阅读说明：本技术 一种制备异烟酸的方法 (Method for preparing isonicotinic acid ) 是由 龙华 李自云 刘清华 许正宏 史劲松 龚劲松 于 2019-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及生化技术领域,尤其是一种制备异烟酸的方法。本发明使用Gibberella属、Fusarium属来源丝状真菌中的任一种作为菌种,经过发酵、水解、膜过滤、脱色、结晶、离心、干燥、包装的过程制得异烟酸。本发明的一种制备异烟酸的方法具采用微生物发酵生产异烟酸,具有反应条件温和、选择性好、流程简单、产物产率和纯度高、成本低、环境污染小等优点,而且对部分废水进行了回收利用,增加了附加值,特别适合用于大规模工业化生产。(The invention relates to the technical field of biochemistry, in particular to a method for preparing isonicotinic acid. The invention uses any one of filamentous fungi of Gibberella and Fusarium as a strain to prepare the isonicotinic acid through the processes of fermentation, hydrolysis, membrane filtration, decoloration, crystallization, centrifugation, drying and packaging. The method for preparing the isonicotinic acid has the advantages of adopting microbial fermentation to produce the isonicotinic acid, having mild reaction conditions, good selectivity, simple process, high product yield and purity, low cost, small environmental pollution and the like, recycling part of waste water, increasing the additional value and being particularly suitable for large-scale industrial production.)

一种制备异烟酸的方法

技术领域

本发明涉及生化技术领域，尤其是一种制备异烟酸的方法。

背景技术

异烟酸，又名4-吡啶甲酸，参与有机体内的氧化还原过程，是合成抗结核药物雷米封（异烟肼）的重要中间体，也可作为抗腐蚀剂、电镀添加剂、感光树脂稳定剂体、聚氯乙烯热稳定剂和有色金属浮选药剂等,在农业上作为合成植物生长调节剂抗倒胺的前体。市场前景十分广阔。

合成异烟酸的方法有很多，主要分为氧化法、水解法和生物催化法等。其中氧化法又分为高锰酸钾氧化法、硝酸氧化法、催化空气氧化法、臭氧氧化法等传统化学氧化法和电化学氧化法。

高锰酸钾氧化法、硝酸氧化法、催化空气氧化法、臭氧氧化法等传统化学氧化法合成异烟酸普遍存在环境污染大、工艺复杂易深度氧化等问题。

电化学氧化法合成异烟酸反应条件溫和，常溫、常压下，不用催化剂，即可进行合成反应，反应选择性较好，投资少、成本低、产品质量好等优点，但由于电极和隔膜的问题收率很低。

水解法合成异烟酸是工业上普遍应用的方法。4-氰基吡啶在碱性条件下高温高压水解得到4-吡啶甲酸盐，再加酸反应得到异烟酸。该工艺需高温高压，产品收率低、对环境污染等缺点。

微生物催化法生产异烟酸与化学法相比具有高选择性、高效性、成本低、反应条件温和、环境污染小等优点，目前生物催化法生产异烟酸仍然报道较少，主要采用菌种为Nocardia globerula、Pseudomonas putida（Applied and Environmental Microbiology,54: 1030-1032; Chemical Papers, 2014, 68(6): 739-744.），而采用Gibberellaintermedia、Fusarium oxysporum进行异烟酸生物制备尚未见任何报道。生物法具有良好的经济和环保价值，为异烟酸的规模化生产奠定了基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备异烟酸的方法，克服前述现有技术的不足，具有反应条件温和、选择性好、流程简单、产物产率和纯度高、成本低、环境污染小等优点。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种制备异烟酸的方法，包括如下步骤：

（1）发酵：在发酵罐中加入为发酵罐容积40-90%的培养基，所述培养基主要由以下质量百分数的原料组成：0.1-5%玉米浆，0.1-5%豆饼粉、0.1-2%NaCl、0.1-2%KH₂PO₄、0.1-2%K₂HPO₄·3H₂O、0.1-2%尿素、1-4%葡萄糖，灭菌后，接入1-10%的菌种，培养20-80h，期间不断通无菌空气，发酵过程中控制温度为20-50℃，通过流加稀盐酸或氨水调节pH为6-9，后期流加葡萄糖；

