制药工艺学第十八章-维生素的生产工艺

第四篇药物制备工艺学第十八章维生素发酵生产工艺定义：维生素是一类生物生长发育起调节作用的、化学结构不同的、小分子有机化合物，人体内不能合成，必须从食物等中摄取。18.1概述维生素有以下特点：（1）维生素是天然食物中的一种成分，是一种活性物质，对机体代谢起调节和整合作用。（2）维生素需求量很小。（3）大多数维生素在体内不能合成，要从外界摄取。（4）绝大多数维生素是通过辅酶或辅基的的形式参与体内酶促反应体系。（5）人体内维生素缺乏时，会发生一类特殊的疾病，称“维生素缺乏症”。维生素并不是补品，人体每日需要量是一定的，多摄入并不一定好，使用不当，反而会导致疾病。概述维生素分为脂溶性和水溶性两大类。脂溶性：维生素A，D，E，K，Q和硫辛酸等。水溶性：维生素B1、B2、B6、B12、烟酸、泛酸、叶酸、生物素和维生素C等。概述维生素的分类5名称学名及俗名生物作用维生素A族视黄醇抗干眼病维生素D2麦角钙化醇抗软骨病维生素D3胆钙化醇抗软骨病维生素E族生育酚抗不育维生素F族亚油酸，亚麻酸，花生四烯酸降胆固醇及防血栓维生素K族叶绿醌，合欢醌，α－甲基萘醌抗出血维生素可分为脂溶性维生素和水溶性维生素两大类。水溶性维生素名称学名及俗名生物作用维生素B1硫胺素抗神经类维生素B2核黄素抗口角溃疡，唇炎维生素B3族（维生素PP）烟酸，烟酰胺抗糙皮病维生素B5泛酸抗癞皮病维生素B6族吡哆醇，吡哆醛，吡哆胺抗皮炎维生素B9族叶酸，黄嘌呤，赤嘌呤，蝶酸等抗恶性贫血维生素B12钴胺素，氰钴氨素，羟钴胺素等抗恶性贫血维生素B13乳清酸抗早衰维生素BTL－肉碱营养强化剂维生素C抗坏血酸抗坏血病维生素H（维生素B8）生物素抗毛发脱落及脂肪代谢混乱维生素与辅酶、辅基的关系长期以来，人们就认识到食物中缺乏某种维生素，会导致某种疾病，维生素在机体的代谢中起着十分重要的作用，后来陆续发现大部分维生素或者其本身就是辅酶、辅基，或者是辅酶、辅基的组成部分。例如维生素B1（硫胺素），它在体内的辅酶形式是硫胺素焦磷酸（TPP），是α—酮酸氧化脱羧酶的辅酶，又如泛酸，其辅酶形式是COA，是转乙酰基酶的辅酶。概述生产方法（1）化学合成法烟酸、烟酰胺、叶酸、维生素B1、B6、D、E、K等。（2）发酵法B12、B2，维生素C和生物素，维生素原等。（3）生物提取法从猪心中提取辅酶Q10，从槐花米中提取芦丁，从提取链霉素后的废液中提取B12等。概述生产工艺主要维生素的生产有三种方法。1.微生物发酵和微藻类的生物转化法（统称生物合成法）发展非常快。2.化学合成法是目前生产维生素得主要方法。3.天然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。脂溶性维生素工业生产状况水溶性维生素工业生产状况现状2001年维生素H投产成功，我国成为世界上极少数能够生产全部维生素品种的国家。2002年我国维生素原料产量达8.2万吨，其中维生素C超过5万吨，成为世界上最大的原料药生产国和出口国。维生素制剂年产量260－280亿支/片/瓶，以片剂、注射液和胶囊为主。中国科学院上海生物技术研究所发明了维生素C的两步发酵法，使国内维生素C的生产技术达到世界先进水平。湖北广济药业公司对维生素B2实验室发酵生产技术的进一步改进，使其实现了维生素B2工业化的规模生产。浙江新和成股份有限公司在国内首先实现了维生素E中间体三甲基氢醌和异植物醇的工业化生产，打破了国外维生素巨头的技术垄断。中科院攻克的维生素D3生产新工艺，使国内维生素D3的成本低于国外同类产品10%～15%。维生素中生产难度最大的产品维生素H在浙江医药股份有限公司及新和成公司研制成功，填补了维生素产品国产化的一个空白。2005年6月，浙江鑫富收购了湖州狮王，一跃成为全球D-泛酸钙的龙头。