維生素發(fā)酵生產(chǎn)

維生素發(fā)酵生產(chǎn)維生素是一類性質(zhì)各異的低分子有機化合物，是維持人體正常生理生化功能不可缺少的營養(yǎng)物質(zhì)。一、維生素的分類維生素可分為脂溶性維生素和水溶性維生素兩大類。脂溶性維生素名稱學(xué)名及俗名生物作用維生素A族視黃醇抗干眼病維生素D2麥角鈣化醇抗軟骨病維生素D3膽鈣化醇抗軟骨病維生素E族生育酚抗不育維生素F族亞油酸，亞麻酸，花生四烯酸降膽固醇及防血栓維生素K族葉綠醌，合歡醌，α－甲基萘醌抗出血水溶性維生素名稱學(xué)名及俗名生物作用維生素B1硫胺素抗神經(jīng)類維生素B2核黃素抗口角潰瘍，唇炎維生素B3族（維生素PP）煙酸，煙酰胺抗糙皮病維生素B5泛酸抗癩皮病維生素B6族吡哆醇，吡哆醛，吡哆胺抗皮炎維生素B9族葉酸，黃嘌呤，赤嘌呤，蝶酸等抗惡性貧血維生素B12鈷胺素，氰鈷氨素，羥鈷胺素等抗惡性貧血維生素B13乳清酸抗早衰維生素BTL－肉堿營養(yǎng)強化劑維生素C抗壞血酸抗壞血病維生素H（維生素B8）生物素抗毛發(fā)脫落及脂肪代謝混亂二、維生素的生產(chǎn)方法生產(chǎn)維生素的方法有三種：提取法，化學(xué)合成法，生物合成法。提取法是從富含維生素的天然食物或藥用植物中濃縮、提取而得。目前只有極少數(shù)得維生素采用提取法。如維生素A原、維生素E等。化學(xué)合成法是目前生產(chǎn)維生素得主要方法。微生物發(fā)酵法和微藻類的生物轉(zhuǎn)化法（統(tǒng)稱生物合成法）發(fā)展非常快。脂溶性維生素工業(yè)生產(chǎn)狀況維生素類別化學(xué)合成法提取法生物合成法世界產(chǎn)量/（噸/年）細(xì)菌真菌藻類維生素A＋2500維生素D2＋維生素D3＋＋25維生素E＋＋6800維生素F＋＋1000維生素K2＋2水溶性維生素工業(yè)生產(chǎn)狀況維生素類別化學(xué)合成法提取法生物合成法世界產(chǎn)量/（噸/年）細(xì)菌真菌藻類維生素B1＋2000維生素B2＋＋＋2000維生素B3＋（＋）8500維生素B5＋維生素B6＋1600維生素B8＋（＋）3維生素B9＋300維生素B12＋10維生素B13＋100維生素C＋＋70000三、維生素C生產(chǎn)工藝1.維生素C的合成方法維生素C的合成方法主要有萊氏化學(xué)合成法和微生物發(fā)酵合成法兩種。（1）萊氏化學(xué)合成法1933年德國Reichstein等人首先用化學(xué)合成法制取維生素C獲得成功。至今許多國家仍采用此方法或采用改進(jìn)的萊氏法進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。該方法以D－山梨醇作原料，需經(jīng)四大步反應(yīng)，才能得到維生素C產(chǎn)品。D-山梨醇經(jīng)黑醋菌（Gluconobactermelagenus）發(fā)酵得L-山梨糖；L-山梨糖和丙酮反應(yīng)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-古龍酸鈉，再經(jīng)酸化得二丙酮-2-酮-L-古龍酸；二丙酮-2-酮-L-古龍酸經(jīng)轉(zhuǎn)化得維生素C。（1）萊氏化學(xué)合成法D-山梨醇經(jīng)黑醋菌（Gluconobactermelagenus）發(fā)酵得L-山梨糖；L-山梨糖和丙酮反應(yīng)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-古龍酸鈉，再經(jīng)酸化得二丙酮-2-酮-L-古龍酸；二丙酮-2-酮-L-古龍酸經(jīng)轉(zhuǎn)化得維生素C。