Tehnologia de obtinere a otetului din vin
Oţetul este o soluţie de acid acetic diluat în apă, cunoscut şi ca oţet de fermentaţie, care se obţine din lichide li chide cu conţinut de alcool, prin supunerea acestora fermentaţiei acetice. Oţetul de fermentaţie se obţine după natura materiei prime folosite: din vinul natural alterat; din malţ; plamada de malţ supusă fermentaţiei alcoolice; din fructe, când este preparat din mustul de fructe; din alcool etilic obţinut din industria vinului. În prezent, în lume se fabrică o gamă variată de sortimente de oţet. Cea mai mare cantitate rezultă prin transformarea alcoolului în fermentaţie alcoolică. Se obţine oţet din vinuri albe şi roşii, din bere şi malţ, din cidru, din fructe (mere şi pere, bana ne, mango, citrice, nuci de cocos), iar în Asia din alcoolul de orez. Producţia mondială de oţet, exprimat în acid acetic pur, este de peste 200 mii tone, ceea ce înseamnă circa 2 miliarde litri oţet de 10°. După calităţile gustative, primul loc îl ocupă oţetul din vin şi cel din malţ. Aceste două sortimente au apărut la sfârşitul secolului al XVIII-lea. XVIII -lea. Cerintele crescânde de oţet, cantităţile limitate de materie primă pentru prepararea oţetului de vin si fabricarea relativ complicată a oţetului din malţ, au dus la fabricarea oţetului din alcool etilic din vin. Din acel moment, industria oţetului a cunoscut posibilitatea unei extinderi largi funcţie de existenta industriei de alcool. Fabricarea relativ simplă a oţetului din alcool a întărit şi mai mult poziţia predominantă a acestuia. acestuia. L. Pasteur a fost primul care a demonstrat că acidul acetic provine prin oxidarea Acetobacter în această transformare. etanolului, în evidenţă fiind rolul microorganismelor Acetobacter
Pentru savant, problema esenţială era de a găsi mijlocul de împiedicare a dezvoltării vegetaţiilor parazite care erau pricina bolilor vinurilor. Savantul a observat, după o serie de experimentări, că nu era nevoie decât să se ridice câteva secunde temperatura vinului la 50 sau 60°C. Oţetul obţinut în urma acestei fermentaţii se prezintă sub forma unui lichid incolor sau colorat, cu gust acru; poate fi obţinut prin fermentaţie acetică a lichidelor alcoolice diluate (vin, bere, alcool rectificat-rafinat rectificat- rafinat diluat), distilarea uscată a lemnului ori diluarea acidului acetic pur.
1
1.Compoziţia oţetului de vin
Este caracterizată printr -un gust şi o aromă plăcută, specială, conţinând pe langă acid acetic (3-9%), o cantitate apreciabilă de extract (1,5-3 g%) şi săruri, printre care bitartratul de potasiu a cărui prezenţă permite diferenţierea acestuia de oţetul de bere, fructe etc. Bacteriile acetice reprezintă un univers specific. Pentru prima oară ele au fost izolate în culturi pure de către savantul danez Jensen. În 1879 el a reuşit să obţină din pelicula acetică două specii de bacterii pe care, urmând terminologia timpului, le -a denumit: Micoderma aceti
şi Micoderma pasteurianum. Mai târziu acelaşi savant le-a schimbat
denumirea în Bacterium aceti şi Bacterium pasteurianum, la care a mai adăugat specia Bacterium kutzingianum.
În ţările văduvite de viţa de vie, oţeturile se fermentează pe malţ, cereale şi bere. Acestea se deosebesc de cele de vin şi alcool printr -un gust fad, neplăcut şi prin absenţa aproape completă a aromei. Pentru ameliorare se adaugă lichidului puţin vin. Metodele cele mai răspândite pentru obţinerea oţetului sunt: metoda Orleans sau metoda franceză; metoda rapida sau germană, existând bineînţeles o serie de variante intermediare. Deşi durata procesuui de preparare a oţetului măreşte costul produsului, această perioadă prezintă avantaje. În acest timp, considerat "îndelungat", se formează substanţe aromatice („buchetul") care imprimă oţetului calităţi superioare, tot astfel cum calităţile vinului se îmbunătăţesc prin păstrarea în pivniţă, după epuizarea fermentaţiei. Diferite specii de bacterii acetice se comportă diferit faţă de prezenţa acidului acetic în mediul respectiv. Introducerea în proces a bacteriilor care sunt adaptate la concentraţii mari de acid acetic va permite obţinerea unor condiţii selective capabile de a proteja fabricaţia atât faţă de flora străină cât şi de cea formată din bacterii nedorite. Un proces tipic de fermentaţie continuă îl reprezintă „metoda rapidă" de fabricare a oţetului. Această tehnologie se poate aplica deoarece, odată însămânţat şi intrat într -o judicioasă conducere a parametrilor de cultivare, se poate produce oţet într -o perioadă foarte îndelungată. Una dintre problemele fundamentale ale fabricării oţetului ar fi închiderea ermetică a vaselor şi, legat de aceasta, instalarea unui dispozitiv care să stimuleze curentul de aer condiţionat la o temperatură şi compoziţie strict determinată, precum şi un dispozitiv pentru reglarea vitezei aerului, depăşindu-se, astfel, pierderile de până la 30 % din producţie, în special din cauza volatilizării alcoolului şi acidului acetic. 2
