最新制药工艺学第十八章-维生素的生产工艺教学讲义ppt课件

两步发酵法
两步发酵法是相对莱氏法而言的，即山梨醇 发酵生成山梨糖后，山梨糖又经第二步细菌 氧化，直接生成2-酮基-L-古龙酸，而废除了 丙酮化和化学氧化两个步骤。
反应过程为D-葡萄糖催化加氢制山梨醇，山 梨醇经发酵生成L-山梨糖，再经第二步发酵到 2-酮基-L-古龙酸。
18.2.3.3 两步法工艺
18.2.3.3.1 第一步发酵
A. 菌种
一步发酵中所用菌种为黑醋酸杆菌（Gluconobacter melagenus），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，G+，无芽孢，大小为（0.5～0.8） μm×（1.0～2.2）μm。端生草根鞭毛运动，菌落 边缘整齐，微显浅褐色。生长最适温度为30~33℃， 氧化D-山梨醇的发酵收率可达98％以上。
Vc自91起中国就逐渐成为全球的生产基地，仅东北制药一家就 占全球20%的市场份额，而目前的上涨主要是由于中国各主要 VC生产厂限制产量所至，这也充分说明了中国在国际市场中的 定价能力。
18.2 维生素C的生产工艺
18.2.1 概述
维生素C又称抗坏血酸(ascorbic acid)，能参与人 体内多种代谢过程，使组织产生胶原质，影响毛细 血管的渗透性及血浆的凝固，刺激人体造血功能， 增强机体的免疫力。另外，由于它具有较强的还原 能力，可作为抗氧化剂，已在医药、食品工业等方 面获得广泛应用。
该发酵过程受山梨醇底物浓度的影响，当其浓度超过250
g/L时，底物对产物形成有抑制作用。故要获得高浓度山梨糖
时，必须采用流加发酵方式。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梨糖浓度是至关
L-山梨糖 H2SO4丙酮
双 丙 酮 -L- 山 梨[氧化] NaOH, O2, KMnO4 双丙酮-L-古龙酸 糖
[酸化]
HCl
2-酮-L-古龙酸 [转化] 维生素C
18.2.3.2莱氏法工艺过程
①山梨醇发酵菌种 醋酸杆菌属可使山梨醇氧化成山梨糖。 ②发酵条件 温度为26-30℃，最适pH为4.4-6.8。pH4.0以下
2.化学合成法是目前生产维生素得主要方法。 3.天然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A原、维 生素E等。
脂溶性维生素工业生产状况
水溶性维生素工业生产状况
现状
2001年维生素H投产成功，我国成为世 界上极少数能够生产全部维生素品种的国家。
浙江新和成股份有限公司在国内首先实现了维生素E中间体三 甲基氢醌和异植物醇的工业化生产，打破了国外维生素巨头的 技术垄断。
中科院攻克的维生素D3生产新工艺，使国内维生素D3的成本 低于国外同类产品10%～15%。
维生素中生产难度最大的产品维生素H在浙江医药股份有限公 司及新和成公司研制成功，填补了维生素产品国产化的一个空 白。
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。
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%。---国外工艺中主要采用 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。
18.2.3生产工艺
莱氏化学合成法 二步发酵法
18.2.3.1工艺路线发展
莱氏法化学合成（1933年莱氏(Reichstein)）
莱氏法是维生素C生产的经典方法，是由 Reichstein和Grussner研究开发的。
以D-葡萄糖作为起始原料，经催化加氢制成D-山 梨醇，再经醋杆菌深层发酵氧化制得收率很高的L山梨糖，L-山梨糖经丙酮和硫酸处理（生产上俗称 丙酸化）生成双丙酮-L-山梨糖（简称双酮糖）， 再用苯或甲苯提取，提取液经水法除去单酮山梨糖 后蒸去溶剂而后分离出来，用高锰酸钠氧化、水解、 酯化、转化、中和便得Vc。
2002年我国维生素原料产量达8.2万吨， 其中维生素C超过5万吨，成为世界上最大 的原料药生产国和出口国。维生素制剂年产 量260－280亿支/片/瓶，以片剂、注射液 和胶囊为主。
中国科学院上海生物技术研究所发明了维生素C的两步发酵法， 使国内维生素C的生产技术达到世界先进水平。
湖北广济药业公司对维生素B2实验室发酵生产技术的进一步改 进，使其实现了维生素B2工业化的规模生产。
H C OH
OH C
HC
HO C H
HO C H
HO C H
CH2OH L-山梨醇
CH2OH 2-酮基-L-古龙酸
H2C OH 维生素-C
18.2.3.3两步发酵工艺
[氧化] 醋酸杆菌 D-山梨醇
[生物转化] 假单孢菌 L-山梨糖
2-酮-L-古龙酸
[内酯化，烯醇化]
维生素C（L-抗坏血酸）
目前维生素C的生产主要采用两步发酵法。即以葡萄 糖为原料，经高压催化氢化制备山梨醇，然后以山梨醇为 原料经两步微生物（黑醋菌、假单孢杆菌和氧化葡萄糖酸 杆菌的混合菌株）发酵制备2-酮基-L-古龙酸，再将此酸酸 （或碱）转化等工序制得粗品维生素C，粗品维生素C经精 制得成品Vc。