（1）萊氏化學(xué)合成法D-山梨醇經(jīng)黑醋菌（Gluconobactermelagenus）發(fā)酵得L-山梨糖；L-山梨糖和丙酮反應(yīng)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-古龍酸鈉，再經(jīng)酸化得二丙酮-2-酮-L-古龍酸；二丙酮-2-酮-L-古龍酸經(jīng)轉(zhuǎn)化得維生素C。（1）萊氏化學(xué)合成法D-山梨醇經(jīng)黑醋菌（Gluconobactermelagenus）發(fā)酵得L-山梨糖；L-山梨糖和丙酮反應(yīng)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-古龍酸鈉，再經(jīng)酸化得二丙酮-2-酮-L-古龍酸；二丙酮-2-酮-L-古龍酸經(jīng)轉(zhuǎn)化得維生素C。（1）萊氏化學(xué)合成法改進(jìn)萊氏法（堿轉(zhuǎn)化）（2）微生物發(fā)酵合成法D-山梨醇途徑L-山梨糖途徑L-艾杜糖酸途徑2-酮-D-葡萄糖酸途徑2,5-二酮-D-葡萄糖酸途徑2-酮-L-古龍酸途徑從葡萄糖出發(fā)，采用微生物發(fā)酵合成維生素C，有以下六種合成途徑：六種合成途徑之間既有聯(lián)系又有區(qū)別。六條不同的微生物發(fā)酵合成途徑最終都是以2-酮基-L-古龍酸（簡稱2KGA）為最終產(chǎn)物，再經(jīng)化學(xué)轉(zhuǎn)化合成維生素C。在這六條合成途徑中，只有第二條途徑已實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。——此即為我國自行開發(fā)的二步發(fā)酵法。2.二步發(fā)酵法生產(chǎn)工藝優(yōu)點：制備工藝簡單，生產(chǎn)周期短和“三廢”污染少等。1985年轉(zhuǎn)讓給世界上生產(chǎn)維生素最大企業(yè)－瑞士霍夫曼?羅氏制藥公司。——我國醫(yī)藥工業(yè)史上首次出口技術(shù)。二步發(fā)酵法生產(chǎn)工藝有酸轉(zhuǎn)化工藝和堿轉(zhuǎn)化工藝兩種。酸轉(zhuǎn)化設(shè)備簡單、流程短，但制得的維生素C破壞嚴(yán)重、質(zhì)量差，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，三廢多，因此逐漸淘汰。堿轉(zhuǎn)化雖然流程較長、投資大，但產(chǎn)品質(zhì)量好，故目前絕大部分工廠均采用堿轉(zhuǎn)化工藝。（一）二步發(fā)酵法反應(yīng)步驟（二）二步發(fā)酵法生產(chǎn)維生素C的工藝流程二步發(fā)酵法的整個工藝流程可分為發(fā)酵、提取、轉(zhuǎn)化和精制四部分。（1）發(fā)酵黑醋菌種液一步一級種子一步二級種子一步發(fā)酵混合菌種液二步一級種子二步二級種子二步發(fā)酵L-山梨糖滅菌古龍酸鈉發(fā)酵液至提取（2）提取發(fā)酵液預(yù)處理上清液一次離子交換加熱凝聚（去蛋白）濾渣離心過濾母液回收古龍酸去轉(zhuǎn)化濾液二次離子交換濃縮結(jié)晶干燥洗滌（3）轉(zhuǎn)化無水甲醇，濃硫酸古龍酸甲酯化內(nèi)酯化離心分離50％硫酸，活性炭維C鈉離心分離濃縮結(jié)晶母液回收離心分離酸化脫色含水甲醇去回收塔粗維C去精制回收甲醇硫酸鈉及廢炭（4）精制粗維C溶解脫色過濾結(jié)晶活性炭離心過濾真空干燥過篩及包裝維C成品熱的去離子水廢炭母液回收（三）二步發(fā)酵菌種及發(fā)酵工藝（1）第一步發(fā)酵A.