De altfel, temperatura are o influenţă decisivă asupra formării acidului acetic(oţetului). În perioada de vară temperatura trebuie să fie în jurul valorii de 35°C. O dată cu sosirea anotimpului de vară, diferenţa de temperatuă dintre încăpere şi vas se micşorează pâna când devine zero. Dar o dată cu reducerea diferenţei de temperatură, se reduce şi diferenţa de aeraţie şi deci şi acţiunea oxidantă a bacteriilor. Aceasta, la rândul ei duce la o scădere a temperaturii în interiorul vasului şi, ca urmare, la o diminuare a aerisirii. În cele din urmă, curentul poate fi total întrerupt şi funcţionarea vasului să înceteze din cauza insuficienţei de oxigen. Desigur există şi alte metode pentru fabricarea oţetului care în principiu rezultă din combinarea celor două metode enunţate. Astfel, există metoda veche, de prin 1732, în care vasul umplut cu material convenabil (ciorchini de struguri fără boabe, talaj etc), se completează cu un lichid de fermentat şi se lasă în repaus o jumătate de zi, după care se introduce din nou în primul vas. Prin această metodă pelicula bacteriană se dezvoltă pe toată suprafaţa poroasă a materialului şi fermentaţia se produce mai repede decât la metoda Orleans. Oţetul din alcool poate fi considerat ca un produs finit, însă nu este comercializabil deoarece are un miros dezagreabil şi un gust înţepător şi îmbătător datorită prezenţei de aldehide; acesta dispare fie prin oxidare, fie prin evaporare. Prin decantare oţetul se clarifică fără altă operaţie. După această fază, se pritoceşte. Când butoaiele nu sunt bine închise, fermentaţia este foarte activă la suprafaţa lichidului şi când a oxidat puţinul alcool pe care-l conţine, atacă oţetul care devine apos. Dacă el conţine substanţe azotate sau acizii malic şi tartric este expus pericolului de a fi atacat de Bacterium xilinum care descompune acidul acetic, făcându-l apos. După preparare, indiferent de metodă,
produsul este clarificat prin decantare şi păstrat la 10 - 15°C în butoaie pline, unde suferă o oxidare lentă care-i ameliorează calitatea. Oţetul alimentar este un produs de fermentaţie acetică obţinut prin oxidarea enzimatică a alcoolului etilic din unele lichide cu un conţinut moderat de alcool. Oţetul este o soluţie apoasă de acid acetic, care în funcţie de materia primă din care se obţine mai conţine: glucide, alcool etilic, substanţe tanante, coloranţi, compuşi cu azot, vitamine, săruri minerale etc. Calitatea oţetului de vin este reprezentată prin: 15 -18 g/l extract; 5-8 g/l zaharuri; 12 g/l acid tartric; 2-4 g/1 săruri minerale; 0,8-1,2 g/l alcool etilic şi 50-80 g/l acid acetic; aciditatea totală a oţetului alimentar este 9 -0,3 g acid acetic la 100 grame produs (9° aciditate ); culoare de la alb-galbui la brun-roşcat.
3
Concentraţia totală reprezintă concentraţia maximă de acid acetic care s -ar putea obţine prin transformarea totală a alcoolului din mediu de reacţie, calcul utilizat în practica industrială, are la bază următoarea corespondenţă (pentru 100 ml): La concentraţiile uzuale ale oţetului, eroarea introdusă prin acest calcul este nesemnificativă. Bacteriile acetice se caracterizează printr -o remarcabilă capacitate de oxidare a etanolului la acid acetic la diverse valori de pH. Acestea aparţin genurilor Acetobacter şi Gluconobacter : A. Aceti, A. Hansenii, A. orleanense, A. suboxidans, A. xilinus
etc.
Conversia etanolului în acid acetic, în procesul de fermentaţie acetică aerobă propune, mai
întâi,
transformarea
acestuia
în
acetaldehidă,
transformare
catalizată
de
alcooldehidrogenaza (1). Acetaldehida este hidratată sub acţiunea unei hidrolaze (2), iar aldehid-dehidrogenaza (3) conduce la acid acetic. Activitatea optimă a acetobacteriilor este la pH de 3 – 3,2 la concentraţia acidului acetic de 8
- 10% şi a alcoolului etilic de 6 - 7%.
Cultura bacteriilor acetice se menţine în mediu agarizat, care conţine fosfaţi de amoniu, magneziu şi potasiu. Maiaua de bacterii selecţionate se realizează în mediu nutritiv lichid cu aerare intensă (1,84 m3 aer pentr u un litru alcool etilic absolut). Mediul nutritiv conţine pentru un litru alcool etilic absolut: 0.25 g superfosfat; 0.25 g sulfat de amoniu; 9 g carbonat de potasiu; 5 g glucoză. Fermentaţia acetică este un proces aerob exoterm, cu degajare de 455 - 490 kJ/mol. Influenţa procesului tehnologic asupra calităţii oţetului de fermentaţie nu este neglijabilă şi în anumite cazuri (oţetul balsamic) este extrem de importantă. Cu toate acestea, cel mai important factor este materia primă. În funcţie de natura materiei prime, există câteva tipuri distincte de oţet, prezentate pe scurt în continuare . 1.1 Oţetul de vin
Se fabrică în mod normal din vin. Totuşi, există sortimente comerciale care sunt prezentate ca „oţet din vin", deşi numai o parte din substratul iniţial este formată din vin, restul fiind un alt lichid hidroalcoolic, de obicei un amestec de spirt şi apă. Se folosesc în general vinuri de calitate inferioară sub aspectul acidităţii volatile, cu un conţinut redus de dioxid de sulf sau alte substanţe care ar putea inhiba bacteriile acetice. Culoarea oţetului din vin variază de la galben pal la roşu, în funcţie de sortimentul de vin folosit ca materie primă. Conform normelor Comunităţii Europene, aciditatea totală a oţetului din vin trebuie să fie de minim 6 g/100 ml, iar conţinutul de etanol să fie sub 1,5% (vlv).
