第七章 维生素C的生产工艺

第七章 维生素C的生产工艺
教学目的：
了解维生素C的用途、常见合成路线。
掌握莱氏法生产维生素C的工艺原理、理解其生产过程。
掌握两步发酵法生产维生素C的工艺原理、理解其生产过程，了解其与莱氏法的异同点。
教学重点：
莱氏法生产维生素C的工艺原理；
两步发酵法生产维生素C的工艺原理和生产过程。
教学方法：讲授、多媒体。
教学手段与工具：采用多媒体形式，配之以必要的板书。
教学指导思想：贯彻以学生为主体、教师为指导者的教学思想，充分调动学生主动、生动学习的积极性。
教学内容：
第一节 概述
一、化学结构式
二、理化性质
水溶性、酸性、还原性、水解性
第二节 合成路线
一、莱氏法
D-山梨醇为原料，经醋酸菌一步发酵得L-山梨糖，丙酮酮醇缩合、次氯酸钠氧化剂盐酸转化等5步
优点
工艺成熟、产品质量好
生产周期短，总收率高（66%）
缺点
工序多，耗用原料多
有易燃易爆有机溶剂
对劳动保护和安全生产要求高
二、两步发酵法
简化缩短的莱氏法
优点
缩短工序
降低了原料成本
节约了大量有机溶剂，减少了“三废”
多数是液体物料，有利于机械化和自动化生产
缺点
总收率较低（45-48%）
发酵单位体积产率低（60mg/100mL）
设备体积大，能耗大
三、全化学合成方法
三步法：将葡萄糖或葡萄糖醛酸内酯丙酮化、催化、氧化、水解还原成维生素
葡萄糖为原料的缺点：丙酮用量大、须用昂贵的铂金属催化剂、收率低（25-28%）
四、其他方法
GLC技术
DNA重组菌种
第三节 生产工艺原理和过程
一、莱氏法生产维生素C的工艺原理和过程
D-山梨醇的制备
L-山梨糖的制备
2,3,4,6-双酮基-L-山梨糖（双丙酮糖）的制备
2,3,4,6-双酮基-L-古龙酸（双丙酮古龙酸）的制备
粗品维生素C的制备
粗品维生素C的精制
D-山梨醇的制备
（1）工艺原理
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控制压力、氢做还原剂、镍作催化剂
（2）工艺过程
在70-75℃下加水溶解葡萄糖，50%溶液
氢气纯度≥99.3%、压强<0.04MPa时，将糖液冲入釜内
加入活性镍催化剂
加碱液调pH8.2-8.4，通蒸汽，并搅拌
温度升至120-135℃时关闭蒸汽
控制温度在150-155 ℃，压强3.8-4.0MPa
反应至不吸收氢气为反应终点
0.2-0.3MPa压强下压料至沉淀缸、过滤、树脂交换处理
收率95%
（3）反应条件及影响因素
pH值
葡萄糖水pH8.0-8.5
偏高或偏低会使甘露醇（副产物）含量增加
设备材质
山梨醇能溶解多种金属
避免使用铁、铝或铜制设备，而用不锈钢
副产物影响
甘露醇影响产物比旋度
残糖含量影响产物比旋度——氢化反应的终点指标
（4）注意事项及三废处

