发酵工程——维生素C的生产工艺.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,维生素,C,的工艺原理,胡蕾,11010010108,一、维生素,C(Vitamin C VC),维生素,C,又名抗坏血酸,(Ascorbic acid),，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。,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,黑菌醋的发酵氧化,二丙酮,-L-,山梨糖,丙酮,发酵硫酸,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,C,HCl,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,莱氏法的优缺点,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,H,2,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,(Gluconobacter,melagenus,),，简称黑醋菌。最常用的生产菌株为,R30,，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)um x(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,34l,，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：,MgSO,4,7H,2,O1.25g,100,mL,，,(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,B 0.001,，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（,Gluconobacter,Oxydans,）,大菌可采用巨大芽孢杆菌（,Bacillus,megateriam,）,称,2980,菌；或蜡状芽孢杆菌（,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。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,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！,