维生素C的发酵生产

湖北大学发酵工程与设备课程设计目的：发酵生产维生素c专业等级2008生物工程学生姓名：陈胜学校编号2008221107100130倪红教官2011年6月10日内容1.前言-11.1维生素C-1的性质1.2维生素C-1的功能和用途1.3维生素C-1的生产现状1.4维生素C-1的研发2.发酵机制2.1中国维生素c两步发酵的发酵机理-23.发酵工艺及特点-33.1两步发酵-33.2两步发酵生产维生素C的工艺流程-43.2.1加热沉淀-63.2.2化学混凝-63.2.3超滤-64.菌株培养基和种子-6的扩大培养4.1第一步发酵-64.1.1菌株-64.1.2初级种子的扩大培养-74.1.3第一步发酵和培养-74.2第二步发酵-74.2.1菌株-74.2.2二级种子扩大培养-74.2.3第二步发酵和培养-75.发酵过程中的一些设备-75.1机械搅拌罐-75.2气升式发酵罐-76.无菌空气制备系统-96.1发酵空气标准-96.2空气预处理和设备-96.3空气过滤和灭菌工艺流程-97.部分流程计算-107.1物料平衡-107.2每天发酵液的体积-107.3发酵罐-10的标称体积7.4种子罐的体积和数量-107.5种子罐的标称体积-107.6发酵罐-10发酵过程热效应的计算8.三废处理-118.1三废生物处理的目的-118.2废水处理方法-128.3生物过滤净化-128.4生物滤池法基本流程-139参考文献-14维生素c的发酵生产1前言1.1维生素C的性质1.1.1 C(维生素C(抗坏血酸)，也称为L-抗坏血酸，是一种水溶性维生素。1.1.2化学性质分子式：C6H8O6；分子量：176.12u。酸性，强还原性，加热或在溶液中容易氧化和分解，在碱性条件下容易氧化。1.1.3物理性质外观：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。1.1.4代谢食物中的维生素C被人体小肠的上段吸收。一旦被吸收，它就被分配到体内所有的水溶性结构中。正常成人的维生素C代谢活性池含有约1500毫克维生素C，最高储存峰值为3000毫克维生素C.在正常情况下，大部分维生素C被代谢并分解成草酸或与硫酸结合生成抗坏血酸-2-硫酸，从尿液中排出。另一部分可以直接从尿液中排出。1.2维生素C的功能和用途1.2.1合成胶原蛋白需要维生素C，因此富含维生素C的食物可用于因维生素C缺乏而导致的防晒，胶原蛋白无法正常合成，导致细胞连接紊乱。人体由细胞组成，细胞由细胞间质连接。胶原蛋白是细胞基质的关键成分。胶原蛋白占人体蛋白质的1/3，形成结缔组织，形成人体骨骼。如骨骼、血管、韧带等。确定皮肤的弹性，保护大脑，并有助于人类创伤的愈合。1.2.2坏血病的血管壁强度与血管内皮细胞密切相关。微血管是所有血管中最小的。血管壁可能只有一个细胞的厚度。它的强度和弹性是由胶原蛋白决定的，胶原蛋白负责连接细胞和水泥。当体内VC不足时，微血管容易破裂，血液流向邻近组织。如果这发生在皮肤表面，就会出现充血和紫癜。当它在体内出现时，会引起疼痛和关节肿胀。严重病例可能包括胃、肠道、鼻、肾和骨膜下出血，甚至死亡。1.2.3牙龈萎缩和出血预防动脉硬化可促进胆固醇排泄，防止胆固醇沉积在动脉内壁，甚至溶解沉积的动脉粥样硬化斑块。1.2.4抗氧化剂可以保护其他抗氧化剂，如维生素A、维生素E、不饱和脂肪酸，并防止自由基对人体的伤害。1.2.5治疗贫血将难以吸收利用的三价铁还原为二价铁，促进铁在肠道的吸收，提高肝脏对铁的利用率，有助于治疗缺铁性贫血。1.2.6富含预防癌症的胶原蛋白有助于防止癌细胞扩散；VC的抗氧化作用能抵抗自由基对细胞的损伤，防止细胞变异。阻止亚硝酸盐和仲胺形成强致癌物亚硝胺。一些人解剖了死于癌症的病人，发现病人体内的VC含量几乎为零。1.2.7在人类生活活动中，保护细胞、解毒和保护肝脏对确保细胞的完整性和正常代谢非常重要。为此，谷胱甘肽和酶发挥了重要作用。谷胱甘肽是由谷氨酸、胱氨酸和甘氨酸组成的短肽，在体内具有氧化还原作用。它有两种存在形式，即氧化型和还原型。还原型在保证细胞膜的完整性方面起着重要作用。VC是一种强抗氧化剂，它被自身氧化，将氧化的谷胱甘肽还原成还原型谷胱甘肽，从而发挥抗氧化作用。酶是生化反应的催化剂。