理
车间进行还原反应时氢气自制，故配有氢气柜。应杜绝火源，以免氢气发生爆炸
废镍催化剂可压制成块，冶炼回收
再生废液中的镍经沉淀后可回收
废酸、废碱经中和后放入下水道
2、L-山梨糖的制备
（1）工艺原理
选择性地使C2位的羟基氧化成羰基
生物氧化
黑醋菌
（2）工艺过程
菌种部分
斜面培养基中菌种活化传代24h后，产糖量达到100mg/mL。
在30 ℃培养48h，镜检菌体正常、无杂菌
放0-5 ℃冰箱保存备用。
发酵部分
投料。D-山梨醇浓度为16%-20%
培养基控制pH5.4-5.6，120 ℃灭菌0.5h
在发酵罐中培养（温度30-32 ℃ ；压力0.03-0.05MPa）
一级种子罐发酵率40%以上，二级种子罐发酵率50%以上
发酵培养的山梨醇的投料浓度为25%
当发酵率在95%以上时，温度略高（31-33℃）；pH7.2左右，即为发酵终点
控制真空度在0.05MPa以上，温度60 ℃以下，减压浓缩结晶即得L-山梨糖
（3）反应条件及影响因素
山梨醇的纯度影响收率
山梨醇浓度影响氧化速率
金属离子会抑制细菌的脱氢活性
生物催化剂能促进细菌生长，提高发酵率
空气流量影响深层发酵。一般为0.7-1VVM
细菌接种量影响氧化速率
（4）注意事项
尽量减少染菌途径
其途径有
种子或发酵罐带菌
接种时罐压低于大气压
培养基消毒不彻底
操作中染菌
阀门泄露
3、2,3,4,6-双酮基-L-山梨糖的制备
（1）工艺原理
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（2）工艺过程
配料比：L-山梨糖：丙酮：发烟硫酸：氢氧化钠 = 1:9:0.4:0.6
步骤
5 ℃下压入丙酮、发烟硫酸，加入山梨糖
15-20 ℃下溶糖6h
降温至-8 ℃，保持6-7h得酮化液。
<25 ℃，加入18%-22%的氢氧化钠溶液，中和至pH8.0-8.5
下层硫酸钠用丙酮洗涤，回收单丙酮糖
上层清液常压蒸馏至100 ℃，减压蒸馏至90 ℃为终点
苯提取蒸馏后剩余溶液，减压蒸馏得双丙酮糖
收率88%
（3）反应条件及影响因素
缩酮化反应有多种副产物
温度高、水分多、时间过长、硫酸过多则副反应增多，双酮糖收率降低
酮化反应温度
低于20 ℃
高于20 ℃将有利于单酮糖的生产，收率降低
（4）注意事项
双酮糖在酸性中不稳定，碱性中较温定。因此中和时，必须保持碱性和低温条件
加料的先后顺序，先加入丙酮古龙酸与盐酸，易于结块，造成搅拌困难
4、2,3,4,6-双酮基-L-古龙酸（双丙酮古龙酸）的制备
（1）工艺原理
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（2）工艺过程
次氯酸钠的制造——新鲜配制
14.5%-15.5%的氢氧化钠溶液通入液氯，
以有效氯浓度9.5-9.7%，余碱浓度2.8-3.2%为终点
双丙酮酸的氧化
配料比：双丙酮糖：次氯酸钠：硫酸镍 = 1：10：0.04
投料，40℃保温搅拌30

min
静止片刻，抽滤
滤液冷至0-5℃，用盐酸中和（pH7、3、1.5）
过滤、水洗、过滤。得结晶，收率86%。
5、粗品维生素C的制备
（1）工艺原理
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（2）工艺过程
配料比：双丙酮古龙酸（折纯）：精制盐酸（38%）：乙醇 = 1.0：0.27：0.31
步骤
加部分双丙酮古龙酸，搅拌加盐酸，再加余下的古龙酸
蒸汽加温，升至37℃左右关蒸汽，
自然升温至52-54 ℃，保温5-7h。
50-52 ℃保温20h，然后通水降温1h
加适量乙醇，冷却至-2 ℃
放料，甩滤0.5h
乙醇洗涤，甩滤3-3.5h
干燥得粗品维生素C，收率88%
（3）注意事项
加料的先后次序
先加双丙酮古龙酸与盐酸，易结块，搅拌困难
先加丙酮，使之与双丙酮古龙酸形成悬浮液，易搅拌
盐酸浓度不能过低（>38%），否则催化效果降低，收率降低
析出温度的影响
析出期为转化反应的剧烈期
析出期温差太小，为1℃，说明反应不剧烈，放热小，不完全
温差太大，为5℃，则反应放热太多，反应太剧烈，热量不能很快传递出去，加速副反应发生，严重时会引起烧料
最佳温差2.5 ℃，析出温度不能高于59 ℃
如遇突然停电，应选关蒸汽，后关搅拌
来电后，先开搅拌，后开蒸汽，缓慢升温
6、粗品维生素C的精制
配料比：粗维生素C(折纯)：蒸馏水：活性炭：乙醇 = 1：1.1:0.06:0.6
步骤
粗品（85%）真空干燥（50-55℃，20-30min）
除去挥发性杂质（盐酸、丙酮）
投入热水（68-70 ℃）中溶解
加入活性炭搅拌5-10min
保温压滤
结晶罐中降温至45-50 ℃
加入晶种，缓慢冷却至-2 ℃，结晶
晶体离心甩滤，冰乙醇洗涤
甩滤，低温干燥（43-45 ℃，1.5h）
得精制维生素C（m.p.190-192 ℃）收率91%
总收率60%（对D-山梨醇计）
二、两步发酵法生产维生素C的工艺原理及过程
（一）、D-山梨醇的制备
（二）、2-酮基-L-古龙酸的制备
1、工艺原理：微生物氧化法
2、工艺过程
菌种部分
菌种活化、分离、混合培养
移入三角瓶种液培养基，29-33 ℃振荡培养24h，
产酸量在6-9mg/mL，pH降至7以下，镜检正常无杂菌
发酵部分
一级种子罐加料
控温29-30 ℃，压强0.05MPa，pH6.7-7.0
二级种子罐培养，
发酵终点：温度31-33℃，pH7.2，残糖量<0.8mg/mL
两步发酵收率78.5%
提取部分
一次交换
盐酸酸化，调菌体蛋白等电点，沉降4h以上
上清液以2-3m3/h的流速压入阳离子交换柱
当流出液pH为3.5时，收集交换液，控制pH
交换完，纯水冲柱
加热过滤
合并流出液和洗液
调pH至蛋白等电点
加热至70℃，加0.3%活性炭
升温至90-95℃，保温10-15min，使蛋白凝结
停止搅拌，快速冷却，高速离心
二次交换
上清液打入二次交换柱
洗脱，至流出液pH=1