（2）水解：将发酵培养结束的发酵液加入反应釜中，控制反应温度为20-60℃，缓慢流加4-氰基吡啶进行水解反应，用液相色谱跟踪4-氰基吡啶的残留量；

（3）膜过滤：将水解反应后的溶液通入微滤设备进行过滤，得到滤液和滤渣，滤液为异烟酸铵溶液，滤渣为反应后的废细胞及微量的4-氰基吡啶；

（4）脱色：将步骤（3）的到的滤液加入活性炭，搅拌1小时，用活性炭过滤器进行过滤；

（5）结晶：将步骤（4）得到的滤液加入到带有搅拌机构的结晶釜中，搅拌，缓慢流加31%的盐酸至pH为2-5，期间结晶釜温度控制在20-70℃，反应生成白色沉淀即异烟酸晶体；

（6）离心、干燥、包装：将步骤（5）生产的混合液放入离心机进行离心、洗涤，得到母液和异烟酸结晶体，异烟酸结晶体进入流化床进行干燥，干燥至水分含量低于0.5%，进行包装。

优选的，所述步骤（1）中发酵使用的菌种可选自Gibberella属、Fusarium属来源丝状真菌中的任一种。

优选的，产酶菌种Gibberella的发酵前处理工艺包括如下步骤：将经过长期驯化选育的斜面菌种Gibberellaintermedia进行活化，取500μL菌液接种到含50mL种子培养基的500mL锥形瓶中，在30°C、180r/min的往复式摇床上振荡培养36h后，将菌液稀释10-4、10-5、10-6后涂布到固体筛选培养基上，在30°C恒温培养箱中进行培养，挑取筛选平板中单菌落转接到发酵培养基中培养60h后测定酶活力，将活力高的菌株保藏于甘油管或斜面培养基。

优选的，摇瓶阶段发酵培养基配方组成为：酵母粉0.75%，葡萄糖1%，NaCl0.116%，KH2PO40.272%，尿素0.3%，pH7.0。

优选的，产酶菌种Fusarium的发酵前处理工艺包括如下步骤：将经过长期驯化选育的斜面菌种Fusariumoxysporum进行活化，取500μL菌液接种到含50mL种子培养基的500mL锥形瓶中，在30°C、120r/min的往复式摇床上振荡培养36h后，将菌液稀释10-4、10-5、10-6后涂布到固体筛选培养基上，在30°C恒温培养箱中进行培养，挑取筛选平板中单菌落转接到发酵培养基中培养60h后测定酶活力，将活力高的菌株保藏于甘油管或斜面培养基。

优选的，摇瓶阶段发酵培养基配方组成为：酵母粉0.5%，葡萄糖1.5%，NaCl0.1%，KH2PO40.272%，尿素0.3%，pH7.0。

优选的，所述步骤（6）中产生的母液主要成分为氯化铵，通过蒸发结晶进行回收。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的一种制备异烟酸的方法具有以下优点：本发明采用微生物发酵生产异烟酸，具有反应条件温和、选择性好、流程简单、产物产率和纯度高、成本低、环境污染小等优点，而且对部分废水进行了回收利用，增加了附加值，特别适合用于大规模工业化生产。

具体实施方式

实施例1 一种制备异烟酸的方法

一种制备异烟酸的方法，产酶菌种选择Gibberella，产酶菌种Gibberella的发酵前处理工艺包括如下步骤：将经过长期驯化选育的斜面菌种Gibberellaintermedia进行活化，取500μL菌液接种到含50mL种子培养基的500mL锥形瓶中，在30°C、180r/min的往复式摇床上振荡培养36h后，将菌液稀释10^-4、10^-5、10^-6后涂布到固体筛选培养基上，在30°C恒温培养箱中进行培养，挑取筛选平板中单菌落转接到发酵培养基中培养60h后测定酶活力，将活力高的菌株保藏于甘油管或斜面培养基。