有些酶需要游离巯基(-SH)来维持活性。VC可以将二硫键(-S-S)还原为-SH，从而提高相关酶的活性，发挥抗氧化作用。综上所述，只要VC充足，VC、谷胱甘肽和-SH形成一种强有力的抗氧化组合，消除自由基，防止脂质过氧化和某些化学物质的毒性作用，并保护肝脏的解毒能力和细胞的正常代谢。1.2.8提高人体免疫力白细胞中含有丰富的维生素c，当人体受到感染时，白细胞中的维生素c急剧减少。VC能增强中性粒细胞的趋化性和变形性，提高杀菌能力。促进淋巴母细胞的生成，提高机体对外来细胞和恶性细胞的识别和杀伤能力。参与免疫球蛋白的合成。提高补体酯酶的活性，增加补体的产生。促进干扰素的产生，干扰病毒mRNA的转录，抑制病毒的增殖。1.2.9提高身体的应急反应能力。对人体的异常刺激，如剧烈的疼痛、寒冷、缺氧和强烈的精神刺激，会导致抵抗异常刺激的紧张状态。这种状态伴随着一系列的身体，包括交感神经1.3国内外生产现状目前，中国的两步发酵法与国外的Lehrer法并存，各有优势。随着对vc发酵技术的深入研究，将进一步提高底物浓度，降低生产成本，提高发酵产量。然而，新的两步发酵法和一步发酵法为未来的科学研究和生产开辟了新的途径。然而，它们离实际应用还很远。从基因工程研究的角度来看，它们不可能在短期内有效。只有通过科研机构和工厂的合作，才能尽早实现产业化。随着全球对Vc需求的不断增加，其生产工艺也在不断改进。Vc的生产最早是由莱勒的方法进行的，早在20世纪30年代就有人成功地对其进行了研究。D-葡萄糖H2/卡特高压D-山梨醇醋酸杆菌OL-山梨糖醇体CH3COCH3H2SO4SO3二丙酮-L-山梨糖醇体氢氧化钠二丙酮-2-酮-L-古洛糖酸H 3O2-酮-L-古洛糖酸1维生素C的化学转化这种方法有许多缺点，如工序多、劳动强度大。国外在此基础上进行了改进，特别是在设备工程方面的优势，目前仍在生产中使用。然而，我国已采用我国发明的发酵法来代替莱勒法生产Vc。发酵生产Vc可分为三步：发酵、提取和转化。也就是说，从D-山梨醇发酵中提取Vc前体2-酮-L-古洛糖酸(2-酮-L-古洛糖酸，1)，然后通过化学方法将1转化为Vc。为了提高Vc的质量和产量，国内外对发酵工艺进行了不断的改进。1.4维生素C VC研发是中国自主知识产权研发的首批西药之一，也是中国主要出口大宗药品之一。两步发酵法是我国生产VC的主要工艺。然而，这种方法不能直接使用葡萄糖作为发酵原料，并且涉及三种细菌的两步发酵，步骤复杂。利用基因工程等先进技术，选育直接以葡萄糖为发酵原料的优良菌株，优化发酵条件，将是我国风险投资生产技术研究的主要方向。此外，世界上许多国家目前正试图以真核生物为研究对象，通过利用它们的代谢途径合成VC来开发更环保的生物合成方法。可以从中国两步发酵法推广后逐渐取代莱勒法的过程来预测。随着生物技术的不断发展和更具优势的生物合成VC方法的不断出现，生物法将完全取代化学法生产VC。为了保持中国在世界风险投资生产中的主导地位，必须加强风险投资生产的基础研究工作。2发酵机理(两步发酵法)2.1中国两步发酵法生产维生素C的发酵机理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“两步发酵法”生产维生素C的新工艺。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，减少了国内厂家多年使用的“三废”污染。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。2.1.1混合发酵中大菌与小菌的关系中国维生素C的两步发酵涉及两个菌株，小菌和大菌。其中，小细菌为产酸细菌，但很难分离培养和传代，产酸能力很低。大型细菌不产酸，但能促进小型细菌的生长和产酸，并与小型细菌有关。魏东芝等人提出了大细菌为小细菌提供某些生长因子以促进小细菌生长的观点。冯舒等(四川研究证实，大细菌的胞内液和胞外液都能促进小细菌的生长，缩短小细菌生长的延迟期；大细菌的胞外液可以促进小细菌的产酸，这表明大细菌可以通过释放某些代谢活性物质来促进小细菌的产酸，并且已经从大细菌的胞外液中分离出能够促进小细菌产酸的蛋白质。活性蛋白的形成和机制仍在探索中。在混合发酵中，大细菌不代谢L-山梨