Acid Citric
Content
Domenii de utilizare
Acidul citric este un acid monohidroxi-tricarboxilic ce se prezintă ca substan ță anhidră
(C6H8O7), cu masa moleculară 192,12 sau ca monohidrat(C 6H8O7 H2O), cu masa moleculară
210,14. Se găsește foarte mult răspândit în natură în țesuturile și sucurile vegetale și în special
în citrice fiind solubil în apă și solvenți organici.
Formula de structură:
Pentru acid citric, se mai întâlnesc denumirile tehnice și comerciale: acid 2 hidroxi-1,2,3propan 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 de
culoare 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 se
datorează existenței grupării hidroxil și a grupărilor carboxilice.
2.
În scopul stabilizării aromei produselor prin inhibarea atacului oxidativ asupra
componentelor de aromă și în același timp, prin inhibarea formării preoduselor cu miros
neplăcut.
În cazul adaosului la vinuri, acidul citric contribuie la ajustarea (corectarea) acidită ții,
previne formarea de precipitate și casarea ferică datorită faptului că se complexează fierul sub
formă de acid ferocitric solubil, formă sub care participă la formarea casei. Acidul citric poate
fi 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 a
condiționării vinului. Doza de acid citric autorizată este de 50g/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, poten țial redox, poate
suplini în multe cazuri tratamentul cu ferocianură de potasiu, care este mai scump și mai
dificil;
3.
La conservarea fructelor prin congelare, caz în care, acidul citric, prin chelarea
metalelor, 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 prevenirea
îmbrunării enzimatice;
4.
Ca sinergetic alături de antioxidanții BHA, BHT, galatul de propil, pentru
împiedicarea râncezirii grăsimilor și uleiurilor. Se consideră că efectul sinergetic se datorează
restului 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 utilizează
împreună 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 formează
o culoare albastră, datorită complexului cupru-tiol. Concomitent se formează și mirosuri
străine. Prin tratarea moluștelor cu soluție de acid citric, defectele menționate 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
necesare 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 precum
și la sapunuri și detergenti, datorită proprietății de a combina metalele in apa dură.
Are si alte utilizări cum ar fi: Circa 6% acid citric va îndeparta pete de apa dură de pe
sticlă fără frecări, ca ingredient in inghețată 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 la șocuri,
cumpărarea acidului citric in cantități mari duce la suspectarea de activitate teroristă.
Variante tehnologice de obținere a acidului citric
-
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 moleculă
de apă de cristalizare (p.t.100ºC). Prin încălzire la 80 ºC pierde apa de cristalizare și are în
stare anhidră, p.t.153ºC.
-
Obținerea acidului citric prin biosinteză:
Au 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 fermenta ția durează 10-11
zile 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 răce ște la 45 º
C 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 a
instalației. Principalul 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 fermenta ție și filtrarea miceliului, solu ția
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 ca
medii 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 ob ține folosind
fermentația în profunzime. Acest tip de fermentație necesită instala ții mai sofisticate și un
control riguros. Pe de o altă parte prezinta și avantaje cum ar fi productivitatea mare costuri de
investitie reduse și randamente ridicate, riscuri de contaminare mici.
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
citric produs la nivel mondial este obținut prin fermentație, oferă următoarele avantaje:
-operațiile sunt simple și stabile, instalația este în general mai putin complicată și are
nevoie 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 critic
funcționarea 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 condi ții, procedeul
culturii în profunzime oferă o serie de avantaje, față de cultura în suprafața, printre care:
costuri investiții reduse, flexibilitate ridicată, conversia substratului ridicată, pericol de
infectare al culturii redus, volum bioreactor relativ mare, se obtin culturi omogene,
randamente ridicate, puritatea produsului, ca și activitatea biologică ridicate.
Descrierea procesului tehnologic adoptat
Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic:
Aer nesteril
Pregătire mediu de cultură
Sterilizare mediu de
cultură
Sterilizare
aer
Aspergillus niger
Fermentație
Filtrare
CaCl2
Precipitare
Ca(OH)2, 20%
Neutralizare
Filtrare
H2SO4
cărbune
Acidulare
Decolorare și filtrare
Demineralizare
Cristalizare
Filtrare
Biomasa
Uscare
Fig. nr. II.4.1: Schema tehnologică de obținere a acidului citric.
Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze:
Pregătirea mediului de cultură;
Fermentația;
Filtrarea soluțiilor native;
Separarea și purificarea.
1. Pregătirea mediului de cultură
In tehnologia obținerii acidului citric, o importanță foarte mare o are procesul de pregătire
a melasei pentru fermentația citrică. În general, melasele rezultate din industria zahărului
conțin o cantitate mare de fier, care inhibă atât creșterea masei celulare, cât și ob ținerea
acidului citric. Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agen ți chimici,
absorbanți, schimbători de ioni, dar rezultatele cele mai bune s au ob ținut la prelucrarea cu
ferocianură 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 se
răcește 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 acidului
citric 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 lipsească
zincul, cadmiul, aluminiul, cuprul și magneziul.
2. 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 industria
farmaceutică și cea alimentară, procesul de sterilizare este de neînlocuit și poate fi realizat, de
obicei, prin:
1.
2.
3.
Metode termice :
Sterilizare cu aer cald la 140-200º C;
Sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120-140º C;
Sterilizare prin încălziri repetate la 70-100º C;
Metode fizice:
Filtrare prin umpluturi fibroase;
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.
4. 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 procedeele 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 prezintă
instalația de sterilizare la 120 – 125 ºC (fig.II.4.1.2.), deoarece aceasta prezintă o serie de
avantaje cum ar fi: simplitatea, usurința în exploatare a utilajelor de sterilizare și realizarea
gradului de sterilizare dorit.
Fig. II.4.1.2: 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 mediului se face prin
barbotarea aburului de 5 ata prin intermediul fantelor practicate pe țeava interioară, acesta
fiind 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 – 20
minute pentru perfectarea procesului de sterilizare.
În final, mediul este răcit într-un schimbător de caldură tip țeavă în țeavă, la 35 – 40ºC,
temperatură cu care este introdus în fermentator.
Din diagrama timp – temperatură (fig.II.4.1.3.), se observă că, în această instala ție ,
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 de
menținere.
Fig.II.4.1.3. 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
formă 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.II.4.1.4.);
-
filtre disc cu membrane (filtre absolute);
-
filtre tip lumânare.
Fig.II.4.1.4. Filtrul cu fibre de sticlă.
(1 – placă perforată; 2 – plasă de sârmă; 3 – garnitură de cauciuc; 4 – material
filtrant; 5 - rama).
Este alcătuit dintr-un strat de material filtrant fixat între două site, sus ținute de două placi
perforate (diametrul perforațiilor este de 0,7 – 0,8 cm). Filtrul este prevăzut cu manta de
încalzire, care permite uscarea materialului filtrant sterilizat cu abur direct. Acest tip de filtru,
indicat pentru industria de biosinteză, oferă posibilitatea sterilizării unor debite ridicate de aer,
realizarea unui grad avansat de purificare și durată indelungată de funcționare. Dezavantajele
filtrului cu fibre sunt: operații complicate la schimbarea fibrelor de sticlă (durata 2,5 – 3 ore),
manipularea neplacută a fibrelor de sticlă și anularea efectului de sterilizare după umezirea
materialului fibros.
Schema de principiu a liniei de purificare și sterilizare a aerului prin filtrare pe material
fibros este redată în figura următoare. Conform acestei scheme, aerul, separat de impurități în
filtrul (1), trece prin compresorul (2), unde este comprimat adiabatic la 3-3,5 at, temperatura
crescând la 150 - 160ºC. După racire în (3), aerul este introdus în separatorul de picături (4),
filtrul principal cu material fibros (5) (prima treaptă de sterilizare), filtrul individual cu
material fibros (a doua treaptă de sterilizare, după care pătrunde în fermentator.
Fig. II.4.1.5. Schema de purificare și sterilizare a aerului.
Sterilizarea pe material fibros poate fi descrisă printr-un model de curgere prin ocolire
(Fig.II.4.1.6.), fenomen care impune absența totală a umidită ții din filtru (prezen ța umidită ții
transformă curgerea prin ocolire în curgere prin alunecare, anulând total proprietățile
filtrante).
Fig.II.4.1.6. Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră.
Din aceste motive, răcirea aerului în răcitorul (3) se face până la apari ția condensului, iar
după separarea lui, aerul saturat se preîncălzește cu aer fierbinte până când temperatura de
ieșire 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 func ție 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 de
reținere a particulelor din aer pe filtre de fibre de sticlă a evidențiat că eficacitatea filtrării
depinde de caracteristicile materialului fibros și de parametrii operației de filtrare.