B. 培养基
C. 发酵过程特征
在发酵过程中，控制发酵温度34℃，初始pH5.1～5.3。该氧
化反应的耗氧量较大，所以通气比要求1:1 VVM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，呈水平直线时，表示该反应已达终点。
概述
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。
生产工艺
主要维生素的生产有三种方法。
1.微生物发酵和微藻类的生物转化法（统称 生物合成法）发展非常快。
OC
OC
CO
CO
C OH O
C HO
C OH OO
C HO
C OH O
C HO
C OH C HO
HC
HC
CH
CH
HO C H
H C OH
OH C H
H C OH
H2C OH
H2C OH
H2C OH
H2C OH
L-抗坏血酸
D-抗坏血酸
L-异 抗坏血酸
D-异抗坏血酸
18.2.3维生素的化学结构和性质
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。
CH2OH
HO C H HO C H H2
氢化 H C OH
HO C H
CHO D-葡萄糖
CH2OH
HO C H
HO C H
O2
Acetobacter H C OH
HO C H
CH2OH D-山梨醇
O
CH2OH
COOH C
CO HO C H
CO
内酯化 HO C
HO C H 烯醇化
O
Pseudomonas H C OH
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。
18.2.3.3 二步发酵菌种及发酵工艺
2005年6月，浙江鑫富收购了湖州狮王，一跃成为全球%市场的 鑫富药业在有效消化国际市场上部分存量后，自去年下半年开 始对产品进行试探性提价，目前已累计上涨超过80％，充分证 明了公司在国际上的定价能力。
广济药业核黄素（维生素B2）国内外市场占有率也达到了 85%和35%。目前年产能超过2500吨，2007年计划将核黄 素产能扩大到3000吨。
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。
COOH
CO
内酯化
H 2O
HO C H
烯醇化
H C OH
HO C H
C H 2O H
2 -酮 基 -L -古 龙 酸
O C HO C
O OH C
HC HO C H
H 2C O H 维 生 素 -C
维生素C生产工艺
18.2.3.2 莱氏法工艺路线
[加氢]
[酶菌氧化]
[酮化]
D-葡萄糖 H2 D-山梨醇 O2
18.2.3.3两步发酵的工艺
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%。
现状
维生素C（vitamin C）是目前世界上产销量最
大，应用范围最广的维生素产品。目前全世界维生
素C的产量约为10万吨/年，全球市场销售额5亿美
元。
18.2.2维生素的化学结构和性质
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。
概述
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。
18.2.3.2 莱氏法 化学合成工艺
维生素C生产工艺
C H 2O H
C H 2O H
C H 2O H
HO C H
HO C H
H2
HO C H
CO
HO
C
H
O2 HO
C
H
H C OH
H C OH
H C OH
HO C H
HO C H
HO C H
CHO D -葡 萄 糖
C H 2O H D -山 梨 醇
C H 2O H L -山 梨 醇
C H 2O H
H 3C
C
(C H 3)2C O O H 2SO 4
H 3C
CH
HC O
CH
C H 2O 双 丙 酮 -L -山 梨 糖
COOH
H 3C
C
O2
K M nO 4 O H 3C
CH
C H 3 N aO H
HC O
CH3
CH
CH3
CH3
C H 2O
双 丙 酮 -L -古 龙 酸
制药工艺学第十八章-维生素的 生产工艺
18.1 概 述
定义：维生素是一类生物生长发育起调节作 用的、化学结构不同的、小分子有机化合物， 人体内不能合成，必须从食物等中摄取。
概述
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。
18.2.3.3 两步法发酵工艺
维生素C的化学合成方法一般指莱氏法，后 来人们改用微生物脱氢代替化学合成中L— 山梨糖中间产物的生成，使山梨糖的得率提 高一倍，我国进一步利用另一种微生物将L山梨糖转化为2-酮基-L-古龙酸，再经化学 转化生产维生素C，称为两步法发酵工艺。 这种方法使得维生素C的产量得到大幅度提 高。