維生素發(fā)酵生產(chǎn)

1、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(jī)化合物，是維持人體正常生理生維生素是一類性質(zhì)各異的低分子有機(jī)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)?；δ懿豢扇鄙俚臓I養(yǎng)物質(zhì)。一、維生素的分類一、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。維生素可分為脂溶性維生素和水溶性維生素兩大類。脂溶性維生素脂溶性維生素名稱名稱學(xué)名及俗名學(xué)名及俗名生物作用生物作用維生素維生素A族族視黃醇視黃醇抗干眼病抗干眼病維生素維生素D2麥角鈣化醇麥角鈣化醇抗軟骨病抗軟骨病維生素維生素D3膽鈣化醇膽鈣化醇抗軟骨病抗軟骨病維生素維生素E族族生育酚生育酚抗不育抗不育維生素維生素F族族亞油酸，亞麻酸，

2、花生四烯酸亞油酸，亞麻酸，花生四烯酸降膽固醇及防血栓降膽固醇及防血栓維生素維生素K族族葉綠醌，合歡醌，葉綠醌，合歡醌，甲基萘醌甲基萘醌抗出血抗出血水溶性維生素水溶性維生素名稱名稱學(xué)名及俗名學(xué)名及俗名生物作用生物作用維生素維生素B1硫胺素硫胺素抗神經(jīng)類抗神經(jīng)類維生素維生素B2核黃素核黃素抗口角潰瘍，唇炎抗口角潰瘍，唇炎維生素維生素B3族族（維生素（維生素PP）煙酸，煙酰胺煙酸，煙酰胺抗糙皮病抗糙皮病維生素維生素B5泛酸泛酸抗癩皮病抗癩皮病維生素維生素B6族族吡哆醇，吡哆醛，吡哆胺吡哆醇，吡哆醛，吡哆胺抗皮炎抗皮炎維生素維生素B9族族葉酸，黃嘌呤，赤嘌呤，蝶酸等葉酸，黃嘌呤，赤嘌呤，蝶酸等抗惡性貧

3、血抗惡性貧血維生素維生素B12鈷胺素，氰鈷氨素，羥鈷胺素等鈷胺素，氰鈷氨素，羥鈷胺素等抗惡性貧血抗惡性貧血維生素維生素B13乳清酸乳清酸抗早衰抗早衰維生素維生素BTL L肉堿肉堿營養(yǎng)強(qiáng)化劑營養(yǎng)強(qiáng)化劑維生素維生素C抗壞血酸抗壞血酸抗壞血病抗壞血病維生素維生素H（維生素（維生素B8）生物素生物素抗毛發(fā)脫落及脂肪抗毛發(fā)脫落及脂肪代謝混亂代謝混亂二、維生素的生產(chǎn)方法二、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。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。l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。提取法是從富含維生素的天然食物或藥用植物中濃縮、

4、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、維生素原、維生素E等。等。l化學(xué)合成法是目前生產(chǎn)維生素得主要方法?；瘜W(xué)合成法是目前生產(chǎn)維生素得主要方法。l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?？?。快。脂溶性維生素工業(yè)生產(chǎn)狀況脂溶性維生素工業(yè)生產(chǎn)狀況維生素類別維生素類別化學(xué)合成法化學(xué)合成法提取法提取法生物合成法生物合成法世界產(chǎn)量世界產(chǎn)量/（噸（噸/年）年）細(xì)菌細(xì)菌真菌真菌藻類藻類維生素維生素A2500維生素維生素D2維生素維生素D325維生素維生素E6800維生素維生

5、素F1000維生素維生素K22水溶性維生素工業(yè)生產(chǎn)狀況水溶性維生素工業(yè)生產(chǎn)狀況維生素類別維生素類別化學(xué)合成法化學(xué)合成法提取法提取法生物合成法生物合成法世界產(chǎn)量世界產(chǎn)量/（噸（噸/年）年）細(xì)菌細(xì)菌真菌真菌藻類藻類維生素維生素B12000維生素維生素B22000維生素維生素B3（）（）8500維生素維生素B5維生素維生素B61600維生素維生素B8（）（）3維生素維生素B9300維生素維生素B1210維生素維生素B13100維生素維生素C70000三、維生素三、維生素C生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝1. 維生素維生素C的合成方法的合成方法維生素維生素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。的合成

