制藥工藝學(xué)第十八章-維生素的生產(chǎn)工藝.ppt

第四篇藥物制備工藝學(xué),第十八章維生素發(fā)酵生產(chǎn)工藝,定義：維生素是一類生物生長發(fā)育起調(diào)節(jié)作用的、化學(xué)結(jié)構(gòu)不同的、小分子有機(jī)化合物，人體內(nèi)不能合成，必須從食物等中攝取。,18.1概述,維生素有以下特點(diǎn)：（1）維生素是天然食物中的一種成分，是一種活性物質(zhì)，對機(jī)體代謝起調(diào)節(jié)和整合作用。（2）維生素需求量很小。（3）大多數(shù)維生素在體內(nèi)不能合成，要從外界攝取。（4）絕大多數(shù)維生素是通過輔酶或輔基的的形式參與體內(nèi)酶促反應(yīng)體系。（5）人體內(nèi)維生素缺乏時，會發(fā)生一類特殊的疾病，稱“維生素缺乏癥”。維生素并不是補(bǔ)品，人體每日需要量是一定的，多攝入并不一定好，使用不當(dāng)，反而會導(dǎo)致疾病。,概述,維生素分為脂溶性和水溶性兩大類。脂溶性：維生素A，D，E，K，Q和硫辛酸等。水溶性：維生素B1、B2、B6、B12、煙酸、泛酸、葉酸、生物素和維生素C等。,概述,維生素的分類,5,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，甲基萘醌,抗出血,維生素可分為脂溶性維生素和水溶性維生素兩大類。,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BT,L肉堿,營養(yǎng)強(qiáng)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,維生素與輔酶、輔基的關(guān)系長期以來，人們就認(rèn)識到食物中缺乏某種維生素，會導(dǎo)致某種疾病，維生素在機(jī)體的代謝中起著十分重要的作用，后來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)大部分維生素或者其本身就是輔酶、輔基，或者是輔酶、輔基的組成部分。例如維生素B1（硫胺素），它在體內(nèi)的輔酶形式是硫胺素焦磷酸（TPP），是酮酸氧化脫羧酶的輔酶，又如泛酸，其輔酶形式是COA，是轉(zhuǎn)乙?；傅妮o酶。,概述,生產(chǎn)方法（1）化學(xué)合成法煙酸、煙酰胺、葉酸、維生素B1、B6、D、E、K等。（2）發(fā)酵法B12、B2，維生素C和生物素，維生素原等。（3）生物提取法從豬心中提取輔酶Q10，從槐花米中提取蘆丁，從提取鏈霉素后的廢液中提取B12等。,概述,生產(chǎn)工藝,主要維生素的生產(chǎn)有三種方法。1.微生物發(fā)酵和微藻類的生物轉(zhuǎn)化法（統(tǒng)稱生物合成法）發(fā)展非常快。2.化學(xué)合成法是目前生產(chǎn)維生素得主要方法。3.天然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。,脂溶性維生素工業(yè)生產(chǎn)狀況,水溶性維生素工業(yè)生產(chǎn)狀況,現(xiàn)狀2001年維生素H投產(chǎn)成功，我國成為世界上極少數(shù)能夠生產(chǎn)全部維生素品種的國家。2002年我國維生素原料產(chǎn)量達(dá)8.2萬噸，其中維生素C超過5萬噸，成為世界上最大的原料藥生產(chǎn)國和出口國。維生素制劑年產(chǎn)量260280億支/片/瓶，以片劑、注射液和膠囊為主。,中國科學(xué)院上海生物技術(shù)研究所發(fā)明了維生素C的兩步發(fā)酵法，使國內(nèi)維生素C的生產(chǎn)技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平。湖北廣濟(jì)藥業(yè)公司對維生素B2實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，使其實(shí)現(xiàn)了維生素B2工業(yè)化的規(guī)模生產(chǎn)。浙江新和成股份有限公司在國內(nèi)首先實(shí)現(xiàn)了維生素E中間體三甲基氫醌和異植物醇的工業(yè)化生產(chǎn)，打破了國外維生素巨頭的技術(shù)壟斷。中科院攻克的維生素D3生產(chǎn)新工藝，使國內(nèi)維生素D3的成本低于國外同類產(chǎn)品10%15%。