3. Fermentația
Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură, cu scopul de a biosintetiza
diverși produși, poartă denumirea de fermentație.
Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză. Ea se realizează
în trei etape:
-
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 terminat atunci când con ținutul de
zahăr este consumat până la aproximativ 50% din valoarea inițială.
În toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub o
intensă agitare la temperatura de 29 - 32ºC.
În tehnologia obținerii acidului citric, o importanță foarte mare o are procesul de pregătire
a melasei pentru fermentația citrică. În general, melasele rezultate din industria zahărului
conțin o cantitate mare de fier, care inhibă atât creșterea masei celulare, cât și ob ținerea
acidului citric. Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agen ți chimici,
absorbanți, schimbători de ioni, dar rezultatele cele mai bune s-au obținut la prelucrarea cu
ferocianură 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 se
răcește 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 că
ferocianura 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 de
fosfor, a cărui valoare optimă este 25-30 mg%. Fosforul reglează atât procesul de cre ștere a
masei celulare cât și procesul de utilizare a zahărului. Melasa conține, de obicei, 3-20mg%
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 acidului
citric 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 lipsească
zincul, cadmiul, aluminiul, cuprul și magneziul.
Procesul de fermentație citrică fiind aerob, consumul de aer steril este de 1-1,5L aer pentru
un 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 se
realizează la 36-42°C, după care temperatura se coboară la 34-36°C și se men ține la această
valoare timp de 24-36 ore, cât durează dezvoltarea masei microbiene, apoi temperatura se
scade 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/m3h, 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. II.4.1.7.)
Fig.II.4.1.7. 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 sa
începe după 25-30 ore de fermentație, iar viteza de acumulare atinge în ziua a 5-a și a 6-a
valori de 105-106 g/m3h. De asemenea consumul de zahăr din biomasă este în perfectă
concordanță cu acumularea acidului citric: în perioada de creștere a masei celulare se
consumă 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 conținutul
acesatiua în mediu de cultură este cuprins între 14 și 16%, concentrație ce asigură un con ținut
de 10-12% acizi organici, în care acidul citric reprezintă 80-95%.
Procesul de fermentație se realizează prin fermentație în profunzime, 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 1 L aer pentru 1
L mediu și minut.
Filtrarea
Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate în urma procesului de fermenta ție de
produsul util. În principiu filtrarea lichidelor de fermenta ție se utilizează acelea și tehnici ca în
industria 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 pentru
separarea 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 neutralizarea
Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă în soluția filtrată, rezultată de la fermenta ție
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 cu
ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la
cald. 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 concentra ția solu ției
ajunge la densitatea de 1,35-1,36 g/cm3 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 citric
anhidru se poate obţine numai prin uscare cu aer a cărui umiditate trebuie să fie sub 50%.
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 game ți
de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite).
Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condi țiile variate, nefavorabile ale
mediului în care își desfășoară activitatea. Mucegaiurile cresc în condiții extreme de aciditate,
presiune osmotică, uscăciune, etc. Au structura celulară de tip eucariot.
Fig. nr. II.4.2.1. Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri.
Structura internă
Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de
mucegai. 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 și
constituenții 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 cel
care 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 substan țe din
mediu în celulă și din celulă în mediu.
Citoplasma se prezintă sub forma unei mase fin granulate în care sunt suspendate
vacuolele, picături de grăsimi, numeroase granule de incluziuni și particule. În citoplasmă se
găsesc de asemenea, reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat, aparatul Golgi,
mitocondrii, ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi, forma țiuni
structurale cu rol în liza unor substanțe.
Fiziologie și metabolism
Mucegaiurile au o nutriție de tip heterotrof adică necesită pentru cre ștere și dezvoltare
medii bogate în substanțe organice.
Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substan ță glucidică, alcooli și acizi
organici. Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică, iar unele
specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții.
Fungii cresc bine în atmosferă umedă, iar pH-ul lor optim este 5-6. Sunt microorganisme
cu capacitate biosintetică mare, putând sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide.
Lipide, acizi organici, pigmenți, substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active.