6、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）萊氏化學(xué)合成法1933年德國年德國Reichstein等人首先用化學(xué)合成法制取維生素等人首先用化學(xué)合成法制取維生素C獲得成功。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)。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。產(chǎn)品。a. D-山梨醇經(jīng)黑醋菌（山梨醇經(jīng)黑醋菌（Gluconobacter melagenus）發(fā)酵得）發(fā)酵得L-山梨糖；山梨糖；b. L-山梨糖和丙酮反應(yīng)制得二丙酮山

7、梨糖和丙酮反應(yīng)制得二丙酮-L-山梨醇；山梨醇；c. 二丙酮二丙酮-L-山梨醇氧化得二丙酮山梨醇氧化得二丙酮-2-酮酮-L-古龍酸鈉，古龍酸鈉，再經(jīng)酸化得二丙酮再經(jīng)酸化得二丙酮-2-酮酮-L-古龍酸；古龍酸；d. 二丙酮二丙酮-2-酮酮-L-古龍酸經(jīng)轉(zhuǎn)化得維生素古龍酸經(jīng)轉(zhuǎn)化得維生素C。（1）萊氏化學(xué)合成法）萊氏化學(xué)合成法a. D-山梨醇經(jīng)黑醋菌（山梨醇經(jīng)黑醋菌（Gluconobacter melagenus）發(fā)酵得）發(fā)酵得L-山梨糖；山梨糖；b. L-山梨糖和丙酮反應(yīng)制得二丙酮山梨糖和丙酮反應(yīng)制得二丙酮-L-山梨醇；山梨醇；c. 二丙酮二丙酮-L-山梨醇氧化得二丙酮山梨醇氧化得二丙酮-2-酮酮-

8、L-古龍酸鈉，古龍酸鈉，再經(jīng)酸化得二丙酮再經(jīng)酸化得二丙酮-2-酮酮-L-古龍酸；古龍酸；d. 二丙酮二丙酮-2-酮酮-L-古龍酸經(jīng)轉(zhuǎn)化得維生素古龍酸經(jīng)轉(zhuǎn)化得維生素C。（1）萊氏化學(xué)合成法）萊氏化學(xué)合成法a. D-山梨醇經(jīng)黑醋菌（山梨醇經(jīng)黑醋菌（Gluconobacter melagenus）發(fā)酵得）發(fā)酵得L-山梨糖；山梨糖；b. L-山梨糖和丙酮反應(yīng)制得二丙酮山梨糖和丙酮反應(yīng)制得二丙酮-L-山梨醇；山梨醇；c. 二丙酮二丙酮-L-山梨醇氧化得二丙酮山梨醇氧化得二丙酮-2-酮酮-L-古龍酸鈉，古龍酸鈉，再經(jīng)酸化得二丙酮再經(jīng)酸化得二丙酮-2-酮酮-L-古龍酸；古龍酸；d. 二丙酮二丙酮-2-酮酮-

9、L-古龍酸經(jīng)轉(zhuǎn)化得維生素古龍酸經(jīng)轉(zhuǎn)化得維生素C。（1）萊氏化學(xué)合成法）萊氏化學(xué)合成法a. D-山梨醇經(jīng)黑醋菌（山梨醇經(jīng)黑醋菌（Gluconobacter melagenus）發(fā)酵得）發(fā)酵得L-山梨糖；山梨糖；b. L-山梨糖和丙酮反應(yīng)制得二丙酮山梨糖和丙酮反應(yīng)制得二丙酮-L-山梨醇；山梨醇；c. 二丙酮二丙酮-L-山梨醇氧化得二丙酮山梨醇氧化得二丙酮-2-酮酮-L-古龍酸鈉，古龍酸鈉，再經(jīng)酸化得二丙酮再經(jīng)酸化得二丙酮-2-酮酮-L-古龍酸；古龍酸；d. 二丙酮二丙酮-2-酮酮-L-古龍酸經(jīng)轉(zhuǎn)化得維生素古龍酸經(jīng)轉(zhuǎn)化得維生素C。（1）萊氏化學(xué)合成法）萊氏化學(xué)合成法改進(jìn)萊氏法（堿轉(zhuǎn)化）改進(jìn)萊氏法（堿

10、轉(zhuǎn)化）（2）微生物發(fā)酵合成法）微生物發(fā)酵合成法D-山梨醇途徑山梨醇途徑L-山梨糖途徑山梨糖途徑L-艾杜糖酸途徑艾杜糖酸途徑2-酮酮-D-葡萄糖酸途徑葡萄糖酸途徑2,5-二酮二酮-D-葡萄糖酸途徑葡萄糖酸途徑2-酮酮-L-古龍酸途徑古龍酸途徑從葡萄糖出發(fā)，采用微生物發(fā)酵合成維生素從葡萄糖出發(fā)，采用微生物發(fā)酵合成維生素C，有，有以下六種合成途徑：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六條不同的微生物發(fā)酵合成途徑最終都是以2-酮基酮基-L-古龍酸古龍酸（簡稱（簡稱2KGA）為最終產(chǎn)物，再經(jīng)化學(xué)轉(zhuǎn)化合成維生素）為最終

