年产1万吨维生素C发酵工艺设计

年产1万吨维生素C发酵工艺设计目录1绪论.................................................................11.1维生素C简介....................................................11.2维生素C主要作用................................................12工艺流程设计.........................................................32.1空气除菌过程....................................................32.2第一步发酵过程..................................................32.3第二步发酵过程..................................................42.42-酮基-L-古龙酸的提取分离过程...................................42.5碱转化法合成Vc.................................................52.6发酵工艺条件的优化..............................................53物料衡算及能量衡算...................................................63.1物料衡算........................................................63.2能量衡算........................................................64重点设备设计.........................................................74.1选择设备的原则..................................................74.2主要设备选型与计算..............................................84.3辅助设备选型...................................................144.4提取工序设备选型...............................................154.5包装...........................................................18参考文献..............................................................19年产1万吨维生素C发酵工艺设计第1页共19页1绪论1.1维生素C简介维生素C（VitaminC，AscorbicAcid）是—种水溶性维生素，水溶液具有—定的酸性又抗坏血病，所以又叫抗坏血酸。分子式：C6H8O6；分子量：176.13。结构式：由于维C分子中存在两个不对称碳原子，决定了维C有四个同分异构体，其中L（+）—VC的抗坏血病效力最强。维生素C分子中的烯二醇结构不稳定容易被氧化，并且氧化作用随着热、光、重金属的催化作用和溶液碱性的增加而增强。人类不能自身合成维C，只能从食物中摄取。其中水果和蔬菜中含有较多的维生素C，维生素C通常被小肠上段吸收，然后分布于身体的所有水溶性结构中，正常人体内维生素C代谢活性池中约有1500mg维生素C，最高储存峰值为3000mg维生素C。正常情况下，维生素C在体内经代谢分解成草酸或与硫酸结合生成抗坏血酸-2-硫酸由尿排出。有时也会有少量的维C直接由尿排出体外。1.2维生素C主要作用1.2.1维生素C用于治疗坏血病维生素C能促进胶原蛋白的合成，胶原蛋白又参与细胞的连接。当维生素C缺乏时，胶原不能正常合成，导致细胞连接障碍，微血管容易破裂，血液流到邻近组织，人体各部位易出血，呼吸恶臭，牙龈脱落，皮肤表面易产生瘀斑和紫斑，关节胀痛，严重时可导致死亡。可通过补充维生素C加以治疗。1.2.2维生素C的解毒作用维生素C具有强还原性、酸性，能与体内氧化性有毒物质发生氧化还原反应，碱性有毒物质发生中和反应降低物质毒性。维生素C能有效抑制体内的氧化作用，还能辅助淋巴单核细胞及白血球对乙醛、磺胺、普鲁卡因、巴比妥、水杨酸等药物的解毒作用，此外维生素C还能对重金属铅、镉、贡等具有较强解毒作用。1.2.3维生素C能增强免疫力年产1万吨维生素C发酵工艺设计第2页共19页具测定，人体在患病状态维生素C的含量会急剧减少；维生素C可提高CI补体酯酶活性，增加补体CI的产生，促进干扰素的产生，干扰病毒mRNA的转录，抑制病毒的增生；维生素C可参与免疫球蛋白的合成，调节人体物质代谢和能量代谢的平衡，增强人体白血球的吞噬能力，提高机体免疫力。1.2.4维生素C具有治疗心血管病的作用维生素c有降低血中甘油三酯和胆固醇的作用。它可促进胆固醇在肝脏转移，从而降低血中胆固醇含量并减少动脉粥样斑块的形成。实验观察到维生素c可增加心肌收缩力、增加心排血量、增强心室舒张性能，抑制心律失常等。1.2.5维生素C具有治疗肿瘤的作用有文献报道维生素C能影响肿瘤凋亡相关基因p53、c-myc及Bcl-2的表达[1]，抑制肿瘤细胞内DNA复合物合成，干扰肿瘤细胞代谢周期，诱导肿瘤细胞的分化，限制肿瘤细胞的生长，促进肿瘤细胞凋亡。