Acid Citric

Tema 6: BIOTEHNOLOGIA OBȚINERII ACIDULUI CITRIC

Elaborat de:

dr., asist. univ. Sorina URSU

CUPRINS

1.

Domeniile de utilizare și proprietățile produsului . ...........................................................................3 1.1.

Domenii de utilizare ................................................................... .................................................................................................................... ................................................. 3

1.2.

Materii prime, intermediare și auxiliare ...................................................................... ................................................................................... .............6

1.3.

Variante tehnologice de obținere a acidului citric . .................................................................10

1.3.1.

Obținerea acidului citric prin sinteză ..................................................................... ................................................................................ ........... 10

1.3.2.

Obținerea acidului citric prin biosinteză ............................................................. ........................................................................... .............. 10

1.4.

Alegerea variantei optime .......................................................... ......................................................................................................... ...............................................11

1.5.

Descrierea procesului tehnologic adoptat .................................................................... ............................................................................... ........... 12

1.5.1.

Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

.......12

Bibliografie ................................................................ ...................................................................................................................................... ................................................................................. ........... 20

2

1. Domeniile de utilizare și proprietățile produsului 1.1.

Domenii de utilizare

Acidul citric este un acid monohidroxi- tricarboxilic

ce se prezintă ca substanță anhidră cu

masa moleculară 192,12 sau ca monohidrat cu masa moleculară 210,14. Se găsește foarte mult răspândit în natură în țesuturile și sucurile vegetale și în specialîn citrice fiind solubil în apă și solvenți organici. Formula de structură (fig. 1):

Fig.1. Structura acidului citric

Pentru acid citric,

se mai întâlnesc denumirile tehnice și comerciale: acid 2 hidroxi -1,2,3-

 propan tricarboxilic; sare de lămâie, E330.

Acidul citric are multiple întrebuințări în industria alimentară: 1.

Ca adaos în sucurile de fructe ca atare sau diluate, precum și în racoritoare carbonatate, în care acționează ca agent de conservare și ca agent de protejare a culorii și aromei, având în acelși timp și capacitatea de a chela metalele care pot provoca modificări deculoare și aromă. Se consideră că stabilitatea culorii se realizează datorită inhibării atacului oxidativ asupra culorii existente, inhibării dezvoltării oxidării culorii, prevenirii formării de complexe metalice colorate. Capacitatea de a forma chelați a acidului citric și a citraților sedatorează existenței grupării hidroxil și a grupărilor carboxilice.

2.

În scopul stabilizării aromei produselor p rin inhibarea atacului oxidativ a supra componentelor de aromă și în același timp, prin inhibarea formării produselor cu miros neplăcut. În cazul adaosului la vinuri, acidul citric contribuie la ajustarea (corectarea) acidității, previne formarea de precipitate și casarea ferică datorită faptului că se complexează fierul subformă de acid ferocitric solubil, formă sub care participă la formarea casei. Acidul citric poatefi atacat de bacteriile lactice din vin, cu formare de acid lactic și acetic, în cazul în care vinul nu este protejat biologic. Se recomandă ca acidul citric să se adauge în faza finală a acondiționării vinului. Doza de acid citric autorizată este de 50 g/hL, în special pentru vinurile puțin predispuse casării care au 10 - 15mg fier/L și care, gustativ, suportă acidifierea. Tratamentul cu acid citric, în funcție de conținutul de fier, tanin, pH,  potențial redox, poate suplini în multe cazuri trata mentul cu ferocianură de potasiu, care este mai scump și mai dificil; 3

3. La conservarea fructelor pr in

congelare, caz în care, acidul citric, prin chelareametalelor,

face ca acidul ascorbic natural din fructe și legume să nu fie distrus. Fructele și legumele depielate se tratează,   de aemenea, cu soluție de acid citric pentru prevenireaîmbrunării enzimatice; 4.

Ca sinergetic alături de antioxidanții BHA, BHT, galatul de propil, pentru împiedicarea râncezirii grăsimilor și uleiurilor. Se consideră că efectul sinergetic se datoreazărestului citrat și nu acidului ca atare, ceea ce înseamnă că se poate folosi ca sinergetic și citratul de sodiu, acolo unde nu se cer condiții de acidulare. Pentru grăsimi și uleiuri este recomandat monostearil citratul care are o solubilitate mare în grăsimi;

5.

Ca un component al sărurilor de topire, în cazul brânzeturilor topite. Se utilizeazăîmpreună cu fosfații,efectul de emulsionare fiind însă realizat de tartrați. Lactații au însă efect invers, coagulând proteinele din brânză;

6.