菌種一步發(fā)酵中所用菌種為生黑葡萄糖酸桿菌（Gluconobactermelagenus），簡稱黑醋菌。最常用的生產(chǎn)菌株為R-30，其主要特征是：細(xì)胞橢圓至短桿狀，G+，無芽孢，大小為（0.5～0.8）μm×（1.0～2.2）μm。端生草根鞭毛運動，菌落邊緣整齊，微顯淺褐色。生長最適溫度為34℃，氧化D-山梨醇的發(fā)酵收率可達(dá)98％以上。（1）第一步發(fā)酵B.培養(yǎng)基種子培養(yǎng)基山梨醇20％酵母膏0.7％碳酸鈣0.15％無機鹽溶液0.4％無機鹽溶液的組成：MgSO4?7H2O1.25g/100mL，(NH4)H2PO47.5g/100mL，KH2PO45g/100mL，K2SO41.25g/100mL。發(fā)酵培養(yǎng)基酵母膏0.035％碳酸鈣0.1％玉米漿0.1％復(fù)合維生素B0.001％山梨醇濃度視需要而定（1）第一步發(fā)酵C.發(fā)酵過程特征在發(fā)酵過程中，控制發(fā)酵溫度34℃，初始pH5.1～5.3。該氧化反應(yīng)的耗氧量較大，所以通氣比要求1:1VVM以上。即使在通氣量較大，且攪拌轉(zhuǎn)速較高的條件下，發(fā)酵至4h后溶解氧濃度急劇下降，甚至接近于零。直到10h左右才逐漸回升。當(dāng)溶解氧濃度回復(fù)至最高點，呈水平直線時，表示該反應(yīng)已達(dá)終點。該發(fā)酵過程受山梨醇底物濃度的影響，當(dāng)其濃度超過250g/L時，底物對產(chǎn)物形成有抑制作用。故要獲得高濃度山梨糖時，必須采用流加發(fā)酵方式。為了配合第二步的高濃度山梨糖流加發(fā)酵工藝，盡可能提供一步發(fā)酵的最終山梨糖濃度是至關(guān)重要的。目前山梨糖濃度可達(dá)450g/L。（2）第二步發(fā)酵A.菌種小菌為氧化葡萄糖酸桿菌（Gluconobacteroxydans），大菌可采用巨大芽孢桿菌（Bacillusmegateriam），稱2980菌，或蠟狀芽孢桿菌（Bacilluscereus），稱152菌，或浸麻芽孢桿菌（Bacillusmacerans），稱169菌。也可采用其他一些桿菌與小菌混合培養(yǎng)。工業(yè)生產(chǎn)過程中使用最多的為2980及152混合菌。第二步發(fā)酵采用的菌種為由大、小兩株細(xì)菌組成的混合菌種。氧化葡萄糖酸桿菌的主要特征為：細(xì)胞橢圓至短桿狀，G-，無芽孢。30℃培養(yǎng)2d后大小為（0.5～0.7）μm×（0.6～1.2）μm，單個或成對排列。在葡萄糖培養(yǎng)基上生長極微弱，甘露醇培養(yǎng)基上生長良好。（2）第二步發(fā)酵B.培養(yǎng)基種子培養(yǎng)基酵母膏0.3％牛肉膠0.3％玉米漿0.3％蛋白胨1.0％尿素0.1％山梨糖2.0％另加某些無機鹽發(fā)酵培養(yǎng)基玉米漿0.5％尿素0.1％無機鹽山梨糖（3）第二步發(fā)酵C.發(fā)酵過程特征第二步發(fā)酵為混合菌種發(fā)酵。由于大、小菌兩者的最適培養(yǎng)條件是不同的，所以其操作適宜條件是兼顧大、小菌兩者的條件。通常操作溫度為30℃；初