维生素发酵生产.ppt
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维生素发酵生产,维生素是一类性质各异的低分子有机化合物,是维持人体正常生理生化功能不可缺少的营养物质。
一、维生素的分类,维生素可分为脂溶性维生素和水溶性维生素两大类。
二、维生素的生产方法,生产维生素的方法有三种:
提取法,化学合成法,生物合成法。
提取法是从富含维生素的天然食物或药用植物中浓缩、提取而得。
目前只有极少数得维生素采用提取法。
如维生素A原、维生素E等。
化学合成法是目前生产维生素得主要方法。
微生物发酵法和微藻类的生物转化法(统称生物合成法)发展非常快。
三、维生素C生产工艺,1.维生素C的合成方法,维生素C的合成方法主要有莱氏化学合成法和微生物发酵合成法两种。
(1)莱氏化学合成法,1933年德国Reichstein等人首先用化学合成法制取维生素C获得成功。
至今许多国家仍采用此方法或采用改进的莱氏法进行工业生产。
该方法以D山梨醇作原料,需经四大步反应,才能得到维生素C产品。
D-山梨醇经黑醋菌(Gluconobactermelagenus)发酵得L-山梨糖;L-山梨糖和丙酮反应制得二丙酮-L-山梨醇;二丙酮-L-山梨醇氧化得二丙酮-2-酮-L-古龙酸钠,再经酸化得二丙酮-2-酮-L-古龙酸;二丙酮-2-酮-L-古龙酸经转化得维生素C。
(1)莱氏化学合成法,D-山梨醇经黑醋菌(Gluconobactermelagenus)发酵得L-山梨糖;L-山梨糖和丙酮反应制得二丙酮-L-山梨醇;二丙酮-L-山梨醇氧化得二丙酮-2-酮-L-古龙酸钠,再经酸化得二丙酮-2-酮-L-古龙酸;二丙酮-2-酮-L-古龙酸经转化得维生素C。
(1)莱氏化学合成法,D-山梨醇经黑醋菌(Gluconobactermelagenus)发酵得L-山梨糖;L-山梨糖和丙酮反应制得二丙酮-L-山梨醇;二丙酮-L-山梨醇氧化得二丙酮-2-酮-L-古龙酸钠,再经酸化得二丙酮-2-酮-L-古龙酸;二丙酮-2-酮-L-古龙酸经转化得维生素C。
(1)莱氏化学合成法,D-山梨醇经黑醋菌(Gluconobactermelagenus)发酵得L-山梨糖;L-山梨糖和丙酮反应制得二丙酮-L-山梨醇;二丙酮-L-山梨醇氧化得二丙酮-2-酮-L-古龙酸钠,再经酸化得二丙酮-2-酮-L-古龙酸;二丙酮-2-酮-L-古龙酸经转化得维生素C。
(1)莱氏化学合成法,改进莱氏法(碱转化),
(2)微生物发酵合成法,D-山梨醇途径L-山梨糖途径L-艾杜糖酸途径2-酮-D-葡萄糖酸途径2,5-二酮-D-葡萄糖酸途径2-酮-L-古龙酸途径,从葡萄糖出发,采用微生物发酵合成维生素C,有以下六种合成途径:
六种合成途径之间既有联系又有区别。
六条不同的微生物发酵合成途径最终都是以2-酮基-L-古龙酸(简称2KGA)为最终产物,再经化学转化合成维生素C。
在这六条合成途径中,只有第二条途径已实现了工业化生产。
此即为我国自行开发的二步发酵法。
2.二步发酵法生产工艺,优点:
制备工艺简单,生产周期短和“三废”污染少等。
1985年转让给世界上生产维生素最大企业瑞士霍夫曼罗氏制药公司。
我国医药工业史上首次出口技术。
二步发酵法生产工艺有酸转化工艺和碱转化工艺两种。
酸转化设备简单、流程短,但制得的维生素C破坏严重、质量差,设备腐蚀严重,三废多,因此逐渐淘汰。
碱转化虽然流程较长、投资大,但产品质量好,故目前绝大部分工厂均采用碱转化工艺。