La tratarea moluștelor supuse refrigerării si congelării. La aceste produse se formeazăo culoare albastră,

datorită complexului cupru tiol. Concomitent se formează și

mirosuristrăine. Prin tratarea moluștelor cu soluție de acid citric, defectele menționa te nu mai apar, datorită faptului că acidul citric complexează cuprul; 7.

Pentru împiedicarea zaharisirii mierii de albine, în clarificarea enzimatică a sucurilor, ca agent de stabilizare pentru condimente, boia de ardei în sinteza grăsimilor rearanjate neces are obținerii de shortening uri în dressingurile pentru salate;

8.

Ca un component al sărurilor efervescente împreună cu bicarbonatul de sodiu (acestea, la adaos de apă degajă dioxid de carbon);

9.

La obținerea de ape minerale artificiale.

Acidul citric mai este folosit și în producerea medicamentelor și în biotehnologie precumși la sapunuri și detergenti, datorită  proprietății de a combina metalele în apa dură. Are și alte utilizări cum ar fi: Circa 6 % acid citric va îndepărta pete de apă dură de pe sticlă fără frecări, ca ingredient î n înghețată sau folosit cu bicarbonat de sodiu, ajută la  indigestie. Mai poate fi utilizat in fotografie, la developarea filmului. Datorită faptului că, acidul citric poate fi folosit la

 prepararea unui explozibil sensibil laș ocuri, cumpărarea acidului citric in cantități mari duce la suspectarea de activitate teroristă . Propr ietăți fizice:

Acidul citric se prezintă sub formă de cristale incolore,  translucide, inodore, cu gust plăcutușor acid;  poate cristaliza

din soluții apoase la rece ca monohidrat sub formă de cristale  rombice, cu

masa moleculară 210,14. Acidul citric

monohidrat este stabil la aer cu umiditate normală, dar pierde ușor apa

decristalizare în atmosferă uscată sau în vid;  prin încălzire lentă, pierde apa de cristalizare la 704

75 º C și se topește complet în intervalul 135-152º C; la încălzire rapidă, pierde apa la 100º C și se topește la 153ºC. Densitatea acidului monohidrat este 1,542, iar a acidului anhidru 1,665. Acidul citric este

ușor

solubil în apă,  parțial solubil în alcooli alifatici inferiori și greu solubil în eter etilic. Acidul anhidru este insolubil în cloroform,

tetracorură de carbon,  benzen, toluen, sulfură de carbon. Este un acid

organic destul de tare: K a1=8,2·10-4, K a2=1,77·10 -5 și K a3=3,9·10-6 la 18ºC. Pr esiune de vapori la 20ºC

: >0.1hPa;pH-ul sol 50g/l în apă la 20 ºC: ≈1,8;

Temperatura de autoaprindere: 345 ºC.

Acidul citric este stabil în condiții normale de depozitare și manipulare,   se descompune sub acțiunea acidului sulfuric cu formare de acid formic si bioxid de carbon. Prin încălzire cusulfură de carbon se formează un compus bicicl ic-tiofen. Proprietăți chimice: După cum s-a mai spus acidul citric este un acid tricarboxilic. Sarea lui de calciu este mai greu solubilă în apă la cald decât la rece: ea se precipită la fierberea soluției și seredizolvă la răcire.  Prin încălzirea acidului citric la 175ºC se produce întâi eliminarea unei molecule de apăși se formează acidul aconitic. Această reacție a servit și la stabilirea structurii,

căci acidul aconitic, tricarboxilic

nesaturat se transformă prin hidrogenare cu  amalgam de sodiu, în acidultricarbalilic. Prin distilarea uscată a acidului citric se formează anhidrida acidului itaconic și a   acidului citraconic. Cu acidul sulfuric concentrat, acidul citric dă o reacție caracteristică a α -hidroxi-acizilor, anume

elimină acid formic și trece în acidul aceton -dicarboxilic, un acid β-cetonicdicarboxilic, usor de obtinut pe această cale. Un tratam ent mai energic duce la aceton. Prin încălzirea acidului citric cu pentasulfură de fosfor se formează tiofen:

Efectul chelatizant al acidului

citric explică relaţia sinergică cu antioxidanţii princomplexarea

 prooxidanţilor:

5

Proprietăţi biologice Acidul citric face parte dintr-o

serie de compuși implicați în oxidarea fizică a lipidelor,

 proteinelor și carbohidraților în CO2 și H2O. Această serie de reacții este legată de aproapetoate reacțiile metabolice și asigură ⅔ din energia derivată din alimente în organismele evoluate. Proprietăți farmacologice Acidul citric se foloseste în industria farmaceutică datorită efectului său anticoagulant.  Asigură rapida dizolvare a ingredientelor active. Are proprietatea de a regla pH-ul, es te folosit deasemenea

ca și efervescent în comprimate în combinație cu bicarbonați. Tabelul 1. Indicii fizico-chimici ai acidului citric comercial Nr. ord. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Indicii fizico-chimici Compoziție, (%) Apă, (%) Reziduuri, (%) Oxalați/acid oxalic, (%) Sulfați, (%) Arseniu, (ppm) Metale grele, (ppm) Plumb, (ppm) Tridodecylamine, (ppm)

Valoarea 99,5 –  100,5 Max. 0,5 Max. 0,05 Max. 0,036 Max. 0,015 Max. 1,0 Max. 5,0 Max. 0,5 Max. 0,1

1.2. Materii prime, intermediare și auxiliare

Microorganismul producător  Mucegaiurile fac parte din Phyllum Mycophyta sau Fungi și reprezintă, împreună cu  levurile un grup de organisme incluzând aproximativ 200.000 de specii. Sunt organisme filamentoase saprofite (care cresc pe substanțe intrate în putrefacție și nu produc boli) sau parazite (produc diferite boli). Ei se reproduc pe cale asexuată (fără participarea unor gamețide sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite).

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate, nefavorabile alemediului în care își desfășoară activitatea. Mucegaiurile cresc în condiții extreme de aciditate, presiune osmotică, uscăciune, etc. Au structura celulară de tip eucariot.

6

Fig. 2. Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta demucegai. Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui

hifal.

În general în structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice celor mai multe eucariote: peretele celular (hifal) , membrană plasmatică, citoplasmă șiconstituenții citoplasmici și nucleu. Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid în structura căruia intră chitină, celuloză,  polizaharide și unii acizi grași. Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este celcare  participă la formarea septului hifal. Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important în formarea aparatului Golgi. Are totodată importante roluri în transportul unor substanțe dinmediu în celulă și din celulă în mediu. Citoplasma

se prezintă sub forma unei mase fin granulate în care sunt suspendatevacuolele,

 picături de grăsimi, numeroase granule de incluziuni și particule. În citoplasmă segăsesc de asemenea, reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat, aparatul Golgi,mitocondrii, ribozomi

7

liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi, formațiunistructurale cu rol în liza unor substanțe. Fiziologie și metabolism Mucegaiurile au o nutriție de tip heterotrof adică necesită pentru creștere și dezvoltaremedii  bogate în substanțe organice. Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică, alcooli și aciziorganici. Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică, iar unelespecii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții. Fungii cresc

bine în atmosferă umedă, iar pH -ul lor optim este 5-6. Sunt microorganismecu

capacitate biosintetică mare, putând sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide.Lipide, acizi organici, pigmenți, substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice activ e. Temperatura optimă de creștere este de 22 -32 ˚C, însă ei pot crește și la temperaturi de 5 -10 ˚C, dar și la temperaturi de 35 -40 ˚C. Aproape toți fungii de interes industrial sunt aerobi,necesitând o concentrație ridicată de oxigen. Mulți dintre fungii de interes industrial, necesită pentru creșterea și dezvoltarea lor bioelemente cum ar

fi: Fe, K, Cu, Mn, Co, Mo, etc. Unele specii necesită factori de creșterefără de care

 procesele metabolice nu pot avea loc în condiții optime. Prin activitățile lor metabolice și posibilitățile de a transforma cu ușurință o gamă mare desubstanțe, mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați în industriaalimentară, fiind factorii principali în obținerea unor brânzeturi, producerea unor antibiotice,dar și în obținerea acidului citric. Melasa

Melasa, principalul subprodus de la fabricarea zahărului din trestie și sfeclă de zahăr,

reprezintă

siropul din care nu se mai poate separa zaharoza folosind tehnologia clasică de cristalizare și centrifugare.

