《维生素C生产工艺》PPT课件

2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 1 维 生 素 概 述维 生 素 C生 产 工 艺 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 2 概 述 u 基 本 概 念 维 生 素 是 生 物 体 内 一 类 量 微 、 化 学 结 构 各 异 ， 具 有 特 殊 功 能 的 小 分 子 有 机化 合 物 ， 它 们 大 多 需 从 外 界 摄 取 。 维 生 素 有 以 下 特 点 ： （ 1） 维 生 素 是 天 然 食 物 中 的 一 种 成 分 ， 是 一 种 活 性 物 质 ， 对 机 体 代 谢 起 调 节 和整 合 作 用 。 （ 2） 维 生 素 需 求 量 很 小 。 （ 3） 大 多 数 维 生 素 在 体 内 不 能 合 成 ， 要 从 外 界 摄 取 。 （ 4） 绝 大 多 数 维 生 素 是 通 过 辅 酶 或 辅 基 的 的 形 式 参 与 体 内 酶 促 反 应 体 系 。 （ 5） 人 体 内 维 生 素 缺 乏 时 ， 会 发 生 一 类 特 殊 的 疾 病 ， 称 “ 维 生 素 缺 乏 症 ” 。 维生 素 并 不 是 补 品 ， 人 体 每 日 需 要 量 是 一 定 的 ， 多 摄 入 并 不 一 定 好 ， 使 用 不 当 ，反 而 会 导 致 疾 病 。 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 3 维 生 素 分 为 脂 溶 性 和 水 溶 性 两 大 类 。 脂 溶 性 ： 维 生 素 A， D， E， K， Q和 硫 辛 酸 等 。 水 溶 性 ： 维 生 素 B1、 B2、 B6、 B12、 烟 酸 、 泛 酸 、 叶 酸 、 生 物 素 和 维 生 素 C等 。 概 述 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 4 u 维 生 素 与 辅 酶 、 辅 基 的 关 系 长 期 以 来 ， 人 们 就 认 识 到 食 物 中 缺 乏 某 种 维 生 素 ， 会导 致 某 种 疾 病 ， 维 生 素 在 机 体 的 代 谢 中 起 着 十 分 重 要 的 作用 ， 后 来 陆 续 发 现 大 部 分 维 生 素 或 者 其 本 身 就 是 辅 酶 、 辅基 ， 或 者 是 辅 酶 、 辅 基 的 组 成 部 分 。 例 如 维 生 素 B1（ 硫 胺素 ） ， 它 在 体 内 的 辅 酶 形 式 是 硫 胺 素 焦 磷 酸 （ TPP） ， 是 酮 酸 氧 化 脱 羧 酶 的 辅 酶 ， 又 如 泛 酸 ， 其 辅 酶 形 式 是COA， 是 转 乙 酰 基 酶 的 辅 酶 。 概 述 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 5 u 生 产 方 法 （ 1） 化 学 合 成 法 烟 酸 、 烟 酰 胺 、 叶 酸 、 维 生 素 B1、 B6、 D、 E、 K等 。（ 2） 发 酵 法 B12、 B2， 维 生 素 C和 生 物 素 ， 维 生 素 原 等 。（ 3） 生 物 提 取 法 从 猪 心 中 提 取 辅 酶 Q10， 从 槐 花 米 中 提 取 芦 丁 ， 从 提 取 链霉 素 后 的 废 液 中 提 取 B12等 。 概 述 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 6 维 生 素 C生 产 工 艺u 维 生 素 C 又 名 抗 坏 血 酸 （ Ascorbic acid） 是 细 胞 氧 化 -还 原反 应 中 的 催 化 剂 ， 它 释 放 两 个 氢 原 子 后 变 成 氧 化 型 维 生素 C， 有 供 氢 体 存 在 时 ， 脱 氢 抗 坏 血 酸 可 以 接 受 两 个 氢原 子 变 成 抗 坏 血 酸 ， 参 与 机 体 新 陈 代 谢 ， 增 加 机 体 对 感染 的 抵 抗 力 。 