.5时，收集交换液
控制pH1.5-1.7之间。
交换完毕，洗柱
减压浓缩
二次交换液进行一级浓缩
控制真空度、内温，至浓缩液的相对密度达1.2
出料
同样条件二次浓缩，至尽量干
加少量乙醇，冷却结晶
甩滤，冰乙醇洗涤
得2-酮基-L-古龙酸（m.p.158-162℃）
收率80%
3、反应条件及影响因素
山梨糖的影响
山梨糖初浓度过高，将抑制菌体生长，使发酵收率降低
从生产角度考虑，保证尽可能高的酸度，需山梨糖初浓度越高越好
较适宜为80mg/mL
采用滴加或待菌体生长正常后一次性补加的方法，来提高产物的浓度。
溶解氧浓度的影响
溶解氧浓度影响好氧菌的活性
产酸前期应处于高溶氧浓度
产酸中期，溶氧浓度为3.5-6.0mg/mL
产酸后期，耗氧量减少。
pH的影响
pH过低（<6.4）不利于发酵
控制pH6.7-7.9
4、注意事项及“三废”处理
调好等电点是凝聚菌体蛋白的重要因素
树脂再生直接影响2-酮基-L-古龙酸的提取，其标准为进出酸差在1%以下，无Cl-
浓缩时，温度控制在45℃左右较好，以防止跑料和炭化
三废处理。
母液回收、浓缩、结晶甩滤，提高收率
废盐酸回收后可再用于第一次交换
浓缩时，温度控制在45℃左右较好，以防止跑料和炭化
三废处理。
母液回收、浓缩、结晶甩滤，提高收率
废盐酸回收后可再用于第一次交换
（三）粗维生素C的制备
1、酸转化
（1）工艺原理
（2）工艺过程
配料比：2-酮基-L-古龙酸：38%盐酸：丙酮 = 1:0.4:0.3
先将丙酮和一半古龙酸加入转化罐，搅拌
再加入盐酸和余下的古龙酸
蒸汽加热，升温至30-38 ℃，
关闭蒸汽，自然升温至52-54 ℃，保温5h
达到反应高潮，保持温度50-52℃，至总反应时间20h，
冷却过滤、冷乙醇洗涤，
得维生素C粗品，收率88%
（3）反应条件及影响因素
盐酸浓度的影响
若盐酸浓度偏低，则转化不完全，收率低
若盐酸浓度偏高，则分解成许多杂质，使反应物颜色较深
丙酮的影响
酸性条件下，产物容易分解为糠醛，进一步聚合成水和醇不溶的糠醛树脂。
加入丙酮可以溶解糠醛，降低其活性而阻止其聚合
（4）工艺过程
酯化
加入甲醇、浓硫酸和干燥的古龙酸
搅拌加热，升温至66-68℃，
反应4h左右即为酯化终点
冷却，加入碳酸氢钠
升温至66℃左右，回流10h后，即为转化终点
冷却至0℃，离心分离，得维生素C钠盐
母液回收
酸化
将维C钠盐和一母干品、甲醇加入罐中，搅拌
硫酸调反应液pH为2.2-2.4
在40℃左右保温1.5h
冷却，离心分离，弃去硫酸钠
加少量活性炭，冷却压滤
真空减压浓缩，蒸出甲醇
浓缩液冷却结晶，离心分离
2、改进后的转化工艺
旧工艺的缺点
带入大量钠