4
1.2Oţetul de fructe
Oţeturile de fructe sunt obţinute prin fermentaţia acetică a unor soluţii alcoolice obţinute din fructe. Cel mai popular produs de acest tip este oţetul de mere, care are o culoare galben deschisă şi o aromă specifică. 1.3Oţetul de orez
Se fabrică în Asia, din lichide hidroalcoolice obţinute prin fermentarea alcoolică a unor plămezi de orez, uneori chiar din rachiu de orez. Metodele tradiţional e folosesc fermentaţia acetică lentă, dar au fost dezvoltate şi procedee submerse. 1.4Oţetul din spirt
Este denumit uneori şi oţet alb. Se obţine prin fermentaţia acetică a unor substraturi obţinute prin diluarea spirtului şi adăugarea unor nutrienţi. În mod normal, acest tip de oţet este incolor şi nu are aromă. 1.5Oţetul balsamic
Este un produs special, fabricat printr-o tehnologie particulară care porneşte de la mustul de struguri. Imediat după începerea fermentaţiei alcoolice a mustului (la aproximativ o zi de la presare), acesta este concentrat prin evaporare până când volumul se reduce la o treime din cel iniţial. În continuare acest substrat este supus unor fermentaţii alcoolice şi acetice concomitente şi foarte lente. În acest timp, soluţia este trecută succesiv prin butoaie din lemn de diferite esenţe. Procesul durează între 5 şi 12 ani, uneori mai mult. Produsul are un conţinut ridicat de substanţă uscată, o aromă specială şi o tărie acetică de 6 -15 grade. Indicii compoziţionali ai oţetului variază foarte mult în funcţie de materiile prime folosite şi tehnologia adoptată. Caracteristicile unor tipuri comerciale de oţet de fermentaţie sunt prezentate în tabelul 7.3, împreună cu caracteristicile „oţetului" sintetic.
5
2.Caracteristicile materiilor prime
Oţetul este un produs cu gust acru, înţepător, datorită conţinutului în acid acetic. Se foloseşte în alimentaţie drept condiment la acrirea unor mâncăruri, la marinarea legumelor, peştelui, etc. Se obţine prin două metode: prin fermentaţia acetică a unor materii prime şi prin diluarea cu apă a acidului acetic pur (esenţa de oţet). După materia primă folosită la fabricare se clasifică în: oţet de fermentaţie şi oţet de distilare. Oţetul de fermentaţie Materiile prime folosite la fabricarea oţetului de fermentaţie sunt: vinul, borhotul de fructe, tescovina, diferite soluţii alcoolice, etc. Alcoolul din aceste materii prime este oxidat în acid acetic în prezenţa aerului. Pentru ca fermentarea acetică să decurgă normal, se asigură în lichidul supus fermentării o concentraţie alcoolică până la maximum 12°, temperatura între 25 şi 32°C, precum şi diferite săruri pentru nutriţia bacteriilor acetice. În asemenea condiţii, activitatea bacteriilor acetice este optimă. Vinurile destinate oţetului sunt de obicei bolnave (oţetite, etc), cu defecte sau sunt slab alcoolice. În vederea obţinerii unui produs fără defecte, vinurile sunt supuse unor operaţii de condiţionare (limpezire, cupajare, etc), iar alcoolul se diluează până la tăria indicată, după care i se adaugă substanţe nutritive. Principiul de fabricaţie al oţetului constă în crearea unei suprafeţe cât mai mari de contact între materia primă, bacteriile lactice şi aer, în vederea asigurării unei oxidări complete a alcoolului etilic conţinut de materia primă. Diferitele procedee industriale folosite pentru fabricaţia oţetului se deosebesc prin aparatura folosită. Orice lichid cu conţinut de alcool poate fi utilizat la obţinerea oţetului; este cunoscut oţetul de vin, fiind cel mai vechi şi cel mai apreciat. Pentru obţinerea unui oţet de bună calitate se cere ca materia primă să fie din punct de vedere calitativ la nivelul cerinţelor tehnologice. Pentru fabricarea oţetului din vin se pot întrebuinţa atât vinurile albe, cât şi vinurile roşii. Din cauza preţului de vânzare redus, la fabricarea oţetului din vin nu se întrebuinţează în general vinurile de calitate superioară. Se valorifică vinurile alterate calitativ, dar nu toate vinurile alterate se pretează la fabricarea oţetului, sunt admise vinurile care au un inceput de oţetire sau care au început să se întindă. Conţinutul în alcool nu trebuie să fie prea ridicat. Cel mai bun oţet este cel obţinut din vinurile care au o concentraţie de 8 - 9% alcool. Vinurile mai slabe produc un oţet slab, greu 6
de conservat; când gradul alcoolic este mai mare acidifierea este incompletă şi neuniformă, dar se poate corecta prin utilizarea vinurilor care pot respecta această cerinţă tehnologică. Vinurile care conţin dioxid de sulf se acidifiază greu sau chiar deloc întrucât dioxidul de sulf este un antiseptic puternic cu acţiune inhibantă. Conţinutul în alcool al vinurilor trebuie să fie cuprins între 8 - 9 volume % alcool. La un grad alcoolic mai ridicat al vinului, bacteriile acetice nu se dezvoltă bine. Din vinurile cu un conţinut mai mic în alcool, rezultă un oţet slab, greu de conservat, cunoscându-se că dintrun grad de alcool rezultă un grad de acid acetic. Transformarea vinului în oţet se face cu ajutorul bacteriilor acetice. Ele trăiesc la suprafaţa vinului şi formează o peliculă subţire, mai mult sau mai puţin transparentă, mată sau gelatinoasă. Temperatura optimă pentru activitatea bacteriilor acetice este între 22 şi 26°C. Cu ajutorul enzimei alcoolaza, bacteriile acetice oxidează alcoolul etilic, transformându-l la început în aldehidă acetică apoi în acid acetic. Dintre bacteriile acetice care se folosesc la fabricarea oţetului, cele mai importante sunt: Bacterium orleanse, Bacterium xylinum, Bacterium Schűtzenbachii, etc. În funcţie de materia primă folosită există oţet de fermentaţie obţinut prin fermentarea acetică a lichidelor alcoolice şi oţet de distilare, obţinut prin distilarea acidului acetic pur. Oţetul de fermentaţie, după felul materiei prime folosite în fabricarea lui, poate fi din vin când este pregătit din vin natural, din malţ când plămada de malţ se supune fermentaţiei acetice, din fructe când este pregătit din mustul de fructe fermentat acetic, din vin cu adaos de alcool şi chiar numai din alcool atunci când la pregătirea mediului se folosesc şi săruri minerale ca surse de azot, fosfor, magneziu, potasiu, etc. În procesul de fermentare, oxidarea alcoolului până la acid acetic se efectuează cu ajutorul bacteriilor acetice cultivate. Oxidarea are loc în căzi în care se găsesc suporturi de oxidare. În ultimul timp fermentarea acetică se desfăşoară în vase special construite şi în condiţii submerse. La aceste instalaţii productivitatea este foarte mare. Ele însă nu s -au răspândit până în prezent prea mult, deoarece sunt destul de scumpe pentru a le înlocui pe cele actuale. Ca materii prime în fermentaţia acetică sunt utilizate vinuri alterate şi slab alcoolizate, alcooluri obţinute din cereale, sfeclă ori cartofi, rafinate sau diluate, sucuri de fructe, siropuri de zahăr, materiale amidonase, etc.