产酶菌种Gibberella的发酵前处理工艺过程中摇瓶阶段发酵培养基配方组成为：酵母粉0.75%，葡萄糖1%，NaCl0.116%，KH₂PO₄0.272%，尿素0.3%，pH7.0。

一种制备异烟酸的方法，包括如下步骤：

（1）发酵：在发酵罐中加入为发酵罐容积50%的培养基，所述培养基主要由以下质量百分数的原料组成：0.5%玉米浆，5%豆饼粉、0.5%NaCl、0.1%KH₂PO₄、0.1%K₂HPO₄·3H₂O、0.8%尿素、1%葡萄糖，灭菌后，接入2%的菌种，培养60h，期间不断通无菌空气，发酵过程中控制温度为30℃，通过流加稀盐酸或氨水调节pH为7.5，后期流加葡萄糖；

（2）水解：将发酵培养结束的发酵液加入反应釜中，控制反应温度为40℃，缓慢流加4-氰基吡啶进行水解反应，用液相色谱跟踪4-氰基吡啶的残留量，水解反应结束时产物浓度为20%，底物的转化率为＞99.9%；

（3）膜过滤：将水解反应后的溶液通入微滤设备进行过滤，得到滤液和滤渣，滤液为异烟酸铵溶液，滤渣为反应后的废细胞及微量的4-氰基吡啶；

（4）脱色：将步骤（3）的到的滤液加入活性炭，搅拌1小时，用活性炭过滤器进行过滤；

（5）结晶：将步骤（4）得到的滤液加入到带有搅拌机构的结晶釜中，搅拌，缓慢流加31%的盐酸至pH为4.5，期间结晶釜温度控制在35℃，反应生成白色沉淀即异烟酸晶体；

（6）离心、干燥、包装：将步骤（5）生产的混合液放入离心机进行离心、洗涤，得到母液和异烟酸结晶体，异烟酸结晶体进入流化床进行干燥，干燥至水分含量低于0.5%，进行包装。

实施例2 一种制备异烟酸的方法

一种制备异烟酸的方法，产酶菌种选择Gibberella，产酶菌种Gibberella的发酵前处理工艺包括如下步骤：将经过长期驯化选育的斜面菌种Gibberellaintermedia进行活化，取500μL菌液接种到含50mL种子培养基的500mL锥形瓶中，在30°C、180r/min的往复式摇床上振荡培养36h后，将菌液稀释10^-4、10^-5、10^-6后涂布到固体筛选培养基上，在30°C恒温培养箱中进行培养，挑取筛选平板中单菌落转接到发酵培养基中培养60h后测定酶活力，将活力高的菌株保藏于甘油管或斜面培养基。

产酶菌种Gibberella的发酵前处理工艺过程中摇瓶阶段发酵培养基配方组成为：酵母粉0.75%，葡萄糖1%，NaCl0.116%，KH₂PO₄0.272%，尿素0.3%，pH7.0。

一种制备异烟酸的方法，包括如下步骤：

（1）发酵：在发酵罐中加入为发酵罐容积40%的培养基，所述培养基主要由以下质量百分数的原料组成：0.5%玉米浆，0.1%豆饼粉、0.3%NaCl、0.4%KH₂PO₄、0.2%K₂HPO₄·3H₂O、0.2%尿素、1%葡萄糖，灭菌后，接入5%的菌种，培养25h，期间不断通无菌空气，发酵过程中控制温度为20℃，通过流加稀盐酸或氨水调节pH为6，后期流加葡萄糖；

（2）水解：将发酵培养结束的发酵液加入反应釜中，控制反应温度为20℃，缓慢流加4-氰基吡啶进行水解反应，用液相色谱跟踪4-氰基吡啶的残留量，水解反应结束时产物浓度为20%，底物的转化率为＞99.9%；

