维生素C概述及其合成工艺

武汉理工大学维生素C及其合成技术概述作者：讲师：学科：化学工程与技术教员：化学与环境工程学院2018年6月1日维生素C及其合成技术概述简要介绍了维生素C的基本性质和用途。综述了维生素C的合成工艺。介绍了其生产过程中发酵、提取和转化的技术进展。还介绍了高科技膜分离技术在维生素C生产中的应用。关键词：维生素c；2-酮基-L-古洛糖酸；发酵；提取；薄膜分离近年来，维生素C消费市场发展迅速。本文介绍了它的基本性能、应用和发展趋势。综述了维生素C生产中发酵、提取和转化工艺的进展。特别介绍了先进技术和膜分离技术的应用。关键词：维生素C；2-KLG酸；发酵；提取离子；转换；薄膜分离维生素C，也叫抗坏血酸，英文名称为：维生素C，抗坏血酸，是一种水溶性维生素，是高等灵长类和其他小生物的必需营养素。它不仅是一种重要的医药产品，近年来，其应用范围已经扩展到食品、饲料等方面。随着全球对氯乙烯需求的不断增加，其生产工艺也在不断改进。1.维生素c概述1.1维生素C特性分子式：C6H8O6。分子量：176.12u。卡斯诺。50-81-7；酸性，溶液中的氧化分解。外观：无色晶体；熔点：190-192；沸点：(无)；最大紫外吸收：245纳米；荧光光谱：激发波长-无纳米，荧光波长-无纳米；溶解性：水溶性维生素；推荐摄入量：每天60毫克；最大摄入量：引起腹泻的量；结构式：1.2维生素C-生物学意义对生物和人体有意义的维生素C是纯左旋右旋光学(光学异构)抗坏血酸。相反的“左旋光”异构体在生物体中是无用的。这两个物种是同分异构的。然而，一般的广告通常被称为左旋维生素C，但实际上它指的是左旋维生素C抗坏血酸是一种强还原剂，当它起作用时，它将转化为其氧化形式，形成左旋脱氢抗坏血酸，在体内可通过酶和谷胱甘肽将其回收为活性左旋抗坏血酸。左侧光抗坏血酸是一种类似于葡萄糖的弱酸结构，它可以自然地附着氢离子形成抗坏血酸，或者附着金属离子形成抗坏血酸矿物质。在人体内，维生素C是一种高效的抗氧化剂，用于降低抗坏血酸过氧化物酶底物的氧化应激。维生素C在许多重要的生物合成过程中也是必需的。维生素C是8种不同的酶作为电子供体：其中三个涉及胶原蛋白羟基化。在这些反应中，羟基被添加到氨基酸的脯氨酸或赖氨酸中，然后该氨基酸被添加到胶原分子中(通过脯氨酸羟化酶和羟化酶)，因此胶原分子可以呈现三螺旋结构，并且在维护组织、血管和软骨时必须使用维生素C。其中两个将参与肉碱的组合。肉碱是运输脂肪酸进入线粒体产生三磷酸腺苷的必需品。其余三个具有以下功能：多巴胺参与肾上腺素合成多巴胺羟化酶。另一种酶加入氨基形成氨基酸激素，这大大增加了它的稳定性。其中一种调节酪氨酸代谢。1.3维生素C-功能主要生理功能：1.促进骨胶原的生物合成。有利于组织伤口的快速愈合；2.促进氨基酸中酪氨酸和色氨酸的代谢，延长身体寿命。3.提高铁、钙和叶酸的利用率。4.改善脂肪和脂质，尤其是胆固醇的代谢，预防心血管疾病。5、促进牙齿和骨骼的生长，防止牙龈出血。6.增强身体的抗应激能力和对外界环境的免疫力。维生素的营养价值：维生素C的主要功能是提高免疫力、预防癌症、心脏病、中风、保护牙齿和牙龈等。此外，坚持按时服用维生素C还可以减少皮肤色素沉着，从而减少黑斑和雀斑，美白皮肤。富含维生素C的食物包括花椰菜、青椒、橘子、葡萄汁、西红柿等。可以说，在所有的蔬菜和水果中，维生素C的含量相当高。美国专家认为，每人每天维生素C的最佳量应该是200-300毫克，至少不低于60毫克。半杯新鲜橙汁就能满足这个最低量。2.合成过程2.1莱勒方法最早是用利法制作的1，早在20世纪30年代就被成功研究。