7
Acidul acetic este din punct de vedere chimic un acid alifatic, monocarboxilic. Sunt utilizate în acest scop vinurile care au început a se oţeti, ori au început să se "întindă". Vinurile amare nu pot fi utilizate în acest scop deoarece mirosul se accentuează. Modificări ale compoziţiei chimice a vinului intervenit prin transformare în oţet, datorită activităţilor bacteriilor acetic
3.Fermentaţia acetică
Fermentaţia acetică este un proces aerob exoterm, cu degajare de 455 -490 kJ/mol. Factorii dominanţi în procesul de fermentare
Viteza de conversie a alcoolului etilic la acid acetic depinde de natura microorganismelor şi a substratului, de gradul de aerare, de temperatură şi scade cu creşterea concentraţiei acidului acetic prezent în mediu. Bacteriile acetice din vin
Această grupă curpinde următoarele bacterii: Bacterium orleanense, care formează un voal subţire, adeseori roz şi care are tendinţa de a se înălţa pe pereţii vasului. Are l,3 - 2 μ în lungime şi 0,3 - 0,4 μ în lăţime. Poate produce 9,3% acid acetic; oţetul care ia naştere este parfumat şi limpede. Acetobacterium plicatum (Fuhrmann) este o bacterie care suportă 10 11% alcool şi produce 7,5% acid acetic, Bacterium xylinoides (Heneberg), care produce 8% acid acetic, Acetobacter ascendens (Henneberg), izolat din oţetul de vin tulbure dă naştere unui voal care se rupe uşor. Bacterium vini acetati (Henneberg) este izolat dintr-o fabrică de oţet de vin din Berlin, Bacterium xylinum (Brown), izolat din oţetul de vin, se prezintă sub formă de bastonaşe curbate, prezintă polimorfism, suportă numai până la 7% alcool, produce 4,5% acid acetic precum şi alţi produşi secundari; oţetul format este de calitate inferioară. Numărul microorganismelor prezintă importanţă la
începutul alterării, când viteza de
dezvoltare a bacteriilor depinde de numărul celulelor care ramân la suprafaţă, reţinute de forţele capilare în contact cu pereţii şi cu lichidul. După constituirea voalului, cantităţile de acid acetic formate devin foarte apropiate, oricare ar fi fost populaţia de pornire. Temperatura este un factor determinant; oţetirea progresează cu atât mai
repede cu cât
temperatura este mai ridicată; aciditatea volatilă formată la începutul alterării este de 2 ori mai mare la 28°C decât la 23°C şi de 2 ori mai rapidă la 23°C decât la 18°C. Oxigenul este
în general indispensabil pentru multiplicarea bacteriilor acetice. Pentru
a se multiplica şi a realiza fermentaţia acetică, bacteriile acetice au nevoie de mult aer. Doza 8
de oxigen din doi litri de aer este necesară pentru formarea unui gram de acid acetic, deci pentru a spori aciditatea volatilă a unui litru de vin cu 0,8g H2SO4. pH-ul limită pentru dezvoltarea bacteriilor acetice a putut fi determinat pe vinuri slab
alcoolice (8% vol.). Dacă la un pH mai coborât de 3,0 astfel de vinuri formează totuşi voal la supr afaţă, acesta este construit din levurile micodermice de „floare". Gradul alcoolic
este un factor însemnat pentru dezvoltarea bacteriilor acetice. Deşi e
cunoscut în practică faptul că vinurile cu grad alcoolic ridicat se îmbolnăvesc mai rar de oţetire, nu este totuşi posibil de stabilit o concentraţie alcoolică peste care vinul devine inapt pentru înmulţirea bacteriilor acetice; aceasta se datorează faptului că toxicitatea alcoolică este strânsă de cea a ionilor de H, pH -ul care va frâna dezvoltarea aceto bacteriilor, variză cu gradul alcoolic: pH-ul variză de la 3,0 pentru 8,5 vol. % alcool, la 3,4 pentru 12,5 vol. %. Orientativ, oţetirea este un proces rar la vinurile de peste 12 grade alcoolice din regiunile viticole nordice şi la cele de peste 15 vol. % în cele sudice. Taninul vinului
nu formează dezvoltarea bacteriilor acetice, dar o întârzie mult când
se află într -o concentraţie sporită; vinurile roze se oţetesc mai uşor decât cele roşi corespunzătoare. Consistenţa voalului creşte cu sporirea conţinut ului în tanin, probabil ca urmare a insolubilităţii acestor polifenoli. Alţi factori
intervin, deasemenea, în activitatea şi multiplicarea bacteriilor acetice.
