第七章 维生素C的生产工艺.docx
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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:
⏹了解维生素C的用途、常见合成路线。
⏹掌握莱氏法生产维生素C的工艺原理、理解其生产过程。
⏹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:
⏹莱氏法生产维生素C的工艺原理;
⏹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
⏹优点
Ø工艺成熟、产品质量好
Ø生产周期短,总收率高(66%)
⏹缺点
Ø工序多,耗用原料多
Ø有易燃易爆有机溶剂
Ø对劳动保护和安全生产要求高
二、两步发酵法
⏹简化缩短的莱氏法
⏹优点
Ø缩短工序
Ø降低了原料成本
Ø节约了大量有机溶剂,减少了“三废”
Ø多数是液体物料,有利于机械化和自动化生产
⏹缺点
Ø总收率较低(45-48%)
Ø发酵单位体积产率低(60mg/100mL)
Ø设备体积大,能耗大
三、全化学合成方法
⏹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
⏹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
⏹GLC技术
⏹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
⏹D-山梨醇的制备
⏹L-山梨糖的制备
⏹2,3,4,6-双酮基-L-山梨糖(双丙酮糖)的制备
⏹2,3,4,6-双酮基-L-古龙酸(双丙酮古龙酸)的制备
⏹粗品维生素C的制备
⏹粗品维生素C的精制
1、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
⏹在70-75℃下加水溶解葡萄糖,50%溶液
⏹氢气纯度≥99.3%、压强<0.04MPa时,将糖液冲入釜内
⏹加入活性镍催化剂
⏹加碱液调pH8.2-8.4,通蒸汽,并搅拌
⏹温度升至120-135℃时关闭蒸汽
⏹控制温度在150-155℃,压强3.8-4.0MPa
⏹反应至不吸收氢气为反应终点
⏹0.2-0.3MPa压强下压料至沉淀缸、过滤、树脂交换处理
⏹收率95%
(3)反应条件及影响因素
⏹pH值
Ø葡萄糖水pH8.0-8.5
Ø偏高或偏低会使甘露醇(副产物)含量增加
⏹设备材质
Ø山梨醇能溶解多种金属
Ø避免使用铁、铝或铜制设备,而用不锈钢
⏹副产物影响
Ø甘露醇影响产物比旋度
Ø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
⏹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
⏹废镍催化剂可压制成块,冶炼回收
⏹再生废液中的镍经沉淀后可回收
⏹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
⏹选择性地使C2位的羟基氧化成羰基
⏹生物氧化
⏹黑醋菌
(2)工艺过程
⏹菌种部分
Ø斜面培养基中菌种活化传代24h后,产糖量达到100mg/mL。
Ø在30℃培养48h,镜检菌体正常、无杂菌
Ø放0-5℃冰箱保存备用。
⏹发酵部分
Ø投料。
D-山梨醇浓度为16%-20%
Ø培养基控制pH5.4-5.6,120℃灭菌0.5h
Ø在发酵罐中培养(温度30-32℃;压力0.03-0.05MPa)
Ø一级种子罐发酵率40%以上,二级种子罐发酵率50%以上
Ø发酵培养的山梨醇的投料浓度为25%
Ø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
Ø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
⏹山梨醇的纯度影响收率
⏹山梨醇浓度影响氧化速率
⏹金属离子会抑制细菌的脱氢活性
⏹生物催化剂能促进细菌生长,提高发酵率
⏹空气流量影响深层发酵。
一般为0.7-1VVM
⏹细菌接种量影响氧化速率
(4)注意事项
⏹尽量减少染菌途径
⏹其途径有
Ø种子或发酵罐带菌
Ø接种时罐压低于大气压
Ø培养基消毒不彻底
Ø操作中染菌
Ø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
⏹配料比:
L-山梨糖:
丙酮:
发烟硫酸:
氢氧化钠=1:
9:
0.4:
0.6
⏹步骤
Ø5℃下压入丙酮、发烟硫酸,加入山梨糖
Ø15-20℃下溶糖6h
Ø降温至-8℃,保持6-7h得酮化液。
Ø<25℃,加入18%-22%的氢氧化钠溶液,中和至pH8.0-8.5
Ø下层硫酸钠用丙酮洗涤,回收单丙酮糖
Ø上层清液常压蒸馏至100℃,减压蒸馏至90℃为终点
Ø苯提取蒸馏后剩余溶液,减压蒸馏得双丙酮糖
Ø收率88%
(3)反应条件及影响因素
