Acid Citric

20
Tema 6: BIOTEHNOLOGIA OBȚINERII ACIDULUI CITRIC Elaborat de: dr., asist. univ. Sorina URSU

description

producerea

Transcript of Acid Citric

Page 1: Acid Citric

Tema 6 BIOTEHNOLOGIA OBȚINERII ACIDULUI CITRIC

Elaborat de dr asist univ

Sorina URSU

2

CUPRINS

1 Domeniile de utilizare și proprietățile produsului 3

11 Domenii de utilizare 3

12 Materii prime intermediare și auxiliare 6

13 Variante tehnologice de obținere a acidului citric 10

131 Obținerea acidului citric prin sinteză 10

132 Obținerea acidului citric prin biosinteză 10

14 Alegerea variantei optime 11

15 Descrierea procesului tehnologic adoptat 12

151 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic 12

Bibliografie 20

3

1 Domeniile de utilizare și proprietățile produsului

11 Domenii de utilizare

Acidul citric este un acid monohidroxi-tricarboxilic ce se prezintă ca substanță anhidră cu

masa moleculară 19212 sau ca monohidrat cu masa moleculară 21014 Se găsește foarte mult

răspacircndit icircn natură icircn țesuturile și sucurile vegetale și icircn specialicircn citrice fiind solubil icircn apă și

solvenți organici Formula de structură (fig 1)

Fig1 Structura acidului citric

Pentru acid citric se mai icircntacirclnesc denumirile tehnice și comerciale acid 2 hidroxi-123-

propan tricarboxilic sare de lămacircie E330

Acidul citric are multiple icircntrebuințări icircn industria alimentară

1 Ca adaos icircn sucurile de fructe ca atare sau diluate precum și icircn racoritoare carbonatate icircn

care acționează ca agent de conservare și ca agent de protejare a culorii și aromei avacircnd icircn

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 Icircn scopul stabilizării aromei produselor prin inhibarea atacului oxidativ a supra

componentelor de aromă și icircn același timp prin inhibarea formării produselor cu miros

neplăcut Icircn 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 icircn cazul icircn care vinul nu este protejat biologic Se recomandă ca acidul citric să se

adauge icircn faza finală a acondiționării vinului Doza de acid citric autorizată este de 50 ghL

icircn special pentru vinurile puțin predispuse casării care au 10 - 15mg fierL și care gustativ

suportă acidifierea Tratamentul cu acid citric icircn funcție de conținutul de fier tanin pH

potențial redox poate suplini icircn multe cazuri trata mentul cu ferocianură de potasiu care

este mai scump și mai dificil

4

3 La conservarea fructelor prin congelare caz icircn 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 prevenireaicircmbrunării

enzimatice

4 Ca sinergetic alături de antioxidanții BHA BHT galatul de propil pentru icircmpiedicarea

racircncezirii grăsimilor și uleiurilor Se consideră că efectul sinergetic se datoreazărestului

citrat și nu acidului ca atare ceea ce icircnseamnă 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 icircn grăsimi

5 Ca un component al sărurilor de topire icircn cazul bracircnzeturilor topite Se utilizeazăicircmpreună

cu fosfațiiefectul de emulsionare fiind icircnsă realizat de tartrați Lactații au icircnsă efect invers

coagulacircnd proteinele din bracircnză

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 icircmpiedicarea zaharisirii mierii de albine icircn clarificarea enzimatică a sucurilor ca

agent de stabilizare pentru condimente boia de ardei icircn sinteza grăsimilor rearanjate neces

are obținerii de shortening uri icircn dressingurile pentru salate

8 Ca un component al sărurilor efervescente icircmpreună 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 icircn producerea medicamentelor și icircn biotehnologie precumși la

sapunuri și detergenti datorită proprietății de a combina metalele icircn apa dură

Are și alte utilizări cum ar fi Circa 6 acid citric va icircndepărta pete de apă dură de pe sticlă fără

frecări ca ingredient icircn icircnghețată 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

Proprietăți 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 21014

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

decristalizare icircn atmosferă uscată sau icircn vid prin icircncălzire lentă pierde apa de cristalizare la 70-

5

75 ordm C și se topește complet icircn intervalul 135-152ordm C la icircncălzire rapidă pierde apa la 100ordm C și se

topește la 153ordmC

Densitatea acidului monohidrat este 1542 iar a acidului anhidru 1665 Acidul citric este ușor

solubil icircn apă parțial solubil icircn alcooli alifatici inferiori și greu solubil icircn eter etilic Acidul anhidru

este insolubil icircn cloroform tetracorură de carbon benzen toluen sulfură de carbon Este un acid

organic destul de tare Ka1=82middot10-4 Ka2=177middot10-5 și Ka3=39middot10-6 la 18ordmC

Presiune de vapori la 20ordmC gt01hPapH-ul sol 50gl icircn apă la 20 ordmC asymp18

Temperatura de autoaprindere 345 ordmC

Acidul citric este stabil icircn condiții normale de depozitare și manipulare se descompune sub

acțiunea acidului sulfuric cu formare de acid formic si bioxid de carbon Prin icircncălzire cusulfură

de carbon se formează un compus biciclic-tiofen

Proprietăți chimice

După cum s-a mai spus acidul citric este un acid tricarboxilic Sarea lui de calciu este mai greu

solubilă icircn apă la cald decacirct la rece ea se precipită la fierberea soluției și seredizolvă la răcire Prin

icircncălzirea acidului citric la 175ordmC se produce icircntacirci 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 icircn 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 icircn acidul aceton-dicarboxilic un acid β-cetonicdicarboxilic usor de

obtinut pe această cale Un tratament mai energic duce la aceton

Prin icircncălzirea acidului citric cu pentasulfură de fosfor se formează tiofen

Efectul chelatizant al acidului citric explică relaţia sinergică cu antioxidanţii princomplexarea

prooxidanţilor

6

Proprietăţi biologice

Acidul citric face parte dintr-o serie de compuși implicați icircn oxidarea fizică a lipidelor

proteinelor și carbohidraților icircn CO2 și H2O Această serie de reacții este legată de aproapetoate

reacțiile metabolice și asigură ⅔ din energia derivată din alimente icircn organismele evoluate

Proprietăți farmacologice

Acidul citric se foloseste icircn industria farmaceutică datorită efectului său anticoagulant Asigură

rapida dizolvare a ingredientelor active Are proprietatea de a regla pH-ul este folosit deasemenea

ca și efervescent icircn comprimate icircn combinație cu bicarbonați

Tabelul 1 Indicii fizico-chimici ai acidului citric comercial

Nr ord Indicii fizico-chimici Valoarea

1 Compoziție () 995 ndash 1005

2 Apă () Max 05

3 Reziduuri () Max 005

4 Oxalațiacid oxalic () Max 0036

5 Sulfați () Max 0015

6 Arseniu (ppm) Max 10

7 Metale grele (ppm) Max 50

8 Plumb (ppm) Max 05

9 Tridodecylamine (ppm) Max 01

12 Materii prime intermediare și auxiliare

Microorganismul producător

Mucegaiurile fac parte din Phyllum Mycophyta sau Fungi și reprezintă icircmpreună cu levurile

un grup de organisme incluzacircnd aproximativ 200000 de specii Sunt organisme filamentoase

saprofite (care cresc pe substanțe intrate icircn 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

icircn care icircși desfășoară activitatea Mucegaiurile cresc icircn condiții extreme de aciditate presiune

osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

7

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

Icircn general icircn 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 icircn 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 icircn

formarea aparatului Golgi Are totodată importante roluri icircn transportul unor substanțe dinmediu

icircn celulă și din celulă icircn mediu

Citoplasma se prezintă sub forma unei mase fin granulate icircn care sunt suspendatevacuolele

picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă segăsesc de

asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgimitocondrii ribozomi

8

liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiunistructurale cu rol icircn liza unor

substanțe

Fiziologie și metabolism

Mucegaiurile au o nutriție de tip heterotrof adică necesită pentru creștere și dezvoltaremedii

bogate icircn 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 icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganismecu

capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharideLipide acizi

organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

Temperatura optimă de creștere este de 22-32 ˚C icircnsă 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

aerobinecesitacircnd 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 icircn 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 icircn

industriaalimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor

antibioticedar și icircn 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 icircn cristalele de zahăr și are o

puritate scazută

Caracteristici fizice

Aspect lichid vacircscos de culoare brun-negru

Gust caracteristic

Densitate variază icircn funcție de conținutul icircn substanță uscată fiind de 1390 kgm3 la77

su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

9

Tabelul 2 Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr (după Reiff 1962)

Compusul Provenienţa melasei

Sfeclă de zahăr Trestie de zahăr

Apă 20-25 15-20

Substanţă uscată 75-80 80-85

Zahăr total 44-52 50-55

Zahăr invertit 01-05 20-23

Rafinoză 06-18 -

Azot total 12-24 03-06

Substanţe minerale 76-123 10-12

pH 60-86 lt7

Icircn compoziția melasei intră 44divide55 zaharoză 15divide25 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

Extract de porumb

Este un subprodus de la fabricarea amidonului din porumb obținut icircn cursul icircnmuierii

preliminarea boabelor Acest extract ca și extractul de cartofi dă un mediu de cultură bogat

nutritiv mult utilizat icircn industria de biosinteza

Caracteristici fizice

Aspect lichid cremos de culoare galben icircnchis

Substanta uscata minim 50

pH = 35-4

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

zahar total maxim 25

Tabelul 3 Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr (după Reiff 1962)

Constituienti g100g extractde porumb Conținut

Substanță uscată 46-496

Cenușă 804-1043

N total 333-367

Zahar total (exprimat caglucoza) 400-470

Acid lactic 074-439

Aciditate ( ml sol NaOH 01N 100 gextract de porumb ) 116-193

Fe 0009-002

P 15-19

Ca 002-007

Zn 005-0012

K 20-25

SO2 002

Sedimente solide 384-529

10

13 Variante tehnologice de obținere a acidului citric

131 Obținerea acidului citric prin sinteză

Una din sintezele acidului citric constă icircn transformarea dicloracetonei simetrice cu acid

cianhidric icircn cianhidrina respectivă saponificarea acesteia icircn 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 icircn apă avacircnd o moleculăde apă

de cristalizare (pt100 ordmC) Prin icircncălzire la 80 ordmC pierde apa de cristalizare și are icircnstare anhidră

pt153 ordmC

132 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 icircn suprafață sau icircn profunzime

Icircn primul sistem fermentația durează 10 - 11zile iar icircn al doilea durează 6-7 zile

Fermentația icircn suprafața

Icircn acest procedeu melasa este trimisă icircn reactor unde la 40ordm C se tratează cu ferocianură de

potasiu după care se sterilizează prin icircncălzire la 120 ordm C timp de 30 min se răcește la 45 ordmC şi se

adaugă fosfatul de potasiu sulfatul de zinc sulfatul de magneziu sub formă de soluţii sterile

Mediul de cultură astfel preparat se trimite icircn camera de fermentaţie sterilă construită sub formă

de uscător dulap icircn care se montează pe rafturi tăvi cu icircnălţimea de 20 cm icircn care se introduce

lichid de cultură pe o adacircncime 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 icircnsămacircnţarea prin curentul de aer

După icircnsămacircnţare 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 icircnsă la scara redusă icircn industrie

Avantajele folosirii acestuia sunt

efort minim icircn operații

consumuri energetice minime și construcție simplă ainstalației

11

Principalul dezavantaj este insă productivitatea mică la care se adaugă dificultatea păstrării

condițiilor aseptice cele mai frecvente contaminări fiind date icircn principal de speciile Penicillium

Aspergillus și bacterii lactice

Fermentația icircn profunzime

Se realizează icircn 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 3-45 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

Icircn procesul de obţinere a acidului citric ca şi icircn 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 avacircnd un efect stimulator icircn procesul de

creştere Se estimează ca aproape 80 din producția mondială de acid citric se obține folosind

fermentația icircn 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

14 Alegerea variantei optime

Icircn vederea obținerii acidului citric se alege procedeul discontinuu de fermentație icircn 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 icircn general mai putin complicată și arenevoie

de un sistem de control mai puțin sofisticat icircndemacircnarea tehnică cerută nu este atacirct de icircnaltă

consumul de energie este mic iar căderile frecvente de curent nu afectează icircn mod

criticfuncționarea instalației

Procedeul culturii icircn profunzime constă icircn cultivarea microorganismelor icircn fermentatoare de

otel icircn care mediul este supus unei aerații și agitări continueIcircn aceste condiții procedeulculturii

icircn profunzime oferă o serie de avantaje față de cultura icircn suprafața printre care costuri investiții

reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol deinfectare al culturii redus

volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogenerandamente ridicate puritatea produsului

ca și activitatea biologică ridicate

12

15 Descrierea procesului tehnologic adoptat

151 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Fig 2 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Pregătirea mediului de

cultură

Sterilizarea mediului de

cultură

Fermentație

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Aspergillus niger

Aer nesteril

Sterilizarea aerului

Biomasă

CaCl2

Ca(OH)2 20

H2SO4

Cărbune

13

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

pregătirea mediului de cultură

fermentația

filtrarea soluțiilor native

separarea și purificarea

Pregătirea mediului de cultură

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică

Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o cantitate mare de fier care inhibă

atacirct creșterea masei celulare cacirct 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn 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 microelementedar 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 icircndepărtarea totală a

microorganismelor patogene sau apatogene din substanțe preparate spații icircnchise obiecte

Icircn industria de biosinteză unde se obțin culturi microbiene pure precum și icircn

industriafarmaceutică și cea alimentară procesul de sterilizare este de neicircnlocuit și poate fi realizat

de obicei prin

Metode termice

sterilizare cu aer cald la 140-200 ordmC

sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120 -140 ordmC

sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100 ordmC

Metode fizice

filtrare prin umpluturi fibroase

14

filtrare prin materiale poroase

filtrare prin membrane

utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidăfenol 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 δradiatii UV aplicatii

practice au găsit numai procedee le termice de sterilizare Sterilizarea termică prezintă icircnsă și o

serie de inconveniente generate icircn 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 ndash 125 ordmC (fig 3) deoarece aceasta prezintă o serie deavantaje

cum ar fi simplitatea usurința icircn exploatare a utilajelor de sterilizare și realizarea gradului de

sterilizare dorit

Fig 3 Instalația de sterilizare a mediului de cultură la 120 ndash 125 ordmC

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 circulacircnd prin spațiul dintre cele două țevi Icircncalzirea mediului se face prin

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

15

dirijat tangențial și uniform cu ajutorul unui șnec montat pe exteriorul țevii Mediul staționează icircn

coloană 4 ndash 6 secunde după care pătrunde icircn menținător unde rămacircne 15 ndash 20minute pentru

perfectarea procesului de sterilizareIcircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip

țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40 ordmC temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (fig 4) se observă că icircn această instalație contribuția fazei

de icircncalzire și răcire la performanța procesului de sterilizare este de 5 ndash 6 astfel icircncacirct se poate

considera că sterilizarea se realizează aproape icircn totalitate icircn faza demenținere

Fig 4 Diagrama timp ndash temperatură pentru sterilizarea continuă la 120 ndash 125 ordmC