11、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(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。在這六條合成途徑中，只有第二條途徑已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。此即為我國自行開發(fā)的此即為我國自行開發(fā)的二步發(fā)酵法。二步發(fā)酵法。2. 二步發(fā)酵法生產(chǎn)工藝二步發(fā)酵法生產(chǎn)工藝優(yōu)點(diǎn)：制備工藝簡單，生產(chǎn)周期短和優(yōu)點(diǎn)：制備工藝簡單，生產(chǎn)周期短和“三廢三廢”污染少等。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。羅氏制藥公司。我國醫(yī)藥工業(yè)史上首次出口技術(shù)。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。二步發(fā)酵法生產(chǎn)工藝有酸轉(zhuǎn)化工

12、藝和堿轉(zhuǎn)化工藝兩種。u酸轉(zhuǎn)化設(shè)備簡單、流程短，但制得的維生素酸轉(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。差，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，三廢多，因此逐漸淘汰。u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。分工廠均采用堿轉(zhuǎn)化工藝。（一）二步發(fā)酵法反應(yīng)步驟（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（二）二步發(fā)酵法生產(chǎn)維生素C的工藝流程的工藝流程二步發(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。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

13、四部分。（1） 發(fā)酵發(fā)酵黑醋菌種液黑醋菌種液一步一級種子一步一級種子一步二級種子一步二級種子一步發(fā)酵一步發(fā)酵混合菌種液混合菌種液二步一級種子二步一級種子二步二級種子二步二級種子二步發(fā)酵二步發(fā)酵L-山梨糖山梨糖滅菌滅菌古龍酸鈉發(fā)酵液古龍酸鈉發(fā)酵液至提取至提取（2） 提取提取發(fā)酵液預(yù)處理發(fā)酵液預(yù)處理上清液上清液一次離子交換一次離子交換加熱凝聚（去蛋白）加熱凝聚（去蛋白）濾渣濾渣離心過濾離心過濾母液回收母液回收古龍酸古龍酸去轉(zhuǎn)化去轉(zhuǎn)化濾液濾液二次離子交換二次離子交換濃縮濃縮結(jié)晶結(jié)晶干燥干燥洗滌洗滌（3） 轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化無水甲醇，濃硫酸無水甲醇，濃硫酸古龍酸古龍酸甲酯化甲酯化內(nèi)酯化內(nèi)酯化離心分離離心分離50

14、硫酸，活性炭硫酸，活性炭維維C鈉鈉離心分離離心分離濃縮濃縮結(jié)晶結(jié)晶母液回收母液回收離心分離離心分離酸化脫色酸化脫色含水甲醇含水甲醇去回收塔去回收塔粗維粗維C去精制去精制回收甲醇回收甲醇硫酸鈉及廢炭硫酸鈉及廢炭（4） 精制精制粗維粗維C溶解脫色溶解脫色過濾過濾結(jié)晶結(jié)晶活性炭活性炭離心過濾離心過濾真空干燥真空干燥過篩及包裝過篩及包裝維維C成品成品熱的去離子水熱的去離子水廢炭廢炭母液回收母液回收（三）二步發(fā)酵菌種及發(fā)酵工藝（三）二步發(fā)酵菌種及發(fā)酵工藝（1）第一步發(fā)酵）第一步發(fā)酵A. 菌種菌種一步發(fā)酵中所用菌種為生黑葡萄糖酸桿菌（一步發(fā)酵中所用菌種為生黑葡萄糖酸桿菌（Gluconobacter mel

15、agenus），簡稱黑醋菌。），簡稱黑醋菌。最常用的生產(chǎn)菌株為最常用的生產(chǎn)菌株為R-30，其主要特征是：細(xì)胞橢圓至短桿狀，其主要特征是：細(xì)胞橢圓至短桿狀，G+，無芽孢，大小為（，無芽孢，大小為（0.50.8）m（1.02.2）m。端。端生草根鞭毛運(yùn)動，菌落邊緣整齊，微顯淺褐色。生長最適溫度生草根鞭毛運(yùn)動，菌落邊緣整齊，微顯淺褐色。生長最適溫度為為34，氧化，氧化D-D-山梨醇的發(fā)酵收率可達(dá)山梨醇的發(fā)酵收率可達(dá)9898以上。以上。（1）第一步發(fā)酵）第一步發(fā)酵B. 培養(yǎng)基培養(yǎng)基種子培養(yǎng)基種子培養(yǎng)基山梨醇山梨醇 20酵母膏酵母膏 0.7碳酸鈣碳酸鈣 0.15無機(jī)鹽溶液無機(jī)鹽溶液 0.4無機(jī)鹽溶液的組