維生素中生產(chǎn)難度最大的產(chǎn)品維生素H在浙江醫(yī)藥股份有限公司及新和成公司研制成功，填補(bǔ)了維生素產(chǎn)品國產(chǎn)化的一個空白。,2005年6月，浙江鑫富收購了湖州獅王，一躍成為全球D-泛酸鈣的龍頭?，F(xiàn)在，占據(jù)了國際50%的市場和國內(nèi)90%市場的鑫富藥業(yè)在有效消化國際市場上部分存量后，自去年下半年開始對產(chǎn)品進(jìn)行試探性提價，目前已累計上漲超過80，充分證明了公司在國際上的定價能力。廣濟(jì)藥業(yè)核黃素（維生素B2）國內(nèi)外市場占有率也達(dá)到了85%和35%。目前年產(chǎn)能超過2500噸，2007年計劃將核黃素產(chǎn)能擴(kuò)大到3000噸。Vc自91起中國就逐漸成為全球的生產(chǎn)基地，僅東北制藥一家就占全球20%的市場份額，而目前的上漲主要是由于中國各主要VC生產(chǎn)廠限制產(chǎn)量所至，這也充分說明了中國在國際市場中的定價能力。,18.2維生素C的生產(chǎn)工藝,18.2.1概述維生素C又稱抗壞血酸(ascorbicacid)，能參與人體內(nèi)多種代謝過程，使組織產(chǎn)生膠原質(zhì)，影響毛細(xì)血管的滲透性及血漿的凝固，刺激人體造血功能，增強(qiáng)機(jī)體的免疫力。另外，由于它具有較強(qiáng)的還原能力，可作為抗氧化劑，已在醫(yī)藥、食品工業(yè)等方面獲得廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)狀維生素C（vitaminC）是目前世界上產(chǎn)銷量最大，應(yīng)用范圍最廣的維生素產(chǎn)品。目前全世界維生素C的產(chǎn)量約為10萬噸/年，全球市場銷售額5億美元。,18.2.2維生素的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)維生素C(多羥基不飽和內(nèi)酯衍生物)分子中有兩個手性碳原子，故有4種光學(xué)異構(gòu)體，其中L（+）抗壞血酸效果最好，其他三種臨床效果很低或無效。,18.2.3維生素的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)白色粉末，無臭、味酸、熔點(diǎn)190-192，易溶于水，略溶于乙醇，不溶于乙醚，氯仿及石油醚等。它是一種還原劑，易受光、熱、氧等破壞，尤其在堿液中或有微量金屬離子存在時，分解更快，但干燥結(jié)晶較穩(wěn)定。,18.2.3生產(chǎn)工藝,萊氏化學(xué)合成法二步發(fā)酵法,18.2.3.1工藝路線發(fā)展,萊氏法化學(xué)合成（1933年萊氏(Reichstein)）萊氏法是維生素C生產(chǎn)的經(jīng)典方法，是由Reichstein和Grussner研究開發(fā)的。以D-葡萄糖作為起始原料，經(jīng)催化加氫制成D-山梨醇，再經(jīng)醋桿菌深層發(fā)酵氧化制得收率很高的L-山梨糖，L-山梨糖經(jīng)丙酮和硫酸處理（生產(chǎn)上俗稱丙酸化）生成雙丙酮-L-山梨糖（簡稱雙酮糖），再用苯或甲苯提取，提取液經(jīng)水法除去單酮山梨糖后蒸去溶劑而后分離出來，用高錳酸鈉氧化、水解、酯化、轉(zhuǎn)化、中和便得Vc。,維生素C生產(chǎn)工藝,18.2.3.2萊氏法化學(xué)合成工藝,18.2.3.2萊氏法工藝路線,維生素C生產(chǎn)工藝,18.2.3.2萊氏法工藝過程山梨醇發(fā)酵菌種醋酸桿菌屬可使山梨醇氧化成山梨糖。發(fā)酵條件溫度為26-30，最適pH為4.4-6.8。pH4.0以下菌的活性受影響。用0.5%酵母浸膏為主要營養(yǎng)源，山梨醇濃度為19.8%，通氣量1800ml/min，30培養(yǎng)33h，山梨糖收率可達(dá)97.6%。氮源：無機(jī)氮源不能利用，使用有機(jī)氮源。金屬離子的影響：Ni2+、Cu2+能阻止菌的發(fā)育，鐵能妨礙發(fā)酵，為了使發(fā)酵順利進(jìn)行，需用陽離子交換樹脂將山梨醇中的金屬離子去掉。,整個合成過程中必須保持第4位碳原子的構(gòu)型不變；維生素C的總收率約60%。-國外工藝中主要采用C-4內(nèi)酯化、C-2烯醇化：酸轉(zhuǎn)化：配料比2-酮基-L-古龍酸：38%鹽酸：丙酮=1：0.4：0.3（質(zhì)量/體積）堿轉(zhuǎn)化：先形成2-酮基-L-古龍酸甲酯，加NaHCO3轉(zhuǎn)化生成維生素C鈉鹽，經(jīng)氫型離子交換樹脂酸化，在50-55下減壓烘干，得粗品維生素C。