Ea conține cantitatea totală de nezahăr, care nu a fost reținută în cristalele de zahăr și are o  puritate scazută .Caracteristici fizice: 

Aspect : lichid vâscos de culoare brun -negru;



Gust : caracteristic;



Densitate: variază în funcție de conținutul în substanță uscată, fiind de 1390 kg/m 3, la77 % s.u. și de 1420 kg/m 3, la 84% s.u.;



Vâscozitate: cuprinsă î ntre 13Cp si 19 Cp;



Caldură specifică: 0,5 kcal/kg·K. 8

Tabelul 2. Compoziția chimică a melasei din sfeclă și Compusul

Apă, % Substanţă uscată, % Zahăr total, % Zahăr invertit, % Rafinoză, % Azot total, %

Substanţe minerale, %  pH

trestie de zahăr (după Reiff, 1962)

Provenienţa melasei Sfeclă de zahăr Trestie de zahăr 20-25 15-20 75-80 80-85 44-52 50-55 0,1-0,5 20-23 0,6-1,8 1,2-2,4 0,3-0,6 7,6-12,3 10-12 6,0-8,6 <7

În compoziția melasei intră 44÷55 % zaharoză, 15÷25 % apă, iar restul este reprezentat de substanțe organice și minerale . Extract de porumb

Este un subprodus de la fabricarea amidonului din porumb, obținut în cursul înmuierii  preliminarea boabelor. Acest extract, ca și extractul de cartofi dă un mediu de cultură bogat nutritiv, mult utilizat în industria de biosinteza. Caracteristici fizice: 

Aspect : lichid cremos de culoare galben închis;



Substanta uscata : minim 50 %;



 pH = 3.5-4;



continutul in acid lactic : minim 20 g la 100 g substanță uscată;



zahar total maxim 2.5 %.

Tabelul 3. Compoziția chimică a melasei din sfeclă și Constituienti g/100g extractde porumb Substanță uscată   Cenușă   N total Zahar total (exprimat caglucoza) Acid lactic Aciditate ( ml. sol NaOH 0,1N /100 gextract de porumb ) Fe P Ca Zn K SO2  Sedimente solide

9

trestie de zahăr (după Reiff, 1962) Conținut, % 46-49,6 8,04-10,43 3,33-3,67 4,00-4,70 0,74-4,39 11,6-19,3 0,009-0,02 1,5-1,9 0,02-0,07 0,05-0,012 2,0-2,5 0,02 38,4-52,9

1.3.

Variante tehnologice de obținere a acidului citric 1.3.1.

Obținerea acidului citric prin sinteză

Una din sintezele acidului citric constă în transformarea dicloracetonei simetrice,   cu acid cianhidric,

în cianhidrina respectivă, saponificarea acesteia în hidroxiacidul halogenat și

condensarea celui din urmă cu cianură de potasiu: O altă sinteză pornește de la esterul metilic al acidului aceton -dicarboxilic(R=CH3). Acidul citric formează cristale mari, transparente, ușor solubile în apă având o moleculăde apă de cristalizare (p.t.100 ºC). Prin încălzire la 80 ºC pierde apa de cristalizare și are înstare anhidră,  p.t.153 ºC. 1.3.2.

Au

Obținerea acidului citric prin biosinteză

fost cercetate tehnologiile de obținere a acidului citric prin biosinteză pe culturi de

Aspergillus niger, Aspergillus clavatus, Aspergillus ventii, Penicillium citrinum, dar

aplicațiile

industriale au găsit numai tehnologiile ce folosesc culturi de  Aspergillus niger, iar dintre mediile de cultură studiate, cel mai eficient s a dovedit a fi mediul de cultură pe bază de melasă. Din punct de vedere tehnologic,  procesul de fermentație a acidului citric cu  Asp. niger poate fi

realizat în suprafață sau în profunzime. În primul sistem fermentația durează 10 - 11zile iar în al doilea durează 6 -7 zile.  Fermentația în suprafața

În acest procedeu, melasa este trimisă în reactor, unde la 40º C se tratează cu ferocianură de  potasiu, după care se sterilizează prin încălzire la 120 º C timp

de 30 min, se răcește la 45 ºC şi se

adaugă fosfatul de potasiu,  sulfatul de zinc, sulfatul de magneziu,

sub formă de soluţii sterile.

