维生素发酵生产.ppt

维生素发酵生产维生素是一类性质各异的低分子有机化合物，是维持人体正常生理生维生素是一类性质各异的低分子有机化合物，是维持人体正常生理生化功能不可缺少的营养物质。化功能不可缺少的营养物质。一、维生素的分类一、维生素的分类维生素可分为脂溶性维生素和水溶性维生素两大类。维生素可分为脂溶性维生素和水溶性维生素两大类。脂溶性维生素脂溶性维生素名称名称学名及俗名学名及俗名生物作用生物作用维生素维生素A族族视黄醇视黄醇抗干眼病抗干眼病维生素维生素D2麦角钙化醇麦角钙化醇抗软骨病抗软骨病维生素维生素D3胆钙化醇胆钙化醇抗软骨病抗软骨病维生素维生素E族族生育酚生育酚抗不育抗不育维生素维生素F族族亚油酸，亚麻酸，花生四烯酸亚油酸，亚麻酸，花生四烯酸降胆固醇及防血栓降胆固醇及防血栓维生素维生素K族族叶绿醌，合欢醌，叶绿醌，合欢醌，甲基萘醌甲基萘醌抗出血抗出血水溶性维生素水溶性维生素名称名称学名及俗名学名及俗名生物作用生物作用维生素维生素B1硫胺素硫胺素抗神经类抗神经类维生素维生素B2核黄素核黄素抗口角溃疡，唇炎抗口角溃疡，唇炎维生素维生素B3族族（维生素（维生素PP）烟酸，烟酰胺烟酸，烟酰胺抗糙皮病抗糙皮病维生素维生素B5泛酸泛酸抗癞皮病抗癞皮病维生素维生素B6族族吡哆醇，吡哆醛，吡哆胺吡哆醇，吡哆醛，吡哆胺抗皮炎抗皮炎维生素维生素B9族族叶酸，黄嘌呤，赤嘌呤，蝶酸等叶酸，黄嘌呤，赤嘌呤，蝶酸等抗恶性贫血抗恶性贫血维生素维生素B12钴胺素，氰钴氨素，羟钴胺素等钴胺素，氰钴氨素，羟钴胺素等抗恶性贫血抗恶性贫血维生素维生素B13乳清酸乳清酸抗早衰抗早衰维生素维生素BTL L肉碱肉碱营养强化剂营养强化剂维生素维生素C抗坏血酸抗坏血酸抗坏血病抗坏血病维生素维生素H（维生素（维生素B8）生物素生物素抗毛发脱落及脂肪抗毛发脱落及脂肪代谢混乱代谢混乱二、维生素的生产方法二、维生素的生产方法生产维生素的方法有三种：提取法，化学合成法，生物合成法。生产维生素的方法有三种：提取法，化学合成法，生物合成法。l提取法是从富含维生素的天然食物或药用植物中浓缩、提取而得。提取法是从富含维生素的天然食物或药用植物中浓缩、提取而得。目前只有极少数得维生素采用提取法。如维生素目前只有极少数得维生素采用提取法。如维生素A原、维生素原、维生素E等。等。l化学合成法是目前生产维生素得主要方法。化学合成法是目前生产维生素得主要方法。l微生物发酵法和微藻类的生物转化法（统称生物合成法）发展非常微生物发酵法和微藻类的生物转化法（统称生物合成法）发展非常快。快。脂溶性维生素工业生产状况脂溶性维生素工业生产状况维生素类别维生素类别化学合成法化学合成法提取法提取法生物合成法生物合成法世界产量世界产量/（吨（吨/年）年）细菌细菌真菌真菌藻类藻类维生素维生素A2500维生素维生素D2维生素维生素D325维生素维生素E6800维生素维生素F1000维生素维生素K22水溶性维生素工业生产状况水溶性维生素工业生产状况维生素类别维生素类别化学合成法化学合成法提取法提取法生物合成法生物合成法世界产量世界产量/（吨（吨/年）年）细菌细菌真菌真菌藻类藻类维生素维生素B12000维生素维生素B22000维生素维生素B3（）（）8500维生素维生素B5维生素维生素B61600维生素维生素B8（）（）3维生素维生素B9300维生素维生素B1210维生素维生素B13100维生素维生素C70000三、维生素三、维生素C生产工艺生产工艺1.维生素维生素C的合成方法的合成方法维生素维生素C的合成方法主要有莱氏化学合成法和微生物发酵合成法两种。的合成方法主要有莱氏化学合成法和微生物发酵合成法两种。（1）莱氏化学合成法）莱氏化学合成法1933年德国年德国Reichstein等人首先用化学合成法制取维生素等人首先用化学合成法制取维生素C获得成功。获得成功。至今许多国家仍采用此方法或采用改进的莱氏法进行工业生产。至今许多国家仍采用此方法或采用改进的莱氏法进行工业生产。该方法以该方法以D山梨醇作原料，需经四大步反应，才能得到维生素山梨醇作原料，需经四大步反应，才能得到维生素C产品。