现在，占据了国际50%的市场和国内90%市场的鑫富药业在有效消化国际市场上部分存量后，自去年下半年开始对产品进行试探性提价，目前已累计上涨超过80％，充分证明了公司在国际上的定价能力。广济药业核黄素（维生素B2）国内外市场占有率也达到了85%和35%。目前年产能超过2500吨，2007年计划将核黄素产能扩大到3000吨。Vc自91起中国就逐渐成为全球的生产基地，仅东北制药一家就占全球20%的市场份额，而目前的上涨主要是由于中国各主要VC生产厂限制产量所至，这也充分说明了中国在国际市场中的定价能力。18.2维生素C的生产工艺18.2.1概述维生素C又称抗坏血酸(ascorbicacid)，能参与人体内多种代谢过程，使组织产生胶原质，影响毛细血管的渗透性及血浆的凝固，刺激人体造血功能，增强机体的免疫力。另外，由于它具有较强的还原能力，可作为抗氧化剂，已在医药、食品工业等方面获得广泛应用。现状维生素C（vitaminC）是目前世界上产销量最大，应用范围最广的维生素产品。目前全世界维生素C的产量约为10万吨/年，全球市场销售额5亿美元。18.2.2维生素的化学结构和性质维生素C(多羟基不饱和内酯衍生物)分子中有两个手性碳原子，故有4种光学异构体，其中L（+）抗坏血酸效果最好，其他三种临床效果很低或无效。OCCCCCH2COHHOHHOHOOHOCCCCCH2COHHOHHOHOOHOCCCCCH2COHHOHHOHOOHOCCCCCH2COHHOHHOOHOHL-抗坏血酸D-抗坏血酸L-异抗坏血酸D-异抗坏血酸18.2.3维生素的化学结构和性质白色粉末，无臭、味酸、熔点190-192℃，易溶于水，略溶于乙醇，不溶于乙醚，氯仿及石油醚等。它是一种还原剂，易受光、热、氧等破坏，尤其在碱液中或有微量金属离子存在时，分解更快，但干燥结晶较稳定。18.2.3生产工艺莱氏化学合成法二步发酵法18.2.3.1工艺路线发展莱氏法化学合成（1933年莱氏(Reichstein)）莱氏法是维生素C生产的经典方法，是由Reichstein和Grussner研究开发的。以D-葡萄糖作为起始原料，经催化加氢制成D-山梨醇，再经醋杆菌深层发酵氧化制得收率很高的L-山梨糖，L-山梨糖经丙酮和硫酸处理（生产上俗称丙酸化）生成双丙酮-L-山梨糖（简称双酮糖），再用苯或甲苯提取，提取液经水法除去单酮山梨糖后蒸去溶剂而后分离出来，用高锰酸钠氧化、水解、酯化、转化、中和便得Vc。维生素C生产工艺18.2.3.2莱氏法化学合成工艺(CH3)2COCH2OHCCCCCHOHOHOHHOHHHOHCH2OHCCCCCH2OHHHOH3CH3CCH3CH3OH2CH2OHCCCCCH2OHHOHOHHOHHHOHO2COOHCCCCCH2OHHOHHOHOHOHH2SO4KMnO4NaOHO2OCCCCCH2CHOOHHHOHOOHCH2OHCCCCCH2OHHOHHOHOHOHCOOHCCCCCH2OHHHOH3CH3CCH3CH3O内酯化烯醇化D-葡萄糖D-山梨醇L-山梨醇双丙酮-L-山梨糖双丙酮-L-古龙酸2-酮基-L-古龙酸维生素-CH2O18.2.3.2莱氏法工艺路线[转化][酸化]HCl[氧化]NaOH,O2,KMnO4[酮化]H2SO4丙酮[加氢]H2D-葡萄糖D-山梨醇双丙酮-L-山梨糖维生素CL-山梨糖[酶菌氧化]O2双丙酮-L-古龙酸2-酮-L-古龙酸维生素C生产工艺18.2.3.2莱氏法工艺过程①山梨醇发酵菌种醋酸杆菌属可使山梨醇氧化成山梨糖。②发酵条件温度为26-30℃，最适pH为4.4-6.8。pH4.0以下菌的活性受影响。用0.5%酵母浸膏为主要营养源，山梨醇浓度为19.8%，通气量1800ml/min，30℃培养33h，山梨糖收率可达97.6%。氮源：无机氮源不能利用，使用有机氮源。金属离子的影响：Ni2+、Cu2+能阻止菌的发育，铁能妨碍发酵，为了使发酵顺利进行，需用阳离子交换树脂将山梨醇中的金属离子去掉。