维生素C概述及工业生产方法

2012-5-317生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物
维生素C生产工艺
1、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。
O C C C H HO C C H 2C L -抗 坏 血 酸 H OH OH O HO H H C C C H 2C OH OH OH HO O C C OH O O C C C H 2C HO H H OH H C C O OH O C C C H 2C HO H OH OH C C O OH
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思考题
1、简述维生素的特点及区分脂溶性维生 素和水溶性维生素。 2、简述维生素C的生产工艺。
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总复习思考题
1、生物制药工艺学研究的内容或对象。
2、生物药物的分类方法及分类。
3、简述生物制药的一般过程。 4、对比生化药物的各种沉析(浓缩)方法的异同。 5、详细阐述超滤、离子交换法、凝胶层析和亲合层析的异 同（包括基本原理、所用的介质、分离的对象以及主要 应用等）。
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两步发酵工艺
转化工艺 (1) 酸转化法。传统的酸转化法是采用浓HCl 将古龙酸直接转化为Vc ，但酸转化 对设备的腐蚀严重,污染环境，影响产品质量,现已逐渐被碱转化法所取代。(2) 碱转化法。碱转化 法是先将古龙酸与甲醇在浓硫酸催化作用下生成古龙酸甲酯,再使用NaHCO3 进行碱转化，使古龙 酸甲酯转化为Vc-Na。采用此法可避免酸转化的缺点,且操作简单,适用于Vc 的规模化生产,但是碱转 化存在着反应周期较长,甲醇单耗高。目前有些单位及生产厂家研究采用CH3ONa 代替NaHCO3 进 行碱转化,此法转化率高,可达9216 % ,但质量较差,且甲醇钠价格贵,造成成本较高。 酸化 酸化是将维生素C-Na 转变为维生素C 的过程。目前采用的普遍方法是硫酸酸化法和树 脂交换法。采用硫酸酸化操作简单,但要控制好甲醇的浓度和pH 值,才能使硫酸钠与维生素C 分离 出来,从而提高Vc 的质量。采用氢型离子树脂交换设备庞大,操作复杂,且需经常再生树脂,增加了酸 耗,酸液大量排放污染环境。目前有些单位及个人正在探索使用电渗析法代替传统的酸化方法,此法 过程简单,能耗低,投资少,转化率高,可望应用到实际生产中。 综上所述，我们在以后的维生素C 工艺发展过程中，要以两步发酵法为基础,不断优化工艺， 同时借鉴国外的新技术、新信息,避免低水平重复,提高Vc 的产量和质量,同时注重Vc 系列产品的开 发和应用,创造出更大的经济效益。
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。
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3、两步发酵工艺
O C H 2O H HO HO H HO C C C C CHO D -葡 萄 糖 H H OH H H2 氢化 H HO C C OH H HO HO C H 2O H C C H H O2 A c e to b a cte r H HO C C OH H HO C H 2O H C C O H P s eu d o m on a s HO H HO COOH C C C C C O H OH H H HO C H 2O H D -山 梨 醇 C H 2O H L -山 梨 醇 C H 2O H H 2C 2 -酮 基 -L -古 龙 酸 维 生 素 -C OH C H C 内酯化 烯醇化 HO OH C O C
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（2）工艺过程
①山梨醇发酵菌种 醋酸菌属可使山梨醇氧化成山梨糖，一般用
A. Suboxyclans和A. Melangenum。
②发酵条件
活性受影响。
温度为26-30℃，最适pH为4.4-6.8。pH4.0以下菌的
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%。
（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。
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维生素C
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维生素概 述 维生素C生产工艺
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概 述
基本概念
维生素是生物体内一类量微、化学结构各异，具有特殊功能的小分子有机化 合物，它们大多需从外界摄取。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。
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。
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（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。
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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。
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生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物