（3）膜过滤：将水解反应后的溶液通入微滤设备进行过滤，得到滤液和滤渣，滤液为异烟酸铵溶液，滤渣为反应后的废细胞及微量的4-氰基吡啶；

（4）脱色：将步骤（3）的到的滤液加入活性炭，搅拌1小时，用活性炭过滤器进行过滤；

（5）结晶：将步骤（4）得到的滤液加入到带有搅拌机构的结晶釜中，搅拌，缓慢流加31%的盐酸至pH为2，期间结晶釜温度控制在20℃，反应生成白色沉淀即异烟酸晶体；

（6）离心、干燥、包装：将步骤（5）生产的混合液放入离心机进行离心、洗涤，得到母液和异烟酸结晶体，异烟酸结晶体进入流化床进行干燥，干燥至水分含量低于0.5%，进行包装。

实施例3 一种制备异烟酸的方法

一种制备异烟酸的方法，产酶菌种选择Gibberella，产酶菌种Gibberella的发酵前处理工艺包括如下步骤：将经过长期驯化选育的斜面菌种Gibberellaintermedia进行活化，取500μL菌液接种到含50mL种子培养基的500mL锥形瓶中，在30°C、180r/min的往复式摇床上振荡培养36h后，将菌液稀释10^-4、10^-5、10^-6后涂布到固体筛选培养基上，在30°C恒温培养箱中进行培养，挑取筛选平板中单菌落转接到发酵培养基中培养60h后测定酶活力，将活力高的菌株保藏于甘油管或斜面培养基。

产酶菌种Gibberella的发酵前处理工艺过程中摇瓶阶段发酵培养基配方组成为：酵母粉0.75%，葡萄糖1%，NaCl0.116%，KH₂PO₄0.272%，尿素0.3%，pH7.0。

一种制备异烟酸的方法，包括如下步骤：

（1）发酵：在发酵罐中加入为发酵罐容积80%的培养基，所述培养基主要由以下质量百分数的原料组成：05%玉米浆，05%豆饼粉、2%NaCl、2%KH₂PO₄、0.1-2%K2HPO4·3H2O、2%尿素、4%葡萄糖，灭菌后，接入0%的菌种，培养80h，期间不断通无菌空气，发酵过程中控制温度为50℃，通过流加稀盐酸或氨水调节pH为9，后期流加葡萄糖；

（2）水解：将发酵培养结束的发酵液加入反应釜中，控制反应温度为60℃，缓慢流加4-氰基吡啶进行水解反应，用液相色谱跟踪4-氰基吡啶的残留量；

（3）膜过滤：将水解反应后的溶液通入微滤设备进行过滤，得到滤液和滤渣，滤液为异烟酸铵溶液，滤渣为反应后的废细胞及微量的4-氰基吡啶，水解反应结束时产物浓度为20%，底物的转化率为＞99.9%；

（4）脱色：将步骤（3）的到的滤液加入活性炭，搅拌1小时，用活性炭过滤器进行过滤；

（5）结晶：将步骤（4）得到的滤液加入到带有搅拌机构的结晶釜中，搅拌，缓慢流加31%的盐酸至pH为5，期间结晶釜温度控制在70℃，反应生成白色沉淀即异烟酸晶体；

（6）离心、干燥、包装：将步骤（5）生产的混合液放入离心机进行离心、洗涤，得到母液和异烟酸结晶体，异烟酸结晶体进入流化床进行干燥，干燥至水分含量低于0.5%，进行包装。

实施例4 一种制备异烟酸的方法

一种制备异烟酸的方法，产酶菌种选择Fusarium，产酶菌种Fusarium的发酵前处理工艺包括如下步骤：将经过长期驯化选育的斜面菌种Fusarium oxysporum进行活化，取500μL菌液接种到含50 mL种子培养基的500 mL锥形瓶中，在30°C、120 r/min的往复式摇床上振荡培养36h后，将菌液稀释10^-4、10^-5、10^-6后涂布到固体筛选培养基上，在30°C恒温培养箱中进行培养，挑取筛选平板中单菌落转接到发酵培养基中培养60 h后测定酶活力，将活力高的菌株保藏于甘油管或斜面培养基。摇瓶阶段发酵培养基配方组成为：酵母粉0.5%，葡萄糖1.5%，NaCl 0.1%，KH₂PO₄ 0.272%，尿素0.3%，pH 7.0。

