維生素-C二步發(fā)酵合成法膜技術(shù)應(yīng)用的研究進(jìn)展
2014-05-14 18:33:04
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據(jù)三農(nóng)在線2009年4月30日訊 維生素C是生命的必需營(yíng)養(yǎng)元素，具有多種生理功能，因而改進(jìn)維生素C生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量成為目前維生素C研究的熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)維生素C*主要的生產(chǎn)方式是二步發(fā)酵法。微生物二步發(fā)酵法具有工藝路線短、“三廢”少、原料單耗低和對(duì)設(shè)備腐蝕性小等優(yōu)點(diǎn)。
二步發(fā)酵合成法生產(chǎn)維生素C實(shí)驗(yàn)的過(guò)程可以分為發(fā)酵、提取和轉(zhuǎn)化三大步驟。
發(fā)酵
二步發(fā)酵法的第—步是用假單孢桿菌將山梨醇轉(zhuǎn)化成L-山梨糖。此外，弱氧化醋酸桿菌、生黑葡萄糖酸桿菌、惡臭醋酸桿菌、醋酸化醋酸桿菌、擬膠桿菌等細(xì)菌也有此轉(zhuǎn)化功能。發(fā)酵第二步采用混合發(fā)酵法，即用巨大芽孢桿菌和氧化葡萄糖酸桿菌混合培養(yǎng)，將L-山梨糖轉(zhuǎn)化為維生素C實(shí)驗(yàn)的前體2-酮基-L-占龍酸，其中大菌為伴生菌，小菌為產(chǎn)酸菌。此外，在維生素C實(shí)驗(yàn)二步發(fā)酵法的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，能用作氧化葡萄糖酸桿菌的產(chǎn)酸菌組合的伴生菌還有條紋假單孢菌、蠟狀芽孢桿菌和軟化芽孢桿菌等。
提取
發(fā)酵液的提取工藝是維生素C實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)行業(yè)中較為重要的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)二次發(fā)酵，發(fā)酵液中2-酮基-L-占龍酸含量?jī)H為6～9%，且殘留菌絲體、蛋白質(zhì)和懸浮微粒等雜質(zhì)，分離提純比較困難。后處理的費(fèi)用占總成本的比例很大，因此研究后處理技術(shù)，對(duì)降低維生素C實(shí)驗(yàn)的生產(chǎn)成本非常重要。生產(chǎn)上應(yīng)用的提取法主要有加熱沉淀法、化學(xué)凝聚法和超濾提取3種。
超濾提取具有無(wú)相變、節(jié)能、操作簡(jiǎn)便、不造成新的環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用。有許多將超濾用于發(fā)酵液的提取、濃縮等的報(bào)道。2—酮基-L-古龍酸鈉鹽發(fā)酵液預(yù)處理后通過(guò)超濾膜，使1-酮基-L-古龍酸鈉鹽溶液與菌絲、蛋白質(zhì)及懸浮微粒等大分子雜質(zhì)分離，大大簡(jiǎn)化了提取工藝。再經(jīng)超濾樹(shù)脂脫鹽脫色后濃縮結(jié)晶，2-酮基-L-古龍酸超濾工藝收率約為98%，在超濾前后發(fā)酵液中2-酮基-L-古龍酸的鈉鹽含量幾乎不變。此工藝用膜分離代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝中的加熱除蛋白質(zhì)，1-酮基-L-古龍酸收率提高近4%。整個(gè)過(guò)程通過(guò)夾套冷卻的方法保持在常溫下操作，能耗低，成本降低。在用膜除蛋白質(zhì)過(guò)程中，無(wú)任何新化學(xué)物質(zhì)加入，減少了樹(shù)脂的污染和損耗，降低了酸堿用量，也減少了“三廢”排放。更值得指出的是，超濾法對(duì)已染菌的維生素C實(shí)驗(yàn)發(fā)酵液仍可保證*終成品質(zhì)量，而其他工藝卻難以實(shí)現(xiàn)。
超濾技術(shù)的重點(diǎn)在于選擇合適的膜和膜裝置、生產(chǎn)流程和膜清洗方法。隨著新型膜材料技術(shù)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，如陶瓷膜、不銹鋼膜等的應(yīng)用，選擇*適宜的膜設(shè)備、膜組件和膜分離件，可使產(chǎn)品的收率和質(zhì)量進(jìn)一步提高。選擇抗堵塞的超濾膜組件，可消除發(fā)酵液的預(yù)處理步驟，降低成本。膜裝置在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中多采用連續(xù)式流程。膜清洗程序和膜的壽命有很大關(guān)系，主要是洗滌劑加入量、pH值調(diào)節(jié)、加熱溫度和沖洗時(shí)間等。此外，提取方法還有仍處于實(shí)驗(yàn)階段的離子交換法和溶媒萃取法。
酸轉(zhuǎn)化
傳統(tǒng)的酸轉(zhuǎn)化法是采用濃HCl將2-酮基-L-古龍酸直接轉(zhuǎn)化成維生素C實(shí)驗(yàn)。由于該方法嚴(yán)重腐蝕設(shè)備，污染環(huán)境，影響產(chǎn)品質(zhì)量，目前已普遍改用堿轉(zhuǎn)化法。
目前已有試驗(yàn)嘗試用雙極性膜電滲析法來(lái)取代傳統(tǒng)酸化工藝。它是利用在直流電場(chǎng)作用下，雙極性膜中的水被離解成H+和OH-，H+和維生素C實(shí)驗(yàn)鈉鹽中的維生素C實(shí)驗(yàn)酸根結(jié)合成離解度小的維生素C實(shí)驗(yàn)，維生素C實(shí)驗(yàn)鈉鹽中的Na+在電場(chǎng)中通過(guò)陽(yáng)離子交換膜從維生素C實(shí)驗(yàn)鈉鹽中分離出來(lái)，并和雙極性膜側(cè)出來(lái)的OH-結(jié)合生成NaOH。雙極性膜電滲析法可以在無(wú)外加物料的條件下，將維生素C實(shí)驗(yàn)鈉鹽轉(zhuǎn)化成維生素C實(shí)驗(yàn)，過(guò)程簡(jiǎn)單能耗低，設(shè)備體積小，投資少，操作簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)化率可高達(dá)99%，其副產(chǎn)品NaOH稀溶液可有效利用，無(wú)環(huán)境污染。此法目前試驗(yàn)者較多，有望推廣到各種有機(jī)酸制備的使用中。
維生素C實(shí)驗(yàn)是目前全球維生素生產(chǎn)廠競(jìng)爭(zhēng)*激烈、產(chǎn)銷(xiāo)量*大和應(yīng)用范圍*廣泛的維生素產(chǎn)品，也是我國(guó)*主要的出口創(chuàng)匯原料藥之一。目前，全球維生素C實(shí)驗(yàn)消費(fèi)量每年10萬(wàn)噸以上，消費(fèi)去向主要是醫(yī)藥、食品及飲料、動(dòng)物飼料等三大領(lǐng)域，其中以食品飲料行業(yè)維生素C實(shí)驗(yàn)需求量*大，而動(dòng)物飼料是近年發(fā)展起來(lái)的新領(lǐng)域，潛力很大。因此，從維生素C實(shí)驗(yàn)二步發(fā)酵法生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)不斷改進(jìn)生產(chǎn)工藝、優(yōu)化發(fā)酵條件，可以降低成本，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，從而使我國(guó)在國(guó)際維生素C實(shí)驗(yàn)市場(chǎng)更具競(jìng)爭(zhēng)力。