用 于 防 止 坏 血 酸 和 抵 抗 传 染 性 疾 病 ， 促 进创 伤 和 骨 折 愈 合 ， 以 及 用 作 辅 助 药 物 治 疗 。 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 7 维 生 素 C生 产 工 艺 1、 化 学 结 构 和 性 质 维 生 素 C(多 羟 基 不 饱 和 内 酯 衍 生 物 )分 子 中 有 两个 手 性 碳 原 子 ， 故 有 4种 光 学 异 构 体 ， 其 中 L（ +） 抗坏 血 酸 效 果 最 好 ， 其 他 三 种 临 床 效 果 很 低 或 无 效 。 O CC CC CH2C OHHO HHO H O OH O CC CC CH2C OHHO HH OH O OH OCC CC CH2C OHHO HHOHO OH OCC CC CH2C OHHO HHO OHOHL-抗坏血酸 D-抗坏血酸 L-异 抗坏血酸 D-异抗坏血酸 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 8 1、 化 学 结 构 和 性 质 白 色 粉 末 ， 无 臭 、 味 酸 、 熔 点 190-192 ， 易 溶 于水 ， 略 溶 于 乙 醇 ， 不 溶 于 乙 醚 ， 氯 仿 及 石 油 醚 等 。它 是 一 种 还 原 剂 ， 易 受 光 、 热 、 氧 等 破 坏 ， 尤 其 在碱 液 中 或 有 微 量 金 属 离 子 存 在 时 ， 分 解 更 快 ， 但 干燥 结 晶 较 稳 定 。 维 生 素 C生 产 工 艺 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 9 维 生 素 C生 产 工 艺2、 莱 氏 法化 学 合 成 工 艺 (CH3)2CO CH2OHC CC CCHO HOHO HHO H HH OH CH2OHC CC CCH2OH H HOH3CH3C CH3 CH3 O H2 CH2OHCCC CCH2OH HOHO HHO H HH OH O2 COOHC CC CCH2OH HOH HO H OH OH H2SO4 KMnO4NaOH O2 OC CC CC H2C HOOH HHO H O OH CH2OHC CC CCH2OH HOH HO H OH OH COOHC CC CCH2OH H HOH3CH3C CH3 CH3 O 内酯化烯醇化 D-葡萄糖 D-山梨醇 L-山梨醇 双丙酮-L-山梨糖 双丙酮-L-古龙酸 2-酮基-L-古龙酸 维生素-C H2O 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 10 （ 1） 工 艺 路 线 转 化 酸 化 HCl 氧 化 NaOH, O2, KMnO4 酮 化 H2SO4丙 酮加 氢 H2D-葡 萄 糖 D-山 梨 醇双 丙 酮 -L-山 梨糖 维 生 素 CL-山 梨 糖酶 菌 氧 化 O2 双 丙 酮 -L-古 龙 酸2-酮 -L-古 龙 酸维 生 素 C生 产 工 艺 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 11 （ 2） 工 艺 过 程 山 梨 醇 发 酵 菌 种 醋 酸 菌 属 可 使 山 梨 醇 氧 化 成 山 梨 糖 ， 一 般 用A. Suboxyclans和 A. Melangenum。 发 酵 条 件 温 度 为 26-30 ， 最 适 pH 为 4.4-6.8。 pH 4.0以 下 菌 的活 性 受 影 响 。 用 0.5%酵 母 浸 膏 为 主 要 营 养 源 ， 山 梨 醇 浓 度 为 19.8%， 通 气 量1800ml/min， 30 培 养 33h， 山 梨 糖 收 率 可 达 97.6%。 氮 源 ： 无 机 氮 源 不 能 利 用 ， 使 用 有 机 氮 源 。 金 属 离 子 的 影 响 ： Ni 2+、 Cu2+能 阻 止 菌 的 发 育 ， 铁 能 妨 碍 发 酵 ，为 了 使 发 酵 顺 利 进 行 ， 需 用 阳 离 子 交 换 树 脂 将 山 梨 醇 中 的 金 属 离 子 去掉 。 