第七章 维生素C的生产工艺

第七章 维生素C的生产工艺教学目的：n 了解维生素C的用途、常见合成路线。n 掌握莱氏法生产维生素C的工艺原理、理解其生产过程。n 掌握两步发酵法生产维生素C的工艺原理、理解其生产过程，了解其与莱氏法的异同点。教学重点：n 莱氏法生产维生素C的工艺原理；n 两步发酵法生产维生素C的工艺原理和生产过程。教学方法：讲授、多媒体。教学手段与工具：采用多媒体形式，配之以必要的板书。 教学指导思想：贯彻以学生为主体、教师为指导者的教学思想，充分调动学生主动、生动学习的积极性。 教学内容：第一节 概述一、化学结构式二、理化性质水溶性、酸性、还原性、水解性第二节 合成路线一、莱氏法D-山梨醇为原料，经醋酸菌一步发酵得L-山梨糖，丙酮酮醇缩合、次氯酸钠氧化剂盐酸转化等5步n 优点 工艺成熟、产品质量好 生产周期短，总收率高（66%）n 缺点 工序多，耗用原料多 有易燃易爆有机溶剂 对劳动保护和安全生产要求高二、两步发酵法n 简化缩短的莱氏法n 优点 缩短工序 降低了原料成本 节约了大量有机溶剂，减少了“三废” 多数是液体物料，有利于机械化和自动化生产n 缺点 总收率较低（45-48%） 发酵单位体积产率低（60mg/100mL） 设备体积大，能耗大三、全化学合成方法n 三步法：将葡萄糖或葡萄糖醛酸内酯丙酮化、催化、氧化、水解还原成维生素n 葡萄糖为原料的缺点：丙酮用量大、须用昂贵的铂金属催化剂、收率低（25-28%）四、其他方法n GLC技术n DNA重组菌种第三节 生产工艺原理和过程一、莱氏法生产维生素C的工艺原理和过程n D-山梨醇的制备n L-山梨糖的制备n 2,3,4,6-双酮基-L-山梨糖（双丙酮糖）的制备n 2,3,4,6-双酮基-L-古龙酸（双丙酮古龙酸）的制备n 粗品维生素C的制备n 粗品维生素C的精制、 D-山梨醇的制备（1）工艺原理控制压力、氢做还原剂、镍作催化剂（2）工艺过程n 在70-75下加水溶解葡萄糖，50%溶液n 氢气纯度99.3%、压强0.04MPa时，将糖液冲入釜内n 加入活性镍催化剂n 加碱液调pH8.2-8.4，通蒸汽，并搅拌n 温度升至120-135时关闭蒸汽n 控制温度在150-155 ，压强3.8-4.0MPan 反应至不吸收氢气为反应终点n 0.2-0.3MPa压强下压料至沉淀缸、过滤、树脂交换处理n 收率95%（3）反应条件及影响因素n pH值 葡萄糖水pH8.0-8.5 偏高或偏低会使甘露醇（副产物）含量增加n 设备材质 山梨醇能溶解多种金属 避免使用铁、铝或铜制设备，而用不锈钢n 副产物影响 甘露醇影响产物比旋度 残糖含量影响产物比旋度氢化反应的终点指标（4）注意事项及三废处理n 车间进行还原反应时氢气自制，故配有氢气柜。应杜绝火源，以免氢气发生爆炸n 废镍催化剂可压制成块，冶炼回收n 再生废液中的镍经沉淀后可回收n 废酸、废碱经中和后放入下水道2、L-山梨糖的制备（1）工艺原理n 选择性地使C2位的羟基氧化成羰基n 生物氧化n 黑醋菌（2）工艺过程n 菌种部分 斜面培养基中菌种活化传代24h后，产糖量达到100mg/mL。 在30 培养48h，镜检菌体正常、无杂菌 放0-5 冰箱保存备用。n 发酵部分 投料。D-山梨醇浓度为16%-20% 培养基控制pH5.4-5.6，120 灭菌0.5h 在发酵罐中培养（温度30-32 ；压力0.03-0.05MPa） 一级种子罐发酵率40%以上，二级种子罐发酵率50%以上 发酵培养的山梨醇的投料浓度为25% 当发酵率在95%以上时，温度略高（31-33）；pH7.2左右，即为发酵终点 控制真空度在0.05MPa以上，温度60 以下，减压浓缩结晶即得L-山梨糖（3）反应条件及影响因素n 山梨醇的纯度影响收率n 山梨醇浓度影响氧化速率n 金属离子会抑制细菌的脱氢活性n 生物催化剂能促进细菌生长，提高发酵率n 空气流量影响深层发酵。