产品。a.D-山梨醇经黑醋菌（山梨醇经黑醋菌（Gluconobacter melagenus）发酵得）发酵得L-山梨糖；山梨糖；b.L-山梨糖和丙酮反应制得二丙酮山梨糖和丙酮反应制得二丙酮-L-山梨醇；山梨醇；c.二丙酮二丙酮-L-山梨醇氧化得二丙酮山梨醇氧化得二丙酮-2-酮酮-L-古龙酸钠，古龙酸钠，再经酸化得二丙酮再经酸化得二丙酮-2-酮酮-L-古龙酸；古龙酸；d.二丙酮二丙酮-2-酮酮-L-古龙酸经转化得维生素古龙酸经转化得维生素C。（1）莱氏化学合成法）莱氏化学合成法a.D-山梨醇经黑醋菌（山梨醇经黑醋菌（Gluconobacter melagenus）发酵得）发酵得L-山梨糖；山梨糖；b.L-山梨糖和丙酮反应制得二丙酮山梨糖和丙酮反应制得二丙酮-L-山梨醇；山梨醇；c.二丙酮二丙酮-L-山梨醇氧化得二丙酮山梨醇氧化得二丙酮-2-酮酮-L-古龙酸钠，古龙酸钠，再经酸化得二丙酮再经酸化得二丙酮-2-酮酮-L-古龙酸；古龙酸；d.二丙酮二丙酮-2-酮酮-L-古龙酸经转化得维生素古龙酸经转化得维生素C。（1）莱氏化学合成法）莱氏化学合成法a.D-山梨醇经黑醋菌（山梨醇经黑醋菌（Gluconobacter melagenus）发酵得）发酵得L-山梨糖；山梨糖；b.L-山梨糖和丙酮反应制得二丙酮山梨糖和丙酮反应制得二丙酮-L-山梨醇；山梨醇；c.二丙酮二丙酮-L-山梨醇氧化得二丙酮山梨醇氧化得二丙酮-2-酮酮-L-古龙酸钠，古龙酸钠，再经酸化得二丙酮再经酸化得二丙酮-2-酮酮-L-古龙酸；古龙酸；d.二丙酮二丙酮-2-酮酮-L-古龙酸经转化得维生素古龙酸经转化得维生素C。（1）莱氏化学合成法）莱氏化学合成法a.D-山梨醇经黑醋菌（山梨醇经黑醋菌（Gluconobacter melagenus）发酵得）发酵得L-山梨糖；山梨糖；b.L-山梨糖和丙酮反应制得二丙酮山梨糖和丙酮反应制得二丙酮-L-山梨醇；山梨醇；c.二丙酮二丙酮-L-山梨醇氧化得二丙酮山梨醇氧化得二丙酮-2-酮酮-L-古龙酸钠，古龙酸钠，再经酸化得二丙酮再经酸化得二丙酮-2-酮酮-L-古龙酸；古龙酸；d.二丙酮二丙酮-2-酮酮-L-古龙酸经转化得维生素古龙酸经转化得维生素C。（1）莱氏化学合成法）莱氏化学合成法改进莱氏法（碱转化）改进莱氏法（碱转化）（2）微生物发酵合成法）微生物发酵合成法D-山梨醇途径山梨醇途径L-山梨糖途径山梨糖途径L-艾杜糖酸途径艾杜糖酸途径2-酮酮-D-葡萄糖酸途径葡萄糖酸途径2,5-二酮二酮-D-葡萄糖酸途径葡萄糖酸途径2-酮酮-L-古龙酸途径古龙酸途径从葡萄糖出发，采用微生物发酵合成维生素从葡萄糖出发，采用微生物发酵合成维生素C，有，有以下六种合成途径：以下六种合成途径：六种合成途径之间既有联系又有区别。六种合成途径之间既有联系又有区别。六条不同的微生物发酵合成途径最终都是以六条不同的微生物发酵合成途径最终都是以2-酮基酮基-L-古龙酸古龙酸（简称（简称2KGA）为最终产物，再经化学转化合成维生素）为最终产物，再经化学转化合成维生素C。在这六条合成途径中，只有第二条途径已实现了工业化生产。在这六条合成途径中，只有第二条途径已实现了工业化生产。此即为我国自行开发的此即为我国自行开发的二步发酵法。二步发酵法。2.二步发酵法生产工艺二步发酵法生产工艺优点：制备工艺简单，生产周期短和优点：制备工艺简单，生产周期短和“三废三废”污染少等。污染少等。1985年转让给世界上生产维生素最大企业瑞士霍夫曼年转让给世界上生产维生素最大企业瑞士霍夫曼 罗氏制药公司。罗氏制药公司。我国医药工业史上首次出口技术。我国医药工业史上首次出口技术。二步发酵法生产工艺有酸转化工艺和碱转化工艺两种。二步发酵法生产工艺有酸转化工艺和碱转化工艺两种。u酸转化设备简单、流程短，但制得的维生素酸转化设备简单、流程短，但制得的维生素C破坏严重、质量破坏严重、质量差，设备腐蚀严重，三废多，因此逐渐淘汰。差，设备腐蚀严重，三废多，因此逐渐淘汰。