Sterilizarea aerului

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

și spori care trebuiesc icircndepartate icircn mod obligatoriu pentru a putea fi asigurate condițiile unei

fermentații aseptice

Cu toate că sterilizarea aerului se poate realiza atacirct prin procedee termice cacirct și prin

filtaremetoda cea mai utilizată icircn industrie este filtrarea Pentru sterilizare prin filtrare se pot folosi

următoarele materiale filtrante

fibre de sticlă cu diametru cuprins icircntre 5 și 18 μ

nitrat de celuloză pentru filtrul cu membrană

teflon cu o mare rezistență termică (pacircnă la 300ordmC) și caracter hidrofob utilizat sub fo rmă

de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitateelasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn 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 lumacircnare

16

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 icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile filtrante)

Fig 6 Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră

Din aceste motive răcirea aerului icircn răcitorul (3) se face pacircnă la apariția condensului iar după

separarea lui aerul saturat se preicircncălzește cu aer fierbinte pacircnă cacircnd temperatura deieșire din

filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouăStabilirea

parametrilor de funcționare ai instalației de sterilizare se face numai icircn funcție de parametrii

termodinamici ai aerului Reținerea microorganismelor pe fibrele de sticlă icircn procesul de filtrare

a aerului se realizează ca efect al combinării următoarelor fenomeneimpact 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 fermentațieFermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor

de biosinteză Ea se realizează icircn trei etape

17

- fermentația icircn inoculator - această fermentație dureaza 16 pacircnă la 20 de ore

- fermentația icircn intermediar ndash această fermentație durează aproximativ 12 picircnă la 16 ore

- fermentația icircn regim ndash are loc icircn fermentatorul de regim icircn care se realizează aceleași condiții

și parametri ca și icircn inoculator și intermediar

Icircn primele două faze se consideră că fermentația s-a terminat atunci cacircnd conținutul dezahăr

este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

Icircn toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub ointensă

agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o

cantitate mare de fier care inhibă atacirct creșterea masei celulare cacirct și obținerea acidului citric

Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimiciabsorbanți 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea 70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianurădar

numai pacircnă 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 atacirct procesul de creștere a masei

celulare cacirct și procesul de utilizare a zahărului Melasa conține de obicei 3-20 mg- fosfor iar

pacircnă la valoarea optimă se adaugă icircn 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 microelementedar 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 1-15L aer pentruun

litru mediu pe minutiar pH-ul se menține tot timpul icircntre 3 și 45

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

icircnsămacircnțarea serealizează la 36-42 degC după care temperatura se coboară la 34-36 degC și se menține

18

la această valoare timp de 24-36 ore cacirct durează dezvoltarea masei microbiene apoi temperatura

sescade la 30-32 degC 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 pacircnă la 250

kcalm3 h iar această valoare se atinge icircn 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 icircn procesul de fermentație

T1-variația efectului termickcalm2∙h

T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic

A-variația concentrației icircn acid citric g m2∙h

B-viteza specifică de creștere a masei celulare g m2∙h

Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea saicircncepe

după 25-30 ore de fermentație iar viteza de acumulare atinge icircn ziua a 5-a și a 6 ndasha valori de 105-

106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10 ndash 15 iar icircn

perioada de acumulare a produsului 48-50 din cantitatea totală de zahăr din mediu O utilizare

mai rațională a zahărului se obține icircn cazul icircn care conținutulacesatiua icircn mediu de cultură este

cuprins icircntre 14 și 16 concentrație ce asigură un conținut de 10-12 acizi organici icircn care

acidul citric reprezintă 80 ndash 95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime icircn

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 3-45 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 2: Acid Citric

2

CUPRINS

1 Domeniile de utilizare și proprietățile produsului 3

11 Domenii de utilizare 3

12 Materii prime intermediare și auxiliare 6

13 Variante tehnologice de obținere a acidului citric 10

131 Obținerea acidului citric prin sinteză 10

132 Obținerea acidului citric prin biosinteză 10

14 Alegerea variantei optime 11

15 Descrierea procesului tehnologic adoptat 12

151 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic 12

Bibliografie 20

3

1 Domeniile de utilizare și proprietățile produsului

11 Domenii de utilizare

Acidul citric este un acid monohidroxi-tricarboxilic ce se prezintă ca substanță anhidră cu

masa moleculară 19212 sau ca monohidrat cu masa moleculară 21014 Se găsește foarte mult

răspacircndit icircn natură icircn țesuturile și sucurile vegetale și icircn specialicircn citrice fiind solubil icircn apă și

solvenți organici Formula de structură (fig 1)

Fig1 Structura acidului citric

Pentru acid citric se mai icircntacirclnesc denumirile tehnice și comerciale acid 2 hidroxi-123-

propan tricarboxilic sare de lămacircie E330

Acidul citric are multiple icircntrebuințări icircn industria alimentară

1 Ca adaos icircn sucurile de fructe ca atare sau diluate precum și icircn racoritoare carbonatate icircn

care acționează ca agent de conservare și ca agent de protejare a culorii și aromei avacircnd icircn

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 Icircn scopul stabilizării aromei produselor prin inhibarea atacului oxidativ a supra

componentelor de aromă și icircn același timp prin inhibarea formării produselor cu miros

neplăcut Icircn 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 icircn cazul icircn care vinul nu este protejat biologic Se recomandă ca acidul citric să se

adauge icircn faza finală a acondiționării vinului Doza de acid citric autorizată este de 50 ghL

icircn special pentru vinurile puțin predispuse casării care au 10 - 15mg fierL și care gustativ

suportă acidifierea Tratamentul cu acid citric icircn funcție de conținutul de fier tanin pH

potențial redox poate suplini icircn multe cazuri trata mentul cu ferocianură de potasiu care

este mai scump și mai dificil

4

3 La conservarea fructelor prin congelare caz icircn 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 prevenireaicircmbrunării

enzimatice

4 Ca sinergetic alături de antioxidanții BHA BHT galatul de propil pentru icircmpiedicarea

racircncezirii grăsimilor și uleiurilor Se consideră că efectul sinergetic se datoreazărestului

citrat și nu acidului ca atare ceea ce icircnseamnă 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 icircn grăsimi

5 Ca un component al sărurilor de topire icircn cazul bracircnzeturilor topite Se utilizeazăicircmpreună

cu fosfațiiefectul de emulsionare fiind icircnsă realizat de tartrați Lactații au icircnsă efect invers

coagulacircnd proteinele din bracircnză

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 icircmpiedicarea zaharisirii mierii de albine icircn clarificarea enzimatică a sucurilor ca

agent de stabilizare pentru condimente boia de ardei icircn sinteza grăsimilor rearanjate neces

are obținerii de shortening uri icircn dressingurile pentru salate

8 Ca un component al sărurilor efervescente icircmpreună 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 icircn producerea medicamentelor și icircn biotehnologie precumși la

sapunuri și detergenti datorită proprietății de a combina metalele icircn apa dură

Are și alte utilizări cum ar fi Circa 6 acid citric va icircndepărta pete de apă dură de pe sticlă fără

frecări ca ingredient icircn icircnghețată 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

Proprietăți 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 21014

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

decristalizare icircn atmosferă uscată sau icircn vid prin icircncălzire lentă pierde apa de cristalizare la 70-

5

75 ordm C și se topește complet icircn intervalul 135-152ordm C la icircncălzire rapidă pierde apa la 100ordm C și se

topește la 153ordmC

Densitatea acidului monohidrat este 1542 iar a acidului anhidru 1665 Acidul citric este ușor

solubil icircn apă parțial solubil icircn alcooli alifatici inferiori și greu solubil icircn eter etilic Acidul anhidru

este insolubil icircn cloroform tetracorură de carbon benzen toluen sulfură de carbon Este un acid

organic destul de tare Ka1=82middot10-4 Ka2=177middot10-5 și Ka3=39middot10-6 la 18ordmC

Presiune de vapori la 20ordmC gt01hPapH-ul sol 50gl icircn apă la 20 ordmC asymp18

Temperatura de autoaprindere 345 ordmC

Acidul citric este stabil icircn condiții normale de depozitare și manipulare se descompune sub

acțiunea acidului sulfuric cu formare de acid formic si bioxid de carbon Prin icircncălzire cusulfură

de carbon se formează un compus biciclic-tiofen

Proprietăți chimice

După cum s-a mai spus acidul citric este un acid tricarboxilic Sarea lui de calciu este mai greu

solubilă icircn apă la cald decacirct la rece ea se precipită la fierberea soluției și seredizolvă la răcire Prin

icircncălzirea acidului citric la 175ordmC se produce icircntacirci 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 icircn 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 icircn acidul aceton-dicarboxilic un acid β-cetonicdicarboxilic usor de

obtinut pe această cale Un tratament mai energic duce la aceton

Prin icircncălzirea acidului citric cu pentasulfură de fosfor se formează tiofen

Efectul chelatizant al acidului citric explică relaţia sinergică cu antioxidanţii princomplexarea

prooxidanţilor

6

Proprietăţi biologice

Acidul citric face parte dintr-o serie de compuși implicați icircn oxidarea fizică a lipidelor

proteinelor și carbohidraților icircn CO2 și H2O Această serie de reacții este legată de aproapetoate

reacțiile metabolice și asigură ⅔ din energia derivată din alimente icircn organismele evoluate

Proprietăți farmacologice

Acidul citric se foloseste icircn industria farmaceutică datorită efectului său anticoagulant Asigură

rapida dizolvare a ingredientelor active Are proprietatea de a regla pH-ul este folosit deasemenea

ca și efervescent icircn comprimate icircn combinație cu bicarbonați

Tabelul 1 Indicii fizico-chimici ai acidului citric comercial

Nr ord Indicii fizico-chimici Valoarea

1 Compoziție () 995 ndash 1005

2 Apă () Max 05

3 Reziduuri () Max 005

4 Oxalațiacid oxalic () Max 0036

5 Sulfați () Max 0015

6 Arseniu (ppm) Max 10

7 Metale grele (ppm) Max 50

8 Plumb (ppm) Max 05

9 Tridodecylamine (ppm) Max 01

12 Materii prime intermediare și auxiliare

Microorganismul producător

Mucegaiurile fac parte din Phyllum Mycophyta sau Fungi și reprezintă icircmpreună cu levurile

un grup de organisme incluzacircnd aproximativ 200000 de specii Sunt organisme filamentoase

saprofite (care cresc pe substanțe intrate icircn 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

icircn care icircși desfășoară activitatea Mucegaiurile cresc icircn condiții extreme de aciditate presiune

osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

7

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

Icircn general icircn 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 icircn 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 icircn

formarea aparatului Golgi Are totodată importante roluri icircn transportul unor substanțe dinmediu

icircn celulă și din celulă icircn mediu

Citoplasma se prezintă sub forma unei mase fin granulate icircn care sunt suspendatevacuolele

picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă segăsesc de

asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgimitocondrii ribozomi

8

liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiunistructurale cu rol icircn liza unor

substanțe

Fiziologie și metabolism

Mucegaiurile au o nutriție de tip heterotrof adică necesită pentru creștere și dezvoltaremedii

bogate icircn 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 icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganismecu

capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharideLipide acizi

organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

Temperatura optimă de creștere este de 22-32 ˚C icircnsă 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

aerobinecesitacircnd 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 icircn 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 icircn

industriaalimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor

antibioticedar și icircn 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 icircn cristalele de zahăr și are o

puritate scazută

Caracteristici fizice

Aspect lichid vacircscos de culoare brun-negru

Gust caracteristic

Densitate variază icircn funcție de conținutul icircn substanță uscată fiind de 1390 kgm3 la77

su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

9

Tabelul 2 Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr (după Reiff 1962)

Compusul Provenienţa melasei

Sfeclă de zahăr Trestie de zahăr

Apă 20-25 15-20

Substanţă uscată 75-80 80-85

Zahăr total 44-52 50-55

Zahăr invertit 01-05 20-23

Rafinoză 06-18 -

Azot total 12-24 03-06

Substanţe minerale 76-123 10-12

pH 60-86 lt7

Icircn compoziția melasei intră 44divide55 zaharoză 15divide25 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

Extract de porumb

Este un subprodus de la fabricarea amidonului din porumb obținut icircn cursul icircnmuierii

preliminarea boabelor Acest extract ca și extractul de cartofi dă un mediu de cultură bogat

nutritiv mult utilizat icircn industria de biosinteza

Caracteristici fizice

Aspect lichid cremos de culoare galben icircnchis

Substanta uscata minim 50

pH = 35-4

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

zahar total maxim 25

Tabelul 3 Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr (după Reiff 1962)

Constituienti g100g extractde porumb Conținut

Substanță uscată 46-496

Cenușă 804-1043

N total 333-367

Zahar total (exprimat caglucoza) 400-470

Acid lactic 074-439

Aciditate ( ml sol NaOH 01N 100 gextract de porumb ) 116-193

Fe 0009-002

P 15-19

Ca 002-007

Zn 005-0012

K 20-25

SO2 002

Sedimente solide 384-529

10

13 Variante tehnologice de obținere a acidului citric

131 Obținerea acidului citric prin sinteză

Una din sintezele acidului citric constă icircn transformarea dicloracetonei simetrice cu acid

cianhidric icircn cianhidrina respectivă saponificarea acesteia icircn 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 icircn apă avacircnd o moleculăde apă

de cristalizare (pt100 ordmC) Prin icircncălzire la 80 ordmC pierde apa de cristalizare și are icircnstare anhidră

pt153 ordmC

132 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 icircn suprafață sau icircn profunzime

Icircn primul sistem fermentația durează 10 - 11zile iar icircn al doilea durează 6-7 zile

Fermentația icircn suprafața

Icircn acest procedeu melasa este trimisă icircn reactor unde la 40ordm C se tratează cu ferocianură de

potasiu după care se sterilizează prin icircncălzire la 120 ordm C timp de 30 min se răcește la 45 ordmC şi se

adaugă fosfatul de potasiu sulfatul de zinc sulfatul de magneziu sub formă de soluţii sterile

Mediul de cultură astfel preparat se trimite icircn camera de fermentaţie sterilă construită sub formă

de uscător dulap icircn care se montează pe rafturi tăvi cu icircnălţimea de 20 cm icircn care se introduce

lichid de cultură pe o adacircncime 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 icircnsămacircnţarea prin curentul de aer

După icircnsămacircnţare 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 icircnsă la scara redusă icircn industrie

Avantajele folosirii acestuia sunt

efort minim icircn operații

consumuri energetice minime și construcție simplă ainstalației

11

Principalul dezavantaj este insă productivitatea mică la care se adaugă dificultatea păstrării

condițiilor aseptice cele mai frecvente contaminări fiind date icircn principal de speciile Penicillium

Aspergillus și bacterii lactice

Fermentația icircn profunzime

Se realizează icircn 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 3-45 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

Icircn procesul de obţinere a acidului citric ca şi icircn 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 avacircnd un efect stimulator icircn procesul de

creştere Se estimează ca aproape 80 din producția mondială de acid citric se obține folosind

fermentația icircn 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

14 Alegerea variantei optime

Icircn vederea obținerii acidului citric se alege procedeul discontinuu de fermentație icircn 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 icircn general mai putin complicată și arenevoie

de un sistem de control mai puțin sofisticat icircndemacircnarea tehnică cerută nu este atacirct de icircnaltă

consumul de energie este mic iar căderile frecvente de curent nu afectează icircn mod

criticfuncționarea instalației

Procedeul culturii icircn profunzime constă icircn cultivarea microorganismelor icircn fermentatoare de

otel icircn care mediul este supus unei aerații și agitări continueIcircn aceste condiții procedeulculturii

icircn profunzime oferă o serie de avantaje față de cultura icircn suprafața printre care costuri investiții

reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol deinfectare al culturii redus

volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogenerandamente ridicate puritatea produsului

ca și activitatea biologică ridicate

12

15 Descrierea procesului tehnologic adoptat

151 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Fig 2 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Pregătirea mediului de

cultură

Sterilizarea mediului de

cultură

Fermentație

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Aspergillus niger

Aer nesteril

Sterilizarea aerului

Biomasă

CaCl2

Ca(OH)2 20

H2SO4

Cărbune

13

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

pregătirea mediului de cultură

fermentația

filtrarea soluțiilor native

separarea și purificarea

Pregătirea mediului de cultură

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică

Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o cantitate mare de fier care inhibă

atacirct creșterea masei celulare cacirct 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn 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 microelementedar 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 icircndepărtarea totală a

microorganismelor patogene sau apatogene din substanțe preparate spații icircnchise obiecte