16、成：無機(jī)鹽溶液的組成：MgSO4 7H2O 1.25 g/100mL，(NH4)H2PO4 7.5 g/100mL，KH2PO4 5 g/100mL，K2SO4 1.25 g/100mL。發(fā)酵培養(yǎng)基發(fā)酵培養(yǎng)基酵母膏酵母膏 0.035碳酸鈣碳酸鈣 0.1玉米漿玉米漿 0.1復(fù)合維生素復(fù)合維生素B 0.001山梨醇濃度視需要而定山梨醇濃度視需要而定（1）第一步發(fā)酵）第一步發(fā)酵C. 發(fā)酵過程特征發(fā)酵過程特征在發(fā)酵過程中，控制發(fā)酵溫度在發(fā)酵過程中，控制發(fā)酵溫度34，初始，初始pH5.1pH5.15.35.3。該氧化反應(yīng)的耗氧該氧化反應(yīng)的耗氧量較大，所以量較大，所以通氣比要求通氣比要求1:1 VVM1:

17、1 VVM以上以上。即使在通氣量較大，且攪拌轉(zhuǎn)速較。即使在通氣量較大，且攪拌轉(zhuǎn)速較高的條件下，發(fā)酵至高的條件下，發(fā)酵至4h4h后溶解氧濃度急劇下降，甚至接近于零。直到后溶解氧濃度急劇下降，甚至接近于零。直到10h10h左左右才逐漸回升。當(dāng)溶解氧濃度回復(fù)至最高點(diǎn)，呈水平直線時，表示該反應(yīng)已右才逐漸回升。當(dāng)溶解氧濃度回復(fù)至最高點(diǎn)，呈水平直線時，表示該反應(yīng)已達(dá)終點(diǎn)。達(dá)終點(diǎn)。該發(fā)酵過程受山梨醇底物濃度的影響，當(dāng)其濃度超過該發(fā)酵過程受山梨醇底物濃度的影響，當(dāng)其濃度超過250 g/L250 g/L時，底物對產(chǎn)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，物形成有抑制作用。故要獲得高濃度山梨糖時，必

18、須采用流加發(fā)酵方式必須采用流加發(fā)酵方式。為。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)梨糖濃度是至關(guān)重要的。目前山梨糖濃度可達(dá)450 g/L450 g/L。（2）第二步發(fā)酵）第二步發(fā)酵A. 菌種菌種小菌為氧化葡萄糖酸桿菌（小菌為氧化葡萄糖酸桿菌（Gluconobacter oxydans），），大菌可采用大菌可采用巨大芽孢桿菌（巨大芽孢桿菌（Bacillus megateriam），稱），稱2980菌，菌，或蠟狀芽孢桿菌（或蠟狀芽孢桿菌（Bacillus cere

19、us），稱），稱152菌，菌，或浸麻芽孢桿菌（或浸麻芽孢桿菌（Bacillus macerans），稱），稱169菌。菌。也可采用其他一些桿菌與小菌混合培養(yǎng)。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工業(yè)生產(chǎn)過程中使用最多的為2980及及152混合菌?；旌暇?。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。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，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。，無芽孢。30培養(yǎng)培養(yǎng)2d2d后大小為（后大小為（0.50.50.70.7）m （0.60.61.21.2）m ，單個或成，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。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)酵第二步發(fā)酵B. 培養(yǎng)基培養(yǎng)基種子培養(yǎng)基種子培養(yǎng)基酵母膏酵母膏 0.3牛肉膠牛肉膠 0.3玉米漿玉米漿 0.3蛋白胨蛋白胨 1.0尿素尿素 0.1山梨糖山梨糖 2.0另加某些無機(jī)鹽另加某些無機(jī)鹽發(fā)酵培養(yǎng)基發(fā)酵培養(yǎng)基玉米漿玉米漿 0.5尿素尿素 0.1無機(jī)鹽無機(jī)鹽山梨糖山梨糖（3） 第二步發(fā)酵第二步發(fā)酵C. 發(fā)酵過程特征發(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，第二