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%。 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）
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3、两步发酵工艺
[氧化] 醋酸杆菌 [生物转化] 假单孢菌
D-山梨醇
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）
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3、两步发酵工艺
（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
设备利用率低、后续处理能耗高等问题。在未来的工艺优化过程中，除了进行发酵工艺改进外,更 应注重优良菌种的选育。发酵液的提取工艺是维生素C 生产行业中较为重视的问题。经过两次发 酵后,发酵液的含量仅为6 %～9 % ，且残留有菌丝体、蛋白质和悬浮微粒等，分离提纯较为困难。
传统的处理方法有加热沉淀法和化学凝聚法。针对以上两种方法中存在的缺点和不足，一种新的
D -抗 坏 血 酸
L -异 抗 坏 血 酸
D -异 抗 坏 血 酸
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维生素C生产工艺
1、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。
2、莱氏法 化学合成工艺
HO HO
HO
C H 2OH D -山 梨 醇
C H 2O H L -山 梨 醇
C H 2OH H 3C (C H 3 ) 2 C O H 2S O 4 C O2 O H3C H C C C H K M nO 4 O H CH3 C H 2O 双 丙 酮 -L -山 梨 糖 O COOH C C H 2O HO H HO C C C O H OH H H HO C H 2OH C H 2C 2 -酮 基 -L -古 龙 酸 维 生 素 -C H C 内酯化 烯醇化 HO OH C CH3 N aO H O H 3C H H 3C
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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。
处理方法———超滤法在维生素生产中得以应用。此法具有操作方便、节能、不造成新的环境污 染等优点。此法与加热沉淀法相比，可在常温下操作，减少了有效成分的损失;且为后步树脂交换 提供了有利的条件,减少了树脂的污染，从而有利于提高树脂的使用率。与化学凝聚法相比,在处理 染菌的发酵液时仍可达到较好的处理效果。随着新型膜材料技术的开发,如陶瓷膜、不锈钢膜等的 应用,超滤法的应用效果会有进一步的提高。同时,国内外正在探索反渗透、纳滤等后序处理新工艺 的应,用完善工艺联结。
COOH C C C C H O H CH3 C H 2O 双 丙 酮 -L -古 龙 酸
CH3
O C
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维生素C生产工艺
[酶菌氧化] O2 [酮化] H SO 丙酮 L-山梨糖 2 4
（1）工艺路线
D-葡萄糖 [加氢] H2 D-山梨醇
[氧化] NaOH, O2, KMnO4 双 丙 酮 -L- 山 梨 双丙酮-L-古龙酸 糖 [酸化] HCl [转化] 2-酮-L-古龙酸 维生素C
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%。
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3、两步发酵工艺
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两步发酵工艺
发酵：此法省略了酮化和NaClO 氧化过程,简化了工艺，极大地改善了操作环境。除主耗山梨醇消 耗较高外，其他辅料消耗较低。且多为液体反应，物料输送方便，更有利于生产连续化和操作自
动化。但此法仍存在很多缺点，如占地面积大、发酵基质浓度低、在高湿高温条件下染菌机率高、
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维生素C生产工艺
维生素C
又名抗坏血酸（Ascorbic acid）是细胞氧化-还原
反应中的催化剂，它释放两个氢原子后变成氧化型维生 素C，有供氢体存在时，脱氢抗坏血酸可以接受两个氢 原子变成抗坏血酸，参与机体新陈代谢，增加机体对感 染的抵抗力。用于防止坏血酸和抵抗传染性疾病，促进 创伤和骨折愈合，以及用作辅助药物治疗。
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C H 2O H
维生素C生产工艺
C H 2OH HO H2 HO H HO C C C C H H OH H O2 HO H HO C H 2O H C C C C O H OH H C C C C CHO D -葡 萄 糖 H H OH H H
生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物
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。
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生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物
概 述
维生素分为脂溶性和水溶性两大类。
脂溶性：维生素A，D，E，K，Q和硫辛酸等。
水溶性：维生素B1、B2、B6、B12、烟酸、泛 酸、叶酸、生物素和维生素C等。
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生物制药工艺学——维生素及辅酶类药物
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