,18.2.3.3兩步法發(fā)酵工藝,維生素C的化學(xué)合成方法一般指萊氏法，后來人們改用微生物脫氫代替化學(xué)合成中L山梨糖中間產(chǎn)物的生成，使山梨糖的得率提高一倍，我國進(jìn)一步利用另一種微生物將L-山梨糖轉(zhuǎn)化為2-酮基-L-古龍酸，再經(jīng)化學(xué)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)維生素C，稱為兩步法發(fā)酵工藝。這種方法使得維生素C的產(chǎn)量得到大幅度提高。,兩步發(fā)酵法,兩步發(fā)酵法是相對萊氏法而言的，即山梨醇發(fā)酵生成山梨糖后，山梨糖又經(jīng)第二步細(xì)菌氧化，直接生成2-酮基-L-古龍酸，而廢除了丙酮化和化學(xué)氧化兩個步驟。反應(yīng)過程為D-葡萄糖催化加氫制山梨醇，山梨醇經(jīng)發(fā)酵生成L-山梨糖，再經(jīng)第二步發(fā)酵到2-酮基-L-古龍酸。,18.2.3.3兩步法工藝,18.2.3.3兩步發(fā)酵工藝,目前維生素C的生產(chǎn)主要采用兩步發(fā)酵法。即以葡萄糖為原料，經(jīng)高壓催化氫化制備山梨醇，然后以山梨醇為原料經(jīng)兩步微生物（黑醋菌、假單孢桿菌和氧化葡萄糖酸桿菌的混合菌株）發(fā)酵制備2-酮基-L-古龍酸，再將此酸酸（或堿）轉(zhuǎn)化等工序制得粗品維生素C，粗品維生素C經(jīng)精制得成品Vc。,18.2.3.3兩步發(fā)酵的工藝,1D-山梨醇的化學(xué)合成50%葡萄糖溶液在75下加入活性炭，用石灰乳液調(diào)節(jié)pH8.4，加鎳催化劑，通氫氣，壓力3.43MPa，反應(yīng)溫度140。反應(yīng)結(jié)束后，靜置沉降出去催化劑，反應(yīng)液經(jīng)離子交換樹脂、活性炭處理后，減壓濃縮，得到含量60-70%的D-山梨醇，無色透明或微黃色透明粘稠液體，收率約97%。,22-酮-L-古龍酸的微生物發(fā)酵第一步發(fā)酵：黑醋酸桿菌（從D-山梨醇到L-山梨糖）第二步發(fā)酵：葡萄糖酸桿菌和巨大芽孢桿菌混合培養(yǎng)發(fā)酵罐：氣升式反應(yīng)器，100立方米。（3）2-酮-L-古龍酸的分離純化發(fā)酵液中：2-酮-L-古龍酸8%，雜質(zhì)有菌絲體、蛋白質(zhì)和懸浮的固體顆粒等。除雜操作：加熱、離心。,萊氏法是最早生產(chǎn)維生素C的方法,其以葡萄糖為原料,先經(jīng)黑醋菌發(fā)酵生成L-山梨糖,再經(jīng)丙酮化及NaClO氧化、水解得到2-酮-L古龍酸鈉,然后進(jìn)行化學(xué)合成得到維生素C。此法存在著很多缺陷,如生產(chǎn)工藝復(fù)雜、勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)環(huán)境惡劣、易對人體造成傷害,因此人們不斷對此工藝進(jìn)行改進(jìn)。,18.2.3.3二步發(fā)酵菌種及發(fā)酵工藝,18.2.3.3.1第一步發(fā)酵A.菌種一步發(fā)酵中所用菌種為黑醋酸桿菌（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（0.50.8）m（1.02.2）m。端生草根鞭毛運(yùn)動，菌落邊緣整齊，微顯淺褐色。生長最適溫度為3033，氧化D-山梨醇的發(fā)酵收率可達(dá)98以上。,B.培養(yǎng)基,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pH5.15.3。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(diǎn)，呈水平直線時，表示該反應(yīng)已達(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,18.2.3.3.2第二步發(fā)酵,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。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。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（0.50.7）m（0.61.2）m，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。