Mediul de cultură, astfel preparat se trimite în camera de fermentaţie sterilă, construită sub formă de uscător dulap în care se montează, pe rafturi, tăvi cu înălţimea de 20 cm, în care se introduce lichid de cultură pe o adâncime de 10 -15cm. Camera de fermentaţie se sterilizează cu aer, iar după introducerea lichidului se ventilează   cu are steril timp de 30 min, iar la sfarsitul perioadei de ventilaţie se face însămânţarea prin  curentul de aer. După însămânţare se opreşte pentru o ora ventilaţia, timp necesar sedimentării  inoculului, iar apoi se reia pentru toată durata fermentaţiei. La terminarea fermentaţiei biomasa se filtrează,  iar soluţia se supune prelucrării pentru  separarea acidului citric cristalin. Acest tip de fermentație este folosit însă la scara redusă în industrie. Avantajele folosirii acestuia sunt: 

efort minim în operații,



consumuri energetice minime și construcție simplă ainstalației.

10

Princi palul

dezavantaj este insă productivitatea mică la care se adaugă dificultatea păstrării

condițiilor aseptice, cele mai frecvente contaminări fiind date în principal de speciile  Penicillium, Aspergillus și bacterii lactice.  Fermentația în profunzime Se

realizează în fermentatoare cilindrice,  verticale echipate cu agitator, serpentină, barbotor de

aer și dispozitive de reglare. Inocularea și conducerea procesului de fermentație se face ca și la alte procese de biosinteză,  iar durata procesului este de 6-7 zile la pH de 3- 4,5

și un debit de aer de 1L aer pentru 1 L mediu și

minut.

După terminarea fazei de fermentație și filtrarea miceliului, soluția apoasă se supune prelucrării  pentru separarea acidului citric cristalin.

În procesul de obţinere a  acidului citric, ca şi în cel de obţinere a acidului itaconic şi  gluconic, rezultă soluţii apoase şi miceliu. Soluţiile apose pot fi utilizate pot fi utilizate camedii de cultură pentru biostimulatori,   iar miceliul uscat poate fi utilizat ca adaos la hrana păsărilor, având un efect stimulator în procesul de

creştere. Se estimează ca aproape 80 % din producția mondială de acid citric se obține folosind fermentația în profunzime. Acest tip de fermentație necesită instalații mai sofisticate și un  control riguros. Pe de o altă parte  prezinta și avantaje cum ar fi productivitatea mare costuri deinvestitie reduse și randamente ridicate, riscuri de contaminare mici. 1.4.

Alegerea variantei optime

În vederea obținerii acidului citric, se alege procedeul discontinuu de fermentație în profunzime folosind microorganismul Aspergillus niger deoarece mai mult de 90 % din acidul cit ric produs la

nivel mondial este obținut prin fermentație, oferă următoarele avantaje: 

operațiile sunt simple și stabile, instalația este în general mai putin complicată și arenevoie de un sistem de control mai puțin sofisticat, îndemânarea tehnică cerută nu este atât de înaltă;



consumul de energie este mic, iar căderile frecvente de curent nu afectează în mod criticfuncționarea instalației.

Procedeul culturii în profunzime constă în cultivarea microorganismelor în fermentatoare de otel,

în care mediul este supus unei aerații și agitări continue.În aceste condiții,  procedeulculturii

în  profunzime oferă o serie de avantaje, față de cultura în suprafața, printre care: costuri investiții reduse,

flexibilitate ridicată, conversia substratului ridicată,  pericol deinfectare al culturii redus,

volum bioreactor relativ mare, se obtin culturi omogene,randamente ridicate, puritatea produsului,

ca și activitatea biologică ridicate . 11

1.5.

Descrierea procesului tehnologic adoptat 1.5.1.

Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Pregătirea mediului de

Aer nesteril

cultură

Sterilizarea mediului de Aspergillus niger

Sterilizarea aerului

cultură

Fermentație

Filtrare

Biomasă

CaCl2 Precipitare Ca(OH)2, 20 %  Neutralizare

Filtrare H2SO4 Acidulare

Cărbune Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Fig. 2. Schema tehnologică de obținere a acidului citric

12

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze:  pregătirea mediului de cultură;





f ermentația;



f iltrarea soluțiilor native;



separarea și purificarea.

 Pregătirea mediului de cultură

În tehnologia obținerii acidului citric, o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea melasei pentru fermentația citrică. În general, melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o cantitate mare de fier, care inhibă atât creșterea masei celulare, cât și obținerea  acidului citric. Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimici, absorbanți, schimbători de ioni, dar rezultatele cele mai bune s au obținut la prelucrarea cuferocianură de potasiu, care permite sedimentarea ionilor de fier și a altor metale grele. Pentru aceasta,

melasa concentrată se încălzește la 40°C, se corectează pH ul la valoarea7,0,

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min. După aceasta melasa serăcește și se diluează cu apă până ce concentrația în zahăr devine 15%. Pentru a avea un proces normal de creștere a masei celulare și de producere a aciduluicitric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot, sulf și microelemente.  Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb, iar microelementele se adaugă la prepararea mediului. Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente,dar o parte din ele se separă odată cu fierul. Dintre microelemente nu trebuie să lipseascăzincul, cadmiul, aluminiul, cuprul și magneziul. Sterilizarea

Sterilizarea este procesul prin care are loc distrugerea sau îndepărtarea totală a microorganismelor patogene sau apatogene din

substanțe, preparate, spații închise, obiecte.