Icircn industria de biosinteză unde se obțin culturi microbiene pure precum și icircn

industriafarmaceutică și cea alimentară procesul de sterilizare este de neicircnlocuit și poate fi realizat

de obicei prin

Metode termice

sterilizare cu aer cald la 140-200 ordmC

sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120 -140 ordmC

sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100 ordmC

Metode fizice

filtrare prin umpluturi fibroase

14

filtrare prin materiale poroase

filtrare prin membrane

utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidăfenol 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 δradiatii UV aplicatii

practice au găsit numai procedee le termice de sterilizare Sterilizarea termică prezintă icircnsă și o

serie de inconveniente generate icircn 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 ndash 125 ordmC (fig 3) deoarece aceasta prezintă o serie deavantaje

cum ar fi simplitatea usurința icircn exploatare a utilajelor de sterilizare și realizarea gradului de

sterilizare dorit

Fig 3 Instalația de sterilizare a mediului de cultură la 120 ndash 125 ordmC

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 circulacircnd prin spațiul dintre cele două țevi Icircncalzirea mediului se face prin

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

15

dirijat tangențial și uniform cu ajutorul unui șnec montat pe exteriorul țevii Mediul staționează icircn

coloană 4 ndash 6 secunde după care pătrunde icircn menținător unde rămacircne 15 ndash 20minute pentru

perfectarea procesului de sterilizareIcircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip

țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40 ordmC temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (fig 4) se observă că icircn această instalație contribuția fazei

de icircncalzire și răcire la performanța procesului de sterilizare este de 5 ndash 6 astfel icircncacirct se poate

considera că sterilizarea se realizează aproape icircn totalitate icircn faza demenținere

Fig 4 Diagrama timp ndash temperatură pentru sterilizarea continuă la 120 ndash 125 ordmC

Sterilizarea aerului

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

și spori care trebuiesc icircndepartate icircn mod obligatoriu pentru a putea fi asigurate condițiile unei

fermentații aseptice

Cu toate că sterilizarea aerului se poate realiza atacirct prin procedee termice cacirct și prin

filtaremetoda cea mai utilizată icircn industrie este filtrarea Pentru sterilizare prin filtrare se pot folosi

următoarele materiale filtrante

fibre de sticlă cu diametru cuprins icircntre 5 și 18 μ

nitrat de celuloză pentru filtrul cu membrană

teflon cu o mare rezistență termică (pacircnă la 300ordmC) și caracter hidrofob utilizat sub fo rmă

de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitateelasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn 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 lumacircnare

16

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 icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile filtrante)

Fig 6 Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră

Din aceste motive răcirea aerului icircn răcitorul (3) se face pacircnă la apariția condensului iar după

separarea lui aerul saturat se preicircncălzește cu aer fierbinte pacircnă cacircnd temperatura deieșire din

filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouăStabilirea

parametrilor de funcționare ai instalației de sterilizare se face numai icircn funcție de parametrii

termodinamici ai aerului Reținerea microorganismelor pe fibrele de sticlă icircn procesul de filtrare

a aerului se realizează ca efect al combinării următoarelor fenomeneimpact 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 fermentațieFermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor

de biosinteză Ea se realizează icircn trei etape

17

- fermentația icircn inoculator - această fermentație dureaza 16 pacircnă la 20 de ore

- fermentația icircn intermediar ndash această fermentație durează aproximativ 12 picircnă la 16 ore

- fermentația icircn regim ndash are loc icircn fermentatorul de regim icircn care se realizează aceleași condiții

și parametri ca și icircn inoculator și intermediar

Icircn primele două faze se consideră că fermentația s-a terminat atunci cacircnd conținutul dezahăr

este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

Icircn toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub ointensă

agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o

cantitate mare de fier care inhibă atacirct creșterea masei celulare cacirct și obținerea acidului citric

Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimiciabsorbanți 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea 70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianurădar

numai pacircnă 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 atacirct procesul de creștere a masei

celulare cacirct și procesul de utilizare a zahărului Melasa conține de obicei 3-20 mg- fosfor iar

pacircnă la valoarea optimă se adaugă icircn 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 microelementedar 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 1-15L aer pentruun

litru mediu pe minutiar pH-ul se menține tot timpul icircntre 3 și 45

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

icircnsămacircnțarea serealizează la 36-42 degC după care temperatura se coboară la 34-36 degC și se menține

18

la această valoare timp de 24-36 ore cacirct durează dezvoltarea masei microbiene apoi temperatura

sescade la 30-32 degC 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 pacircnă la 250

kcalm3 h iar această valoare se atinge icircn 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 icircn procesul de fermentație

T1-variația efectului termickcalm2∙h

T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic

A-variația concentrației icircn acid citric g m2∙h

B-viteza specifică de creștere a masei celulare g m2∙h

Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea saicircncepe

după 25-30 ore de fermentație iar viteza de acumulare atinge icircn ziua a 5-a și a 6 ndasha valori de 105-

106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10 ndash 15 iar icircn

perioada de acumulare a produsului 48-50 din cantitatea totală de zahăr din mediu O utilizare

mai rațională a zahărului se obține icircn cazul icircn care conținutulacesatiua icircn mediu de cultură este

cuprins icircntre 14 și 16 concentrație ce asigură un conținut de 10-12 acizi organici icircn care

acidul citric reprezintă 80 ndash 95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime icircn

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 3-45 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 3: Acid Citric

3

1 Domeniile de utilizare și proprietățile produsului

11 Domenii de utilizare

Acidul citric este un acid monohidroxi-tricarboxilic ce se prezintă ca substanță anhidră cu

masa moleculară 19212 sau ca monohidrat cu masa moleculară 21014 Se găsește foarte mult

răspacircndit icircn natură icircn țesuturile și sucurile vegetale și icircn specialicircn citrice fiind solubil icircn apă și

solvenți organici Formula de structură (fig 1)

Fig1 Structura acidului citric

Pentru acid citric se mai icircntacirclnesc denumirile tehnice și comerciale acid 2 hidroxi-123-

propan tricarboxilic sare de lămacircie E330

Acidul citric are multiple icircntrebuințări icircn industria alimentară

1 Ca adaos icircn sucurile de fructe ca atare sau diluate precum și icircn racoritoare carbonatate icircn

care acționează ca agent de conservare și ca agent de protejare a culorii și aromei avacircnd icircn

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 Icircn scopul stabilizării aromei produselor prin inhibarea atacului oxidativ a supra

componentelor de aromă și icircn același timp prin inhibarea formării produselor cu miros

neplăcut Icircn 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 icircn cazul icircn care vinul nu este protejat biologic Se recomandă ca acidul citric să se

adauge icircn faza finală a acondiționării vinului Doza de acid citric autorizată este de 50 ghL

icircn special pentru vinurile puțin predispuse casării care au 10 - 15mg fierL și care gustativ

suportă acidifierea Tratamentul cu acid citric icircn funcție de conținutul de fier tanin pH

potențial redox poate suplini icircn multe cazuri trata mentul cu ferocianură de potasiu care

este mai scump și mai dificil

4

3 La conservarea fructelor prin congelare caz icircn 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 prevenireaicircmbrunării

enzimatice

4 Ca sinergetic alături de antioxidanții BHA BHT galatul de propil pentru icircmpiedicarea

racircncezirii grăsimilor și uleiurilor Se consideră că efectul sinergetic se datoreazărestului

citrat și nu acidului ca atare ceea ce icircnseamnă 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 icircn grăsimi

5 Ca un component al sărurilor de topire icircn cazul bracircnzeturilor topite Se utilizeazăicircmpreună

cu fosfațiiefectul de emulsionare fiind icircnsă realizat de tartrați Lactații au icircnsă efect invers

coagulacircnd proteinele din bracircnză

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 icircmpiedicarea zaharisirii mierii de albine icircn clarificarea enzimatică a sucurilor ca

agent de stabilizare pentru condimente boia de ardei icircn sinteza grăsimilor rearanjate neces

are obținerii de shortening uri icircn dressingurile pentru salate

8 Ca un component al sărurilor efervescente icircmpreună 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 icircn producerea medicamentelor și icircn biotehnologie precumși la

sapunuri și detergenti datorită proprietății de a combina metalele icircn apa dură

Are și alte utilizări cum ar fi Circa 6 acid citric va icircndepărta pete de apă dură de pe sticlă fără

frecări ca ingredient icircn icircnghețată 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

Proprietăți 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 21014

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

decristalizare icircn atmosferă uscată sau icircn vid prin icircncălzire lentă pierde apa de cristalizare la 70-

5

75 ordm C și se topește complet icircn intervalul 135-152ordm C la icircncălzire rapidă pierde apa la 100ordm C și se

topește la 153ordmC

Densitatea acidului monohidrat este 1542 iar a acidului anhidru 1665 Acidul citric este ușor

solubil icircn apă parțial solubil icircn alcooli alifatici inferiori și greu solubil icircn eter etilic Acidul anhidru

este insolubil icircn cloroform tetracorură de carbon benzen toluen sulfură de carbon Este un acid

organic destul de tare Ka1=82middot10-4 Ka2=177middot10-5 și Ka3=39middot10-6 la 18ordmC

Presiune de vapori la 20ordmC gt01hPapH-ul sol 50gl icircn apă la 20 ordmC asymp18

Temperatura de autoaprindere 345 ordmC

Acidul citric este stabil icircn condiții normale de depozitare și manipulare se descompune sub

acțiunea acidului sulfuric cu formare de acid formic si bioxid de carbon Prin icircncălzire cusulfură

de carbon se formează un compus biciclic-tiofen

Proprietăți chimice

După cum s-a mai spus acidul citric este un acid tricarboxilic Sarea lui de calciu este mai greu

solubilă icircn apă la cald decacirct la rece ea se precipită la fierberea soluției și seredizolvă la răcire Prin

icircncălzirea acidului citric la 175ordmC se produce icircntacirci 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 icircn 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 icircn acidul aceton-dicarboxilic un acid β-cetonicdicarboxilic usor de

obtinut pe această cale Un tratament mai energic duce la aceton

Prin icircncălzirea acidului citric cu pentasulfură de fosfor se formează tiofen

Efectul chelatizant al acidului citric explică relaţia sinergică cu antioxidanţii princomplexarea

prooxidanţilor

6

Proprietăţi biologice

Acidul citric face parte dintr-o serie de compuși implicați icircn oxidarea fizică a lipidelor

proteinelor și carbohidraților icircn CO2 și H2O Această serie de reacții este legată de aproapetoate

reacțiile metabolice și asigură ⅔ din energia derivată din alimente icircn organismele evoluate

Proprietăți farmacologice

Acidul citric se foloseste icircn industria farmaceutică datorită efectului său anticoagulant Asigură

rapida dizolvare a ingredientelor active Are proprietatea de a regla pH-ul este folosit deasemenea

ca și efervescent icircn comprimate icircn combinație cu bicarbonați

Tabelul 1 Indicii fizico-chimici ai acidului citric comercial

Nr ord Indicii fizico-chimici Valoarea

1 Compoziție () 995 ndash 1005

2 Apă () Max 05

3 Reziduuri () Max 005

4 Oxalațiacid oxalic () Max 0036

5 Sulfați () Max 0015

6 Arseniu (ppm) Max 10

7 Metale grele (ppm) Max 50

8 Plumb (ppm) Max 05

9 Tridodecylamine (ppm) Max 01

12 Materii prime intermediare și auxiliare

Microorganismul producător

Mucegaiurile fac parte din Phyllum Mycophyta sau Fungi și reprezintă icircmpreună cu levurile

un grup de organisme incluzacircnd aproximativ 200000 de specii Sunt organisme filamentoase

saprofite (care cresc pe substanțe intrate icircn 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

icircn care icircși desfășoară activitatea Mucegaiurile cresc icircn condiții extreme de aciditate presiune

osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

7

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

Icircn general icircn 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 icircn 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 icircn

formarea aparatului Golgi Are totodată importante roluri icircn transportul unor substanțe dinmediu

icircn celulă și din celulă icircn mediu

Citoplasma se prezintă sub forma unei mase fin granulate icircn care sunt suspendatevacuolele

picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă segăsesc de

asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgimitocondrii ribozomi

8

liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiunistructurale cu rol icircn liza unor

substanțe

Fiziologie și metabolism

Mucegaiurile au o nutriție de tip heterotrof adică necesită pentru creștere și dezvoltaremedii

bogate icircn 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 icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganismecu

capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharideLipide acizi

organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

Temperatura optimă de creștere este de 22-32 ˚C icircnsă 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

aerobinecesitacircnd 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 icircn 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 icircn

industriaalimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor

antibioticedar și icircn 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 icircn cristalele de zahăr și are o

puritate scazută

Caracteristici fizice

Aspect lichid vacircscos de culoare brun-negru

Gust caracteristic

Densitate variază icircn funcție de conținutul icircn substanță uscată fiind de 1390 kgm3 la77

su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

9

Tabelul 2 Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr (după Reiff 1962)

Compusul Provenienţa melasei

Sfeclă de zahăr Trestie de zahăr

Apă 20-25 15-20

Substanţă uscată 75-80 80-85

Zahăr total 44-52 50-55

Zahăr invertit 01-05 20-23

Rafinoză 06-18 -

Azot total 12-24 03-06

Substanţe minerale 76-123 10-12

pH 60-86 lt7

Icircn compoziția melasei intră 44divide55 zaharoză 15divide25 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

Extract de porumb

Este un subprodus de la fabricarea amidonului din porumb obținut icircn cursul icircnmuierii

preliminarea boabelor Acest extract ca și extractul de cartofi dă un mediu de cultură bogat

nutritiv mult utilizat icircn industria de biosinteza

Caracteristici fizice

Aspect lichid cremos de culoare galben icircnchis

Substanta uscata minim 50

pH = 35-4

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

zahar total maxim 25

Tabelul 3 Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr (după Reiff 1962)

Constituienti g100g extractde porumb Conținut

Substanță uscată 46-496

Cenușă 804-1043

N total 333-367

Zahar total (exprimat caglucoza) 400-470

Acid lactic 074-439

Aciditate ( ml sol NaOH 01N 100 gextract de porumb ) 116-193

Fe 0009-002

P 15-19

Ca 002-007

Zn 005-0012

K 20-25

SO2 002

Sedimente solide 384-529

10

13 Variante tehnologice de obținere a acidului citric

131 Obținerea acidului citric prin sinteză

Una din sintezele acidului citric constă icircn transformarea dicloracetonei simetrice cu acid

cianhidric icircn cianhidrina respectivă saponificarea acesteia icircn 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 icircn apă avacircnd o moleculăde apă

de cristalizare (pt100 ordmC) Prin icircncălzire la 80 ordmC pierde apa de cristalizare și are icircnstare anhidră

pt153 ordmC

132 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 icircn suprafață sau icircn profunzime