⏹缩酮化反应有多种副产物
温度高、水分多、时间过长、硫酸过多则副反应增多,双酮糖收率降低
⏹酮化反应温度
Ø低于20℃
Ø高于20℃将有利于单酮糖的生产,收率降低
(4)注意事项
⏹双酮糖在酸性中不稳定,碱性中较温定。
因此中和时,必须保持碱性和低温条件
⏹加料的先后顺序,先加入丙酮古龙酸与盐酸,易于结块,造成搅拌困难
4、2,3,4,6-双酮基-L-古龙酸(双丙酮古龙酸)的制备
(1)工艺原理
(2)工艺过程
⏹次氯酸钠的制造——新鲜配制
Ø14.5%-15.5%的氢氧化钠溶液通入液氯,
Ø以有效氯浓度9.5-9.7%,余碱浓度2.8-3.2%为终点
⏹双丙酮酸的氧化
Ø配料比:
双丙酮糖:
次氯酸钠:
硫酸镍=1:
10:
0.04
Ø投料,40℃保温搅拌30min
Ø静止片刻,抽滤
Ø滤液冷至0-5℃,用盐酸中和(pH7、3、1.5)
Ø过滤、水洗、过滤。
得结晶,收率86%。
5、粗品维生素C的制备
(1)工艺原理
(2)工艺过程
⏹配料比:
双丙酮古龙酸(折纯):
精制盐酸(38%):
乙醇=1.0:
0.27:
0.31
⏹步骤
Ø加部分双丙酮古龙酸,搅拌加盐酸,再加余下的古龙酸
Ø蒸汽加温,升至37℃左右关蒸汽,
Ø自然升温至52-54℃,保温5-7h。
Ø50-52℃保温20h,然后通水降温1h
Ø加适量乙醇,冷却至-2℃
Ø放料,甩滤0.5h
Ø乙醇洗涤,甩滤3-3.5h
Ø干燥得粗品维生素C,收率88%
(3)注意事项
⏹加料的先后次序
Ø先加双丙酮古龙酸与盐酸,易结块,搅拌困难
Ø先加丙酮,使之与双丙酮古龙酸形成悬浮液,易搅拌
⏹盐酸浓度不能过低(>38%),否则催化效果降低,收率降低
⏹析出温度的影响
⏹析出期为转化反应的剧烈期
⏹析出期温差太小,为1℃,说明反应不剧烈,放热小,不完全
⏹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
⏹最佳温差2.5℃,析出温度不能高于59℃
⏹如遇突然停电,应选关蒸汽,后关搅拌
⏹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
⏹配料比:
粗维生素C(折纯):
蒸馏水:
活性炭:
乙醇=1:
1.1:
0.06:
0.6
⏹步骤
Ø粗品(85%)真空干燥(50-55℃,20-30min)
Ø除去挥发性杂质(盐酸、丙酮)
Ø投入热水(68-70℃)中溶解
Ø加入活性炭搅拌5-10min
Ø保温压滤
Ø结晶罐中降温至45-50℃
Ø加入晶种,缓慢冷却至-2℃,结晶
Ø晶体离心甩滤,冰乙醇洗涤
Ø甩滤,低温干燥(43-45℃,1.5h)
Ø得精制维生素C(m.p.190-192℃)收率91%
Ø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
⏹菌种部分
Ø菌种活化、分离、混合培养
Ø移入三角瓶种液培养基,29-33℃振荡培养24h,
Ø产酸量在6-9mg/mL,pH降至7以下,镜检正常无杂菌
⏹发酵部分
Ø一级种子罐加料
Ø控温29-30℃,压强0.05MPa,pH6.7-7.0
Ø二级种子罐培养,
Ø发酵终点:
温度31-33℃,pH7.2,残糖量<0.8mg/mL
Ø两步发酵收率78.5%
⏹提取部分
Ø一次交换
盐酸酸化,调菌体蛋白等电点,沉降4h以上
上清液以2-3m3/h的流速压入阳离子交换柱
当流出液pH为3.5时,收集交换液,控制pH
交换完,纯水冲柱
Ø加热过滤
合并流出液和洗液
调pH至蛋白等电点
加热至70℃,加0.3%活性炭
升温至90-95℃,保温10-15min,使蛋白凝结
停止搅拌,快速冷却,高速离心
Ø二次交换
上清液打入二次交换柱
洗脱,至流出液pH=1.5时,收集交换液
控制pH1.5-1.7之间。
交换完毕,洗柱
Ø减压浓缩
二次交换液进行一级浓缩
控制真空度、内温,至浓缩液的相对密度达1.2
出料
同样条件二次浓缩,至尽量干
加少量乙醇,冷却结晶
甩滤,冰乙醇洗涤
得2-酮基-L-古龙酸(m.p.158-162℃)
收率80%
3、反应条件及影响因素
⏹山梨糖的影响
Ø山梨糖初浓度过高,将抑制菌体生长,使发酵收率降低
Ø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
Ø较适宜为80mg/mL
Ø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。
⏹溶解氧浓度的影响
Ø溶解氧浓度影响好氧菌的活性
Ø产酸前期应处于高溶氧浓度
Ø产酸中期,溶氧浓度为3.5-6.0mg/mL
Ø产酸后期,耗氧量减少。
⏹pH的影响
ØpH过低(<6.4)不利于发酵
Ø控制pH6.7-7.9
4、注意事项及“三废”处理
⏹调好等电点是凝聚菌体蛋白的重要因素
⏹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-
⏹浓缩时,温度控制在45℃左右较好,以防止跑料和炭化
⏹三废处理。
Ø母液回收、浓缩、结晶甩滤,提高收率