Acetobacteriile nu sunt influenţate de variaţiile în limitele naturale a conţinutului în diferiţi cationi a vinurilor; sărurile minerale sunt întotdeauna suficiente pentru a permite dezvoltarea lor. Proporţia mare de citocromi în celulele bacteriilor acetice ar îndreptăţi presupunerea unei nevoi mai mari de fier a acestora. Reducerea sub un miligram la litru a cantităţii de fier prezentă în vin, prin tratarea cu ferocianură de potasiu sau fitat de calciu, nu sistează multiplicarea lor. Acetifierea industrială foloseşte uneori preparate pe bază de fosfaţi ce activează fermentaţia acetică; de asemenea, fierul, manganul, sărurile de uraniu, oxidul de fier coloidal şi cărbunenele animal catalizează dezvoltarea bacteriilor. Înmulţirea bacteriilor acetice solicită prezenţa următorilor aminoacizi: valina, izoleucina, alanina, cisteina, histidina, prolina; similarea azotului amoniacal face posibilă diferenţierea unor specii. Cele mai multe specii au nevoie de vitamine exogene ca: acidul pantotenic, nicotinamida şi acidul para-aminobenzoic. Fermentarea spontană în absenţa anhidridei sulfuroase a mustului din struguri alteraţi, mai ales la temperaturi ridicate, duce de multe ori la dezvoltarea bacteriilor acetice în 9
asociaţie de "simbioză" cu unele levuri şi la formarea unor proporţii mai mari de acizi volatili.
4.Utilizarea proceselor biotehnologice la fab ricarea oţetului şi a acidului acetic glacial
Soluţiile de acid acetic pot fi produse folosind două categorii de procedee: chimice (oxidarea acetaldehidei, distilarea uscată a lemnului) şi biotehnologice (fermentaţie acetică). Fabricarea acidului acetic prin metode chimice
Oxidarea acetaldehidei la acid acetic se realizează industrial în prezenţa unor catalizatori de tipul sărurilor de Fe, Ni, Mn, Co. Prin distilarea uscată a lemnului rezultă, pe lângă acid acetic şi alţi compuşi secundari. Acidul acetic rezultă în acest caz sub forma unei soluţii care conţine aproximativ 10% acid acetic, 2,5% alcool metilic, 0,5% acetonă, gudroane şi alţi compuşi. Acidul acetic este transformat în sare de calciu şi separat. Sarea se tratează cu acid sulfuric rezultând din nou acid acetic. Acidul acetic obţinut prin ambele metode descrise mai sus se purifică în continuare prin distilare şi alte procedee chimice. Se obţine în acest fel acid acetic glacial sau soluţii foarte concentrate de acid acetic. Pe baza acestora, se pot prepara soluţii de acid acetic cu concentraţia cuprinsă între 60 - 80%, denumite de multe ori „esenţă de oţet" şi care se folosesc, prin diluare, aromatizare şi colorare (de cele mai multe ori cu caramel) la obţinerea „oţetului" sintetic. Fabricarea în scop alimentar a acestui tip de „oţet" este interzisă în multe ţări, iar acolo unde este permis, provenienţa produsului trebuie să fie marcată explicit. Fabricarea acidului acetic prin procedee biotehnologice
Indiferent de tehnologia aplicată, procedeele biotehnologice se bazează pe fermentaţia acetică a unor lichide alcoolice. Operaţiile care implică aspecte biotehnologice sunt: prepararea substratului hidroalcoolic, fermentaţia acetică şi, într -o mai mică măsură, maturarea. Aceasta din urmă se aplică selectiv, mai ales în cazul oţetului obţinut prin fermentaţie submersă. Materiile prime care pot fi folosite la fabricarea oţetului sunt foarte diverse: vin, spirt (alcool etilic), cidru şi diverse soluţii alcoolice obţinute prin fermentaţia alcoolică a unor sucuri de fructe, a mierii, a mustului de malţ şi a unor materii prime amidonoase. Condiţia
10
esenţială este să conţină alcool etilic. Aceste materii prime se pot folosi individual sau în amestec, cu sau fără adaos de apă. xylinus). În Concentraţia de alcool etilic din soluţia hidroalcoolică se reglează la valori
cuprinse între 3,5 % (v/v) şi 17 % (v/v), în funcţie de tăria acetică, care urmează să fie obţinută şi randamentul de conversie corespunzător tehnologiei folosite. Randamentul teoretic de conversie este prezentat odată cu tratarea mecanismului fermentaţiei, iar randamentele practice sunt prezentate individual, în funcţie de tehnologia de fabricaţie. Pe lângă prezenţa alcoolului etilic, pentru desfăşurarea fermentaţiei acetice în condiţii bune, este necesară şi o serie de nutrienţi secundari şi factori de creştere. Dacă se utilizează ca materie primă vinul sau lichide alcoolice provenite din fermentarea sucurilor de fructe şi a mustului de malţ, adăugarea de nutrienţi secundari nu este strict necesară. De asemenea, până la o anumită limită, fermentaţia acetică poate fi condusă în condiţii relativ ac ceptabile, chiar dacă se folosesc amestecuri între materiile prime descrise mai sus, apă şi alcool etilic. Totuşi, dacă fracţiunea reprezentată de vin, must de malţ fermentat sau de sucurile fermentate de fructe este sub 50 - 60%, este necesară adăugarea unor elemente nutritive suplimentare. Anumite substanţe nutritive au un efect pozitiv, chiar şi asupra substraturilor formate exclusiv din vin. Cantitatea de nutrienţi utilizată şi proporţia dintre aceştia depinde de natura substratului. De obicei se folosesc săruri de amoniu (sulfat de amoniu, fosfat de amoniu), de potasiu şi de fosfor (sulfat de potasiu, fosfat de potasiu) şi extracte de malţ condiţionate sub diverse forme. Maturarea - limpezirea Oţetul din şarjele normale se păstrează minimum o lună în vase pentru maturarelimpezirea, după care se face eventual o corecţie de compoziţie, urmată de filtrare, îmbuteliere, depozitare temporară şi livrare. În unele cazuri este necesară şi stabilizarea. Filtrarea oţetului
