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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
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