În industria de biosinteză, unde se obțin culturi microbiene pure, precum și în industriafarmaceutică și cea alimentară, procesul de sterilizare este de neînlocuit și poate fi realizat, de obicei, prin: 



 Metode termice : 

sterilizare cu aer cald la 140-200 ºC;



sterilizare cu vapori de apă



sterilizare prin încălziri repetate la 70 -100 ºC.

sub presiune la 120 -140 ºC;

 Metode fizice: 

filtrare prin umpluturi fibroase; 13





filtrare prin materiale poroase;



filtrare prin membrane;



utilizarea rediațiilor UV, IR, raze X, β, γ , etc.

 Metode chimice: 

Utilizarea agenților chimici: oxid de etilenă, formaldehidă,fenol, azotiperită, ozon, etc.



 Metode de preparare pe cale aseptică

Sterilizarea mediului de cultură Deși teoretic sterilizarea mediilor de cultură se poate realiză prin metode mecanice(filtrare, centrifugare, flotatie), termice, cu agenti chimici bactericizi, cu radiații X, β, δ,radiatii UV, aplicatii  practice au găsit numai procedee  le termice de sterilizare. Sterilizarea termică prezintă, însă, și o serie de inconveniente, generate în special, de reacțiile secundare  de degradare care au loc in timpul  procesului de sterilizare.

Pentru sterilizarea mediului de cultură pregătit pentru obținerea acidului citric se  prezintăinstalația de sterilizare la 120 – 125 ºC (fig. 3), deoarece aceasta prezintă o serie deavantaje cum ar fi: simplitatea, usurința în exploatare a utilajelor de sterilizare și realizarea   gradului de sterilizare dorit.

Fig. 3. Instalația de sterilizare a mediului de cultură la 120 – 125 ºC .

Este

alcatuită dintr-o coloană de sterilizare (1), menținător (2) și răcitor (3). Coloana de

sterilizare este concepută din două țevi concentrice, prin țeava interioară fiind introdus aburul, mediul

de cultură circulând prin spațiul dintre cele două țevi. Încalzirea medi ului se face prin

 barbotarea aburului de 5 ata prin intermediul fantelor practicate pe țeava interioară, acesta fiind 14

dirijat tangențial și uniform cu ajutorul unui șnec montat pe exteriorul țevii. Mediul staționează în coloană 4 –  6 secunde, după care  pătrunde în menținător, unde rămâne 15 –   20minute pentru  perfectarea procesului de sterilizare.În final, mediul este răcit într -un schimbător de caldură tip țeavă în țeavă, la 35 –  40 ºC, temperatură cu care este introdus în fermentator. Din diagrama timp –  temperatură (fig. 4), se observă că, în această instalație ,contribuția fazei

de încalzire și răcire la performanța procesului de sterilizare este de 5 –  6 %, astfel încât se poate considera că sterilizarea se realizează aproape în totalitate în faza demenținere.

Fig. 4. Diagrama timp – temperatură pentru sterilizarea continuă la 120 – 125 ºC

Sterilizarea aerului Studiind procesul de sterilizare a aerului, Aiba a determinat speciile reprezentative de bacterii

și spori care trebuiesc îndepartate în mod obligatoriu, pentru a putea fi asigurate condițiile unei fermentații aseptice. Cu toate că sterilizarea aerului se poate realiza atât prin procedee termice cât și prin filtare,metoda cea mai utilizată în  industrie este filtrarea. Pentru sterilizare prin filtrare se pot folosi următoarele materiale filtrante: 

fibre de sticlă cu diametru cuprins între 5 și 18 μ;



nitrat de celuloză, pentru filtrul cu membrană;



teflon cu o mare rezistență termică (până la 300ºC) și caracter hidrofob, utilizat sub fo rmă de folii de teflon sau în amestec cu polietilena;



 poliamidă (naylon), caracterizată prin rezistență termică, hidrofobicitate,elasticitate și durabilitate.