1.2.6维生素C在食品领域的应用维生素C在腌肉中的作用抗坏血酸钠应用于香肠制品和传统肉制品的加工中，能促进腌肉色素的合成，拟制肉毒杆菌生长和亚硝基胺的合成；维生素C在水果和蔬菜中的作用因为维生素C易被空气中的氧氧化，所以对含有空气的密封包装产品具有特殊意义，维生素C含量低的水果和蔬菜添加抗坏血酸后，可以有效的阻止氧化作用，保持水果的颜色和风味；维生素在酿造制品中的作用啤酒在储藏期间易产生浑浊，产品的颜色、香味和滋味都会有变化，维生素C是一种合乎要求的食品添加剂，在啤酒中用作抗氧化剂，提高啤酒的澄清度。1.2.7维生素C还被广泛应用于食料和化妆品领域维生素C对畜禽、鱼类的生长发育起着非常重要的作用，在应用中我们一定要选择稳定性、缓释性好，利用率高的维生素C添加剂产品，使养殖业获得最佳收益。维生素C用于化妆品中具有抗衰老、美白的作用。还有祛斑美白的效果。年产1万吨维生素C发酵工艺设计第3页共19页2工艺流程设计我国两步发酵工艺是20世纪70年代由中国科学院微生物研究所和北京制药厂共同建立的，包括2个发酵步骤，故称两步发酵法。第一步是在醋酸杆菌作用下将D-山梨醇氧化为L-山梨糖，俗称醇糖转化；第二步是在混合菌系的作用下将L-山梨糖进一步氧化为2-酮基-L-古龙酸，俗称糖酸转化。我国Vc混合菌发酵技术具有很大的优势和潜力，其突出优势就是第二步糖酸转化效率非常高。混合菌发酵法在国内的成功应用也引起了国外的广泛关注，并与上世纪80年代向瑞士HoffmannLa—Roche公司进行了技术转让[2]。此法切实可行，整个过程的工艺流程：D-山梨醇→L-山梨糖→2-酮基-L-古龙酸→L-抗坏血酸说明：第一步发酵：D-山梨醇由微生物氧化成L-山梨糖；第二步发酵：L-山梨糖由大菌、小菌转化为2-酮基-L-古龙酸；然后把2-酮基-L-古龙酸通过化学方法合成维生素C。2.1空气除菌过程维生素C的发酵过程属于好氧发酵，因此需要大量的无菌空气。本设计采用两级冷却、分离、加热的空气除菌流程：空气→粗过滤器→空压机→储罐→冷却器→旋风分离器→冷却器→丝网分离器→加热器→过滤器→（灭菌空气）这种流程的特点：2次冷却、2次分离、适当加热。2次冷却、2次分离油水的主要优点是可节约冷却用水，油和水污分离除去比较完全，保证干过滤。经过第一级冷却后，大部分的水油都已结成较大的雾粒，且雾粒浓度比较大，故适宜于用旋风分离器分离。第二级冷却器使空气进一步冷却后析出较小的雾粒，易采用丝网分离器分离，这类分离器可分离较小直径雾粒且分离效果高。经2次分离后，空气带的雾沫就较小，两级冷却可以减小油膜污染对传热的影响[3]。2.2第一步发酵过程2.2.1菌种生黑葡萄糖酸杆菌R-30[4]，细胞椭圆至短杆状，G+，无芽孢，显微镜下浅褐色；最适培养温度34℃，pH5.0～5.2，经扩大培养，接入发酵罐。2.2.2培养基种子和发酵培养基成分一致，主要包括D-山梨醇、玉米浆、酵母膏、碳酸钙等年产1万吨维生素C发酵工艺设计第4页共19页成分，添加适量维生素B增加产量。D-山梨醇浓度过高容易产生抑制，一般控制在20%，超过250g/L产生抑制。2.2.3发酵过程控制温度34℃，pH5.0～5.2。该反应耗氧比较大，同气比要求1:1。10h后发酵结束，发酵液经80℃10min低温灭菌，移入第二步发酵罐作原料。D-山梨醇转化L-山梨糖的生物转化率达98%以上。2.3第二步发酵过程2.3.1菌种由小菌【氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacteroxydans)】和大菌【巨大芽孢杆菌(Bacillusrnegaterium)】组成的混合菌株进行发酵生产。其中小菌为产酸菌，单独培养时生长微弱，产酸较少；大菌为伴生菌，不产酸，但促进小菌生长或产酸。大小菌之间是一种协同共生关系，即大茵促进小菌生长和产酸，小菌也使大菌生长加快。2.3.2培养基种子培养基和发酵培养基成分类似，主要有L-山梨糖、玉米浆、尿素、碳酸钙、磷酸二氢钾等，pH值为6.8。L-山梨糖初始浓度对产物生成影响较大，一般初糖浓度控制在30～50g/L。超过80g/L产生抑制。2.3.3发酵过程由于大菌、小菌最适培养条件不同[5]，如小菌25～30℃，大菌28～37℃，所以发酵过程要兼顾两种菌的最适条件。通常操作温度为30℃，pH值为6.8左右，溶氧浓度控制30%。混合菌种经二级种子扩大培养，接入含有第一步发酵液的发酵罐中，通入无菌空气搅拌，初始8～10h菌体快速增长[6]。当作为伴生菌的大菌开始形成芽孢时，小菌开始产酸。在20～24h开始补加培养L-山梨糖，总浓度达到140g/L[7]。当大菌完全形成芽孢后，产酸达到高峰，发酵结束[8]。大约72h左右，L-山梨糖生成2-酮基-L-古龙酸的转化率可达70%～80%。2.42-酮基-L-古龙酸的提取分离过程经过两次发酵以后，发酵液中2-酮基-L-古龙酸含量仅约6%～8%，残留的菌丝体、蛋白质和悬浮微粒等杂质存在于发酵液中[9]，需要将Vc前体——2-酮基-L-古龙酸提取出来。工艺流程（图2-1）：年产1万吨维生素C发酵工艺设计第5页共19页发酵液滤液一次中和液上清液二次中和液浓缩液结晶液湿晶体2-酮基-L-古龙酸过滤静置3h，压滤一次中和732氢型树脂，pH2.3～2.5保温，脱色，冷却，离心90℃保温数分钟，活性炭二次中和732氢型树脂，pH1.7真空浓缩结晶盐水降温至0℃离心洗涤用冷冻的乙醇洗涤真空干燥图2-12-酮基-L-古龙酸提取纯化工艺流程图2.5碱转化法合成Vc将2-酮基-L-古龙酸与甲醇反应生成2-酮基-L-古龙酸甲酯，该酯在NaHCO3的作用下内酯化生成VC钠盐，该钠盐经阳离子交换柱酸化后转变为VC，再经脱色、浓缩、结晶等工序得到纯VC[10]。工艺流程（图2-2）：2-酮基-L-古龙酸2-酮基-L-古龙酸甲酯维生素C钠盐酯化离心NaHCO3、转化浓硫酸+甲醇粗维生素C溶解、离子交换阳离子交换树脂活性炭、草酸脱色图2-2碱转化法合成维生素C工艺流程图过滤、结晶、干燥精品Vc2.6发酵工艺条件的优化对于任何一种发酵产品，肯定存在着抑制该物质大量积累的影响因素[11]。除了从代谢调控、微生物生理等角度研究这些因素对产酸积累的影响规律外，在发酵工艺的设计中我们还可以从加速底物消耗，缩短发酵时