Oţetul din şarjele normale conţine în suspensie impurităţi, au aspect tulbure sau este slab colorat. Se procedează la filtrarea lui, iar uneori este cleit cu gelatină. Pentru intensificarea culorii oţetului se adaugă anumiţi coloranţi alimentari. Nu este permisă adăugarea în oţet a substanţelor conservante, artificiale, aromatizante, a substanţelor cu gust iritant şi sintetice îndulcitoare. Oţetul din vin nu este pus în consum decât după maturare, când s-a format aroma şi buchetul sau datorită resturilor rezultate în urma reacţiilor dintre acizii din oţet şi alcool etilic rămas nefermentat. Aspecte microbiologice şi biochimice în timpul fermentaţiei acetice 11
Microorganismele care produc cantităţi semnificative de acid acetic fac parte din genul Acetobacter (Acetobacter aceti, Acetobacter acetigenus, Acetobacter ascendes, Acetobacter hansenii, Acetobacter kűtzingianus, Acetobacter liquefaciens, Acetobacter orleanense, Acetobacter pasteurianus, Acetobacter schűtzenbachii, Acetobacter suboxidans, Acetobacter Mecanismul biologic de conversie a etanolului în acid acetic începe cu reacţia de formare a acetaldehidei, catalizată de o alcooldehidrogenază. Etanolul format în acest caz se poate oxida din nou conform reacţiei (7.1), iar ciclul poate fi reluat conform reacţiei (7.4). Proporţia de acid acetic care se formează în cursul fermentaţiei pe această cale în raport cu cantitatea de acid acetic format pe calea principală nu este cunoscută până în prezent. Formarea acetaldehidei ca intermediar în fermentaţia acetică a fost dovedită experimental prin adăugarea de sulfit sau bisulfit de calciu în fermentatorul acetic. Disulfitul de calciu reacţionează cu aldehida acetică conform reacţiei: În acest fel se blochează mecanismul principal al fermentaţiei acetice. Produsul format nu este oxidat de bacteriile acetice şi se acumulează în mediu. Randamentul teoretic de conversie a alcoolului etilic în acid acetic este de 130,4 kg de acid acetic la 100 kg de alcool. Dacă se exprimă alcoolul în grade Salleron, randamentul teoretic devine 0,0103 kg de acid acetic/grad alcoolic Salleron. Viteza de conversie depinde de natura microorganismelor şi a substratului, de nivelul de aprovizionare cu oxigen, de temperatură şi scade cu creşterea concentraţiei acidului acetic prezent în mediu. Fermentaţia acetică este un proces exoterm. Conversia fiecărui mol de alcool etilic este însoţită de eliberarea unei cantităţi de căldură de 117 kcal. Procedee de realizare a fermentaţiei acetice
O dată asigurat conţinutul corespunzător de alcool etilic şi substanţe nutritive, pentr u desfăşurarea fermentaţiei acetice rămâne esenţială atingerea şi menţinerea unei anumite concentraţii a oxigenului dizolvat. De modul în care se realizează aprovizionarea cu oxigen a bacteriilor acetice depind viteza procesului de fermentaţie şi, într -o oarecare măsură, calităţile senzoriale ale produsului finit. În funcţie de viteza de formare a acidului acetic (şi implicit de modul de aerare) procedeele de fermentaţie acetică pot fi împărţite în două categorii: procedee lente şi procedee rapide. Procedeele rapide se împart, principial, în procedee la care contactul soluţiei
12
alcoolice cu aerul se face prin distribuirea acesteia pe o coloană de umplutură inertă şi procedee submerse. 4.1Procedeele lente (tip Orleans)
Sunt cele mai vechi tehnici comerciale de fabricare a oţetului, principiul fiind cunoscut din antichitate. Soluţia alcoolică este plasată la început într -un vas cu raport diametru/înălţime mare, care conţine talaş, tulpini de viţă de vie sau alte materiale de origine vegetală (de exemplu coceni de porumb) care pot asigura o suprafaţă specifică mare. După aproximativ 7 zile, perioadă în care se declanşează fermentaţia acetică, lichidul este trecut într-un alt vas. Acesta este de obicei un butoi din lemn de e senţă tare dar poate fi şi o cadă închisă construită din acelaşi material. Umplerea se face în aşa fel încât lichidul să ocupe de la 50% până la 70% din volumul total al vasului. În aceste condiţii, fermentaţia acetică se desfăşoară lent, numai la suprafaţa lichidului, unde concentraţia de oxigen dizolvat este suficientă pentru a asigura metabolizarea alcoolului etilic de către bacteriile acetice. Se formează astfel un „voal de fermentaţie" în care numărul de bacterii acetice active este mare. Fermentaţia durează între 8 şi 14 săptămâni, în funcţie de compoziţia iniţială a soluţiei alcoolice, temperatură, natura microorganismelor, suprafaţa de contact lichid/aer etc. După ce fermentaţia acetică se consideră încheiată, se extrage din vas o cantitate de oţet reprezentând 60 - 70% din volumul iniţial şi se înlocuieşte cu materia primă. În acest fel în vasul de fermentaţie rămâne o cantitate de oţet care conţine un număr suficient de bacterii acetice pentru reluarea fermentaţiei. Din acest moment nu mai este necesară etapa iniţială, respectiv trecerea prin vasul cu umplutură. La unele variante ale acestui procedeu, pentru realizarea unei aerări suplimentare, soluţia alcoolică aflată în fermentaţie acetică este trecută succesiv dintr -un vas în altul. Procedeele lente se folosesc, în general, pentru obţinerea unui oţet cu tăria de 4 - 7 grade acetice. Viteza scăzută implică ocuparea unui spaţiu de fermentaţie mare, ceea ce se traduce în ultimă instanţă printr -o suprafaţă construită mare şi costuri investiţionale r idicate în comparaţie cu celelalte procedee. Avantajul esenţial al procedeelor lente este aroma foarte fină a produsului finit. Atunci când se folosesc materii prime corespunzătoare, calităţile senzoriale ale oţetului fabricat prin fermentaţie lentă nu pot fi obţinute sub nici o formă prin utilizarea metodelor rapide. Din acest motiv, procedeele lente sunt folosite pentru fabricarea oţeturilor din fructe şi a unor produse speciale, cum este, de exemplu, oţetul balsamic. 13