Icircn primul sistem fermentația durează 10 - 11zile iar icircn al doilea durează 6-7 zile

Fermentația icircn suprafața

Icircn acest procedeu melasa este trimisă icircn reactor unde la 40ordm C se tratează cu ferocianură de

potasiu după care se sterilizează prin icircncălzire la 120 ordm C timp de 30 min se răcește la 45 ordmC şi se

adaugă fosfatul de potasiu sulfatul de zinc sulfatul de magneziu sub formă de soluţii sterile

Mediul de cultură astfel preparat se trimite icircn camera de fermentaţie sterilă construită sub formă

de uscător dulap icircn care se montează pe rafturi tăvi cu icircnălţimea de 20 cm icircn care se introduce

lichid de cultură pe o adacircncime 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 icircnsămacircnţarea prin curentul de aer

După icircnsămacircnţare 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 icircnsă la scara redusă icircn industrie

Avantajele folosirii acestuia sunt

efort minim icircn operații

consumuri energetice minime și construcție simplă ainstalației

11

Principalul dezavantaj este insă productivitatea mică la care se adaugă dificultatea păstrării

condițiilor aseptice cele mai frecvente contaminări fiind date icircn principal de speciile Penicillium

Aspergillus și bacterii lactice

Fermentația icircn profunzime

Se realizează icircn 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 3-45 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

Icircn procesul de obţinere a acidului citric ca şi icircn 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 avacircnd un efect stimulator icircn procesul de

creştere Se estimează ca aproape 80 din producția mondială de acid citric se obține folosind

fermentația icircn 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

14 Alegerea variantei optime

Icircn vederea obținerii acidului citric se alege procedeul discontinuu de fermentație icircn 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 icircn general mai putin complicată și arenevoie

de un sistem de control mai puțin sofisticat icircndemacircnarea tehnică cerută nu este atacirct de icircnaltă

consumul de energie este mic iar căderile frecvente de curent nu afectează icircn mod

criticfuncționarea instalației

Procedeul culturii icircn profunzime constă icircn cultivarea microorganismelor icircn fermentatoare de

otel icircn care mediul este supus unei aerații și agitări continueIcircn aceste condiții procedeulculturii

icircn profunzime oferă o serie de avantaje față de cultura icircn suprafața printre care costuri investiții

reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol deinfectare al culturii redus

volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogenerandamente ridicate puritatea produsului

ca și activitatea biologică ridicate

12

15 Descrierea procesului tehnologic adoptat

151 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Fig 2 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Pregătirea mediului de

cultură

Sterilizarea mediului de

cultură

Fermentație

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Aspergillus niger

Aer nesteril

Sterilizarea aerului

Biomasă

CaCl2

Ca(OH)2 20

H2SO4

Cărbune

13

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

pregătirea mediului de cultură

fermentația

filtrarea soluțiilor native

separarea și purificarea

Pregătirea mediului de cultură

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică

Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o cantitate mare de fier care inhibă

atacirct creșterea masei celulare cacirct 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn 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 microelementedar 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 icircndepărtarea totală a

microorganismelor patogene sau apatogene din substanțe preparate spații icircnchise obiecte

Icircn industria de biosinteză unde se obțin culturi microbiene pure precum și icircn

industriafarmaceutică și cea alimentară procesul de sterilizare este de neicircnlocuit și poate fi realizat

de obicei prin

Metode termice

sterilizare cu aer cald la 140-200 ordmC

sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120 -140 ordmC

sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100 ordmC

Metode fizice

filtrare prin umpluturi fibroase

14

filtrare prin materiale poroase

filtrare prin membrane

utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidăfenol 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 δradiatii UV aplicatii

practice au găsit numai procedee le termice de sterilizare Sterilizarea termică prezintă icircnsă și o

serie de inconveniente generate icircn 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 ndash 125 ordmC (fig 3) deoarece aceasta prezintă o serie deavantaje

cum ar fi simplitatea usurința icircn exploatare a utilajelor de sterilizare și realizarea gradului de

sterilizare dorit

Fig 3 Instalația de sterilizare a mediului de cultură la 120 ndash 125 ordmC

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 circulacircnd prin spațiul dintre cele două țevi Icircncalzirea mediului se face prin

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

15

dirijat tangențial și uniform cu ajutorul unui șnec montat pe exteriorul țevii Mediul staționează icircn

coloană 4 ndash 6 secunde după care pătrunde icircn menținător unde rămacircne 15 ndash 20minute pentru

perfectarea procesului de sterilizareIcircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip

țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40 ordmC temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (fig 4) se observă că icircn această instalație contribuția fazei

de icircncalzire și răcire la performanța procesului de sterilizare este de 5 ndash 6 astfel icircncacirct se poate

considera că sterilizarea se realizează aproape icircn totalitate icircn faza demenținere

Fig 4 Diagrama timp ndash temperatură pentru sterilizarea continuă la 120 ndash 125 ordmC

Sterilizarea aerului

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

și spori care trebuiesc icircndepartate icircn mod obligatoriu pentru a putea fi asigurate condițiile unei

fermentații aseptice

Cu toate că sterilizarea aerului se poate realiza atacirct prin procedee termice cacirct și prin

filtaremetoda cea mai utilizată icircn industrie este filtrarea Pentru sterilizare prin filtrare se pot folosi

următoarele materiale filtrante

fibre de sticlă cu diametru cuprins icircntre 5 și 18 μ

nitrat de celuloză pentru filtrul cu membrană

teflon cu o mare rezistență termică (pacircnă la 300ordmC) și caracter hidrofob utilizat sub fo rmă

de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitateelasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn 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 lumacircnare

16

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 icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile filtrante)

Fig 6 Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră

Din aceste motive răcirea aerului icircn răcitorul (3) se face pacircnă la apariția condensului iar după

separarea lui aerul saturat se preicircncălzește cu aer fierbinte pacircnă cacircnd temperatura deieșire din

filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouăStabilirea

parametrilor de funcționare ai instalației de sterilizare se face numai icircn funcție de parametrii

termodinamici ai aerului Reținerea microorganismelor pe fibrele de sticlă icircn procesul de filtrare

a aerului se realizează ca efect al combinării următoarelor fenomeneimpact 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 fermentațieFermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor

de biosinteză Ea se realizează icircn trei etape

17

- fermentația icircn inoculator - această fermentație dureaza 16 pacircnă la 20 de ore

- fermentația icircn intermediar ndash această fermentație durează aproximativ 12 picircnă la 16 ore

- fermentația icircn regim ndash are loc icircn fermentatorul de regim icircn care se realizează aceleași condiții

și parametri ca și icircn inoculator și intermediar

Icircn primele două faze se consideră că fermentația s-a terminat atunci cacircnd conținutul dezahăr

este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

Icircn toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub ointensă

agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o

cantitate mare de fier care inhibă atacirct creșterea masei celulare cacirct și obținerea acidului citric

Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimiciabsorbanți 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea 70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianurădar

numai pacircnă 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 atacirct procesul de creștere a masei

celulare cacirct și procesul de utilizare a zahărului Melasa conține de obicei 3-20 mg- fosfor iar

pacircnă la valoarea optimă se adaugă icircn 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 microelementedar 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 1-15L aer pentruun

litru mediu pe minutiar pH-ul se menține tot timpul icircntre 3 și 45

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

icircnsămacircnțarea serealizează la 36-42 degC după care temperatura se coboară la 34-36 degC și se menține

18

la această valoare timp de 24-36 ore cacirct durează dezvoltarea masei microbiene apoi temperatura

sescade la 30-32 degC 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 pacircnă la 250

kcalm3 h iar această valoare se atinge icircn 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 icircn procesul de fermentație

T1-variația efectului termickcalm2∙h

T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic

A-variația concentrației icircn acid citric g m2∙h

B-viteza specifică de creștere a masei celulare g m2∙h

Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea saicircncepe

după 25-30 ore de fermentație iar viteza de acumulare atinge icircn ziua a 5-a și a 6 ndasha valori de 105-

106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10 ndash 15 iar icircn

perioada de acumulare a produsului 48-50 din cantitatea totală de zahăr din mediu O utilizare

mai rațională a zahărului se obține icircn cazul icircn care conținutulacesatiua icircn mediu de cultură este

cuprins icircntre 14 și 16 concentrație ce asigură un conținut de 10-12 acizi organici icircn care

acidul citric reprezintă 80 ndash 95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime icircn

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 3-45 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 4: Acid Citric

4

3 La conservarea fructelor prin congelare caz icircn 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 prevenireaicircmbrunării

enzimatice

4 Ca sinergetic alături de antioxidanții BHA BHT galatul de propil pentru icircmpiedicarea

racircncezirii grăsimilor și uleiurilor Se consideră că efectul sinergetic se datoreazărestului

citrat și nu acidului ca atare ceea ce icircnseamnă 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 icircn grăsimi

5 Ca un component al sărurilor de topire icircn cazul bracircnzeturilor topite Se utilizeazăicircmpreună

cu fosfațiiefectul de emulsionare fiind icircnsă realizat de tartrați Lactații au icircnsă efect invers

coagulacircnd proteinele din bracircnză

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 icircmpiedicarea zaharisirii mierii de albine icircn clarificarea enzimatică a sucurilor ca

agent de stabilizare pentru condimente boia de ardei icircn sinteza grăsimilor rearanjate neces

are obținerii de shortening uri icircn dressingurile pentru salate

8 Ca un component al sărurilor efervescente icircmpreună 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 icircn producerea medicamentelor și icircn biotehnologie precumși la

sapunuri și detergenti datorită proprietății de a combina metalele icircn apa dură

Are și alte utilizări cum ar fi Circa 6 acid citric va icircndepărta pete de apă dură de pe sticlă fără

frecări ca ingredient icircn icircnghețată 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

Proprietăți 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 21014

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

decristalizare icircn atmosferă uscată sau icircn vid prin icircncălzire lentă pierde apa de cristalizare la 70-

5

75 ordm C și se topește complet icircn intervalul 135-152ordm C la icircncălzire rapidă pierde apa la 100ordm C și se

topește la 153ordmC

Densitatea acidului monohidrat este 1542 iar a acidului anhidru 1665 Acidul citric este ușor

solubil icircn apă parțial solubil icircn alcooli alifatici inferiori și greu solubil icircn eter etilic Acidul anhidru

este insolubil icircn cloroform tetracorură de carbon benzen toluen sulfură de carbon Este un acid

organic destul de tare Ka1=82middot10-4 Ka2=177middot10-5 și Ka3=39middot10-6 la 18ordmC

Presiune de vapori la 20ordmC gt01hPapH-ul sol 50gl icircn apă la 20 ordmC asymp18

Temperatura de autoaprindere 345 ordmC

Acidul citric este stabil icircn condiții normale de depozitare și manipulare se descompune sub

acțiunea acidului sulfuric cu formare de acid formic si bioxid de carbon Prin icircncălzire cusulfură

de carbon se formează un compus biciclic-tiofen

Proprietăți chimice

După cum s-a mai spus acidul citric este un acid tricarboxilic Sarea lui de calciu este mai greu

solubilă icircn apă la cald decacirct la rece ea se precipită la fierberea soluției și seredizolvă la răcire Prin

icircncălzirea acidului citric la 175ordmC se produce icircntacirci 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 icircn 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 icircn acidul aceton-dicarboxilic un acid β-cetonicdicarboxilic usor de

obtinut pe această cale Un tratament mai energic duce la aceton

Prin icircncălzirea acidului citric cu pentasulfură de fosfor se formează tiofen

Efectul chelatizant al acidului citric explică relaţia sinergică cu antioxidanţii princomplexarea

prooxidanţilor

6

Proprietăţi biologice

Acidul citric face parte dintr-o serie de compuși implicați icircn oxidarea fizică a lipidelor

proteinelor și carbohidraților icircn CO2 și H2O Această serie de reacții este legată de aproapetoate

reacțiile metabolice și asigură ⅔ din energia derivată din alimente icircn organismele evoluate

Proprietăți farmacologice

Acidul citric se foloseste icircn industria farmaceutică datorită efectului său anticoagulant Asigură

rapida dizolvare a ingredientelor active Are proprietatea de a regla pH-ul este folosit deasemenea

ca și efervescent icircn comprimate icircn combinație cu bicarbonați

Tabelul 1 Indicii fizico-chimici ai acidului citric comercial

Nr ord Indicii fizico-chimici Valoarea

1 Compoziție () 995 ndash 1005

2 Apă () Max 05

3 Reziduuri () Max 005

4 Oxalațiacid oxalic () Max 0036

5 Sulfați () Max 0015

6 Arseniu (ppm) Max 10

7 Metale grele (ppm) Max 50

8 Plumb (ppm) Max 05

9 Tridodecylamine (ppm) Max 01

12 Materii prime intermediare și auxiliare

Microorganismul producător

Mucegaiurile fac parte din Phyllum Mycophyta sau Fungi și reprezintă icircmpreună cu levurile

un grup de organisme incluzacircnd aproximativ 200000 de specii Sunt organisme filamentoase

saprofite (care cresc pe substanțe intrate icircn 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

icircn care icircși desfășoară activitatea Mucegaiurile cresc icircn condiții extreme de aciditate presiune

osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

7

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

Icircn general icircn 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 icircn 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 icircn

formarea aparatului Golgi Are totodată importante roluri icircn transportul unor substanțe dinmediu

icircn celulă și din celulă icircn mediu

Citoplasma se prezintă sub forma unei mase fin granulate icircn care sunt suspendatevacuolele

picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă segăsesc de

asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgimitocondrii ribozomi

8

liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiunistructurale cu rol icircn liza unor

substanțe

Fiziologie și metabolism

Mucegaiurile au o nutriție de tip heterotrof adică necesită pentru creștere și dezvoltaremedii

bogate icircn 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 icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganismecu

capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharideLipide acizi

organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

Temperatura optimă de creștere este de 22-32 ˚C icircnsă 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

aerobinecesitacircnd 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 icircn 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 icircn

industriaalimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor

antibioticedar și icircn 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 icircn cristalele de zahăr și are o

puritate scazută

Caracteristici fizice

Aspect lichid vacircscos de culoare brun-negru

Gust caracteristic

Densitate variază icircn funcție de conținutul icircn substanță uscată fiind de 1390 kgm3 la77

su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

9

Tabelul 2 Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr (după Reiff 1962)

Compusul Provenienţa melasei

Sfeclă de zahăr Trestie de zahăr

Apă 20-25 15-20

Substanţă uscată 75-80 80-85

Zahăr total 44-52 50-55

Zahăr invertit 01-05 20-23

Rafinoză 06-18 -

Azot total 12-24 03-06

Substanţe minerale 76-123 10-12

pH 60-86 lt7

Icircn compoziția melasei intră 44divide55 zaharoză 15divide25 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

Extract de porumb

Este un subprodus de la fabricarea amidonului din porumb obținut icircn cursul icircnmuierii

preliminarea boabelor Acest extract ca și extractul de cartofi dă un mediu de cultură bogat

nutritiv mult utilizat icircn industria de biosinteza

Caracteristici fizice

Aspect lichid cremos de culoare galben icircnchis

Substanta uscata minim 50

pH = 35-4

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

zahar total maxim 25

Tabelul 3 Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr (după Reiff 1962)