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 12 整 个 合 成 过 程 中 必 须 保 持 第 4位 碳 原 子 的 构 型 不 变 ；维 生 素 C的 总 收 率 约 60%。 C-4内 酯 化 、 C-2烯 醇 化 ： 酸 转 化 ： 配 料 比 2-酮 基 -L-古 龙 酸 ： 38%盐 酸 ： 丙酮 =1： 0.4： 0.3 （ 质 量 /体 积 ） 碱 转 化 ： 先 形 成 2-酮 基 -L-古 龙 酸 甲 酯 ， 加 NaH CO3 转 化 生 成 维 生 素 C钠 盐 ， 经 氢 型 离 子 交 换 树 脂 酸 化 ，在 50-55 下 减 压 烘 干 ， 得 粗 品 维 生 素 C。 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 13 3、 两 步 发 酵 工 艺 CH2OHC CC CCHO HOHO HHO H HH OH H2 CH2OHC CC CCH 2OH HOHO HHO H HH OH O2 CH2OHC CC CCH 2OH HOH HO H OH OH COOHC CC CCH 2OH HOH HO H OH OH OC CC CC H2C HOOH HHO H O OH 内酯化烯醇化 D-葡萄糖 D-山梨醇 L-山梨醇 2-酮基-L-古龙酸 维生素-C 氢化 Acetobacter Pseudomonas 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 14 3、 两 步 发 酵 工 艺 2-酮 -L-古 龙 酸内 酯 化 ， 烯 醇 化 生 物 转 化 假 单 孢 菌D-山 梨 醇 维 生 素 C（ L-抗 坏 血 酸 ）L-山 梨 糖氧 化 醋 酸 杆 菌 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 15 3、 两 步 发 酵 工 艺（ 1） D-山 梨 醇 的 化 学 合 成 50%葡 萄 糖 溶 液 在 75 下 加 入 活 性 炭 ， 用 石 灰 乳 液 调 节pH 8.4， 加 镍 催 化 剂 ， 通 氢 气 ， 压 力 3.43MPa ， 反 应 温 度140 。 反 应 结 束 后 ， 静 置 沉 降 出 去 催 化 剂 ， 反 应 液 经 离 子 交换 树 脂 、 活 性 炭 处 理 后 ， 减 压 浓 缩 ， 得 到 含 量 60-70%的 D-山梨 醇 ， 无 色 透 明 或 微 黄 色 透 明 粘 稠 液 体 ， 收 率 约 97%。 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 16 3、 两 步 发 酵 工 艺（ 2） 2-酮 -L-古 龙 酸 的 微 生 物 发 酵 第 一 步 发 酵 ： 黑 醋 酸 杆 菌 （ 从 D-山 梨 醇 到 L-山 梨 糖 ） 第 二 步 发 酵 ： 葡 萄 糖 酸 杆 菌 和 巨 大 芽 孢 杆 菌 混 合 培 养发 酵 罐 ： 气 升 式 反 应 器 ， 100立 方 米 。（ 3） 2-酮 -L-古 龙 酸 的 分 离 纯 化 发 酵 液 中 ： 2-酮 -L-古 龙 酸 8%， 杂 质 有 菌 丝 体 、 蛋 白 质和 悬 浮 的 固 体 颗 粒 等 。 除 杂 操 作 ： 加 热 、 离 心 。 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 17 莱 氏 法 是 最 早 生 产 维 生 素 C的 方 法 ,其 以 葡 萄 糖 为 原 料 ,先经 黑 醋 菌 发 酵 生 成 L-山 梨 糖 ,再 经 丙 酮 化 及 NaClO 氧 化 、 水解 得 到 2-酮 -L古 龙 酸 钠 ,然 后 进 行 化 学 合 成 得 到 维 生 素 C。 此 法 存 在 着 很 多 缺 陷 ,如 生 产 工 艺 复 杂 、 劳 动 强 度 大 、生 产 环 境 恶 劣 、 易 对 人 体 造 成 伤 害 ,因 此 人 们 不 断 对 此 工 艺进 行 改 进 。 