在氢气、黑醋酸菌的作用下通过一步和二步发酵得到古龙酸钠发酵液。发酵液2、提取:上清液离子交换加热凝聚离心过滤滤液二次离子交换浓缩结晶干燥古龙酸去转化3、转化：甲酯化、类酯化离心分离维c钠酸化脱色离心分离浓缩结晶离心分离粗维c粗维c溶解脱色活性炭、热的去离子水过滤结晶离心过滤母液回收真空干燥过筛、包装维c成品4.精制四、菌种的制备及种子的扩大培养（1）、第一步发酵1、菌种：一步发酵中所用菌种为生黑葡萄糖酸杆菌(Gluconobactermelagenus)，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，革兰氏染色阳性，无芽孢大小为(0.5一0.8)umx(1.0-2.2)um。端生草根鞭毛运动，菌落边缘整介，微显浅褐色。生长最适温度为34℃±l℃，氧化D-山梨醇的发酵收率可达98％以上。2、一级种子扩大培养：种子培养基成分为：山梨醇20％，酵母膏0.7％，碳酸钙0.15%，无机盐溶液0.4％。其中，无机盐溶液的组成为：MgSO4·7H2O1.25g／100mL,(NH4)H2PO47.5g/100mL,KH2PO45g/100mI,K2SO41.25g/100ml.PH6.7,121℃,30min灭菌。3、第一步发酵培养：发酵液培养基成分为：酵母膏0.035％，碳酸钙0.1％，玉米浆0.1％，复合维生素B0.001％，山梨醇浓度视需要而定，该氧化反应的耗氧量较大，所以通气比要求1:1VVM以上。即使在通气量较大，且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，成水平直线时，表示该反应已达终点。D-山梨醇转化为L-山梨糖的生物转化率达98%以上。发酵液经低温60℃灭菌20min,冷却至30℃，作为第二步发酵的原料。（2）、第二步发酵法1、菌种：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。小菌为氧化葡萄糖酸杆菌,大菌可采用巨大芽孢杆菌,称2980菌；或蜡状芽孢杆菌,称152菌，或浸麻芽孢杆菌,称169菌。也可采用其他一些杆菌与小菌混合培养。但工业上使用最多的是2980及152菌混合菌。2、二级种子的扩大培养：种子培养基成分为：酵母膏0.3%,牛肉膏0.3%，玉米浆0.3%，蛋白胨1.0%，尿素0.1%，山梨糖2.0%，另加某些无机盐。PH6.7,121℃,30min灭菌。3、第二步发酵培养：发酵液培养成分为：玉米浆0.5%，尿素0.1%，无机盐及山梨糖。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。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。溶氧浓度在20%即可。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80g/L，会对产物产生抑制。所以要取得最高浓度2KGA，需采用高浓度山梨糖流加发酵的方式。若采用建立在数学模型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%。五、发酵工艺中的部分设备1、机械搅拌罐：第一步发酵采用机械搅拌发酵罐。机械搅拌通风发酵罐是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、代谢所需要的氧气。2、气升式发酵罐：第二步发酵采用气升式发酵罐。在反应器内没有搅拌器，其中央有一个导流筒，将发酵液分为上升区（导流筒内）和下降区（导流筒外），在上升区的下部安装了空气喷嘴，或环型空气分布管，空气分布管的下方有许多喷孔。反应溶液分布均匀，基质和溶氧均匀分散，使基质在发酵罐内各处的浓度均匀，溶解氧恒定。六·无菌空气的制备微生物在生产过程中需要氧气，因此需要通入空气。然而空气是氧气、二氧化碳、氮气等的混合物，其中还有水汽及悬浮的尘埃，包括各种微粒、灰尘及微生物。这就需要对空气严格灭菌，达到无菌状态，才能使用。1、空气的预处理和设备：（1）采风塔在工厂的上风头，高度一般在10m左右，设计流速8m/s。可建在高压机房的屋顶上。（2）粗过滤器安装在空压机吸入口前，前置过滤器。作用是截留空气中较大的灰尘，保护压缩机，减轻总过滤器的负担，也能起到一定的除菌作用。介质为泡沫塑料（平板式）或无纺布（折叠式），流速0.1-0.5m/s。要求是阻力小，灰容量大。（3）空气压缩机作用是提供空气流动的动力。常用往复式、螺杆式、涡轮式空压机。（4）空气储罐消除压缩空气的脉动，用于往复式空压机。螺杆式和涡轮式空压机提供均匀连续空气可省去。设置在空压站附近。（5）冷却器空气压缩机出口气温一般在120℃，必须冷却。在潮湿季节，除湿。空气冷却器的传热系数为105W/(m2·℃)。采用双程或四程结构，两级串联使用。第一级循环水冷却，第二级低温水（9℃）冷却。设置在发酵车间外。压缩空气每经过1m管道，温度下降0.5-1.0℃。2、空气的净化A、两级冷却、加热除菌流程尤其适合用于潮湿地区B、冷热空气直接混合式空气除菌流程适用于中等湿含量地区，不适合于空气湿含量高的地区C、高效前置过滤空气除菌流程可获得无菌程度很高的空气VC工艺流程图VC生产工厂设计简图维c的益处：1、治疗坏血病。2、预防牙龈萎缩、出血。3、预防动脉硬化：可促进胆固醇的排泄，防止胆固醇在动脉内壁沉积，甚至可以使沉积的粥样斑块溶解。4、抗氧化剂：可以保护其它抗氧化剂，如维生素A、维生素E、不饱和脂肪酸，防止自由基对人体的伤害。5、治疗贫血：使难以吸收利用的三价铁还原成二价铁，促进肠道对铁的吸收，提高肝脏对铁的利用率，有助于治疗缺铁性贫血。6、提高人体的免疫力：白细胞含有丰富的VC，当机体感染时白细胞内的VC急剧减少。VC可增强中性粒细胞的趋化性和变形能力，提高杀菌能力。天然维生素C：真正纯天然维生素C，源于新鲜水果、蔬菜浓缩物，不含防腐剂，不含合成色素，不含人造香精。处于自然状态，含有人工合成维生素中所没有的活性物质，就算大量摄取也无害，但不能一下子摄取过多，因为大量摄取后不见得人会全部被吸收，最后的结果还是被排出体外。最佳方法就是将时间间隔开来，分段使用，这样才能提升维生素C的体内吸收率。合成维生素C：更方便更快捷的补充VC。谢谢！