一种制备异烟酸的方法，包括如下步骤：

（1）发酵：在发酵罐中加入为发酵罐容积60%的培养基，所述培养基主要由以下质量百分数的原料组成：0.5%玉米浆，5%豆饼粉、0.1%NaCl、0.1%KH₂PO₄、0.1%K₂HPO₄·3H₂O、0.8%尿素、2%葡萄糖，115℃灭菌20min后，接入10%的菌种，培养60h，期间不断通无菌空气，发酵过程中酵过程中的搅拌转速和通气量分别为600rpm和0 .4vvm，控制温度为30℃，通过流加稀盐酸或氨水调节pH为7.2，后期流加葡萄糖；

（2）水解：将发酵培养结束的发酵液加入反应釜中，控制反应温度为45℃，缓慢流加4-氰基吡啶进行水解反应，用液相色谱跟踪4-氰基吡啶的残留量，水解反应结束时产物浓度为50%，底物的转化率为 ＞99.9%；

（3）膜过滤：将水解反应后的溶液通入微滤设备进行过滤，得到滤液和滤渣，滤液为异烟酸铵溶液，滤渣为反应后的废细胞及微量的4-氰基吡啶；

（4）脱色：将步骤（3）的到的滤液加入活性炭，搅拌1小时，用活性炭过滤器进行过滤；

（5）结晶：将步骤（4）得到的滤液加入到带有搅拌机构的结晶釜中，搅拌，缓慢流加31%的盐酸至pH为4.5，期间结晶釜温度控制在35℃，反应生成白色沉淀即异烟酸晶体；

（6）离心、干燥、包装：将步骤（5）生产的混合液放入离心机进行离心、洗涤，得到母液和异烟酸结晶体，异烟酸结晶体进入流化床进行干燥，干燥至水分含量低于0.5%，进行包装。

实施例5 一种制备异烟酸的方法

一种制备异烟酸的方法，产酶菌种选择Fusarium，产酶菌种Fusarium的发酵前处理工艺包括如下步骤：将经过长期驯化选育的斜面菌种Fusarium oxysporum进行活化，取500μL菌液接种到含50 mL种子培养基的500 mL锥形瓶中，在30°C、120 r/min的往复式摇床上振荡培养36h后，将菌液稀释10^-4、10^-5、10^-6后涂布到固体筛选培养基上，在30°C恒温培养箱中进行培养，挑取筛选平板中单菌落转接到发酵培养基中培养60 h后测定酶活力，将活力高的菌株保藏于甘油管或斜面培养基。摇瓶阶段发酵培养基配方组成为：酵母粉0.5%，葡萄糖1.5%，NaCl 0.1%，KH₂PO₄ 0.272%，尿素0.3%，pH 7.0。

一种制备异烟酸的方法，包括如下步骤：

（2）发酵：在发酵罐中加入为发酵罐容积40%的培养基，所述培养基主要由以下质量百分数的原料组成：2%玉米浆，0.5%豆饼粉、0.5%NaCl、0.5%KH₂PO₄、0.35%K₂HPO₄·3H₂O、0.2%尿素、3%葡萄糖，115℃灭菌20min后，接入2%的菌种，培养20h，期间不断通无菌空气，发酵过程中酵过程中的搅拌转速和通气量分别为600rpm和0 .4vvm，控制温度为20℃，通过流加稀盐酸或氨水调节pH为6.8，后期流加葡萄糖；

（2）水解：将发酵培养结束的发酵液加入反应釜中，控制反应温度为20℃，缓慢流加4-氰基吡啶进行水解反应，用液相色谱跟踪4-氰基吡啶的残留量，水解反应结束时产物浓度为50%，底物的转化率为 ＞99.9%；

（3）膜过滤：将水解反应后的溶液通入微滤设备进行过滤，得到滤液和滤渣，滤液为异烟酸铵溶液，滤渣为反应后的废细胞及微量的4-氰基吡啶；

（4）脱色：将步骤（3）的到的滤液加入活性炭，搅拌1小时，用活性炭过滤器进行过滤；

（5）结晶：将步骤（4）得到的滤液加入到带有搅拌机构的结晶釜中，搅拌，缓慢流加31%的盐酸至pH为2.5，期间结晶釜温度控制在20℃，反应生成白色沉淀即异烟酸晶体；