Constituienti g100g extractde porumb Conținut

Substanță uscată 46-496

Cenușă 804-1043

N total 333-367

Zahar total (exprimat caglucoza) 400-470

Acid lactic 074-439

Aciditate ( ml sol NaOH 01N 100 gextract de porumb ) 116-193

Fe 0009-002

P 15-19

Ca 002-007

Zn 005-0012

K 20-25

SO2 002

Sedimente solide 384-529

10

13 Variante tehnologice de obținere a acidului citric

131 Obținerea acidului citric prin sinteză

Una din sintezele acidului citric constă icircn transformarea dicloracetonei simetrice cu acid

cianhidric icircn cianhidrina respectivă saponificarea acesteia icircn 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 icircn apă avacircnd o moleculăde apă

de cristalizare (pt100 ordmC) Prin icircncălzire la 80 ordmC pierde apa de cristalizare și are icircnstare anhidră

pt153 ordmC

132 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 icircn suprafață sau icircn profunzime

Icircn primul sistem fermentația durează 10 - 11zile iar icircn al doilea durează 6-7 zile

Fermentația icircn suprafața

Icircn acest procedeu melasa este trimisă icircn reactor unde la 40ordm C se tratează cu ferocianură de

potasiu după care se sterilizează prin icircncălzire la 120 ordm C timp de 30 min se răcește la 45 ordmC şi se

adaugă fosfatul de potasiu sulfatul de zinc sulfatul de magneziu sub formă de soluţii sterile

Mediul de cultură astfel preparat se trimite icircn camera de fermentaţie sterilă construită sub formă

de uscător dulap icircn care se montează pe rafturi tăvi cu icircnălţimea de 20 cm icircn care se introduce

lichid de cultură pe o adacircncime 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 icircnsămacircnţarea prin curentul de aer

După icircnsămacircnţare 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 icircnsă la scara redusă icircn industrie

Avantajele folosirii acestuia sunt

efort minim icircn operații

consumuri energetice minime și construcție simplă ainstalației

11

Principalul dezavantaj este insă productivitatea mică la care se adaugă dificultatea păstrării

condițiilor aseptice cele mai frecvente contaminări fiind date icircn principal de speciile Penicillium

Aspergillus și bacterii lactice

Fermentația icircn profunzime

Se realizează icircn 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 3-45 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

Icircn procesul de obţinere a acidului citric ca şi icircn 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 avacircnd un efect stimulator icircn procesul de

creştere Se estimează ca aproape 80 din producția mondială de acid citric se obține folosind

fermentația icircn 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

14 Alegerea variantei optime

Icircn vederea obținerii acidului citric se alege procedeul discontinuu de fermentație icircn 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 icircn general mai putin complicată și arenevoie

de un sistem de control mai puțin sofisticat icircndemacircnarea tehnică cerută nu este atacirct de icircnaltă

consumul de energie este mic iar căderile frecvente de curent nu afectează icircn mod

criticfuncționarea instalației

Procedeul culturii icircn profunzime constă icircn cultivarea microorganismelor icircn fermentatoare de

otel icircn care mediul este supus unei aerații și agitări continueIcircn aceste condiții procedeulculturii

icircn profunzime oferă o serie de avantaje față de cultura icircn suprafața printre care costuri investiții

reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol deinfectare al culturii redus

volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogenerandamente ridicate puritatea produsului

ca și activitatea biologică ridicate

12

15 Descrierea procesului tehnologic adoptat

151 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Fig 2 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Pregătirea mediului de

cultură

Sterilizarea mediului de

cultură

Fermentație

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Aspergillus niger

Aer nesteril

Sterilizarea aerului

Biomasă

CaCl2

Ca(OH)2 20

H2SO4

Cărbune

13

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

pregătirea mediului de cultură

fermentația

filtrarea soluțiilor native

separarea și purificarea

Pregătirea mediului de cultură

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică

Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o cantitate mare de fier care inhibă

atacirct creșterea masei celulare cacirct 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn 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 microelementedar 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 icircndepărtarea totală a

microorganismelor patogene sau apatogene din substanțe preparate spații icircnchise obiecte

Icircn industria de biosinteză unde se obțin culturi microbiene pure precum și icircn

industriafarmaceutică și cea alimentară procesul de sterilizare este de neicircnlocuit și poate fi realizat

de obicei prin

Metode termice

sterilizare cu aer cald la 140-200 ordmC

sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120 -140 ordmC

sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100 ordmC

Metode fizice

filtrare prin umpluturi fibroase

14

filtrare prin materiale poroase

filtrare prin membrane

utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidăfenol 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 δradiatii UV aplicatii

practice au găsit numai procedee le termice de sterilizare Sterilizarea termică prezintă icircnsă și o

serie de inconveniente generate icircn 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 ndash 125 ordmC (fig 3) deoarece aceasta prezintă o serie deavantaje

cum ar fi simplitatea usurința icircn exploatare a utilajelor de sterilizare și realizarea gradului de

sterilizare dorit

Fig 3 Instalația de sterilizare a mediului de cultură la 120 ndash 125 ordmC

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 circulacircnd prin spațiul dintre cele două țevi Icircncalzirea mediului se face prin

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

15

dirijat tangențial și uniform cu ajutorul unui șnec montat pe exteriorul țevii Mediul staționează icircn

coloană 4 ndash 6 secunde după care pătrunde icircn menținător unde rămacircne 15 ndash 20minute pentru

perfectarea procesului de sterilizareIcircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip

țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40 ordmC temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (fig 4) se observă că icircn această instalație contribuția fazei

de icircncalzire și răcire la performanța procesului de sterilizare este de 5 ndash 6 astfel icircncacirct se poate

considera că sterilizarea se realizează aproape icircn totalitate icircn faza demenținere

Fig 4 Diagrama timp ndash temperatură pentru sterilizarea continuă la 120 ndash 125 ordmC

Sterilizarea aerului

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

și spori care trebuiesc icircndepartate icircn mod obligatoriu pentru a putea fi asigurate condițiile unei

fermentații aseptice

Cu toate că sterilizarea aerului se poate realiza atacirct prin procedee termice cacirct și prin

filtaremetoda cea mai utilizată icircn industrie este filtrarea Pentru sterilizare prin filtrare se pot folosi

următoarele materiale filtrante

fibre de sticlă cu diametru cuprins icircntre 5 și 18 μ

nitrat de celuloză pentru filtrul cu membrană

teflon cu o mare rezistență termică (pacircnă la 300ordmC) și caracter hidrofob utilizat sub fo rmă

de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitateelasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn 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 lumacircnare

16

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 icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile filtrante)

Fig 6 Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră

Din aceste motive răcirea aerului icircn răcitorul (3) se face pacircnă la apariția condensului iar după

separarea lui aerul saturat se preicircncălzește cu aer fierbinte pacircnă cacircnd temperatura deieșire din

filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouăStabilirea

parametrilor de funcționare ai instalației de sterilizare se face numai icircn funcție de parametrii

termodinamici ai aerului Reținerea microorganismelor pe fibrele de sticlă icircn procesul de filtrare

a aerului se realizează ca efect al combinării următoarelor fenomeneimpact 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 fermentațieFermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor

de biosinteză Ea se realizează icircn trei etape

17

- fermentația icircn inoculator - această fermentație dureaza 16 pacircnă la 20 de ore

- fermentația icircn intermediar ndash această fermentație durează aproximativ 12 picircnă la 16 ore

- fermentația icircn regim ndash are loc icircn fermentatorul de regim icircn care se realizează aceleași condiții

și parametri ca și icircn inoculator și intermediar

Icircn primele două faze se consideră că fermentația s-a terminat atunci cacircnd conținutul dezahăr

este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

Icircn toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub ointensă

agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o

cantitate mare de fier care inhibă atacirct creșterea masei celulare cacirct și obținerea acidului citric

Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimiciabsorbanți 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea 70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianurădar

numai pacircnă 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 atacirct procesul de creștere a masei

celulare cacirct și procesul de utilizare a zahărului Melasa conține de obicei 3-20 mg- fosfor iar

pacircnă la valoarea optimă se adaugă icircn 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 microelementedar 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 1-15L aer pentruun

litru mediu pe minutiar pH-ul se menține tot timpul icircntre 3 și 45

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

icircnsămacircnțarea serealizează la 36-42 degC după care temperatura se coboară la 34-36 degC și se menține

18

la această valoare timp de 24-36 ore cacirct durează dezvoltarea masei microbiene apoi temperatura

sescade la 30-32 degC 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 pacircnă la 250

kcalm3 h iar această valoare se atinge icircn 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 icircn procesul de fermentație

T1-variația efectului termickcalm2∙h

T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic

A-variația concentrației icircn acid citric g m2∙h

B-viteza specifică de creștere a masei celulare g m2∙h

Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea saicircncepe

după 25-30 ore de fermentație iar viteza de acumulare atinge icircn ziua a 5-a și a 6 ndasha valori de 105-

106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10 ndash 15 iar icircn

perioada de acumulare a produsului 48-50 din cantitatea totală de zahăr din mediu O utilizare

mai rațională a zahărului se obține icircn cazul icircn care conținutulacesatiua icircn mediu de cultură este

cuprins icircntre 14 și 16 concentrație ce asigură un conținut de 10-12 acizi organici icircn care

acidul citric reprezintă 80 ndash 95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime icircn

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 3-45 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 5: Acid Citric

5

75 ordm C și se topește complet icircn intervalul 135-152ordm C la icircncălzire rapidă pierde apa la 100ordm C și se

topește la 153ordmC

Densitatea acidului monohidrat este 1542 iar a acidului anhidru 1665 Acidul citric este ușor

solubil icircn apă parțial solubil icircn alcooli alifatici inferiori și greu solubil icircn eter etilic Acidul anhidru

este insolubil icircn cloroform tetracorură de carbon benzen toluen sulfură de carbon Este un acid

organic destul de tare Ka1=82middot10-4 Ka2=177middot10-5 și Ka3=39middot10-6 la 18ordmC

Presiune de vapori la 20ordmC gt01hPapH-ul sol 50gl icircn apă la 20 ordmC asymp18

Temperatura de autoaprindere 345 ordmC

Acidul citric este stabil icircn condiții normale de depozitare și manipulare se descompune sub

acțiunea acidului sulfuric cu formare de acid formic si bioxid de carbon Prin icircncălzire cusulfură

de carbon se formează un compus biciclic-tiofen

Proprietăți chimice

După cum s-a mai spus acidul citric este un acid tricarboxilic Sarea lui de calciu este mai greu

solubilă icircn apă la cald decacirct la rece ea se precipită la fierberea soluției și seredizolvă la răcire Prin

icircncălzirea acidului citric la 175ordmC se produce icircntacirci 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 icircn 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 icircn acidul aceton-dicarboxilic un acid β-cetonicdicarboxilic usor de

obtinut pe această cale Un tratament mai energic duce la aceton

Prin icircncălzirea acidului citric cu pentasulfură de fosfor se formează tiofen

Efectul chelatizant al acidului citric explică relaţia sinergică cu antioxidanţii princomplexarea

prooxidanţilor

6

Proprietăţi biologice

Acidul citric face parte dintr-o serie de compuși implicați icircn oxidarea fizică a lipidelor

proteinelor și carbohidraților icircn CO2 și H2O Această serie de reacții este legată de aproapetoate

reacțiile metabolice și asigură ⅔ din energia derivată din alimente icircn organismele evoluate

Proprietăți farmacologice

Acidul citric se foloseste icircn industria farmaceutică datorită efectului său anticoagulant Asigură

rapida dizolvare a ingredientelor active Are proprietatea de a regla pH-ul este folosit deasemenea

ca și efervescent icircn comprimate icircn combinație cu bicarbonați

Tabelul 1 Indicii fizico-chimici ai acidului citric comercial

Nr ord Indicii fizico-chimici Valoarea

1 Compoziție () 995 ndash 1005

2 Apă () Max 05

3 Reziduuri () Max 005

4 Oxalațiacid oxalic () Max 0036

5 Sulfați () Max 0015

6 Arseniu (ppm) Max 10

7 Metale grele (ppm) Max 50

8 Plumb (ppm) Max 05

9 Tridodecylamine (ppm) Max 01

12 Materii prime intermediare și auxiliare

Microorganismul producător

Mucegaiurile fac parte din Phyllum Mycophyta sau Fungi și reprezintă icircmpreună cu levurile

un grup de organisme incluzacircnd aproximativ 200000 de specii Sunt organisme filamentoase

saprofite (care cresc pe substanțe intrate icircn 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

icircn care icircși desfășoară activitatea Mucegaiurile cresc icircn condiții extreme de aciditate presiune

osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

7

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

Icircn general icircn 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 icircn 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 icircn

formarea aparatului Golgi Are totodată importante roluri icircn transportul unor substanțe dinmediu

icircn celulă și din celulă icircn mediu

Citoplasma se prezintă sub forma unei mase fin granulate icircn care sunt suspendatevacuolele

picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă segăsesc de

asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgimitocondrii ribozomi

8

liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiunistructurale cu rol icircn liza unor

substanțe

Fiziologie și metabolism

Mucegaiurile au o nutriție de tip heterotrof adică necesită pentru creștere și dezvoltaremedii

bogate icircn 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 icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganismecu

capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharideLipide acizi

organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

Temperatura optimă de creștere este de 22-32 ˚C icircnsă 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

aerobinecesitacircnd 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 icircn 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 icircn

industriaalimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor

antibioticedar și icircn 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 icircn cristalele de zahăr și are o

puritate scazută

Caracteristici fizice

Aspect lichid vacircscos de culoare brun-negru

Gust caracteristic

Densitate variază icircn funcție de conținutul icircn substanță uscată fiind de 1390 kgm3 la77

su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

9

Tabelul 2 Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr (după Reiff 1962)

Compusul Provenienţa melasei

Sfeclă de zahăr Trestie de zahăr

Apă 20-25 15-20

Substanţă uscată 75-80 80-85

Zahăr total 44-52 50-55

Zahăr invertit 01-05 20-23

Rafinoză 06-18 -

Azot total 12-24 03-06

Substanţe minerale 76-123 10-12

pH 60-86 lt7

Icircn compoziția melasei intră 44divide55 zaharoză 15divide25 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

Extract de porumb

Este un subprodus de la fabricarea amidonului din porumb obținut icircn cursul icircnmuierii

preliminarea boabelor Acest extract ca și extractul de cartofi dă un mediu de cultură bogat

nutritiv mult utilizat icircn industria de biosinteza

Caracteristici fizice

Aspect lichid cremos de culoare galben icircnchis

Substanta uscata minim 50

pH = 35-4

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

zahar total maxim 25

Tabelul 3 Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr (după Reiff 1962)

Constituienti g100g extractde porumb Conținut

Substanță uscată 46-496

Cenușă 804-1043

N total 333-367

Zahar total (exprimat caglucoza) 400-470

Acid lactic 074-439

Aciditate ( ml sol NaOH 01N 100 gextract de porumb ) 116-193

Fe 0009-002

P 15-19

Ca 002-007

Zn 005-0012

K 20-25

SO2 002

Sedimente solide 384-529

10

13 Variante tehnologice de obținere a acidului citric

131 Obținerea acidului citric prin sinteză

Una din sintezele acidului citric constă icircn transformarea dicloracetonei simetrice cu acid

cianhidric icircn cianhidrina respectivă saponificarea acesteia icircn 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 icircn apă avacircnd o moleculăde apă

de cristalizare (pt100 ordmC) Prin icircncălzire la 80 ordmC pierde apa de cristalizare și are icircnstare anhidră

pt153 ordmC

132 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 icircn suprafață sau icircn profunzime

Icircn primul sistem fermentația durează 10 - 11zile iar icircn al doilea durează 6-7 zile