Temperatura optimă de creștere este de 22-32˚C, însă ei pot crește și la temperaturi de 510˚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 cre șterea și dezvoltarea lor
bioelemente cum ar fi: Fe, K, Cu, Mn, Co, Mo, etc. Unele specii necesită factori de cre ștere
fără de care procesele metabolice nu pot avea loc în condiții optime.
Prin activitățile lor metabolice și posibilitățile de a transforma cu u șurin ță o gamă mare de
substanțe, mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați în industria
alimentară, 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, la
77% s.u. și de 1420 kg/m3, la 84% s.u.;
Vâscozitate : cuprinsă între 13Cp si 19 Cp;
Caldură specifică : 0,5 kcal/kg·K.
In compoziția melasei intră 45÷52 % zaharoză, 14÷18% apă, iar restul este reprezentat de
substanțe organice și minerale
Componentul
Melasa de la
sfecla de zahar
Melasa de la
trestia de zahar
Apa
20÷25
15÷20
Substanta uscata,%
75÷80
80÷85
Zahar total,%
40÷52
50÷55
Zahar invertit,%
0,1÷0,5
20÷23
Rafinoza,%
0,6÷1,8
-
Azot total ( N x
6,25),%
1,2÷2,4
0,3÷0,6
Substante minerale,
%
7,5÷12,5
10÷12
pH
6,0÷8,6
sub 7
Tabelul II.4.2.2. Compozitia chimica a melasei
Extract de porumb
Este un subprodus de la fabricarea amidonului din porumb, obținut în cursul înmuierii
preliminare a 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 20g la 100g substanță uscată;
zahar total maxim 2.5%.
Constituienti g/100g extract
de porumb
%
Tabel
Substanță uscată
46-49,6
Cenusă
8,04-10,43
N total
3,33-3,67
Zahar total (exprimat ca
glucoza)
4,00-4,70
Acid lactic
0,74-4,39
Aciditate ( ml. sol NaOH 0,1
N /100 g
extract de porumb )
11,6-19,3
Fe
0,009-0,02
P
1,5-1,9
Ca
0,02-0,07
Zn
0,05-0,012
K
2,0-2,5
SOַ2
0,02
Sedimente solide
38,4-52,9
Compoziția
nr.
II.4.2.3.
chimică
extractului de porumb
a
Acidul citric este un acid monohidroxi-tricarboxilic ce se prezintă ca substan ță anhidră
(C6H8O7), cu masa moleculară 192,12 sau ca monohidrat(C 6H8O7 H2O), cu masa moleculară
210,14. Se găsește foarte mult răspândit în natură în țesuturile și sucurile vegetale și în special
în citrice fiind solubil în apă și solvenți organici.
Formula de structură:
Pentru acid citric, se mai întâlnesc denumirile tehnice și comerciale: acid 2 hidroxi-1,2,3propan 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 de
culoare 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 se
datorează existenței grupării hidroxil și a grupărilor carboxilice.
2.
În scopul stabilizării aromei produselor prin inhibarea atacului oxidativ asupra
componentelor de aromă și în același timp, prin inhibarea formării preoduselor cu miros
neplăcut.
În cazul adaosului la vinuri, acidul citric contribuie la ajustarea (corectarea) acidită ții,
previne formarea de precipitate și casarea ferică datorită faptului că se complexează fierul sub
formă de acid ferocitric solubil, formă sub care participă la formarea casei. Acidul citric poate
fi 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 a
condiționării vinului. Doza de acid citric autorizată este de 50g/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, poten țial redox, poate
suplini în multe cazuri tratamentul cu ferocianură de potasiu, care este mai scump și mai
dificil;
3.
La conservarea fructelor prin congelare, caz în care, acidul citric, prin chelarea
metalelor, 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 prevenirea
îmbrunării enzimatice;
4.
Ca sinergetic alături de antioxidanții BHA, BHT, galatul de propil, pentru
împiedicarea râncezirii grăsimilor și uleiurilor. Se consideră că efectul sinergetic se datorează
restului 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 utilizează
împreună 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 formează
o culoare albastră, datorită complexului cupru-tiol. Concomitent se formează și mirosuri
străine. Prin tratarea moluștelor cu soluție de acid citric, defectele menționate 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
necesare 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 precum
și la sapunuri și detergenti, datorită proprietății de a combina metalele in apa dură.