4.2 Procedee rapide care folosesc c oloane cu umplutură
În acest caz, pentru atingerea unui nivel ridicat de oxigen dizolvat, plămada este distribuită printr -un procedeu oarecare pe o coloană cu umplutură care asigură o suprafaţă mare de transfer gaz-lichid. Distribuirea plămezii se poate face continuu (cazul procedeului care foloseşte stropirea uniformă a părţii superioare a coloanei cu substrat) sau discontinuu (prin „înecarea" periodică cu substrat a coloanei, urmată de scurgerea substratului). Prima variantă este utilizată mai frecvent deoarece regimul de aerare fluctuează mai puţin şi, în consecinţă, fermentaţia acetică decurge în condiţii mai bune, atât sub aspectul randamentului cât şi al vitezei. Umplutura este formată, de obicei, din talaş de fag roşu, dar se poate folosi şi talaşul de stejar, spuma de mare, cocsul sau mangalul tratat în prealabil cu HCl diluat. Proiectat în secolul al XlX-lea şi perfecţionat pe parcurs, aparatul Frings a constituit principalul tip de acetator utilizat până la dezvoltarea industrială a fermentaţiei acetice submerse. Acetatorul Frings este format dintr-un vas tronconic cu înclinaţie mică în interiorul căruia este fixată, între două grătare, o coloană de umplutură. Volumul acetatoarelor uzuale este de 10 - 25 m3. Soluţia alcoolică parţial acetificată, colectată la partea inferioară a aparatului, este recirculată continuu cu ajutorul unei pompe şi împrăştiată cvasiuniform de un distribuitor pe suprafaţa superioară a umpluturii. Distribuitorul trebuie să asigure o împrăştiere uniformă a soluţiei, pentru realizarea unei suprafeţe de transfer gaz/lichid cât mai mare, în cursul curgerii gravitaţionale. În contracurent cu lichidul prin coloană circulă curenţi de aer proaspăt. Aerul intră prin orificii distribuite în serală pe toată înălţimea aparatului şi iese printr-un racord montat la partea superioară a acetatorului. Pentru recuperarea parţială a vaporilor de acid acetic care părăsesc incinta de fermentaţie odată cu aerul se foloseşte uneori un condensator . Cantitatea de căldură care se formează în cursul fermentaţiei acetice industriale este de aproximativ 10 600 kJ/kg de alcool etilic metabolizat. Cea mai mare parte din această căldură este transferată fluxului de aer, care circulă prin acetator, şi mediului exterior. Totuşi, în anumite condiţii, dacă viteza de conversie a etanolului în acid acetic creşte peste o anumită limită sau temperatura mediului exterior este ridicată, este necesară preluarea excesului de căldură prin intermediul unui schimbător de căldură .
14
Se consideră că regimul termic normal de funcţionare corespunde următoarelor plaje de temperatură, distribuite pe înălţimea coloanei: 22 - 26°C în partea superioară; 26 - 28°C în zona centrală şi 30 - 34°C în partea inferioară. Măsurarea temperaturii se face cu o serie de termometre dispuse pe înălţimea coloanei. Menţinerea sub control a procesului de fermentaţie se poate face acţionând asupra a trei parametri: debitul de aer proaspăt (se modifică prin obturarea sau deschiderea orificiilor de aerisire; temperatura lichidului distribuit pe secţiunea superioară a coloanei (prin modificarea debitului/temperaturii agentului de răcire folosit la schimbătorul de căldură) şi gradul de recirculare (se modifică debitul de lichid pompat). La prima pornire a aparatului se foloseşte un amestec de materie primă şi soluţie alcoolică aflată în stare de fermentaţie acetică (cuib de oţet), preluată dintr -un alt acetator, aflat în regim normal de funcţionare. Deoarece prima pornire este un proces delicat, este recomandabil să se urmărească cu atenţie temperaturile în cele trei zone ale umpluturii şi să se intervină dacă este necesar prin modificarea debitului de aer sau a regimului de pompare. Dacă, cantitatea de cuib aflată la dispoziţie este redusă se adoptă, de obicei, un regim iniţial intermitent de pompare. Fermentaţia acetică se conduce până la un conţinut remanent de alcool etilic de circa 0,2%. În acest moment se extrage rapid 50 - 70% din oţetul aflat în aparat, se începe imediat alimentarea treptată cu materie primă, urmărind regimul de temperatură, şi se reia ciclul de funcţionare. În regim normal de funcţionare un ciclu de producţie a aparatului durează 8 -12 zile pentru un oţet cu tăria de 9 grade acetice. Acetatorul Frings poate produce, în condiţiile unor costuri rezonabile, oţet cu tăria de până la 12 grade acetice. Desigur că în acest caz durata unui ciclu creşte. Pentru un anumit volum dat al aparatului şi al coloanei de umplutură, productivitatea depinde de durata ciclului de funcţionare care, la rândul lui, este dependent de productivitatea unităţii de volum a umpluturii. În general, aceasta are în 24 de ore o medie de 2,0 - 4,5 kg acid acetic/m3 umplutură. Productivitatea este influenţată de natura bacteriilor acetice şi modul de conducere a fermentaţiei. Mai mult, productivitatea părţii superioare a coloanei este semnificativ mai mare decât cea a părţii inferioare. Astfel, în timp ce în primele straturi de umplutură se converteşte în acid acetic aproximativ 40% din alcoolul etilic prezent iniţial, în straturile inferioare conversia scade până la 4%. Randamentul practic al acetatoarelor Frings este cuprins între 75% din randamentul teoretic (dacă nu sunt prevăzute cu condensator şi condiţiile generale de funcţionare sunt defectuoase) şi 90% din randamentul teoretic (dacă sunt prevăzute cu condensator şi regimul 15