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 18 两 步 发 酵 工 艺发 酵 ： 此 法 省 略 了 酮 化 和 NaClO 氧 化 过 程 ,简 化 了 工 艺 ， 极 大 地 改 善 了 操 作 环 境 。 除 主 耗 山 梨 醇 消耗 较 高 外 ， 其 他 辅 料 消 耗 较 低 。 且 多 为 液 体 反 应 ， 物 料 输 送 方 便 ， 更 有 利 于 生 产 连 续 化 和 操 作 自动 化 。 但 此 法 仍 存 在 很 多 缺 点 ， 如 占 地 面 积 大 、 发 酵 基 质 浓 度 低 、 在 高 湿 高 温 条 件 下 染 菌 机 率 高 、设 备 利 用 率 低 、 后 续 处 理 能 耗 高 等 问 题 。 在 未 来 的 工 艺 优 化 过 程 中 ， 除 了 进 行 发 酵 工 艺 改 进 外 ,更应 注 重 优 良 菌 种 的 选 育 。 发 酵 液 的 提 取 工 艺 是 维 生 素 C 生 产 行 业 中 较 为 重 视 的 问 题 。 经 过 两 次 发酵 后 ,发 酵 液 的 含 量 仅 为 6 % 9 % ， 且 残 留 有 菌 丝 体 、 蛋 白 质 和 悬 浮 微 粒 等 ， 分 离 提 纯 较 为 困 难 。传 统 的 处 理 方 法 有 加 热 沉 淀 法 和 化 学 凝 聚 法 。 针 对 以 上 两 种 方 法 中 存 在 的 缺 点 和 不 足 ， 一 种 新 的处 理 方 法 超 滤 法 在 维 生 素 生 产 中 得 以 应 用 。 此 法 具 有 操 作 方 便 、 节 能 、 不 造 成 新 的 环 境 污染 等 优 点 。 此 法 与 加 热 沉 淀 法 相 比 ， 可 在 常 温 下 操 作 ， 减 少 了 有 效 成 分 的 损 失 ;且 为 后 步 树 脂 交 换提 供 了 有 利 的 条 件 ,减 少 了 树 脂 的 污 染 ， 从 而 有 利 于 提 高 树 脂 的 使 用 率 。 与 化 学 凝 聚 法 相 比 ,在 处 理染 菌 的 发 酵 液 时 仍 可 达 到 较 好 的 处 理 效 果 。 随 着 新 型 膜 材 料 技 术 的 开 发 ,如 陶 瓷 膜 、 不 锈 钢 膜 等 的 应 用 ,超 滤 法 的 应 用 效 果 会 有 进 一 步 的 提 高 。 同 时 ,国 内 外 正 在 探 索 反 渗 透 、 纳 滤 等 后 序 处 理 新 工 艺的 应 ,用 完 善 工 艺 联 结 。 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 19 两 步 发 酵 工 艺 转 化 工 艺 (1) 酸 转 化 法 。 传 统 的 酸 转 化 法 是 采 用 浓 H Cl 将 古 龙 酸 直 接 转 化 为 Vc ， 但 酸 转 化对 设 备 的 腐 蚀 严 重 ,污 染 环 境 ， 影 响 产 品 质 量 ,现 已 逐 渐 被 碱 转 化 法 所 取 代 。 (2) 碱 转 化 法 。 碱 转 化 法是 先 将 古 龙 酸 与 甲 醇 在 浓 硫 酸 催 化 作 用 下 生 成 古 龙 酸 甲 酯 ,再 使 用 NaH CO3 进 行 碱 转 化 ， 使 古 龙 酸甲 酯 转 化 为 Vc-Na。 采 用 此 法 可 避 免 酸 转 化 的 缺 点 ,且 操 作 简 单 ,适 用 于 Vc 的 规 模 化 生 产 ,但 是 碱 转 化存 在 着 反 应 周 期 较 长 ,甲 醇 单 耗 高 。 目 前 有 些 单 位 及 生 产 厂 家 研 究 采 用 CH 3ONa 代 替 NaH CO3 进 行碱 转 化 ,此 法 转 化 率 高 ,可 达 9216 % ,但 质 量 较 差 ,且 甲 醇 钠 价 格 贵 ,造 成 成 本 较 高 。 酸 化 酸 化 是 将 维 生 素 C-Na 转 变 为 维 生 素 C 的 过 程 。 目 前 采 用 的 普 遍 方 法 是 硫 酸 酸 化 法 和 树脂 交 换 法 。 