（6）离心、干燥、包装：将步骤（5）生产的混合液放入离心机进行离心、洗涤，得到母液和异烟酸结晶体，异烟酸结晶体进入流化床进行干燥，干燥至水分含量低于0.5%，进行包装。

实施例6 一种制备异烟酸的方法

一种制备异烟酸的方法，产酶菌种选择Fusarium，产酶菌种Fusarium的发酵前处理工艺包括如下步骤：将经过长期驯化选育的斜面菌种Fusarium oxysporum进行活化，取500μL菌液接种到含50 mL种子培养基的500 mL锥形瓶中，在30°C、120 r/min的往复式摇床上振荡培养36h后，将菌液稀释10^-4、10^-5、10^-6后涂布到固体筛选培养基上，在30°C恒温培养箱中进行培养，挑取筛选平板中单菌落转接到发酵培养基中培养60 h后测定酶活力，将活力高的菌株保藏于甘油管或斜面培养基。摇瓶阶段发酵培养基配方组成为：酵母粉0.5%，葡萄糖1.5%，NaCl 0.1%，KH₂PO₄ 0.272%，尿素0.3%，pH 7.0。

一种制备异烟酸的方法，包括如下步骤：

（3）发酵：在发酵罐中加入为发酵罐容积80%的培养基，所述培养基主要由以下质量百分数的原料组成：5%玉米浆，3%豆饼粉、2%NaCl、2%KH₂PO₄、0.1%K₂HPO₄·3H₂O、1.5%尿素、4%葡萄糖，115℃灭菌20min后，接入5%的菌种，培养80h，期间不断通无菌空气，发酵过程中酵过程中的搅拌转速和通气量分别为600rpm和0 .4vvm，控制温度为45℃，通过流加稀盐酸或氨水调节pH为8.5，后期流加葡萄糖；

（2）水解：将发酵培养结束的发酵液加入反应釜中，控制反应温度为55℃，缓慢流加4-氰基吡啶进行水解反应，用液相色谱跟踪4-氰基吡啶的残留量，水解反应结束时产物浓度为50%，底物的转化率为 ＞99.9%；

（3）膜过滤：将水解反应后的溶液通入微滤设备进行过滤，得到滤液和滤渣，滤液为异烟酸铵溶液，滤渣为反应后的废细胞及微量的4-氰基吡啶；

（4）脱色：将步骤（3）的到的滤液加入活性炭，搅拌1小时，用活性炭过滤器进行过滤；

（5）结晶：将步骤（4）得到的滤液加入到带有搅拌机构的结晶釜中，搅拌，缓慢流加31%的盐酸至pH为5，期间结晶釜温度控制在65℃，反应生成白色沉淀即异烟酸晶体；

（6）离心、干燥、包装：将步骤（5）生产的混合液放入离心机进行离心、洗涤，得到母液和异烟酸结晶体，异烟酸结晶体进入流化床进行干燥，干燥至水分含量低于0.5%，进行包装。

实验例1

对实施例1-6中制备异烟酸的方法制得的异烟酸进行检测，检测结果如表1所示：

表1

检测项目	指标	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6
								含量/(%)	≥99.0	99.8	99.7	99.7	99.5	99.7	99.4
熔点/(℃)	315-320	317	318	316	316	317	319
								干燥失重/(%)	≤0.5	0.15	0.18	0.16	0.21	0.17	0.16
重金属(Pb/mg/kg)	≤20	<20	<20	<20	<20	<20	<20
								灼烧残渣，w/%	≤0.1	0.03	0.05	0.05	0.03	0.04	0.04

根据表1的检测结果可以看出，本发明产物纯度高，环境污染小，且本申请的成本低。

上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式的产品形态和式样，任何符合本发明权利要求书且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应落入本发明的专利保护范围。