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