利法是德国化学家赖希斯坦等人于1933年发明的最早工业化生产氯乙烯的方法。该方法以葡萄糖为原料，通过催化加氢制备D-山梨醇，然后通过醋酸菌发酵生产L-山梨糖，通过酮化和化学氧化、水解得到2-酮基-L-古洛糖酸(2-KLG)，通过盐酸酸化得到VC。莱勒法生产的氯乙烯产品质量好，收率高。由于原料廉价易得，中间产品化学性质稳定，仍是许多国外风险投资制造商采用的主要工艺，如罗氏公司、巴斯夫/武田公司和默克公司。然而，莱勒的方法也存在许多缺陷，如生产工艺多、劳动强度高、使用大量有毒易燃化学品、易造成环境污染等。为此，自20世纪60年代以来，各国学者一直致力于莱勒定律的改进。合成路线如图1所示。2.2两步发酵20世纪70年代初，中国科学院微生物研究所和北京制药厂合作开发了一种“两步发酵”制备VC的新技术。该方法采用生物氧化工艺代替了莱勒路线中的部分净化工艺，简化了生产工艺，降低了生产成本，减少了“三废”污染，已被国内厂家使用多年。两步发酵法生产VC可分为发酵、提取和转化三个主要步骤，即D-山梨醇首先被细菌氧化成L-山梨糖，然后通过细菌发酵产生VC的前体2-KLG，最后通过化学方法将2-KLG转化成VC。在几十年的工艺发展中，两步发酵工艺得到了不断的改进。发酵生产维生素c可分为三个步骤：发酵、提取和转化。也就是说，维生素c的前体2-酮基-L-古洛糖酸(2-酮基-L-古洛糖酸，1)通过发酵从D-山梨醇中提取，然后通过化学方法将1转化为维生素c。为了提高发酵酒的质量和产量，国内外对发酵工艺进行了不断的改进。本文综述了发酵法生产维生素c的三个主要步骤的技术改进和最新研究进展。2.2.1发酵目前，工业生产中采用二次发酵，二次发酵是纯化学过程的一部分，用生物氧化代替利路线。合成路线如图2所示。图2 VC二次发酵合成路线在该方法中，利用假单胞菌选择性地将L-山梨糖C1上的醇羟基氧化成羧基，从而省略了丙酮保护步骤，缩短了工艺，节约了原料。近年来，国内外开展了从D-葡萄糖系列发酵3生产1的新工艺研究。自1987年以来，尹广林等人已经成功地使用欧文氏菌和棒杆菌4通过中间体2，5-二酮-D-葡萄糖酸系列发酵从D-葡萄糖生产1。路线如图3所示。图3 VC两步串联发酵曲线这种两步串联发酵法直接从D2葡萄糖开始，省去了氢化反应，生产工艺简单。然而，与二次发酵法相比，在原料和菌体处理方面仍需改进，因此尚未实现工业化。发酵法合成需要高产的优良菌株、适宜的培养基和适宜的发酵条件。目前的研究主要集中在优良菌株的培养上。安德森5和格林德利6分别利用DNA重组技术表达棒状杆菌2，5-二酮二次发酵后，发酵液中1的含量仅为8%左右，菌丝体、蛋白质、悬浮颗粒等杂质残留，分离纯化困难。后处理成本占总成本的比重很大，因此研究后处理技术对降低氯乙烯生产成本非常重要(1)加热沉淀法2该方法是提取1的传统工艺，分离方法相对落后。该方法包括以下步骤：将发酵液静置沉淀，通过732型氢型离子交换树脂柱，部分酸化1的钠盐，调至蛋白质的等电点，加热固化蛋白质，高速离心分离浓缩的菌丝、蛋白质和微粒，清液再次通过阳离子交换柱，完全酸化成1的水溶液，然后浓缩结晶：该工艺利用氢树脂将蛋白质的酸碱度调至等电点，然后加热除去蛋白质，不仅消耗能量，而且导致有效成分的降解损失。发酵液直接进入离子交换柱，造成树脂表面严重污染，交换容量降低。此外，它通过树脂柱两次，带入大量的水，增加了浓缩过程中的能耗。因此，提出了一种化学混凝法。(2)化学凝聚法4化学凝聚法是通过添加化学絮凝剂来去除蛋白质、菌体、色素等杂质，从而避免加热和沉淀过程中有效成分的损失。