发酵工程——维生素C的生产工艺
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
维
生
素
的
工
艺
原
王桐 潘明阳
理
郁鲲
一、维生素C ( Vitamin C VC)
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。
合成维生素C：更方便更快捷的补充VC。
谢谢！
粗维c
4.精制
粗维c
溶解脱色
活性炭、热的去离子水
过滤 结晶
离心过滤 真空干燥
母液回收 过筛、包装
维c成品
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)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34℃±l℃，氧化D-山梨醇的发酵收 率可达98％以上。
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。
（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。
（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℃。
双丙酮-2-酮基 -L-古龙酸钠
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
2-酮基-L-古龙酸 内脂化
（2KGA)
烯醇化
维生素C
（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。
2、提取:
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
发酵液
上清液
离子交换
加热凝聚
浓缩
二次离子交换
滤液
离心过滤
结晶
干燥
古龙酸去转化 甲酯化、类酯化
3、转化： 浓缩
离心分离
酸化脱色
维c钠
离心分离
结晶
离心分离
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。
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
维c合成方法
莱氏化学合成法
微生物发酵合成法
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：
黑醋菌的发 酵氧化
丙酮
D-山梨醇
L-山梨糖
硫酸 二丙酮-L-山梨糖
维生素C
化学 转化
HCl
双丙酮-2-酮基L-古龙酸
酸化
次 氯 酸 氧化 纳
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。
可建在高压机房的屋顶上。
气
（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
的
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0.10.5m/s。要求是阻力小，灰容量大。
制 备
（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。
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
六
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。
·
无
1、空气的预处理和设备：
菌
空 （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。
三、二步发酵法生产工艺
有什么 优点呢
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。
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。
制备工艺简单，生产周期短和三废污染少等。
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
H2 催化
黑醋酸菌 D-山梨醇
L-山梨糖
第二步：
L-山梨糖
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
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：MgSO4·7H2O 1.25g／100 mL,(NH4)H2PO47.5g/100mL,KH2PO45g/100mI,K2SO41.25g/100ml.PH6.7,121℃,30mi n灭菌。
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。
生
素
的
工
艺
原
王桐 潘明阳
理
郁鲲
一、维生素C ( Vitamin C VC)
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。
合成维生素C：更方便更快捷的补充VC。
谢谢！
粗维c
4.精制
粗维c
溶解脱色
活性炭、热的去离子水
过滤 结晶
离心过滤 真空干燥
母液回收 过筛、包装
维c成品
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)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34℃±l℃，氧化D-山梨醇的发酵收 率可达98％以上。
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。
（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。
（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℃。
双丙酮-2-酮基 -L-古龙酸钠
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
2-酮基-L-古龙酸 内脂化
（2KGA)
烯醇化
维生素C
（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。
2、提取:
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
发酵液
上清液
离子交换
加热凝聚
浓缩
二次离子交换
滤液
离心过滤
结晶
干燥
古龙酸去转化 甲酯化、类酯化
3、转化： 浓缩
离心分离
酸化脱色
维c钠
离心分离
结晶
离心分离
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。
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
维c合成方法
莱氏化学合成法
微生物发酵合成法
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：
黑醋菌的发 酵氧化
丙酮
D-山梨醇
L-山梨糖
硫酸 二丙酮-L-山梨糖
维生素C
化学 转化
HCl
双丙酮-2-酮基L-古龙酸
酸化
次 氯 酸 氧化 纳
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。
可建在高压机房的屋顶上。
气
（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
的
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0.10.5m/s。要求是阻力小，灰容量大。
制 备
（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。
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
六
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。
·
无
1、空气的预处理和设备：
菌
空 （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。
三、二步发酵法生产工艺
有什么 优点呢
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。
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。
制备工艺简单，生产周期短和三废污染少等。
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
H2 催化
黑醋酸菌 D-山梨醇
L-山梨糖
第二步：
L-山梨糖
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
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：MgSO4·7H2O 1.25g／100 mL,(NH4)H2PO47.5g/100mL,KH2PO45g/100mI,K2SO41.25g/100ml.PH6.7,121℃,30mi n灭菌。
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。