采 用 硫 酸 酸 化 操 作 简 单 ,但 要 控 制 好 甲 醇 的 浓 度 和 pH 值 ,才 能 使 硫 酸 钠 与 维 生 素 C 分 离出 来 ,从 而 提 高 Vc 的 质 量 。 采 用 氢 型 离 子 树 脂 交 换 设 备 庞 大 ,操 作 复 杂 ,且 需 经 常 再 生 树 脂 ,增 加 了 酸耗 ,酸 液 大 量 排 放 污 染 环 境 。 目 前 有 些 单 位 及 个 人 正 在 探 索 使 用 电 渗 析 法 代 替 传 统 的 酸 化 方 法 ,此 法过 程 简 单 ,能 耗 低 ,投 资 少 ,转 化 率 高 ,可 望 应 用 到 实 际 生 产 中 。 综 上 所 述 ， 我 们 在 以 后 的 维 生 素 C 工 艺 发 展 过 程 中 ， 要 以 两 步 发 酵 法 为 基 础 ,不 断 优 化 工 艺 ，同 时 借 鉴 国 外 的 新 技 术 、 新 信 息 ,避 免 低 水 平 重 复 ,提 高 Vc 的 产 量 和 质 量 ,同 时 注 重 Vc 系 列 产 品 的 开发 和 应 用 ,创 造 出 更 大 的 经 济 效 益 。 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 20 思 考 题1、 简 述 维 生 素 的 特 点 及 区 分 脂 溶 性 维 生素 和 水 溶 性 维 生 素 。2、 简 述 维 生 素 C的 生 产 工 艺 。 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 21 总 复 习 思 考 题1、 生 物 制 药 工 艺 学 研 究 的 内 容 或 对 象 。2、 生 物 药 物 的 分 类 方 法 及 分 类 。3、 简 述 生 物 制 药 的 一 般 过 程 。4、 对 比 生 化 药 物 的 各 种 沉 析 (浓 缩 )方 法 的 异 同 。5、 详 细 阐 述 超 滤 、 离 子 交 换 法 、 凝 胶 层 析 和 亲 合 层 析 的 异 同 （ 包 括 基 本 原 理 、 所 用 的 介 质 、 分 离 的 对 象 以 及 主 要应 用 等 ） 。 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 22 总 复 习 思 考 题6、 叙 述 酸 解 法 生 产 胱 氨 酸 的 生 产 工 艺 （ 包 括 工 艺 路 线 和 过程 ） 以 及 对 工 艺 过 程 的 评 价 。7、 叙 述 发 酵 法 生 产 L-异 亮 氨 酸 的 生 产 工 艺 （ 包 括 工 艺 路 线和 过 程 ） 以 及 对 工 艺 过 程 的 评 价 。8、 多 肽 及 蛋 白 质 类 药 物 的 分 类 。 9、 简 述 CMC精 制 法 制 备 促 皮 质 腺 素 的 生 产 工 艺 。10、 阐 述 胰 岛 素 的 酸 沉 提 取 和 锌 盐 直 接 沉 淀 法 的 工 艺 过 程 以及 工 艺 工 程 的 评 价 。 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 23 总 复 习 思 考 题11、 了 解 核 酸 及 核 苷 酸 的 结 构 。12、 阐 述 以 兔 肌 肉 为 原 料 制 备 三 磷 酸 腺 苷 的 工 艺 路 线 。 13、 简 述 酶 类 药 物 的 分 类 。14、 阐 述 溶 菌 酶 的 生 产 工 艺 及 对 工 艺 过 程 的 评 价 。15、 了 解 糖 类 药 物 的 分 类16、 阐 述 盐 解 （ 或 酶 解 ） 离 子 交 换 法 制 备 肝 素 的 工 艺 路 线 。17、 简 述 甘 露 醇 的 生 产 工 艺 。 2021-5-29 生 物 制 药 工 艺 学 维 生 素 及 辅 酶 类 药 物 24 总 复 习 思 考 题18、 了 解 脂 类 药 物 的 特 性 。19、 简 述 胆 固 醇 的 生 产 工 艺 。20、 了 解 水 溶 性 和 脂 溶 性 的 维 生 素 。21、 简 述 维 生 素 C的 生 产 工 艺 。