Are si alte utilizări cum ar fi: Circa 6% acid citric va îndeparta pete de apa dură de pe
sticlă fără frecări, ca ingredient in inghețată 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 la șocuri,
cumpărarea acidului citric in cantități mari duce la suspectarea de activitate teroristă.
Variante tehnologice de obținere a acidului citric
-
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 moleculă
de apă de cristalizare (p.t.100ºC). Prin încălzire la 80 ºC pierde apa de cristalizare și are în
stare anhidră, p.t.153ºC.
-
Obținerea acidului citric prin biosinteză:
Au 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 fermenta ția durează 10-11
zile 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 răce ște la 45 º
C 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 a
instalației. Principalul 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 fermenta ție și filtrarea miceliului, solu ția
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 ca
medii 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 ob ține folosind
fermentația în profunzime. Acest tip de fermentație necesită instala ții mai sofisticate și un
control riguros. Pe de o altă parte prezinta și avantaje cum ar fi productivitatea mare costuri de
investitie reduse și randamente ridicate, riscuri de contaminare mici.
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
citric produs la nivel mondial este obținut prin fermentație, oferă următoarele avantaje:
-operațiile sunt simple și stabile, instalația este în general mai putin complicată și are
nevoie 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 critic
funcționarea 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 condi ții, procedeul
culturii în profunzime oferă o serie de avantaje, față de cultura în suprafața, printre care:
costuri investiții reduse, flexibilitate ridicată, conversia substratului ridicată, pericol de
infectare al culturii redus, volum bioreactor relativ mare, se obtin culturi omogene,
randamente ridicate, puritatea produsului, ca și activitatea biologică ridicate.
Descrierea procesului tehnologic adoptat
Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic:
Aer nesteril
Pregătire mediu de cultură
Sterilizare mediu de
cultură
Sterilizare
aer
Aspergillus niger
Fermentație
Filtrare
CaCl2
Precipitare
Ca(OH)2, 20%
Neutralizare
Filtrare
H2SO4
cărbune
Acidulare
Decolorare și filtrare
Demineralizare
Cristalizare
Filtrare
Biomasa
Uscare
Fig. nr. II.4.1: Schema tehnologică de obținere a acidului citric.
Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze:
Pregătirea mediului de cultură;
Fermentația;
Filtrarea soluțiilor native;
Separarea și purificarea.
1. Pregătirea mediului de cultură
In tehnologia obținerii acidului citric, o importanță foarte mare o are procesul de pregătire
a melasei pentru fermentația citrică. În general, melasele rezultate din industria zahărului
conțin o cantitate mare de fier, care inhibă atât creșterea masei celulare, cât și ob ținerea
acidului citric. Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agen ți chimici,
absorbanți, schimbători de ioni, dar rezultatele cele mai bune s au ob ținut la prelucrarea cu
ferocianură 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 se
răcește 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 acidului
citric 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 lipsească
zincul, cadmiul, aluminiul, cuprul și magneziul.
2. 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 industria
farmaceutică și cea alimentară, procesul de sterilizare este de neînlocuit și poate fi realizat, de
obicei, prin:
1.
2.
3.
Metode termice :
Sterilizare cu aer cald la 140-200º C;
Sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120-140º C;
Sterilizare prin încălziri repetate la 70-100º C;
Metode fizice:
Filtrare prin umpluturi fibroase;
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.
4. 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 procedeele 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 prezintă
instalația de sterilizare la 120 – 125 ºC (fig.II.4.1.2.), deoarece aceasta prezintă o serie de
avantaje cum ar fi: simplitatea, usurința în exploatare a utilajelor de sterilizare și realizarea
gradului de sterilizare dorit.
Fig. II.4.1.2: 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 mediului se face prin
barbotarea aburului de 5 ata prin intermediul fantelor practicate pe țeava interioară, acesta
fiind 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 – 20
minute pentru perfectarea procesului de sterilizare.
În final, mediul este răcit într-un schimbător de caldură tip țeavă în țeavă, la 35 – 40ºC,
temperatură cu care este introdus în fermentator.
Din diagrama timp – temperatură (fig.II.4.1.3.), se observă că, în această instala ție ,
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 de
menținere.
Fig.II.4.1.3. 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
formă 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.II.4.1.4.);
-
filtre disc cu membrane (filtre absolute);
-
filtre tip lumânare.
Fig.II.4.1.4. Filtrul cu fibre de sticlă.
