维生素发酵生产PPT学习教案

1、会计学1 维生素发酵生产维生素发酵生产 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化功能不可缺少的营养物质。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。 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

2、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 第1页/共27页 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

3、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 第2页/共27页 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

4、，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。 第3页/共27页 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

5、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D3 25 维生素维生素E6800 维生素维生素F1000 维生素维生素K2 2 第4页/共27页 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B2 2000 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B9 300

6、 维生素维生素B1210 维生素维生素B13100 维生素维生素C 70000 第5页/共27页 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

7、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。 第6页/共27页 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-古龙酸古龙酸 钠，再经酸化得二丙酮钠，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

8、氏化学合成法 第7页/共27页 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-古龙酸古龙酸 钠，再经酸化得二丙酮钠，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 第8页/共27页 a. D-山梨醇经黑醋菌（山梨醇经黑醋菌（Glucono

9、bacter 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-古龙酸古龙酸 钠，再经酸化得二丙酮钠，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 第9页/共27页 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

10、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-古龙酸古龙酸 钠，再经酸化得二丙酮钠，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 第10页/共27页 改进莱氏法（碱转化）改进莱氏法（碱转化） 第11页/共27页 （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,

11、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， 有以下六种合成途径：有以下六种合成途径： 第12页/共27页 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

12、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。 第13页/共27页 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

13、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。部分工厂均采用碱转化工艺。 第14页/共27页 （一）二步发酵法反应步骤（一）二步发酵法反应步骤 第15页/共27页 （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

14、 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 第16页/共27页 （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 第17页/共27页 （3） 转化转化 无水甲醇，浓硫酸无水甲醇，浓硫酸 古龙

15、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 第18页/共27页 （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 第19页/共27页 （三）二步发酵菌种及发酵工艺（三）二步发酵菌种及发酵工艺

16、（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。 端生草根鞭毛运动，菌落边缘整齐，微显浅褐色。生长最适温端生草根鞭毛运动，菌落边缘整齐，微显浅褐色。生长最适温 度为度为34，氧化，氧化D-D-山梨醇的发酵收率可达山梨醇的发酵收率可达9898以上。以上。 第2

17、0页/共27页 （1）第一步发酵）第一步发酵 B. 培养基培养基 种子培养种子培养 基基 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。 发酵培养发酵培养 基基 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 第21页/共27页 （1）第一步发酵）

18、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较大，所以该氧化反应的耗氧量较大，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，且搅拌转速较高的条件下，发酵至。即使在通气量较大，且搅拌转速较高的条件下，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。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

19、已达终点。 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，底物对产物形成有抑制作用。故要获得高浓度山梨糖时，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重要的。目前山梨糖浓度可达。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重要的。目前山梨糖浓度可达450 g/L450 g/L。 第22页/共27页 （2）第二步发酵）第二步发酵 A. 菌种菌种 小

20、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

21、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。 第23页/共27页 （2） 第二步发酵第二步发酵 B. 培养基培养基 种子培养种子培养 基基 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 发酵培养发酵培养 基基 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 第24页/共27页 （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