Fermentația icircn suprafața

Icircn acest procedeu melasa este trimisă icircn reactor unde la 40ordm C se tratează cu ferocianură de

potasiu după care se sterilizează prin icircncălzire la 120 ordm C timp de 30 min se răcește la 45 ordmC şi se

adaugă fosfatul de potasiu sulfatul de zinc sulfatul de magneziu sub formă de soluţii sterile

Mediul de cultură astfel preparat se trimite icircn camera de fermentaţie sterilă construită sub formă

de uscător dulap icircn care se montează pe rafturi tăvi cu icircnălţimea de 20 cm icircn care se introduce

lichid de cultură pe o adacircncime 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 icircnsămacircnţarea prin curentul de aer

După icircnsămacircnţare 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 icircnsă la scara redusă icircn industrie

Avantajele folosirii acestuia sunt

efort minim icircn operații

consumuri energetice minime și construcție simplă ainstalației

11

Principalul dezavantaj este insă productivitatea mică la care se adaugă dificultatea păstrării

condițiilor aseptice cele mai frecvente contaminări fiind date icircn principal de speciile Penicillium

Aspergillus și bacterii lactice

Fermentația icircn profunzime

Se realizează icircn 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 3-45 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

Icircn procesul de obţinere a acidului citric ca şi icircn 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 avacircnd un efect stimulator icircn procesul de

creştere Se estimează ca aproape 80 din producția mondială de acid citric se obține folosind

fermentația icircn 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

14 Alegerea variantei optime

Icircn vederea obținerii acidului citric se alege procedeul discontinuu de fermentație icircn 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 icircn general mai putin complicată și arenevoie

de un sistem de control mai puțin sofisticat icircndemacircnarea tehnică cerută nu este atacirct de icircnaltă

consumul de energie este mic iar căderile frecvente de curent nu afectează icircn mod

criticfuncționarea instalației

Procedeul culturii icircn profunzime constă icircn cultivarea microorganismelor icircn fermentatoare de

otel icircn care mediul este supus unei aerații și agitări continueIcircn aceste condiții procedeulculturii

icircn profunzime oferă o serie de avantaje față de cultura icircn suprafața printre care costuri investiții

reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol deinfectare al culturii redus

volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogenerandamente ridicate puritatea produsului

ca și activitatea biologică ridicate

12

15 Descrierea procesului tehnologic adoptat

151 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Fig 2 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Pregătirea mediului de

cultură

Sterilizarea mediului de

cultură

Fermentație

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Aspergillus niger

Aer nesteril

Sterilizarea aerului

Biomasă

CaCl2

Ca(OH)2 20

H2SO4

Cărbune

13

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

pregătirea mediului de cultură

fermentația

filtrarea soluțiilor native

separarea și purificarea

Pregătirea mediului de cultură

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică

Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o cantitate mare de fier care inhibă

atacirct creșterea masei celulare cacirct 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn 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 microelementedar 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 icircndepărtarea totală a

microorganismelor patogene sau apatogene din substanțe preparate spații icircnchise obiecte

Icircn industria de biosinteză unde se obțin culturi microbiene pure precum și icircn

industriafarmaceutică și cea alimentară procesul de sterilizare este de neicircnlocuit și poate fi realizat

de obicei prin

Metode termice

sterilizare cu aer cald la 140-200 ordmC

sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120 -140 ordmC

sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100 ordmC

Metode fizice

filtrare prin umpluturi fibroase

14

filtrare prin materiale poroase

filtrare prin membrane

utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidăfenol 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 δradiatii UV aplicatii

practice au găsit numai procedee le termice de sterilizare Sterilizarea termică prezintă icircnsă și o

serie de inconveniente generate icircn 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 ndash 125 ordmC (fig 3) deoarece aceasta prezintă o serie deavantaje

cum ar fi simplitatea usurința icircn exploatare a utilajelor de sterilizare și realizarea gradului de

sterilizare dorit

Fig 3 Instalația de sterilizare a mediului de cultură la 120 ndash 125 ordmC

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 circulacircnd prin spațiul dintre cele două țevi Icircncalzirea mediului se face prin

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

15

dirijat tangențial și uniform cu ajutorul unui șnec montat pe exteriorul țevii Mediul staționează icircn

coloană 4 ndash 6 secunde după care pătrunde icircn menținător unde rămacircne 15 ndash 20minute pentru

perfectarea procesului de sterilizareIcircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip

țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40 ordmC temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (fig 4) se observă că icircn această instalație contribuția fazei

de icircncalzire și răcire la performanța procesului de sterilizare este de 5 ndash 6 astfel icircncacirct se poate

considera că sterilizarea se realizează aproape icircn totalitate icircn faza demenținere

Fig 4 Diagrama timp ndash temperatură pentru sterilizarea continuă la 120 ndash 125 ordmC

Sterilizarea aerului

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

și spori care trebuiesc icircndepartate icircn mod obligatoriu pentru a putea fi asigurate condițiile unei

fermentații aseptice

Cu toate că sterilizarea aerului se poate realiza atacirct prin procedee termice cacirct și prin

filtaremetoda cea mai utilizată icircn industrie este filtrarea Pentru sterilizare prin filtrare se pot folosi

următoarele materiale filtrante

fibre de sticlă cu diametru cuprins icircntre 5 și 18 μ

nitrat de celuloză pentru filtrul cu membrană

teflon cu o mare rezistență termică (pacircnă la 300ordmC) și caracter hidrofob utilizat sub fo rmă

de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitateelasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn 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 lumacircnare

16

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 icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile filtrante)

Fig 6 Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră

Din aceste motive răcirea aerului icircn răcitorul (3) se face pacircnă la apariția condensului iar după

separarea lui aerul saturat se preicircncălzește cu aer fierbinte pacircnă cacircnd temperatura deieșire din

filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouăStabilirea

parametrilor de funcționare ai instalației de sterilizare se face numai icircn funcție de parametrii

termodinamici ai aerului Reținerea microorganismelor pe fibrele de sticlă icircn procesul de filtrare

a aerului se realizează ca efect al combinării următoarelor fenomeneimpact 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 fermentațieFermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor

de biosinteză Ea se realizează icircn trei etape

17

- fermentația icircn inoculator - această fermentație dureaza 16 pacircnă la 20 de ore

- fermentația icircn intermediar ndash această fermentație durează aproximativ 12 picircnă la 16 ore

- fermentația icircn regim ndash are loc icircn fermentatorul de regim icircn care se realizează aceleași condiții

și parametri ca și icircn inoculator și intermediar

Icircn primele două faze se consideră că fermentația s-a terminat atunci cacircnd conținutul dezahăr

este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

Icircn toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub ointensă

agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o

cantitate mare de fier care inhibă atacirct creșterea masei celulare cacirct și obținerea acidului citric

Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimiciabsorbanți 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea 70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianurădar

numai pacircnă 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 atacirct procesul de creștere a masei

celulare cacirct și procesul de utilizare a zahărului Melasa conține de obicei 3-20 mg- fosfor iar

pacircnă la valoarea optimă se adaugă icircn 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 microelementedar 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 1-15L aer pentruun

litru mediu pe minutiar pH-ul se menține tot timpul icircntre 3 și 45

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

icircnsămacircnțarea serealizează la 36-42 degC după care temperatura se coboară la 34-36 degC și se menține

18

la această valoare timp de 24-36 ore cacirct durează dezvoltarea masei microbiene apoi temperatura

sescade la 30-32 degC 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 pacircnă la 250

kcalm3 h iar această valoare se atinge icircn 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 icircn procesul de fermentație

T1-variația efectului termickcalm2∙h

T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic

A-variația concentrației icircn acid citric g m2∙h

B-viteza specifică de creștere a masei celulare g m2∙h

Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea saicircncepe

după 25-30 ore de fermentație iar viteza de acumulare atinge icircn ziua a 5-a și a 6 ndasha valori de 105-

106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10 ndash 15 iar icircn

perioada de acumulare a produsului 48-50 din cantitatea totală de zahăr din mediu O utilizare

mai rațională a zahărului se obține icircn cazul icircn care conținutulacesatiua icircn mediu de cultură este

cuprins icircntre 14 și 16 concentrație ce asigură un conținut de 10-12 acizi organici icircn care

acidul citric reprezintă 80 ndash 95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime icircn

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 3-45 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 6: Acid Citric

6

Proprietăţi biologice

Acidul citric face parte dintr-o serie de compuși implicați icircn oxidarea fizică a lipidelor

proteinelor și carbohidraților icircn CO2 și H2O Această serie de reacții este legată de aproapetoate

reacțiile metabolice și asigură ⅔ din energia derivată din alimente icircn organismele evoluate

Proprietăți farmacologice

Acidul citric se foloseste icircn industria farmaceutică datorită efectului său anticoagulant Asigură

rapida dizolvare a ingredientelor active Are proprietatea de a regla pH-ul este folosit deasemenea

ca și efervescent icircn comprimate icircn combinație cu bicarbonați

Tabelul 1 Indicii fizico-chimici ai acidului citric comercial

Nr ord Indicii fizico-chimici Valoarea

1 Compoziție () 995 ndash 1005

2 Apă () Max 05

3 Reziduuri () Max 005

4 Oxalațiacid oxalic () Max 0036

5 Sulfați () Max 0015

6 Arseniu (ppm) Max 10

7 Metale grele (ppm) Max 50

8 Plumb (ppm) Max 05

9 Tridodecylamine (ppm) Max 01

12 Materii prime intermediare și auxiliare

Microorganismul producător

Mucegaiurile fac parte din Phyllum Mycophyta sau Fungi și reprezintă icircmpreună cu levurile

un grup de organisme incluzacircnd aproximativ 200000 de specii Sunt organisme filamentoase

saprofite (care cresc pe substanțe intrate icircn 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

icircn care icircși desfășoară activitatea Mucegaiurile cresc icircn condiții extreme de aciditate presiune

osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

7

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

Icircn general icircn 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 icircn 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 icircn

formarea aparatului Golgi Are totodată importante roluri icircn transportul unor substanțe dinmediu

icircn celulă și din celulă icircn mediu

Citoplasma se prezintă sub forma unei mase fin granulate icircn care sunt suspendatevacuolele

picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă segăsesc de

asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgimitocondrii ribozomi

8

liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiunistructurale cu rol icircn liza unor

substanțe

Fiziologie și metabolism

Mucegaiurile au o nutriție de tip heterotrof adică necesită pentru creștere și dezvoltaremedii

bogate icircn 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 icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganismecu

capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharideLipide acizi

organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

Temperatura optimă de creștere este de 22-32 ˚C icircnsă 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

aerobinecesitacircnd 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 icircn 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 icircn

industriaalimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor

antibioticedar și icircn 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 icircn cristalele de zahăr și are o

puritate scazută

Caracteristici fizice

Aspect lichid vacircscos de culoare brun-negru

Gust caracteristic

Densitate variază icircn funcție de conținutul icircn substanță uscată fiind de 1390 kgm3 la77

su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

9

Tabelul 2 Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr (după Reiff 1962)

Compusul Provenienţa melasei

Sfeclă de zahăr Trestie de zahăr

Apă 20-25 15-20

Substanţă uscată 75-80 80-85

Zahăr total 44-52 50-55

Zahăr invertit 01-05 20-23

Rafinoză 06-18 -

Azot total 12-24 03-06

Substanţe minerale 76-123 10-12

pH 60-86 lt7

Icircn compoziția melasei intră 44divide55 zaharoză 15divide25 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

Extract de porumb

Este un subprodus de la fabricarea amidonului din porumb obținut icircn cursul icircnmuierii

preliminarea boabelor Acest extract ca și extractul de cartofi dă un mediu de cultură bogat

nutritiv mult utilizat icircn industria de biosinteza

Caracteristici fizice

Aspect lichid cremos de culoare galben icircnchis

Substanta uscata minim 50

pH = 35-4

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

zahar total maxim 25

Tabelul 3 Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr (după Reiff 1962)

Constituienti g100g extractde porumb Conținut

Substanță uscată 46-496

Cenușă 804-1043

N total 333-367

Zahar total (exprimat caglucoza) 400-470

Acid lactic 074-439

Aciditate ( ml sol NaOH 01N 100 gextract de porumb ) 116-193

Fe 0009-002

P 15-19

Ca 002-007

Zn 005-0012

K 20-25

SO2 002

Sedimente solide 384-529

10

13 Variante tehnologice de obținere a acidului citric

131 Obținerea acidului citric prin sinteză

Una din sintezele acidului citric constă icircn transformarea dicloracetonei simetrice cu acid

cianhidric icircn cianhidrina respectivă saponificarea acesteia icircn 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 icircn apă avacircnd o moleculăde apă

de cristalizare (pt100 ordmC) Prin icircncălzire la 80 ordmC pierde apa de cristalizare și are icircnstare anhidră

pt153 ordmC

132 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 icircn suprafață sau icircn profunzime

Icircn primul sistem fermentația durează 10 - 11zile iar icircn al doilea durează 6-7 zile

Fermentația icircn suprafața

Icircn acest procedeu melasa este trimisă icircn reactor unde la 40ordm C se tratează cu ferocianură de

potasiu după care se sterilizează prin icircncălzire la 120 ordm C timp de 30 min se răcește la 45 ordmC şi se

adaugă fosfatul de potasiu sulfatul de zinc sulfatul de magneziu sub formă de soluţii sterile

Mediul de cultură astfel preparat se trimite icircn camera de fermentaţie sterilă construită sub formă

de uscător dulap icircn care se montează pe rafturi tăvi cu icircnălţimea de 20 cm icircn care se introduce

lichid de cultură pe o adacircncime 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 icircnsămacircnţarea prin curentul de aer

După icircnsămacircnţare 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 icircnsă la scara redusă icircn industrie

Avantajele folosirii acestuia sunt

efort minim icircn operații

consumuri energetice minime și construcție simplă ainstalației

11

Principalul dezavantaj este insă productivitatea mică la care se adaugă dificultatea păstrării

condițiilor aseptice cele mai frecvente contaminări fiind date icircn principal de speciile Penicillium

Aspergillus și bacterii lactice

Fermentația icircn profunzime

Se realizează icircn 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 3-45 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

Icircn procesul de obţinere a acidului citric ca şi icircn 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 avacircnd un efect stimulator icircn procesul de

creştere Se estimează ca aproape 80 din producția mondială de acid citric se obține folosind

fermentația icircn 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

14 Alegerea variantei optime

Icircn vederea obținerii acidului citric se alege procedeul discontinuu de fermentație icircn 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 icircn general mai putin complicată și arenevoie

de un sistem de control mai puțin sofisticat icircndemacircnarea tehnică cerută nu este atacirct de icircnaltă

consumul de energie este mic iar căderile frecvente de curent nu afectează icircn mod

criticfuncționarea instalației

Procedeul culturii icircn profunzime constă icircn cultivarea microorganismelor icircn fermentatoare de

otel icircn care mediul este supus unei aerații și agitări continueIcircn aceste condiții procedeulculturii

icircn profunzime oferă o serie de avantaje față de cultura icircn suprafața printre care costuri investiții

reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol deinfectare al culturii redus

volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogenerandamente ridicate puritatea produsului

ca și activitatea biologică ridicate

12

15 Descrierea procesului tehnologic adoptat

151 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Fig 2 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Pregătirea mediului de

cultură

Sterilizarea mediului de

cultură

Fermentație

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Aspergillus niger

Aer nesteril

Sterilizarea aerului

Biomasă

CaCl2

Ca(OH)2 20

H2SO4

Cărbune

13

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

pregătirea mediului de cultură

fermentația

filtrarea soluțiilor native

separarea și purificarea

Pregătirea mediului de cultură

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică

Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o cantitate mare de fier care inhibă

atacirct creșterea masei celulare cacirct 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn 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 microelementedar 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 icircndepărtarea totală a

microorganismelor patogene sau apatogene din substanțe preparate spații icircnchise obiecte