整个合成过程中必须保持第4位碳原子的构型不变；维生素C的总收率约60%。---国外工艺中主要采用C-4内酯化、C-2烯醇化：酸转化：配料比2-酮基-L-古龙酸：38%盐酸：丙酮=1：0.4：0.3（质量/体积）碱转化：先形成2-酮基-L-古龙酸甲酯，加NaHCO3转化生成维生素C钠盐，经氢型离子交换树脂酸化，在50-55℃下减压烘干，得粗品维生素C。18.2.3.3两步法发酵工艺维生素C的化学合成方法一般指莱氏法，后来人们改用微生物脱氢代替化学合成中L—山梨糖中间产物的生成，使山梨糖的得率提高一倍，我国进一步利用另一种微生物将L-山梨糖转化为2-酮基-L-古龙酸，再经化学转化生产维生素C，称为两步法发酵工艺。这种方法使得维生素C的产量得到大幅度提高。两步发酵法两步发酵法是相对莱氏法而言的，即山梨醇发酵生成山梨糖后，山梨糖又经第二步细菌氧化，直接生成2-酮基-L-古龙酸，而废除了丙酮化和化学氧化两个步骤。反应过程为D-葡萄糖催化加氢制山梨醇，山梨醇经发酵生成L-山梨糖，再经第二步发酵到2-酮基-L-古龙酸。18.2.3.3两步法工艺CH2OHCCCCCHOHOHOHHOHHHOHH2CH2OHCCCCCH2OHHOHOHHOHHHOHO2CH2OHCCCCCH2OHHOHHOHOHOHCOOHCCCCCH2OHHOHHOHOHOHOCCCCCH2CHOOHHHOHOOH内酯化烯醇化D-葡萄糖D-山梨醇L-山梨醇2-酮基-L-古龙酸维生素-C氢化AcetobacterPseudomonas18.2.3.3两步发酵工艺2-酮-L-古龙酸[内酯化，烯醇化][生物转化]假单孢菌D-山梨醇维生素C（L-抗坏血酸）L-山梨糖[氧化]醋酸杆菌目前维生素C的生产主要采用两步发酵法。即以葡萄糖为原料，经高压催化氢化制备山梨醇，然后以山梨醇为原料经两步微生物（黑醋菌、假单孢杆菌和氧化葡萄糖酸杆菌的混合菌株）发酵制备2-酮基-L-古龙酸，再将此酸酸（或碱）转化等工序制得粗品维生素C，粗品维生素C经精制得成品Vc。18.2.3.3两步发酵的工艺1D-山梨醇的化学合成50%葡萄糖溶液在75℃下加入活性炭，用石灰乳液调节pH8.4，加镍催化剂，通氢气，压力3.43MPa，反应温度140℃。反应结束后，静置沉降出去催化剂，反应液经离子交换树脂、活性炭处理后，减压浓缩，得到含量60-70%的D-山梨醇，无色透明或微黄色透明粘稠液体，收率约97%。22-酮-L-古龙酸的微生物发酵第一步发酵：黑醋酸杆菌（从D-山梨醇到L-山梨糖）第二步发酵：葡萄糖酸杆菌和巨大芽孢杆菌混合培养发酵罐：气升式反应器，100立方米。（3）2-酮-L-古龙酸的分离纯化发酵液中：2-酮-L-古龙酸8%，杂质有菌丝体、蛋白质和悬浮的固体颗粒等。除杂操作：加热、离心。莱氏法是最早生产维生素C的方法,其以葡萄糖为原料,先经黑醋菌发酵生成L-山梨糖,再经丙酮化及NaClO氧化、水解得到2-酮-L古龙酸钠,然后进行化学合成得到维生素C。此法存在着很多缺陷,如生产工艺复杂、劳动强度大、生产环境恶劣、易对人体造成伤害,因此人们不断对此工艺进行改进。18.2.3.3二步发酵菌种及发酵工艺18.2.3.3.1第一步发酵A.菌种一步发酵中所用菌种为黑醋酸杆菌（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（0.5～0.8）μm×（1.0～2.2）μm。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30~33℃，氧化D-山梨醇的发酵收率可达98％以上。B.培养基C.发酵过程特征在发酵过程中，控制发酵温度34℃，初始pH5.1～5.3。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