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare, în principiu, există trei tipuri de filtre cu aplicabilitate  practică și anume: 

filtrul cu fibră de sticlă (fig. 5);



filtre disc cu membrane (filtre absolute);



filtre tip lumânare. 15

Fig. 5. Schema de purificare și sterilizare a

aerului

Sterilizarea pe material fibros poate fi descrisă  printr-un model de curgere prin ocolire (fig. 6),

fenomen care impune absența totală a umidității din filtru (prezența umiditățiitransformă curgerea  prin ocolire în curgere prin alunecare, anulând total proprietățile filtrante).

Fig. 6. Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră

Din aceste motive, răcirea aerului în răcitorul (3) se face până la apariția condensului, iar după separarea lui, aerul saturat se preîncălzește cu aer fierbinte până când temperatura deieșire din filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ºC temperatura punctului de rouă.Stabilirea  parametrilor de funcționare ai instalației de sterilizare se face numai în funcție de  parametrii termodinamici ai aerului. Reținerea microorganismelor pe fibrele de sticlă, în procesul de filtrare a aerului, se realizează ca efect al combinării următoarelor fenomene:impact inerțial, intercepție, difuzie și atracție electrostatică. Analiza cantitativă a procesului dereținere a particulelor din aer  pe filtre de fibre de sticlă a evidențiat că eficacitatea filtrăriidepinde de caracteristicile materialului

fibros și de parametrii operației de filtrare. Fermentația

Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură, cu scopul de a biosintetizadiverși  produși, poartă denumirea de fermentație.Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză. Ea se realizează în trei etape: 16

- fermentația în inoculator - această fermentație dureaza 16 până la 20 de

ore;

- fermentația în intermediar –  această fermentație durează aproximativ 12 pînă la  16 ore; - fermentația în regim – are loc în fermentatorul de regim, în care se realizează aceleași condiții

și parametri ca și în inoculator și intermediar. În primele două faze se consideră că fermentația s -a ter minat atunci când conținutul dezahăr este consumat până la aproximativ 50% din valoarea inițială. În toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub ointensă agitare la temperatura de 29 - 32ºC.

În tehnologia obținerii acidului citric, o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea melasei pentru fermentația citrică. În general, melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o cantitate mare de fier, care inhibă atât creșterea masei celulare, cât și obținerea   acidului citric. Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimici,absorbanți, schimbător i de ioni, dar rezultatele cele mai bune s- au obținut la prelucrarea cuferocianură de potasiu, care

 permite sedimentarea ionilor de fier și a altor metale grele. Pentru aceasta, melasa concentrată se încălzește la 40°C,

se corectează pH ul la valoarea  7,0,

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min. După aceasta melasa serăcește și se diluează cu apă până ce concentrația în zahăr devine 15%. Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianură,dar numai până la concentrația de 50 -60 mg-%, după care scade datorită faptului căferocianura la concentrații mari inhibă procesul de creștere a masei celulare și de producere a  acidului citric. Un alt factor care influențează sensibil procesul de fermentație citrice este conținutul defosfor, a cărui valoare optimă este 25   - 30 mg-%. Fosforul reglează atât procesul de creștere a   masei celulare cât și procesul de utilizare a zahărului. Melasa conține, de obicei, 3 -20 mg-% fosfor , iar  până la valoarea optimă se adaugă în mediu de cultură fie fosfor monopotasic, fie  acid fosforic. Pentru a avea un proces normal de creștere a masei celulare și de  producere a aciduluicitric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot, sulf și microelemente. Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb, iar microelementele se adaugă la  prepararea mediului. Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente,dar o  parte din ele se separă odată cu fierul. Dintre microelemente nu trebuie să lipseascăzincul, cadmiul, aluminiul, cuprul și magneziul. Procesul de fermentație citrică fiind aerob, consumul de aer steril este de 1-1,5L aer pentruun litru mediu pe minut,iar pH- ul se menține tot timpul între

3 și 4,5.

Temperatura procesului de biosinteză depinde de stadiul de dezvoltare a masei celulare. Astfel,

însămânțarea serealizează la 36 -42 °C, după care temperatura se coboară  la 34-36 °C și se menține 17

la această valoare timp de 24- 36 ore, cât durează dezvoltarea masei microbiene, apoi temperatura sescade la 30-32 °C și se menține la această valoare pe toată durata elaborării acidului citric. Studiindu-se efectul termic al procesului

de fermentație s a stabilit că se degajă până la 250

kcal/m3 h, iar această valoare se atinge în a 5 a zi de fermentație și corespunde celei mai mari  valori a vitezei de acumulare a acidului citric (fig. 7).