,B.培養(yǎng)基,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；初始pH控制在6.8左右。該反應(yīng)雖屬氧化反應(yīng)，但對氧的消耗并不很大。氣升式發(fā)酵罐非常適合該發(fā)酵過程。溶氧濃度控制在20即可。山梨糖的初始濃度對產(chǎn)物的生成影響較大。間歇發(fā)酵時初始山梨糖濃度超過80g/L，會對產(chǎn)物生成產(chǎn)生抑制。所以需采用高濃度山梨糖流加發(fā)酵方式。若采用建立在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的流加控制策略，二步收率可達(dá)83。,18.2.3.3.32-酮基-L-古龍酸的分離原理,山梨醇經(jīng)兩步微生物發(fā)酵主要生成2-酮基-L-古龍酸，使發(fā)酵液酸度提高，為了保證產(chǎn)酸正常進(jìn)行，必須定期滴加滅菌的碳酸鈉溶液調(diào)pH值，使pH值保持7.0左右，這樣發(fā)酵終點(diǎn)所得溶液是含古龍酸鈉及少量古龍酸的發(fā)酵液。在發(fā)酵終點(diǎn)時，用于發(fā)酵的芽孢桿菌菌體已逐步自溶成碎片，使大量的菌體蛋白溶入發(fā)酵液中。因此，發(fā)酵液中除了含有一定量的2-酮基-L-古龍酸鈉及2-酮基-L-古龍酸外，還含有大量的菌體蛋白。,要將2-酮基-L-古龍酸鈉從發(fā)酵液中分離提取出來，必須先除去菌體蛋白。除去菌體蛋白，可將發(fā)酵液用鹽酸酸化調(diào)至菌體蛋白等電點(diǎn)，使菌體蛋白沉淀，靜置數(shù)小時后去掉菌體蛋白。除去菌體蛋白的發(fā)酵液中含2-酮基-L-古龍酸鈉及2-酮基-L-古龍酸，由于2-酮基-L-古龍酸鈉（能解離為陰、陽離子），用732陽離子交換樹脂進(jìn)行交換可去掉其中Na+而得2-酮基-L-古龍酸稀液。高溫下2-酮基-L-古龍酸不穩(wěn)定，所以為了濃縮古龍酸溶液使其達(dá)到一定濃度，可采用減壓濃縮的方法。由于低溫下2-酮基-L-古龍酸溶解度較小，所以可經(jīng)冷卻結(jié)晶得2-酮基-L-古龍酸晶體，從而實(shí)現(xiàn)了從發(fā)酵液中提取分離2-酮基-L-古龍酸的操作過程。,1工藝過程2-酮基-L-古龍酸的制備工藝過程如下圖所示：,（1）離子交換將發(fā)酵液冷卻后用鹽酸酸化，調(diào)至菌體蛋白等電點(diǎn)，使菌體蛋白沉淀。靜置數(shù)小時后去掉菌體蛋白，將酸化上清液以(23)m3/h的流速壓入一次陽離子交換柱進(jìn)行離子交換。當(dāng)回流到pH3.5時，開始收集交換液，控制流出液的pH值，以防樹脂飽和，發(fā)酵液交換完后，用純水洗柱，至流出液古龍酸含量低于1mg/ml以下為止。當(dāng)流出液達(dá)到一定pH值時，則更換樹脂進(jìn)行交換，原樹脂進(jìn)行再生處理。,18.2.3.3酮基-L-古龍酸的制備工藝,將經(jīng)過一次交換后的流出液和洗液合并，在加熱罐內(nèi)調(diào)pH至蛋白質(zhì)等電點(diǎn)，然后加熱至70左右，加0.3%左右的活性炭，升溫至9095后再保溫(1015)min，使菌體蛋白凝結(jié)。停攪拌，快速冷卻，高速離心過濾得清液。將酸性上清液打入二次交換柱進(jìn)行離子交換，至流出液的pH1.5時，開始收集交換液，控制流出液pH1.51.7，交換完畢，洗柱至流出液古龍酸含量在1mg/ml以下為止。若pH1.7時，需更換交換柱。（2）減壓濃縮結(jié)晶先將二次交換液進(jìn)行一級真空濃縮，溫度45，至濃縮液的相對密度達(dá)1.2左右，即可出料。接著，又在同樣條件下進(jìn)行二級濃縮，然后加入少量乙醇，冷卻結(jié)晶，甩濾并用冰乙醇洗滌，得2-酮基-L-古龍酸。如果以后工序使用堿轉(zhuǎn)化，則需將2-酮基-L-古龍酸進(jìn)行真空干燥，以除去部分水分。,（1）pH值發(fā)酵液在上柱之前pH值非常重要，因?yàn)檎{(diào)好等電點(diǎn)是凝聚菌體蛋白的重要因素。pH偏高偏低都會使上柱發(fā)酵液中的蛋白含量升高，進(jìn)而污染交換樹脂，使離子交換效率下降。（2）交換液流速交換液流速過小，樹脂處理能力下降，流速過快，交換效率會下降，因此交換液流速的確定要保證有較高的交換率的前提下，提高樹脂層的處理能力，生產(chǎn)上一般維持在(23