一般为0.7-1VVMn 细菌接种量影响氧化速率（4）注意事项n 尽量减少染菌途径n 其途径有 种子或发酵罐带菌 接种时罐压低于大气压 培养基消毒不彻底 操作中染菌 阀门泄露3、2,3,4,6-双酮基-L-山梨糖的制备（1）工艺原理（2）工艺过程n 配料比：L-山梨糖：丙酮：发烟硫酸：氢氧化钠 = 1:9:0.4:0.6n 步骤 5 下压入丙酮、发烟硫酸，加入山梨糖 15-20 下溶糖6h 降温至-8 ，保持6-7h得酮化液。 38%），否则催化效果降低，收率降低n 析出温度的影响n 析出期为转化反应的剧烈期n 析出期温差太小，为1，说明反应不剧烈，放热小，不完全n 温差太大，为5，则反应放热太多，反应太剧烈，热量不能很快传递出去，加速副反应发生，严重时会引起烧料n 最佳温差2.5 ，析出温度不能高于59 n 如遇突然停电，应选关蒸汽，后关搅拌n 来电后，先开搅拌，后开蒸汽，缓慢升温6、粗品维生素C的精制 n 配料比：粗维生素C(折纯)：蒸馏水：活性炭：乙醇 = 1：1.1:0.06:0.6n 步骤 粗品（85%）真空干燥（50-55，20-30min） 除去挥发性杂质（盐酸、丙酮） 投入热水（68-70 ）中溶解 加入活性炭搅拌5-10min 保温压滤 结晶罐中降温至45-50 加入晶种，缓慢冷却至-2 ，结晶 晶体离心甩滤，冰乙醇洗涤 甩滤，低温干燥（43-45 ，1.5h） 得精制维生素C（m.p.190-192 ）收率91% 总收率60%（对D-山梨醇计）二、两步发酵法生产维生素C的工艺原理及过程（一）、D-山梨醇的制备（二）、2-酮基-L-古龙酸的制备1、工艺原理：微生物氧化法2、工艺过程n 菌种部分 菌种活化、分离、混合培养 移入三角瓶种液培养基，29-33 振荡培养24h， 产酸量在6-9mg/mL，pH降至7以下，镜检正常无杂菌n 发酵部分 一级种子罐加料 控温29-30 ，压强0.05MPa，pH6.7-7.0 二级种子罐培养， 发酵终点：温度31-33，pH7.2，残糖量0.8mg/mL 两步发酵收率78.5%n 提取部分 一次交换l 盐酸酸化，调菌体蛋白等电点，沉降4h以上l 上清液以2-3m3/h的流速压入阳离子交换柱l 当流出液pH为3.5时，收集交换液，控制pHl 交换完，纯水冲柱 加热过滤l 合并流出液和洗液l 调pH至蛋白等电点l 加热至70，加0.3%活性炭l 升温至90-95，保温10-15min，使蛋白凝结l 停止搅拌，快速冷却，高速离心 二次交换l 上清液打入二次交换柱l 洗脱，至流出液pH=1.5时，收集交换液l 控制pH1.5-1.7之间。l 交换完毕，洗柱 减压浓缩l 二次交换液进行一级浓缩l 控制真空度、内温，至浓缩液的相对密度达1.2l 出料l 同样条件二次浓缩，至尽量干l 加少量乙醇，冷却结晶l 甩滤，冰乙醇洗涤l 得2-酮基-L-古龙酸（m.p.158-162）l 收率80%3、反应条件及影响因素n 山梨糖的影响 山梨糖初浓度过高，将抑制菌体生长，使发酵收率降低 从生产角度考虑，保证尽可能高的酸度，需山梨糖初浓度越高越好 较适宜为80mg/mL 采用滴加或待菌体生长正常后一次性补加的方法，来提高产物的浓度。n 溶解氧浓度的影响 溶解氧浓度影响好氧菌的活性 产酸前期应处于高溶氧浓度 产酸中期，溶氧浓度为3.5-6.0mg/mL 产酸后期，耗氧量减少。n pH的影响 pH过低（6.4）不利于发酵 控制pH6.7-7.94、注意事项及“三废”处理n 调好等电点是凝聚菌体蛋白的重要因素n 树脂再生直接影响2-酮基-L-古龙酸的提取，其标准为进出酸差在1%以下，无Cl-n 浓缩时，温度控制在45左右较好，以防止跑料和炭化n 三废处理。 母液回收、浓缩、结晶甩滤，提高收率 废盐酸回收后可再用于第一次交换n 浓缩时，温度控制在45左右较好，以防止跑料和炭化n 三废处理。 