Fig. 7. Variația concentrației acidului

citric și a efectului termic în procesul de fermentație

T1-variația efectului termic,kcal/m2∙h; T2-temperatura preluată de agentul de schimb  termic; A-variația concentrației în acid citric, g/ m 2∙h; B-viteza specifică de creștere a masei  celulare, g/ m2∙h. Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului

citric rezultă că acumularea saîncepe

după 25-30 ore de fermentație, iar viteza de acumulare atinge în ziua a 5 -a și a 6 – a valori de 105106 g/m3h.

De asemenea consumul de zahăr din biomasă este în perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric: în perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10  –  15 %, iar în  perioada de acumulare a produsului 48-50

% din cantitatea totală de zahăr din mediu. O utilizare

mai rațională a zahărului se obține în cazul în care conținutulacesatiua în mediu de cultură este cuprins între 14 și 16 %, concentrație ce asigură un conținut  de 10-12 % acizi organici, în care acidul citric reprezintă 80 –  95 %. Procesul

de

fermentație

se

realizează

prin

fermentație

în

profunzime,

în

fermentatoarecilindrice, verticale echipate cu agitator, serpentină, barbotor de aer și dispozitive de reglare.

Inocularea și conducerea procesului de fermentație se face ca și la alte procese de biosinteză, iar durata procesului este de 6-7 zile la pH de 3- 4,5 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut.

18

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate în urma procesului de fermentație de  produsul util. În principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca înindustria chimică, însă în cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de: - volume ridicate de mediu supus filtrarii; - prezența microorganismelor care înfundă porii materialului filtrant.

După fermentație și filtrarea miceliului, soluția apoasă se supune prelucrării pentrusepararea acidului citric cristalin. Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva în apă. Precipitarea și neutrali zarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă în soluția filtrată, rezultată de la fermentație CaCl2, se încălzește la 100ºC și

se neutralizează la pH 6,8  - 7 cu Ca(OH) 2, când precipită sărurile

de calciu ale acizilor organici formați (acid citric,  succinic, malic) prin biosinteză. Filtrarea și acidularea

Precipitatul format se filtrează și se spală cu apă fierbinte 95 ºC după care se tratează cu  acid sulfuric pentru eliberarea acidului citric din sarea sa de calciu.

Decolorarea și filtrare

Soluția obținută se tratează cu cărbune activ și se filtrează, iar filtratul se tratează cuferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou lacald. Se obține în acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20 -25 % care se supune unei evaporări la vid, la temperatura de 70 ºC. Evaporarea se continuă până ce concentrația soluției  ajunge la densitatea de 1,35-1,36 g/cm 3 după care se trimite la cristalizare.

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ºC cu o viteză de 20 ºC pe oră; de la 37 ºC la 27 ºC  cu o viteză de 10 ºC pe oră, de la 27 ºC la 20 ºC cu o viteză de 5 ºC pe oră, iar de la 20 ºC la 8 ºC cu o viteză de 3 ºC pe oră. Acidul citric cristalizat se filtrează pe centrifugă, după care se supune  procesului de uscare. Uscarea

Uscarea acidului citric se poate face discontinuu sau continuu la la temperatura de 60-70

ºC,

iar durata uscării variază cu temperatura. Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ºC nu  pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 %. Dacă însă umiditatea aerului

creşte

la 90 % atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului, trecând în soluţie. Acidul citricanhidru se

 poate obţine numai prin uscare cu aer a cărui umiditate trebuie să fie sub 50 %.

19

Bibliografie

1. Banu, C., et al., 2000  – Biotehnologii în industria 2. Banu, C., et al.  –  Aditivi

alimentară, Editura Tehnică, Bucureşti

şi ingrediente pentru industria alimentară, Editura Tehnică,

Bucureşti 3. Cojocaru, C., 1969  – Procedee tehnologice în industria fermentativă,

Editura Tehnică,

Bucureşti 4. Sasson, Al., 1993  – Biotehnologii şi dezvoltare, Editura Tehnică, Bucureşti. 5. http://ru.scribd.com/doc/112246297/Tehnologia-de-fabrica%C8%9Bie-Acid-citric 6. http://www.biotehnologii.usamv.ro/fisiere/file/MICROBIOLOGIE%20APLICAT%C4% 82.pdf  7.

20