课件：维生素发酵生产.ppt

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。,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。,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。,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。 化学合成法是目前生产维生素得主要方法。 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。,三、维生素C生产工艺,1. 维生素C的合成方法,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。,（1）莱氏化学合成法,1933年德国Reichstein等人首先用化学合成法制取维生素C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。 该方法以D山梨醇作原料，需经四大步反应，才能得到维生素C产品。,D-山梨醇经黑醋菌（Gluconobacter melagenus）发酵得L-山梨糖； L-山梨糖和丙酮反应制得二丙酮-L-山梨醇； 二丙酮-L-山梨醇氧化得二丙酮-2-酮-L-古龙酸钠，再经酸化得二丙酮-2-酮-L-古龙酸； 二丙酮-2-酮-L-古龙酸经转化得维生素C。,（1）莱氏化学合成法,D-山梨醇经黑醋菌（Gluconobacter melagenus）发酵得L-山梨糖； L-山梨糖和丙酮反应制得二丙酮-L-山梨醇； 二丙酮-L-山梨醇氧化得二丙酮-2-酮-L-古龙酸钠，再经酸化得二丙酮-2-酮-L-古龙酸； 二丙酮-2-酮-L-古龙酸经转化得维生素C。,（1）莱氏化学合成法,D-山梨醇经黑醋菌（Gluconobacter melagenus）发酵得L-山梨糖； L-山梨糖和丙酮反应制得二丙酮-L-山梨醇； 二丙酮-L-山梨醇氧化得二丙酮-2-酮-L-古龙酸钠，再经酸化得二丙酮-2-酮-L-古龙酸； 二丙酮-2-酮-L-古龙酸经转化得维生素C。,（1）莱氏化学合成法,D-山梨醇经黑醋菌（Gluconobacter melagenus）发酵得L-山梨糖； L-山梨糖和丙酮反应制得二丙酮-L-山梨醇； 二丙酮-L-山梨醇氧化得二丙酮-2-酮-L-古龙酸钠，再经酸化得二丙酮-2-酮-L-古龙酸； 二丙酮-2-酮-L-古龙酸经转化得维生素C。,（1）莱氏化学合成法,改进莱氏法（碱转化）,（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-葡萄糖酸途径 2,5-二酮-D-葡萄糖酸途径 2-酮-L-古龙酸途径,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：,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2-酮基-L-古龙酸 （简称2KGA）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。此即为我国自行开发的二步发酵法。,2019/8/6,15,可编辑,2. 二步发酵法生产工艺,优点：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企业瑞士霍夫曼罗氏制药公司。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。 酸转化设备简单、流程短，但制得的维生素C破坏严重、质量差，设备腐蚀严重，三废多，因此逐渐淘汰。 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。,（一）二步发酵法反应步骤,（二）二步发酵法生产维生素C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。,（1） 发酵,（2） 提取,（3） 转化,（4） 精制,（三）二步发酵菌种及发酵工艺,（1）第一步发酵 A. 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，G+，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。生长最适温度为34，氧化D-山梨醇的发酵收率可达98以上。,（1）第一步发酵 B. 培养基,无机盐溶液的组成：MgSO47H2O 1.25 g/100mL，(NH4)H2PO4 7.5 g/100mL，KH2PO4 5 g/100mL，K2SO4 1.25 g/100mL。,（1）第一步发酵 C. 发酵过程特征,在发酵过程中，控制发酵温度34，初始pH5.15.3。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。 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重要的。目前山梨糖浓度可达450 g/L。,（2）第二步发酵 A. 菌种,小菌为氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter oxydans）， 大菌可采用,巨大芽孢杆菌（Bacillus megateriam），称2980菌， 或蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus），称152菌， 或浸麻芽孢杆菌（Bacillus macerans），称169菌。,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2980及152混合菌。,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，G-，无芽孢。30培养2d后大小为（0.50.7）m （0.61.2）m ，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。,（2） 第二步发酵 B. 培养基,（3） 第二步发酵 C. 发酵过程特征,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，所以其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。溶氧浓度控制在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80 g/L，会对产物生成产生抑制。所以要取得高浓度2KGA，需采用高浓度山梨糖流加发酵方式。若采用建立在数学模型基础上的流加控制策