de funcţionare este corespunzător). Fracţiunea cea mai mare a pierderilor (până la 90% din pierderile totale) este formată din acidul acetic pierdut prin evaporare. Procedeele care se bazează pe înecarea periodică a umpluturii folosesc bat erii de 2-10 vase, care funcţionează împreună. Înecarea umpluturii se face numai de jos în sus. Fiecare acetator este inundat succesiv şi periodic cu aceeaşi cantitate de soluţie alcoolică aflată în fermentaţie acetică. În general, inundarea se face prin pompare dar, în cazul bateriilor de două acetatoare, se poate face şi prin dezlocuirea soluţiei cu aer comprimat. Durata unui ciclu complet este mai mare decât la acetatorul Frings (10 - 30 de zile), iar randamentul de transformare este asemănător (până la 85% din randamentul teoretic). 4.3Procedee care folosesc fermentaţia submersă
Dezvoltarea industrială a fermentaţiei acetice submerse a avut loc treptat, după 1950, pe baza experienţei acumulate în producţia submersă de antibiotice. În cazul fermentaţiei acetice submerse, suprafaţa de transfer gaz/lichid creată cu ajutorul umpluturii în cazul acetatoarelor clasice este înlocuită cu suprafaţa unor bule de aer cu dimensiuni mici, distribuite în număr foarte mare în toată masa lichidului aflat în fermentaţie. În plus, „cuibul de oţet" folosit la acetatoarele cu umplutură este înlocuit adeseori cu culturi selecţionate de bacterii acetice. La unele dintre primele acetatoare care foloseau fermentaţia submersă, pentru distribuirea bulelor de aer a fost folosită o placă groasă de sticlă sinterizată. În prezent, instalaţiile industriale de obţinere a oţetului prin fermentaţie submersă utilizează bi oreactoare de diverse tipuri (Vogelbusch, B.M.A., Chemap etc.) adaptate corespunzător, la care generarea unei suprafeţe de contact cât mai mare între aer şi lichid se face prin mijloace mecanice. Un acetator tipic din această clasă este format dintr -un vas de oţel inoxidabil, acido-rezistent sau polipropilenă armată cu fibre de sticlă, un sistem mecanic de distribuire a aerului sub formă de bule cu diametru mic (turbină cu sau fără autoaspiraţie, fie un injector special combinat cu un sistem de palete pentru realizarea unui regim puternic turbionar), suprafeţe de transfer termic montate în interior sau un schimbător de căldură extern, spărgător de spumă (de obicei de tip mecanic, cu elemente active), condensator pentru recuperarea vaporilor de acid acetic, a paratură de automatizare şi control specifică. Printre altele, aceasta trebuie să cuprindă elemente pentru măsurarea temperaturii, a conţinutului de oxigen dizolvat ( pO2), a conţinutului de alcool şi a nivelelor de lichid şi spumă din aparat. Conducerea procesului se realizează în general automat, uneori cu 16
calculator de proces, prin reglarea continuă a temperaturii şi a conţinutului de oxigen dizolvat. În momentul în care conţinutul rezidual de alcool etilic atinge 0,2%, se extrage automat 30 - 50 % din volumul de lichid din acetator şi se înlocuieşte treptat (pentru menţinerea temperaturii în plaja optimă pentru bacteriile acetice) cu materie primă. Productivitatea unui astfel de aparat depinde de nivelul de aerare (5- 15 m3 aer/m3 de soluţie x oră) şi de eficacitatea cu care acesta este distribuit sub formă de bule fine. Un acetator submers tipic poate produce 25 - 30 kg de acid acetic/m3 de volum util în 24 de ore. Volumul util este, de obicei, 60 - 70% din volumul total. De exemplu, în cazul unui acetator cu un volum util de 21 m3, la care se extrage pe ciclu o treime din soluţia acetică, durata fermentaţiei pentru o tărie finală de 12 grade acetice este de aproximativ 30 de ore. Randamentele obţinute sunt net superioare în raport cu acetatoarele cu umplutură, putând atinge 98% din randamentul teoretic. Prin fermentaţie submersă se pot obţine soluţii cu o tărie acetică de până la 15 grade. Dacă se urmăreşte obţinerea unei concentraţii mari de acid acetic, se separă fermentaţia în două trepte, care se desfăşoară în bioreactoare diferite, cu culturi diferite şi parametri specifici. Din punctul de vedere al operării, acetatoarele submerse sunt mai sensibile decât cele cu coloană de umplutură, deoarece absenţa aerării pe durate chiar foarte scurt e (sub 1 min) provoacă o reducere majoră a numărului de bacterii acetice active, cu repercusiunile corespunzătoare asupra duratei ciclului şi a randamentului. Astfel de evenimente sunt evitate prin utilizarea unor surse de rezervă pentru alimentarea cu energie şi a unor sisteme de automatizare cu siguranţă mare în exploatare. Oţetul produs prin fermentaţie submersă este mult mai tulbure şi ceva mai puţin aromat decât cel produs în acetatoare cu umplutură. Din aceste motive este supus unei operaţii de limpezire/filtrare şi se lasă uneori la maturare/învechire în butoaie de lemn. Se obţine astfel un oţet bogat în principii biologice, rezultate în urma autolizei celulelor bacteriene. Privită global, dintre tehnicile prezentate, fermentaţia submersă este cea m ai avantajoasă din punct de vedere economic, mai ales dacă preţul unităţii de suprafaţă construită este mare. Acest tip de fermentaţie acetică a permis construirea unor linii de producţie pentru acid acetic glacial de origine biologică. În acest scop, acidul acetic de fermentaţie se extrage cu acetat de etil, se separă şi se concentrează prin distilare.
17