季广辉等人采用化学混凝法预处理VC发酵液，提高了2-KLG滤液的质量，第一步提取得率提高了5.2%，VC总收率提高了2.5%以上。采用化学混凝法，以壳聚糖为主要混凝剂，聚丙烯酰胺为助凝剂，提取率由76%提高到82%，古龙酸优产率由35%提高到60%。成本降低了20%。该方法是选择合适的絮凝剂和合适的条件去除蛋白质、菌体和色素等杂质，其工艺流程为：该方法避免了供暖结算带来的能耗和损失，但仍存在以下不足：化学凝固后，上清液中仍存在一定量的可溶性蛋白质。随着溶液酸碱度的变化，它会逐渐沉淀，影响树脂的交换当量和1的质量。如果细菌在发酵过程中被污染，上清液在化学凝聚后将保持混浊，这将严重影响产品的产量和质量。化学凝聚过程中新化学物质的加入增加了环境污染。为了克服这些缺点，一种基于膜分离技术的新型提取工艺应运而生。(3)超滤超滤是一种新型的膜处理技术，具有操作方便、节能、无新的环境污染等优点。因此，它越来越广泛地用于2-KLG的分离和纯化。这种方法不同于加热沉淀法，它可以在常温下操作，以减少有效成分的损失。在用膜去除蛋白质的过程中，不添加新的化学物质，减少了树脂的污染和损失，减少了酸碱用量，减少了三废的排放。与化学混凝法不同，它在处理受污染的发酵液时仍能达到较好的处理效果。1995年中国东北制药厂从丹麦引进国内膜面积最大的平板超滤装置后，2-KLG的分离纯化成本比原化学混凝法低600万元，其收率、自动化程度和生产连续性也得到明显提高。由于无相变、节能、操作简单、无新的环境污染等优点，该技术得到了广泛的应用。有许多报道称超滤用于提取和浓缩发酵液9 14。钠盐发酵液通过超滤膜与菌丝、蛋白质和悬浮颗粒等大分子杂质分离，简化了提取过程超滤过程的收率为100%随着膜材料的进一步发展，选择最合适的膜设备、膜组件和膜分离条件可以进一步提高产品的产量和质量。选择防堵超滤膜组件，取消发酵液预处理步骤，降低成本。反渗透或纳滤技术可以尝试取代真空浓缩。此外，还有33，360份关于离子交换和溶剂萃取方法的研究报告仍处于试验阶段。离子交换法2 :使用弱碱性离子交换树脂直接从发酵液中提取1，用甲醇2硫酸溶液洗脱，并直接使用洗脱液进行甲酯转化，从而省略了浓缩和结晶步骤。该方法的洗脱率可达96%，洗脱液浓度比原溶液高4倍。溶剂萃取法15 :使用0。5 mol/L DOA-20%正庚醇-乙酸混合溶剂进行三级逆流提取和一级反萃取，从发酵液中提取1，提取率大于90%。与原发酵液相比，反萃液中1的浓度可提高5倍以上，反萃液中除盐酸外杂质少。反萃取可直接用于酸转化，省去了浓缩和结晶步骤，节约了大量能耗。(3)转换从1到V c，有两种方法：酸转化和碱转化。酸转化：氯乙烯是通过化学转化生产的。自莱勒法建立以来，浓盐酸一直用于催化2-KLG一步生产氯乙烯。国外学者对该法做了大量的研究。印度艾哈迈达巴德纺织工业研究协会的研究表明，以饱和氯代烃(如三氯甲烷)和芳烃(如苯和甲苯)为溶剂，通过2-KLG与浓盐酸在60-75反应4-6小时，可以制得纯度为90%的粗氯乙烯。美国学者YODICE在1985年报道，2-KLG在表面活性剂的甲苯溶液中与浓盐酸反应生成纯度超过99%的氯乙烯。近年来，关于一步酸转化为VC的研究报道层出不穷。1999年，美国相关专利指出，在以氧化钴为催化剂的体系中，2-KLG可以与足量的次氯酸反应生成高纯度的氯乙烯。2000年，德国学者费希特尔等报道了2-KLG与浓盐酸在4。5Mpa高压釜，产率95%。酸转化法工艺简单，操作步骤少，但设备在反应过程中被浓盐酸严重腐蚀。此外，由于在反应