(一)二步发酵法反应步骤,
(二)二步发酵法生产维生素C的工艺流程,二步发酵法的整个工艺流程可分为发酵、提取、转化和精制四部分。
(1)发酵,
(2)提取,(3)转化,(4)精制,(三)二步发酵菌种及发酵工艺,
(1)第一步发酵A.菌种,一步发酵中所用菌种为生黑葡萄糖酸杆菌(Gluconobactermelagenus),简称黑醋菌。
最常用的生产菌株为R-30,其主要特征是:
细胞椭圆至短杆状,G+,无芽孢,大小为(0.50.8)m(1.02.2)m。
端生草根鞭毛运动,菌落边缘整齐,微显浅褐色。
生长最适温度为34,氧化D-山梨醇的发酵收率可达98以上。
(1)第一步发酵B.培养基,无机盐溶液的组成:
MgSO47H2O1.25g/100mL,(NH4)H2PO47.5g/100mL,KH2PO45g/100mL,K2SO41.25g/100mL。
(1)第一步发酵C.发酵过程特征,在发酵过程中,控制发酵温度34,初始pH5.15.3。
该氧化反应的耗氧量较大,所以通气比要求1:
1VVM以上。
即使在通气量较大,且搅拌转速较高的条件下,发酵至4h后溶解氧浓度急剧下降,甚至接近于零。
直到10h左右才逐渐回升。
当溶解氧浓度回复至最高点,呈水平直线时,表示该反应已达终点。
该发酵过程受山梨醇底物浓度的影响,当其浓度超过250g/L时,底物对产物形成有抑制作用。
故要获得高浓度山梨糖时,必须采用流加发酵方式。
为了配合第二步的高浓度山梨糖流加发酵工艺,尽可能提供一步发酵的最终山梨糖浓度是至关重要的。
目前山梨糖浓度可达450g/L。
(2)第二步发酵A.菌种,小菌为氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacteroxydans),大菌可采用,巨大芽孢杆菌(Bacillusmegateriam),称2980菌,或蜡状芽孢杆菌(Bacilluscereus),称152菌,或浸麻芽孢杆菌(Bacillusmacerans),称169菌。
也可采用其他一些杆菌与小菌混合培养。
工业生产过程中使用最多的为2980及152混合菌。
第二步发酵采用的菌种为由大、小两株细菌组成的混合菌种。
氧化葡萄糖酸杆菌的主要特征为:
细胞椭圆至短杆状,G-,无芽孢。
30培养2d后大小为(0.50.7)m(0.61.2)m,单个或成对排列。
在葡萄糖培养基上生长极微弱,甘露醇培养基上生长良好。
(2)第二步发酵B.培养基,(3)第二步发酵C.发酵过程特征,第二步发酵为混合菌种发酵。
由于大、小菌两者的最适培养条件是不同的,所以其操作适宜条件是兼顾大、小菌两者的条件。
通常操作温度为30;初始pH控制在6.8左右。
该反应虽属氧化反应,但对氧的消耗并不很大。
气升式发酵罐非常适合该发酵过程。
溶氧浓度控制在20即可。
山梨糖的初始浓度对产物的生成影响较大。
间歇发酵时初始山梨糖浓度超过80g/L,会对产物生成产生抑制。
所以要取得高浓度2KGA,需采用高浓度山梨糖流加发酵方式。
若采用建立在数学模型基础上的流加控制策略,可获得高浓度的2KGA,二步收率可达83。
四、生物合成法生产维生素的前景,对自然界中微生物及藻类进行广泛和深入的筛选和分离,以获得优良的生产菌株。
对现有生产菌株用突变等方法进行改造,以提高其生产能力。
利用基因重组技术,获得高产基因工程菌株。
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