Ø废盐酸回收后可再用于第一次交换
⏹浓缩时,温度控制在45℃左右较好,以防止跑料和炭化
⏹三废处理。
Ø母液回收、浓缩、结晶甩滤,提高收率
Ø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
⏹配料比:
2-酮基-L-古龙酸:
38%盐酸:
丙酮=1:
0.4:
0.3
⏹先将丙酮和一半古龙酸加入转化罐,搅拌
⏹再加入盐酸和余下的古龙酸
⏹蒸汽加热,升温至30-38℃,
⏹关闭蒸汽,自然升温至52-54℃,保温5h
⏹达到反应高潮,保持温度50-52℃,至总反应时间20h,
⏹冷却过滤、冷乙醇洗涤,
⏹得维生素C粗品,收率88%
(3)反应条件及影响因素
⏹盐酸浓度的影响
Ø若盐酸浓度偏低,则转化不完全,收率低
Ø若盐酸浓度偏高,则分解成许多杂质,使反应物颜色较深
⏹丙酮的影响
Ø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。
Ø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
⏹酯化
Ø加入甲醇、浓硫酸和干燥的古龙酸
Ø搅拌加热,升温至66-68℃,
Ø反应4h左右即为酯化终点
Ø冷却,加入碳酸氢钠
Ø升温至66℃左右,回流10h后,即为转化终点
Ø冷却至0℃,离心分离,得维生素C钠盐
Ø母液回收
⏹酸化
Ø将维C钠盐和一母干品、甲醇加入罐中,搅拌
Ø硫酸调反应液pH为2.2-2.4
Ø在40℃左右保温1.5h
Ø冷却,离心分离,弃去硫酸钠
Ø加少量活性炭,冷却压滤
Ø真空减压浓缩,蒸出甲醇
Ø浓缩液冷却结晶,离心分离
2、改进后的转化工艺
⏹旧工艺的缺点
Ø带入大量钠离子,影响维生素C的质量
Ø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
Ø劳动生产强度大
⏹碱转化的新工艺
Ø有机胺代替碳酸氢钠
Ø工艺原理
Ø工艺过程
将2-酮基-L-古龙酸甲酯加入到甲醇中
搅拌、升温、回流、溶解
在惰性气体中滴加胺,回流、搅拌
浓缩、蒸馏水溶解油状物
有机溶媒提取、分离
有机层用硫酸钠干燥后,回收套用
水层经浓缩、结晶得维生素C晶体
Ø优点
提高产品质量和收率
有机溶剂回收套用率高
反应条件、温度要求不高
大量使用液体投料,有利于自动化控制
Ø缺点:
反应在惰性气体(氮气、氩气)保护下进行
⏹酸转化新工艺
Ø工艺过程
将古龙酸钠盐加到乙醇和丙酮的混合溶液中
室温下搅拌,通入氢气
60℃反应,析出氯化钠晶体
过滤,乙醇和丙酮的混合溶液洗涤
合并滤液,加入惰性溶剂
保温、搅拌、冷却、析晶
得维生素C
Ø优点
析晶纯度高
反应温度低
工艺时间缩短
去除了维生素C精制过程中的水溶解
提高产品的质量和收率
溶剂经分馏后可重新使用
(3)两条转化路线的比较
⏹各占50%
⏹酸转化
Ø优点
设备简单
操作方便
中间过程少,利于收率提高
Ø缺点:
设备易被腐蚀
⏹碱转化
Ø优点:
产品质量较好
Ø缺点
设备多,操作过程长,
不利于提高总收率
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
⏹L-抗坏血酸易遭破坏
Ø温度
Ø金属离子
Ø空气接触
ØpH
⏹易氧化
⏹易分解
⏹变质的标志:
色泽变黄
(2)工艺过程
⏹配料比:
粗维生素C:
蒸馏水:
活性炭:
晶种=1:
1.1:
0.58:
0.00023
⏹步骤
Ø粗维生素C真空干燥
Ø加蒸馏水搅拌溶解
Ø加活性炭,搅拌5-10min,压滤
Ø滤液加入结晶罐,再加入50L左右的乙醇,搅拌
Ø降温、加晶种,结晶
Ø将晶体离心甩滤,冰乙醇洗涤
Ø甩滤、干燥器中干燥,得精制VC
⏹整个过程耗时76-80h
⏹总收率42.7-47.1%(以山梨醇计)
(3)注意事项
⏹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
⏹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
⏹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
⏹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C
⏹优点
Ø生产工艺成熟、各项技术指标先进、生产技术水平较高、
Ø总收率达65%、优级品率100%
⏹缺点
Ø需要丙酮保护羟基、反应步骤增多,连续操作有困难
Ø丙酮用量大,苯的毒性大
Ø劳动保护强度大,并污染环境
(2)两步发酵法
⏹葡萄糖高压催化氢化两步微生物氧化酸(碱)转化维生素C
⏹优点
Ø生物氧化具有特异性,省去了保护和脱保护两步
Ø革除了大量有机溶剂
Ø改善了劳动条件和环境保护问题
Ø革除了动力搅拌,大大节约了能源
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- 第七章 维生素C的生产工艺 第七 维生素 生产工艺