(1 – placă perforată; 2 – plasă de sârmă; 3 – garnitură de cauciuc; 4 – material
filtrant; 5 - rama).
Este alcătuit dintr-un strat de material filtrant fixat între două site, sus ținute de două placi
perforate (diametrul perforațiilor este de 0,7 – 0,8 cm). Filtrul este prevăzut cu manta de
încalzire, care permite uscarea materialului filtrant sterilizat cu abur direct. Acest tip de filtru,
indicat pentru industria de biosinteză, oferă posibilitatea sterilizării unor debite ridicate de aer,
realizarea unui grad avansat de purificare și durată indelungată de funcționare. Dezavantajele
filtrului cu fibre sunt: operații complicate la schimbarea fibrelor de sticlă (durata 2,5 – 3 ore),
manipularea neplacută a fibrelor de sticlă și anularea efectului de sterilizare după umezirea
materialului fibros.
Schema de principiu a liniei de purificare și sterilizare a aerului prin filtrare pe material
fibros este redată în figura următoare. Conform acestei scheme, aerul, separat de impurități în
filtrul (1), trece prin compresorul (2), unde este comprimat adiabatic la 3-3,5 at, temperatura
crescând la 150 - 160ºC. După racire în (3), aerul este introdus în separatorul de picături (4),
filtrul principal cu material fibros (5) (prima treaptă de sterilizare), filtrul individual cu
material fibros (a doua treaptă de sterilizare, după care pătrunde în fermentator.
Fig. II.4.1.5. Schema de purificare și sterilizare a aerului.
Sterilizarea pe material fibros poate fi descrisă printr-un model de curgere prin ocolire
(Fig.II.4.1.6.), fenomen care impune absența totală a umidită ții din filtru (prezen ța umidită ții
transformă curgerea prin ocolire în curgere prin alunecare, anulând total proprietățile
filtrante).
Fig.II.4.1.6. Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră.
Din aceste motive, răcirea aerului în răcitorul (3) se face până la apari ția condensului, iar
după separarea lui, aerul saturat se preîncălzește cu aer fierbinte până când temperatura de
ieșire 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 func ție 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 de
reținere a particulelor din aer pe filtre de fibre de sticlă a evidențiat că eficacitatea filtrării
depinde de caracteristicile materialului fibros și de parametrii operației de filtrare.
3. Fermentația
Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură, cu scopul de a biosintetiza
diverși produși, poartă denumirea de fermentație.
Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză. Ea se realizează
în trei etape:
-
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 terminat atunci când con ținutul de
zahăr este consumat până la aproximativ 50% din valoarea inițială.
În toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub o
intensă agitare la temperatura de 29 - 32ºC.
În tehnologia obținerii acidului citric, o importanță foarte mare o are procesul de pregătire
a melasei pentru fermentația citrică. În general, melasele rezultate din industria zahărului
conțin o cantitate mare de fier, care inhibă atât creșterea masei celulare, cât și ob ținerea
acidului citric. Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agen ți chimici,
absorbanți, schimbători de ioni, dar rezultatele cele mai bune s-au obținut la prelucrarea cu
ferocianură 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 se
răcește 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 că
ferocianura 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 de
fosfor, a cărui valoare optimă este 25-30 mg%. Fosforul reglează atât procesul de cre ștere a
masei celulare cât și procesul de utilizare a zahărului. Melasa conține, de obicei, 3-20mg%
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 acidului
citric 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 lipsească
zincul, cadmiul, aluminiul, cuprul și magneziul.
Procesul de fermentație citrică fiind aerob, consumul de aer steril este de 1-1,5L aer pentru
un 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 se
realizează la 36-42°C, după care temperatura se coboară la 34-36°C și se men ține la această
valoare timp de 24-36 ore, cât durează dezvoltarea masei microbiene, apoi temperatura se
scade 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/m3h, 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. II.4.1.7.)
Fig.II.4.1.7. 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 sa
începe după 25-30 ore de fermentație, iar viteza de acumulare atinge în ziua a 5-a și a 6-a
valori de 105-106 g/m3h. De asemenea consumul de zahăr din biomasă este în perfectă
concordanță cu acumularea acidului citric: în perioada de creștere a masei celulare se
consumă 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 conținutul
acesatiua în mediu de cultură este cuprins între 14 și 16%, concentrație ce asigură un con ținut
de 10-12% acizi organici, în care acidul citric reprezintă 80-95%.