离子，影响维生素C的质量
转化后母液中产生大量硫酸钠，严重影响母液套用及成品质量
劳动生产强度大
碱转化的新工艺
有机胺代替碳酸氢钠
工艺原理
SHAPE \* MERGEFORMAT
工艺过程
将2-酮基-L-古龙酸甲酯加入到甲醇中
搅拌、升温、回流、溶解
在惰性气体中滴加胺，回流、搅拌
浓缩、蒸馏水溶解油状物
有机溶媒提取、分离
有机层用硫酸钠干燥后，回收套用
水层经浓缩、结晶得维生素C晶体
优点
提高产品质量和收率
有机溶剂回收套用率高
反应条件、温度要求不高
大量使用液体投料，有利于自动化控制
缺点：反应在惰性气体（氮气、氩气）保护下进行
酸转化新工艺
工艺过程
将古龙酸钠盐加到乙醇和丙酮的混合溶液中
室温下搅拌，通入氢气
60℃反应，析出氯化钠晶体
过滤，乙醇和丙酮的混合溶液洗涤
合并滤液，加入惰性溶剂
保温、搅拌、冷却、析晶
得维生素C
优点
析晶纯度高
反应温度低
工艺时间缩短
去除了维生素C精制过程中的水溶解
提高产品的质量和收率
溶剂经分馏后可重新使用
（3）两条转化路线的比较
各占50%
酸转化
优点
设备简单
操作方便
中间过程少，利于收率提高
缺点：设备易被腐蚀
碱转化
优点：产品质量较好
缺点
设备多，操作过程长，
不利于提高总收率
转化过程中使用大量的甲醇，需注意劳动保护
（四）、维生素C的精制
（1）工艺原理
L-抗坏血酸易遭破坏
温度
金属离子
空气接触
pH
易氧化
易分解
变质的标志：色泽变黄
（2）工艺过程
配料比：粗维生素C：蒸馏水：活性炭：晶种 = 1：1.1：0.58：0.00023
步骤
粗维生素C真空干燥
加蒸馏水搅拌溶解
加活性炭，搅拌5-10min，压滤
滤液加入结晶罐，再加入50L左右的乙醇，搅拌
降温、加晶种，结晶
将晶体离心甩滤，冰乙醇洗涤
甩滤、干燥器中干燥，得精制VC
整个过程耗时76-80h
总收率42.7-47.1%（以山梨醇计）
（3）注意事项
结晶时，最高温度不得高于45℃，最低不得低于-4℃，不能再高温下加晶种
回旋干燥要严格控制循环水温和时间，夏天循环水温高，可用小冷凝器降温
压滤时遇停电，应立即关空压阀保压
三、莱氏法和两步发酵法的工艺比较
（1）莱氏法工艺
葡萄糖、高压催化氢化、黑醋菌氧化、丙酮保护、次氯酸钠氧化、盐酸转化、维生素C
优点
生产工艺成熟、各项技术指标先进、生产技术水平较高、
总收率达65%、优级品率100%
缺点
需要丙酮保护羟基、反应步骤增多，连续操作有困难
丙酮用量大，苯的毒性大
劳动保护强度大，并污染环境
（2）两步发酵法
葡萄糖(高压催化氢化(两步微生物氧

化(酸（碱）转化(维生素C
优点
生物氧化具有特异性，省去了保护和脱保护两步
革除了大量有机溶剂
改善了劳动条件和环境保护问题
革除了动力搅拌，大大节约了能源



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