母液回收、浓缩、结晶甩滤，提高收率 废盐酸回收后可再用于第一次交换（三）粗维生素C的制备1、酸转化（1）工艺原理（2）工艺过程n 配料比：2-酮基-L-古龙酸：38%盐酸：丙酮 = 1:0.4:0.3n 先将丙酮和一半古龙酸加入转化罐，搅拌n 再加入盐酸和余下的古龙酸n 蒸汽加热，升温至30-38 ，n 关闭蒸汽，自然升温至52-54 ，保温5hn 达到反应高潮，保持温度50-52，至总反应时间20h，n 冷却过滤、冷乙醇洗涤，n 得维生素C粗品，收率88%（3）反应条件及影响因素n 盐酸浓度的影响 若盐酸浓度偏低，则转化不完全，收率低 若盐酸浓度偏高，则分解成许多杂质，使反应物颜色较深n 丙酮的影响 酸性条件下，产物容易分解为糠醛，进一步聚合成水和醇不溶的糠醛树脂。 加入丙酮可以溶解糠醛，降低其活性而阻止其聚合（4）工艺过程n 酯化 加入甲醇、浓硫酸和干燥的古龙酸 搅拌加热，升温至66-68， 反应4h左右即为酯化终点 冷却，加入碳酸氢钠 升温至66左右，回流10h后，即为转化终点 冷却至0，离心分离，得维生素C钠盐 母液回收n 酸化 将维C钠盐和一母干品、甲醇加入罐中，搅拌 硫酸调反应液pH为2.2-2.4 在40左右保温1.5h 冷却，离心分离，弃去硫酸钠 加少量活性炭，冷却压滤 真空减压浓缩，蒸出甲醇 浓缩液冷却结晶，离心分离2、改进后的转化工艺n 旧工艺的缺点 带入大量钠离子，影响维生素C的质量 转化后母液中产生大量硫酸钠，严重影响母液套用及成品质量 劳动生产强度大n 碱转化的新工艺 有机胺代替碳酸氢钠 工艺原理 工艺过程l 将2-酮基-L-古龙酸甲酯加入到甲醇中l 搅拌、升温、回流、溶解l 在惰性气体中滴加胺，回流、搅拌l 浓缩、蒸馏水溶解油状物l 有机溶媒提取、分离l 有机层用硫酸钠干燥后，回收套用l 水层经浓缩、结晶得维生素C晶体 优点l 提高产品质量和收率l 有机溶剂回收套用率高l 反应条件、温度要求不高l 大量使用液体投料，有利于自动化控制 缺点：反应在惰性气体（氮气、氩气）保护下进行n 酸转化新工艺 工艺过程l 将古龙酸钠盐加到乙醇和丙酮的混合溶液中l 室温下搅拌，通入氢气l 60反应，析出氯化钠晶体l 过滤，乙醇和丙酮的混合溶液洗涤l 合并滤液，加入惰性溶剂l 保温、搅拌、冷却、析晶l 得维生素C 优点l 析晶纯度高l 反应温度低l 工艺时间缩短l 去除了维生素C精制过程中的水溶解l 提高产品的质量和收率l 溶剂经分馏后可重新使用（3）两条转化路线的比较n 各占50%n 酸转化 优点l 设备简单l 操作方便l 中间过程少，利于收率提高 缺点：设备易被腐蚀n 碱转化 优点：产品质量较好 缺点l 设备多，操作过程长，l 不利于提高总收率l 转化过程中使用大量的甲醇，需注意劳动保护（四）、维生素C的精制（1）工艺原理n L-抗坏血酸易遭破坏 温度 金属离子 空气接触 pHn 易氧化n 易分解n 变质的标志：色泽变黄（2）工艺过程n 配料比：粗维生素C：蒸馏水：活性炭：晶种 = 1：1.1：0.58：0.00023n 步骤 粗维生素C真空干燥 加蒸馏水搅拌溶解 加活性炭，搅拌5-10min，压滤 滤液加入结晶罐，再加入50L左右的乙醇，搅拌 降温、加晶种，结晶 将晶体离心甩滤，冰乙醇洗涤 甩滤、干燥器中干燥，得精制VCn 整个过程耗时76-80hn 总收率42.7-47.1%（以山梨醇计）（3）注意事项n 结晶时，最高温度不得高于45，最低不得低于-4，不能再高温下加晶种n 回旋干燥要严格控制循环水温和时间，夏天循环水温高，可用小冷凝器降温n 压滤时遇停电，应立即关空压阀保压三、莱氏法和两步发酵法的工艺比较 （1）莱氏法工艺 n 葡萄糖、高压催化氢化、黑醋菌氧化、丙酮保护、次氯酸钠氧化、盐酸转化、维生素Cn 优点 生产工艺成熟、各项技术指标先进、生产技术水平较高、 总收率达65%、优级品率100%n 缺点 需要丙酮保护羟基、反应步骤增多，连续操作有困难 丙酮用量大，苯的毒性大 劳动保护强度大，并污染环境（2）两步发酵法n 葡萄糖高压催化氢化两步微生物氧化酸（碱）转化维生素Cn 优点 生物氧化具有特异性，省去了保护和脱保护两步 革除了大量有机溶剂 改善了劳动条件和环境保护问题 革除了动力搅拌，大大节约了能源