Procesul de fermentație se realizează prin fermentație în profunzime, 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 1 L aer pentru 1
L mediu și minut.
Filtrarea
Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate în urma procesului de fermenta ție de
produsul util. În principiu filtrarea lichidelor de fermenta ție se utilizează acelea și tehnici ca în
industria 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 pentru
separarea 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 neutralizarea
Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă în soluția filtrată, rezultată de la fermenta ție
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 cu
ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la
cald. 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 concentra ția solu ției
ajunge la densitatea de 1,35-1,36 g/cm3 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 citric
anhidru se poate obţine numai prin uscare cu aer a cărui umiditate trebuie să fie sub 50%.
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 game ți
de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite).
Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condi țiile variate, nefavorabile ale
mediului în care își desfășoară activitatea. Mucegaiurile cresc în condiții extreme de aciditate,
presiune osmotică, uscăciune, etc. Au structura celulară de tip eucariot.
Fig. nr. II.4.2.1. Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri.
Structura internă
Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de
mucegai. 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 și
constituenții 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 cel
care 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 substan țe din
mediu în celulă și din celulă în mediu.
Citoplasma se prezintă sub forma unei mase fin granulate în care sunt suspendate
vacuolele, picături de grăsimi, numeroase granule de incluziuni și particule. În citoplasmă se
găsesc de asemenea, reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat, aparatul Golgi,
mitocondrii, ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi, forma țiuni
structurale cu rol în liza unor substanțe.
Fiziologie și metabolism
Mucegaiurile au o nutriție de tip heterotrof adică necesită pentru cre ștere și dezvoltare
medii bogate în substanțe organice.
Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substan ță glucidică, alcooli și acizi
organici. Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică, iar unele
specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții.
Fungii cresc bine în atmosferă umedă, iar pH-ul lor optim este 5-6. Sunt microorganisme
cu capacitate biosintetică mare, putând sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide.
Lipide, acizi organici, pigmenți, substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active.
Temperatura optimă de creștere este de 22-32˚C, însă ei pot crește și la temperaturi de 510˚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 cre șterea și dezvoltarea lor
bioelemente cum ar fi: Fe, K, Cu, Mn, Co, Mo, etc. Unele specii necesită factori de cre ștere
fără de care procesele metabolice nu pot avea loc în condiții optime.
Prin activitățile lor metabolice și posibilitățile de a transforma cu u șurin ță o gamă mare de
substanțe, mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați în industria
alimentară, 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, la
77% s.u. și de 1420 kg/m3, la 84% s.u.;
Vâscozitate : cuprinsă între 13Cp si 19 Cp;
Caldură specifică : 0,5 kcal/kg·K.
In compoziția melasei intră 45÷52 % zaharoză, 14÷18% apă, iar restul este reprezentat de
substanțe organice și minerale
Componentul
Melasa de la
sfecla de zahar
Melasa de la
trestia de zahar
Apa
20÷25
15÷20
Substanta uscata,%
75÷80
80÷85
Zahar total,%
40÷52
50÷55
Zahar invertit,%
0,1÷0,5
20÷23
Rafinoza,%
0,6÷1,8
-
Azot total ( N x
6,25),%
1,2÷2,4
0,3÷0,6
Substante minerale,
%
7,5÷12,5
10÷12
pH
6,0÷8,6
sub 7
Tabelul II.4.2.2. Compozitia chimica a melasei
Extract de porumb
Este un subprodus de la fabricarea amidonului din porumb, obținut în cursul înmuierii
preliminare a 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 20g la 100g substanță uscată;
zahar total maxim 2.5%.
Constituienti g/100g extract
de porumb
%
Tabel
Substanță uscată
46-49,6
Cenusă
8,04-10,43
N total
3,33-3,67
Zahar total (exprimat ca
glucoza)
4,00-4,70
Acid lactic
0,74-4,39
Aciditate ( ml. sol NaOH 0,1
N /100 g
extract de porumb )
11,6-19,3
Fe
0,009-0,02
P
1,5-1,9
Ca
0,02-0,07
Zn
0,05-0,012
K
2,0-2,5
SOַ2
0,02
Sedimente solide
38,4-52,9
Compoziția
nr.
II.4.2.3.
chimică
extractului de porumb
a