u碱转化虽然流程较长、投资大，但产品质量好，故目前绝大部碱转化虽然流程较长、投资大，但产品质量好，故目前绝大部分工厂均采用碱转化工艺。分工厂均采用碱转化工艺。（一）二步发酵法反应步骤（一）二步发酵法反应步骤（二）二步发酵法生产维生素（二）二步发酵法生产维生素C的工艺流程的工艺流程二步发酵法的整个工艺流程可分为发酵、提取、转化和精制四部分。二步发酵法的整个工艺流程可分为发酵、提取、转化和精制四部分。（1）发酵发酵黑醋菌种液黑醋菌种液一步一级种子一步一级种子一步二级种子一步二级种子一步发酵一步发酵混合菌种液混合菌种液二步一级种子二步一级种子二步二级种子二步二级种子二步发酵二步发酵L-山梨糖山梨糖灭菌灭菌古龙酸钠发酵液古龙酸钠发酵液至提取至提取（2）提取提取发酵液预处理发酵液预处理上清液上清液一次离子交换一次离子交换加热凝聚（去蛋白）加热凝聚（去蛋白）滤渣滤渣离心过滤离心过滤母液回收母液回收古龙酸古龙酸去转化去转化滤液滤液二次离子交换二次离子交换浓缩浓缩结晶结晶干燥干燥洗涤洗涤（3）转化转化无水甲醇，浓硫酸无水甲醇，浓硫酸古龙酸古龙酸甲酯化甲酯化内酯化内酯化离心分离离心分离50硫酸，活性炭硫酸，活性炭维维C钠钠离心分离离心分离浓缩浓缩结晶结晶母液回收母液回收离心分离离心分离酸化脱色酸化脱色含水甲醇含水甲醇去回收塔去回收塔粗维粗维C去精制去精制回收甲醇回收甲醇硫酸钠及废炭硫酸钠及废炭（4）精制精制粗维粗维C溶解脱色溶解脱色过滤过滤结晶结晶活性炭活性炭离心过滤离心过滤真空干燥真空干燥过筛及包装过筛及包装维维C成品成品热的去离子水热的去离子水废炭废炭母液回收母液回收（三）二步发酵菌种及发酵工艺（三）二步发酵菌种及发酵工艺（1）第一步发酵）第一步发酵A.菌种菌种一步发酵中所用菌种为生黑葡萄糖酸杆菌（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。），简称黑醋菌。最常用的生产菌株为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，其主要特征是：细胞椭圆至短杆状，G+，无芽孢，大小为（，无芽孢，大小为（0.50.8）m（1.02.2）m。端生。端生草根鞭毛运草根鞭毛运动，菌落，菌落边缘整整齐，微，微显浅褐色。生浅褐色。生长最适温度最适温度为34，氧化，氧化D-D-山梨醇的山梨醇的发酵收率可达酵收率可达9898以上。以上。（1）第一步发酵）第一步发酵B.培养基培养基种子培养基种子培养基山梨醇山梨醇 20酵母膏酵母膏 0.7碳酸钙碳酸钙 0.15无机盐溶液无机盐溶液 0.4无机盐溶液的组成：无机盐溶液的组成：MgSO4 7H2O 1.25 g/100mL，(NH4)H2PO4 7.5 g/100mL，KH2PO4 5 g/100mL，K2SO4 1.25 g/100mL。发酵培养基发酵培养基酵母膏酵母膏 0.035碳酸钙碳酸钙 0.1玉米浆玉米浆 0.1复合维生素复合维生素B 0.001山梨醇浓度视需要而定山梨醇浓度视需要而定（1）第一步发酵）第一步发酵C.发酵过程特征发酵过程特征在发酵过程中，控制发酵温度在发酵过程中，控制发酵温度34，初始，初始pH5.1pH5.15.35.3。该氧化反应的耗氧量该氧化反应的耗氧量较大，所以较大，所以通气比要求通气比要求1:1 VVM1:1 VVM以上以上。即使在通气量较大，且搅拌转速较高。即使在通气量较大，且搅拌转速较高的条件下，发酵至的条件下，发酵至4h4h后溶解氧浓度急剧下降，甚至接近于零。直到后溶解氧浓度急剧下降，甚至接近于零。直到10h10h左右左右才逐渐回升。当溶解氧浓度回复至最高点，呈水平直线时，表示该反应已达才逐渐回升。当溶解氧浓度回复至最高点，呈水平直线时，表示该反应已达终点。终点。该发酵过程受山梨醇底物浓度的影响，当其浓度超过该发酵过程受山梨醇底物浓度的影响，当其浓度超过250 g/L250 g/L时，底物对产时，底物对产物形成有抑制作用。故要获得高浓度山梨糖时，物形成有抑制作用。故要获得高浓度山梨糖时，必须采用流加发酵方式必须采用流加发酵方式。为。为了配合第二步的高浓度山梨糖流加发酵工艺，尽可能提供一步发酵的最终山了配合第二步的高浓度山梨糖流加发酵工艺，尽可能提供一步发酵的最终山梨糖浓度是至关重要的。目前山梨糖浓度可达梨糖浓度是至关重要的。目前山梨糖浓度可达450 g/L450 g/L。（2）第二步发酵）第二步发酵A.菌种菌种小菌为氧化葡萄糖酸杆菌（小菌为氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter oxydans），），大菌可采用大菌可采用巨大芽孢杆菌（巨大芽孢杆菌（Bacillus megateriam），称），称2980菌，菌，或蜡状芽孢杆菌（或蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus），称），称152菌，菌，或浸麻芽孢杆菌（或浸麻芽孢杆菌（Bacillus macerans），称），称169菌。菌。也可采用其他一些杆菌与小菌混合培养。也可采用其他一些杆菌与小菌混合培养。工业生产过程中使用最多的为工业生产过程中使用最多的为2980及及152混合菌。混合菌。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。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。氧化葡萄糖酸杆菌的主要特征为：细胞椭圆至短杆状，氧化葡萄糖酸杆菌的主要特征为：细胞椭圆至短杆状，G-，无芽孢。，无芽孢。30培养培养2d2d后大小为（后大小为（0.50.50.70.7）m（0.60.61.21.2）m，单个或成，单个或成对排列。在葡萄糖培养基上生长极微弱，甘露醇培养基上生长良好。对排列。在葡萄糖培养基上生长极微弱，甘露醇培养基上生长良好。（2）第二步发酵第二步发酵B.培养基培养基种子培养基种子培养基酵母膏酵母膏 0.3牛肉胶牛肉胶 0.3玉米浆玉米浆 0.3蛋白胨蛋白胨 1.0尿素尿素 0.1山梨糖山梨糖 2.0另加某些无机盐另加某些无机盐发酵培养基发酵培养基玉米浆玉米浆 0.5尿素尿素 0.1无机盐无机盐山梨糖山梨糖（3）第二步发酵第二步发酵C.发酵过程特征发酵过程特征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，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，所以其所以其操作适宜条件是兼顾大、小菌两者的条件操作适宜条件是兼顾大、小菌两者的条件。通常操作温度为通常操作温度为30；初始初始pHpH控制在控制在6.86.8左右。左右。该反应虽属氧化反应，但对氧的消耗并不很大。气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。溶氧浓度控制在升式发酵罐非常适合该发酵过程。溶氧浓度控制在2020即可。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过80 g/L80 g/L，会对产物生成产生抑制。所以要取得高浓度，会对产物生成产生抑制。所以要取得高浓度2KGA2KGA，需，需采用高浓采用高浓度山梨糖流加发酵方式。度山梨糖流加发酵方式。若采用建立在数学模型基础上的流加控制策略，若采用建立在数学模型基础上的流加控制策略，可获得高浓度的可获得高浓度的2KGA2KGA，二步收率可达，二步收率可达8383。四、四、生物合成法生产维生素的前景生物合成法生产维生素的前景1.对自然界中微生物及藻类进行广泛和深入的筛选和对自然界中微生物及藻类进行广泛和深入的筛选和分离，以获得优良的生产菌株。分离，以获得优良的生产菌株。2.对现有生产菌株用突变等方法进行改造，以提高其对现有生产菌株用突变等方法进行改造，以提高其生产能力。生产能力。3.利用基因重组技术，获得高产基因工程菌株。利用基因重组技术，获得高产基因工程菌株。