Icircn industria de biosinteză unde se obțin culturi microbiene pure precum și icircn

industriafarmaceutică și cea alimentară procesul de sterilizare este de neicircnlocuit și poate fi realizat

de obicei prin

Metode termice

sterilizare cu aer cald la 140-200 ordmC

sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120 -140 ordmC

sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100 ordmC

Metode fizice

filtrare prin umpluturi fibroase

14

filtrare prin materiale poroase

filtrare prin membrane

utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidăfenol 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 δradiatii UV aplicatii

practice au găsit numai procedee le termice de sterilizare Sterilizarea termică prezintă icircnsă și o

serie de inconveniente generate icircn 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 ndash 125 ordmC (fig 3) deoarece aceasta prezintă o serie deavantaje

cum ar fi simplitatea usurința icircn exploatare a utilajelor de sterilizare și realizarea gradului de

sterilizare dorit

Fig 3 Instalația de sterilizare a mediului de cultură la 120 ndash 125 ordmC

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 circulacircnd prin spațiul dintre cele două țevi Icircncalzirea mediului se face prin

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

15

dirijat tangențial și uniform cu ajutorul unui șnec montat pe exteriorul țevii Mediul staționează icircn

coloană 4 ndash 6 secunde după care pătrunde icircn menținător unde rămacircne 15 ndash 20minute pentru

perfectarea procesului de sterilizareIcircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip

țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40 ordmC temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (fig 4) se observă că icircn această instalație contribuția fazei

de icircncalzire și răcire la performanța procesului de sterilizare este de 5 ndash 6 astfel icircncacirct se poate

considera că sterilizarea se realizează aproape icircn totalitate icircn faza demenținere

Fig 4 Diagrama timp ndash temperatură pentru sterilizarea continuă la 120 ndash 125 ordmC

Sterilizarea aerului

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

și spori care trebuiesc icircndepartate icircn mod obligatoriu pentru a putea fi asigurate condițiile unei

fermentații aseptice

Cu toate că sterilizarea aerului se poate realiza atacirct prin procedee termice cacirct și prin

filtaremetoda cea mai utilizată icircn industrie este filtrarea Pentru sterilizare prin filtrare se pot folosi

următoarele materiale filtrante

fibre de sticlă cu diametru cuprins icircntre 5 și 18 μ

nitrat de celuloză pentru filtrul cu membrană

teflon cu o mare rezistență termică (pacircnă la 300ordmC) și caracter hidrofob utilizat sub fo rmă

de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitateelasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn 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 lumacircnare

16

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 icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile filtrante)

Fig 6 Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră

Din aceste motive răcirea aerului icircn răcitorul (3) se face pacircnă la apariția condensului iar după

separarea lui aerul saturat se preicircncălzește cu aer fierbinte pacircnă cacircnd temperatura deieșire din

filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouăStabilirea

parametrilor de funcționare ai instalației de sterilizare se face numai icircn funcție de parametrii

termodinamici ai aerului Reținerea microorganismelor pe fibrele de sticlă icircn procesul de filtrare

a aerului se realizează ca efect al combinării următoarelor fenomeneimpact 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 fermentațieFermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor

de biosinteză Ea se realizează icircn trei etape

17

- fermentația icircn inoculator - această fermentație dureaza 16 pacircnă la 20 de ore

- fermentația icircn intermediar ndash această fermentație durează aproximativ 12 picircnă la 16 ore

- fermentația icircn regim ndash are loc icircn fermentatorul de regim icircn care se realizează aceleași condiții

și parametri ca și icircn inoculator și intermediar

Icircn primele două faze se consideră că fermentația s-a terminat atunci cacircnd conținutul dezahăr

este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

Icircn toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub ointensă

agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o

cantitate mare de fier care inhibă atacirct creșterea masei celulare cacirct și obținerea acidului citric

Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimiciabsorbanți 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea 70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianurădar

numai pacircnă 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 atacirct procesul de creștere a masei

celulare cacirct și procesul de utilizare a zahărului Melasa conține de obicei 3-20 mg- fosfor iar

pacircnă la valoarea optimă se adaugă icircn 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 microelementedar 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 1-15L aer pentruun

litru mediu pe minutiar pH-ul se menține tot timpul icircntre 3 și 45

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

icircnsămacircnțarea serealizează la 36-42 degC după care temperatura se coboară la 34-36 degC și se menține

18

la această valoare timp de 24-36 ore cacirct durează dezvoltarea masei microbiene apoi temperatura

sescade la 30-32 degC 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 pacircnă la 250

kcalm3 h iar această valoare se atinge icircn 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 icircn procesul de fermentație

T1-variația efectului termickcalm2∙h

T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic

A-variația concentrației icircn acid citric g m2∙h

B-viteza specifică de creștere a masei celulare g m2∙h

Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea saicircncepe

după 25-30 ore de fermentație iar viteza de acumulare atinge icircn ziua a 5-a și a 6 ndasha valori de 105-

106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10 ndash 15 iar icircn

perioada de acumulare a produsului 48-50 din cantitatea totală de zahăr din mediu O utilizare

mai rațională a zahărului se obține icircn cazul icircn care conținutulacesatiua icircn mediu de cultură este

cuprins icircntre 14 și 16 concentrație ce asigură un conținut de 10-12 acizi organici icircn care

acidul citric reprezintă 80 ndash 95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime icircn

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 3-45 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 7: Acid Citric

7

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

Icircn general icircn 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 icircn 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 icircn

formarea aparatului Golgi Are totodată importante roluri icircn transportul unor substanțe dinmediu

icircn celulă și din celulă icircn mediu

Citoplasma se prezintă sub forma unei mase fin granulate icircn care sunt suspendatevacuolele

picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă segăsesc de

asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgimitocondrii ribozomi

8

liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiunistructurale cu rol icircn liza unor

substanțe

Fiziologie și metabolism

Mucegaiurile au o nutriție de tip heterotrof adică necesită pentru creștere și dezvoltaremedii

bogate icircn 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 icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganismecu

capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharideLipide acizi

organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

Temperatura optimă de creștere este de 22-32 ˚C icircnsă 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

aerobinecesitacircnd 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 icircn 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 icircn

industriaalimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor

antibioticedar și icircn 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 icircn cristalele de zahăr și are o

puritate scazută

Caracteristici fizice

Aspect lichid vacircscos de culoare brun-negru

Gust caracteristic

Densitate variază icircn funcție de conținutul icircn substanță uscată fiind de 1390 kgm3 la77

su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

9

Tabelul 2 Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr (după Reiff 1962)

Compusul Provenienţa melasei

Sfeclă de zahăr Trestie de zahăr

Apă 20-25 15-20

Substanţă uscată 75-80 80-85

Zahăr total 44-52 50-55

Zahăr invertit 01-05 20-23

Rafinoză 06-18 -

Azot total 12-24 03-06

Substanţe minerale 76-123 10-12

pH 60-86 lt7

Icircn compoziția melasei intră 44divide55 zaharoză 15divide25 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

Extract de porumb

Este un subprodus de la fabricarea amidonului din porumb obținut icircn cursul icircnmuierii

preliminarea boabelor Acest extract ca și extractul de cartofi dă un mediu de cultură bogat

nutritiv mult utilizat icircn industria de biosinteza

Caracteristici fizice

Aspect lichid cremos de culoare galben icircnchis

Substanta uscata minim 50

pH = 35-4

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

zahar total maxim 25

Tabelul 3 Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr (după Reiff 1962)

Constituienti g100g extractde porumb Conținut

Substanță uscată 46-496

Cenușă 804-1043

N total 333-367

Zahar total (exprimat caglucoza) 400-470

Acid lactic 074-439

Aciditate ( ml sol NaOH 01N 100 gextract de porumb ) 116-193

Fe 0009-002

P 15-19

Ca 002-007

Zn 005-0012

K 20-25

SO2 002

Sedimente solide 384-529

10

13 Variante tehnologice de obținere a acidului citric

131 Obținerea acidului citric prin sinteză

Una din sintezele acidului citric constă icircn transformarea dicloracetonei simetrice cu acid

cianhidric icircn cianhidrina respectivă saponificarea acesteia icircn 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 icircn apă avacircnd o moleculăde apă

de cristalizare (pt100 ordmC) Prin icircncălzire la 80 ordmC pierde apa de cristalizare și are icircnstare anhidră

pt153 ordmC

132 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 icircn suprafață sau icircn profunzime

Icircn primul sistem fermentația durează 10 - 11zile iar icircn al doilea durează 6-7 zile

Fermentația icircn suprafața

Icircn acest procedeu melasa este trimisă icircn reactor unde la 40ordm C se tratează cu ferocianură de

potasiu după care se sterilizează prin icircncălzire la 120 ordm C timp de 30 min se răcește la 45 ordmC şi se

adaugă fosfatul de potasiu sulfatul de zinc sulfatul de magneziu sub formă de soluţii sterile

Mediul de cultură astfel preparat se trimite icircn camera de fermentaţie sterilă construită sub formă

de uscător dulap icircn care se montează pe rafturi tăvi cu icircnălţimea de 20 cm icircn care se introduce

lichid de cultură pe o adacircncime 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 icircnsămacircnţarea prin curentul de aer

După icircnsămacircnţare 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 icircnsă la scara redusă icircn industrie

Avantajele folosirii acestuia sunt

efort minim icircn operații

consumuri energetice minime și construcție simplă ainstalației

11

Principalul dezavantaj este insă productivitatea mică la care se adaugă dificultatea păstrării

condițiilor aseptice cele mai frecvente contaminări fiind date icircn principal de speciile Penicillium

Aspergillus și bacterii lactice

Fermentația icircn profunzime

Se realizează icircn 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 3-45 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

Icircn procesul de obţinere a acidului citric ca şi icircn 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 avacircnd un efect stimulator icircn procesul de

creştere Se estimează ca aproape 80 din producția mondială de acid citric se obține folosind

fermentația icircn 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

14 Alegerea variantei optime

Icircn vederea obținerii acidului citric se alege procedeul discontinuu de fermentație icircn 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 icircn general mai putin complicată și arenevoie

de un sistem de control mai puțin sofisticat icircndemacircnarea tehnică cerută nu este atacirct de icircnaltă

consumul de energie este mic iar căderile frecvente de curent nu afectează icircn mod

criticfuncționarea instalației

Procedeul culturii icircn profunzime constă icircn cultivarea microorganismelor icircn fermentatoare de

otel icircn care mediul este supus unei aerații și agitări continueIcircn aceste condiții procedeulculturii

icircn profunzime oferă o serie de avantaje față de cultura icircn suprafața printre care costuri investiții

reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol deinfectare al culturii redus

volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogenerandamente ridicate puritatea produsului

ca și activitatea biologică ridicate

12

15 Descrierea procesului tehnologic adoptat

151 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Fig 2 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Pregătirea mediului de

cultură

Sterilizarea mediului de

cultură

Fermentație

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Aspergillus niger

Aer nesteril

Sterilizarea aerului

Biomasă

CaCl2

Ca(OH)2 20

H2SO4

Cărbune

13

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

pregătirea mediului de cultură

fermentația

filtrarea soluțiilor native

separarea și purificarea

Pregătirea mediului de cultură

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică

Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o cantitate mare de fier care inhibă

atacirct creșterea masei celulare cacirct 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn 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 microelementedar 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 icircndepărtarea totală a

microorganismelor patogene sau apatogene din substanțe preparate spații icircnchise obiecte

Icircn industria de biosinteză unde se obțin culturi microbiene pure precum și icircn

industriafarmaceutică și cea alimentară procesul de sterilizare este de neicircnlocuit și poate fi realizat

de obicei prin

Metode termice

sterilizare cu aer cald la 140-200 ordmC

sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120 -140 ordmC

sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100 ordmC

Metode fizice

filtrare prin umpluturi fibroase

14

filtrare prin materiale poroase

filtrare prin membrane

utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidăfenol 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 δradiatii UV aplicatii

practice au găsit numai procedee le termice de sterilizare Sterilizarea termică prezintă icircnsă și o

serie de inconveniente generate icircn 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 ndash 125 ordmC (fig 3) deoarece aceasta prezintă o serie deavantaje

cum ar fi simplitatea usurința icircn exploatare a utilajelor de sterilizare și realizarea gradului de

sterilizare dorit

Fig 3 Instalația de sterilizare a mediului de cultură la 120 ndash 125 ordmC

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 circulacircnd prin spațiul dintre cele două țevi Icircncalzirea mediului se face prin

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

15

dirijat tangențial și uniform cu ajutorul unui șnec montat pe exteriorul țevii Mediul staționează icircn

coloană 4 ndash 6 secunde după care pătrunde icircn menținător unde rămacircne 15 ndash 20minute pentru

perfectarea procesului de sterilizareIcircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip

țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40 ordmC temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (fig 4) se observă că icircn această instalație contribuția fazei

de icircncalzire și răcire la performanța procesului de sterilizare este de 5 ndash 6 astfel icircncacirct se poate

considera că sterilizarea se realizează aproape icircn totalitate icircn faza demenținere

Fig 4 Diagrama timp ndash temperatură pentru sterilizarea continuă la 120 ndash 125 ordmC

Sterilizarea aerului

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

și spori care trebuiesc icircndepartate icircn mod obligatoriu pentru a putea fi asigurate condițiile unei

fermentații aseptice

Cu toate că sterilizarea aerului se poate realiza atacirct prin procedee termice cacirct și prin

filtaremetoda cea mai utilizată icircn industrie este filtrarea Pentru sterilizare prin filtrare se pot folosi

următoarele materiale filtrante

fibre de sticlă cu diametru cuprins icircntre 5 și 18 μ

nitrat de celuloză pentru filtrul cu membrană

teflon cu o mare rezistență termică (pacircnă la 300ordmC) și caracter hidrofob utilizat sub fo rmă

de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitateelasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn 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 lumacircnare

16

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 icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile filtrante)

Fig 6 Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră

Din aceste motive răcirea aerului icircn răcitorul (3) se face pacircnă la apariția condensului iar după

separarea lui aerul saturat se preicircncălzește cu aer fierbinte pacircnă cacircnd temperatura deieșire din

filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouăStabilirea

parametrilor de funcționare ai instalației de sterilizare se face numai icircn funcție de parametrii

termodinamici ai aerului Reținerea microorganismelor pe fibrele de sticlă icircn procesul de filtrare

a aerului se realizează ca efect al combinării următoarelor fenomeneimpact 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 fermentațieFermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor

de biosinteză Ea se realizează icircn trei etape

17

- fermentația icircn inoculator - această fermentație dureaza 16 pacircnă la 20 de ore

- fermentația icircn intermediar ndash această fermentație durează aproximativ 12 picircnă la 16 ore

- fermentația icircn regim ndash are loc icircn fermentatorul de regim icircn care se realizează aceleași condiții

și parametri ca și icircn inoculator și intermediar

Icircn primele două faze se consideră că fermentația s-a terminat atunci cacircnd conținutul dezahăr

este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

Icircn toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub ointensă

agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o

cantitate mare de fier care inhibă atacirct creșterea masei celulare cacirct și obținerea acidului citric

Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimiciabsorbanți 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea 70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianurădar

numai pacircnă 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 atacirct procesul de creștere a masei

celulare cacirct și procesul de utilizare a zahărului Melasa conține de obicei 3-20 mg- fosfor iar

pacircnă la valoarea optimă se adaugă icircn 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 microelementedar 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 1-15L aer pentruun

litru mediu pe minutiar pH-ul se menține tot timpul icircntre 3 și 45

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

icircnsămacircnțarea serealizează la 36-42 degC după care temperatura se coboară la 34-36 degC și se menține

18

la această valoare timp de 24-36 ore cacirct durează dezvoltarea masei microbiene apoi temperatura

sescade la 30-32 degC 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 pacircnă la 250

kcalm3 h iar această valoare se atinge icircn 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 icircn procesul de fermentație

T1-variația efectului termickcalm2∙h

T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic

A-variația concentrației icircn acid citric g m2∙h

B-viteza specifică de creștere a masei celulare g m2∙h

Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea saicircncepe

după 25-30 ore de fermentație iar viteza de acumulare atinge icircn ziua a 5-a și a 6 ndasha valori de 105-

106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10 ndash 15 iar icircn

perioada de acumulare a produsului 48-50 din cantitatea totală de zahăr din mediu O utilizare

mai rațională a zahărului se obține icircn cazul icircn care conținutulacesatiua icircn mediu de cultură este

cuprins icircntre 14 și 16 concentrație ce asigură un conținut de 10-12 acizi organici icircn care

acidul citric reprezintă 80 ndash 95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime icircn

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 3-45 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 8: Acid Citric

8

liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiunistructurale cu rol icircn liza unor

substanțe

Fiziologie și metabolism

Mucegaiurile au o nutriție de tip heterotrof adică necesită pentru creștere și dezvoltaremedii

bogate icircn 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 icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganismecu

capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharideLipide acizi

organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

Temperatura optimă de creștere este de 22-32 ˚C icircnsă 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

aerobinecesitacircnd 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 icircn 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 icircn

industriaalimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor

antibioticedar și icircn 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 icircn cristalele de zahăr și are o

puritate scazută

Caracteristici fizice

Aspect lichid vacircscos de culoare brun-negru

Gust caracteristic

Densitate variază icircn funcție de conținutul icircn substanță uscată fiind de 1390 kgm3 la77

su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

9

Tabelul 2 Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr (după Reiff 1962)

Compusul Provenienţa melasei

Sfeclă de zahăr Trestie de zahăr

Apă 20-25 15-20

Substanţă uscată 75-80 80-85

Zahăr total 44-52 50-55

Zahăr invertit 01-05 20-23

Rafinoză 06-18 -

Azot total 12-24 03-06

Substanţe minerale 76-123 10-12

pH 60-86 lt7

Icircn compoziția melasei intră 44divide55 zaharoză 15divide25 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

Extract de porumb

Este un subprodus de la fabricarea amidonului din porumb obținut icircn cursul icircnmuierii

preliminarea boabelor Acest extract ca și extractul de cartofi dă un mediu de cultură bogat

nutritiv mult utilizat icircn industria de biosinteza

Caracteristici fizice

Aspect lichid cremos de culoare galben icircnchis

Substanta uscata minim 50

pH = 35-4

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

zahar total maxim 25

Tabelul 3 Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr (după Reiff 1962)

Constituienti g100g extractde porumb Conținut

Substanță uscată 46-496

Cenușă 804-1043

N total 333-367

Zahar total (exprimat caglucoza) 400-470

Acid lactic 074-439

Aciditate ( ml sol NaOH 01N 100 gextract de porumb ) 116-193

Fe 0009-002

P 15-19

Ca 002-007

Zn 005-0012

K 20-25

SO2 002

Sedimente solide 384-529

10

13 Variante tehnologice de obținere a acidului citric

131 Obținerea acidului citric prin sinteză

Una din sintezele acidului citric constă icircn transformarea dicloracetonei simetrice cu acid

cianhidric icircn cianhidrina respectivă saponificarea acesteia icircn 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 icircn apă avacircnd o moleculăde apă

de cristalizare (pt100 ordmC) Prin icircncălzire la 80 ordmC pierde apa de cristalizare și are icircnstare anhidră

pt153 ordmC

132 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 icircn suprafață sau icircn profunzime

Icircn primul sistem fermentația durează 10 - 11zile iar icircn al doilea durează 6-7 zile

Fermentația icircn suprafața

Icircn acest procedeu melasa este trimisă icircn reactor unde la 40ordm C se tratează cu ferocianură de

potasiu după care se sterilizează prin icircncălzire la 120 ordm C timp de 30 min se răcește la 45 ordmC şi se

adaugă fosfatul de potasiu sulfatul de zinc sulfatul de magneziu sub formă de soluţii sterile

Mediul de cultură astfel preparat se trimite icircn camera de fermentaţie sterilă construită sub formă

de uscător dulap icircn care se montează pe rafturi tăvi cu icircnălţimea de 20 cm icircn care se introduce

lichid de cultură pe o adacircncime 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 icircnsămacircnţarea prin curentul de aer

După icircnsămacircnţare 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 icircnsă la scara redusă icircn industrie

Avantajele folosirii acestuia sunt

efort minim icircn operații

consumuri energetice minime și construcție simplă ainstalației

11

Principalul dezavantaj este insă productivitatea mică la care se adaugă dificultatea păstrării

condițiilor aseptice cele mai frecvente contaminări fiind date icircn principal de speciile Penicillium

Aspergillus și bacterii lactice

Fermentația icircn profunzime

Se realizează icircn 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 3-45 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

Icircn procesul de obţinere a acidului citric ca şi icircn 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 avacircnd un efect stimulator icircn procesul de

creştere Se estimează ca aproape 80 din producția mondială de acid citric se obține folosind

fermentația icircn 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

14 Alegerea variantei optime

Icircn vederea obținerii acidului citric se alege procedeul discontinuu de fermentație icircn 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 icircn general mai putin complicată și arenevoie

de un sistem de control mai puțin sofisticat icircndemacircnarea tehnică cerută nu este atacirct de icircnaltă

consumul de energie este mic iar căderile frecvente de curent nu afectează icircn mod

criticfuncționarea instalației

Procedeul culturii icircn profunzime constă icircn cultivarea microorganismelor icircn fermentatoare de

otel icircn care mediul este supus unei aerații și agitări continueIcircn aceste condiții procedeulculturii

icircn profunzime oferă o serie de avantaje față de cultura icircn suprafața printre care costuri investiții

reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol deinfectare al culturii redus

volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogenerandamente ridicate puritatea produsului

ca și activitatea biologică ridicate

12

15 Descrierea procesului tehnologic adoptat

151 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Fig 2 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Pregătirea mediului de

cultură

Sterilizarea mediului de

cultură

Fermentație

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Aspergillus niger

Aer nesteril

Sterilizarea aerului

Biomasă

CaCl2

Ca(OH)2 20

H2SO4

Cărbune

13

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

pregătirea mediului de cultură

fermentația

filtrarea soluțiilor native

separarea și purificarea

Pregătirea mediului de cultură

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică

Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o cantitate mare de fier care inhibă

atacirct creșterea masei celulare cacirct 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn 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 microelementedar 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 icircndepărtarea totală a

microorganismelor patogene sau apatogene din substanțe preparate spații icircnchise obiecte

Icircn industria de biosinteză unde se obțin culturi microbiene pure precum și icircn

industriafarmaceutică și cea alimentară procesul de sterilizare este de neicircnlocuit și poate fi realizat

de obicei prin

Metode termice

sterilizare cu aer cald la 140-200 ordmC

sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120 -140 ordmC

sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100 ordmC

Metode fizice

filtrare prin umpluturi fibroase

14

filtrare prin materiale poroase

filtrare prin membrane

utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidăfenol 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 δradiatii UV aplicatii

practice au găsit numai procedee le termice de sterilizare Sterilizarea termică prezintă icircnsă și o

serie de inconveniente generate icircn 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 ndash 125 ordmC (fig 3) deoarece aceasta prezintă o serie deavantaje

cum ar fi simplitatea usurința icircn exploatare a utilajelor de sterilizare și realizarea gradului de

sterilizare dorit

Fig 3 Instalația de sterilizare a mediului de cultură la 120 ndash 125 ordmC

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 circulacircnd prin spațiul dintre cele două țevi Icircncalzirea mediului se face prin

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

15

dirijat tangențial și uniform cu ajutorul unui șnec montat pe exteriorul țevii Mediul staționează icircn

coloană 4 ndash 6 secunde după care pătrunde icircn menținător unde rămacircne 15 ndash 20minute pentru

perfectarea procesului de sterilizareIcircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip

țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40 ordmC temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (fig 4) se observă că icircn această instalație contribuția fazei

de icircncalzire și răcire la performanța procesului de sterilizare este de 5 ndash 6 astfel icircncacirct se poate

considera că sterilizarea se realizează aproape icircn totalitate icircn faza demenținere

Fig 4 Diagrama timp ndash temperatură pentru sterilizarea continuă la 120 ndash 125 ordmC

Sterilizarea aerului

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

și spori care trebuiesc icircndepartate icircn mod obligatoriu pentru a putea fi asigurate condițiile unei

fermentații aseptice

Cu toate că sterilizarea aerului se poate realiza atacirct prin procedee termice cacirct și prin

filtaremetoda cea mai utilizată icircn industrie este filtrarea Pentru sterilizare prin filtrare se pot folosi

următoarele materiale filtrante

fibre de sticlă cu diametru cuprins icircntre 5 și 18 μ

nitrat de celuloză pentru filtrul cu membrană

teflon cu o mare rezistență termică (pacircnă la 300ordmC) și caracter hidrofob utilizat sub fo rmă

de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitateelasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn 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 lumacircnare

16

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 icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile filtrante)

Fig 6 Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră

Din aceste motive răcirea aerului icircn răcitorul (3) se face pacircnă la apariția condensului iar după

separarea lui aerul saturat se preicircncălzește cu aer fierbinte pacircnă cacircnd temperatura deieșire din

filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouăStabilirea

parametrilor de funcționare ai instalației de sterilizare se face numai icircn funcție de parametrii

termodinamici ai aerului Reținerea microorganismelor pe fibrele de sticlă icircn procesul de filtrare

a aerului se realizează ca efect al combinării următoarelor fenomeneimpact 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 fermentațieFermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor

de biosinteză Ea se realizează icircn trei etape

17

- fermentația icircn inoculator - această fermentație dureaza 16 pacircnă la 20 de ore

- fermentația icircn intermediar ndash această fermentație durează aproximativ 12 picircnă la 16 ore

- fermentația icircn regim ndash are loc icircn fermentatorul de regim icircn care se realizează aceleași condiții

și parametri ca și icircn inoculator și intermediar

Icircn primele două faze se consideră că fermentația s-a terminat atunci cacircnd conținutul dezahăr

este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

Icircn toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub ointensă

agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o

cantitate mare de fier care inhibă atacirct creșterea masei celulare cacirct și obținerea acidului citric

Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimiciabsorbanți 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea 70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianurădar

numai pacircnă 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 atacirct procesul de creștere a masei

celulare cacirct și procesul de utilizare a zahărului Melasa conține de obicei 3-20 mg- fosfor iar

pacircnă la valoarea optimă se adaugă icircn 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 microelementedar 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 1-15L aer pentruun

litru mediu pe minutiar pH-ul se menține tot timpul icircntre 3 și 45

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

icircnsămacircnțarea serealizează la 36-42 degC după care temperatura se coboară la 34-36 degC și se menține

18

la această valoare timp de 24-36 ore cacirct durează dezvoltarea masei microbiene apoi temperatura

sescade la 30-32 degC 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 pacircnă la 250

kcalm3 h iar această valoare se atinge icircn 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 icircn procesul de fermentație

T1-variația efectului termickcalm2∙h

T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic

A-variația concentrației icircn acid citric g m2∙h

B-viteza specifică de creștere a masei celulare g m2∙h

Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea saicircncepe

după 25-30 ore de fermentație iar viteza de acumulare atinge icircn ziua a 5-a și a 6 ndasha valori de 105-

106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10 ndash 15 iar icircn

perioada de acumulare a produsului 48-50 din cantitatea totală de zahăr din mediu O utilizare

mai rațională a zahărului se obține icircn cazul icircn care conținutulacesatiua icircn mediu de cultură este

cuprins icircntre 14 și 16 concentrație ce asigură un conținut de 10-12 acizi organici icircn care

acidul citric reprezintă 80 ndash 95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime icircn

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 3-45 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 9: Acid Citric

9

Tabelul 2 Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr (după Reiff 1962)

Compusul Provenienţa melasei

Sfeclă de zahăr Trestie de zahăr

Apă 20-25 15-20

Substanţă uscată 75-80 80-85

Zahăr total 44-52 50-55

Zahăr invertit 01-05 20-23

Rafinoză 06-18 -

Azot total 12-24 03-06

Substanţe minerale 76-123 10-12

pH 60-86 lt7

Icircn compoziția melasei intră 44divide55 zaharoză 15divide25 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

Extract de porumb

Este un subprodus de la fabricarea amidonului din porumb obținut icircn cursul icircnmuierii

preliminarea boabelor Acest extract ca și extractul de cartofi dă un mediu de cultură bogat

nutritiv mult utilizat icircn industria de biosinteza

Caracteristici fizice

Aspect lichid cremos de culoare galben icircnchis

Substanta uscata minim 50

pH = 35-4

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

zahar total maxim 25

Tabelul 3 Compoziția chimică a melasei din sfeclă și trestie de zahăr (după Reiff 1962)

Constituienti g100g extractde porumb Conținut

Substanță uscată 46-496

Cenușă 804-1043

N total 333-367

Zahar total (exprimat caglucoza) 400-470

Acid lactic 074-439

Aciditate ( ml sol NaOH 01N 100 gextract de porumb ) 116-193

Fe 0009-002

P 15-19

Ca 002-007

Zn 005-0012

K 20-25

SO2 002

Sedimente solide 384-529

10

13 Variante tehnologice de obținere a acidului citric

131 Obținerea acidului citric prin sinteză

Una din sintezele acidului citric constă icircn transformarea dicloracetonei simetrice cu acid

cianhidric icircn cianhidrina respectivă saponificarea acesteia icircn 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 icircn apă avacircnd o moleculăde apă

de cristalizare (pt100 ordmC) Prin icircncălzire la 80 ordmC pierde apa de cristalizare și are icircnstare anhidră

pt153 ordmC

132 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 icircn suprafață sau icircn profunzime

Icircn primul sistem fermentația durează 10 - 11zile iar icircn al doilea durează 6-7 zile

Fermentația icircn suprafața

Icircn acest procedeu melasa este trimisă icircn reactor unde la 40ordm C se tratează cu ferocianură de

potasiu după care se sterilizează prin icircncălzire la 120 ordm C timp de 30 min se răcește la 45 ordmC şi se

adaugă fosfatul de potasiu sulfatul de zinc sulfatul de magneziu sub formă de soluţii sterile

Mediul de cultură astfel preparat se trimite icircn camera de fermentaţie sterilă construită sub formă

de uscător dulap icircn care se montează pe rafturi tăvi cu icircnălţimea de 20 cm icircn care se introduce

lichid de cultură pe o adacircncime 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 icircnsămacircnţarea prin curentul de aer

După icircnsămacircnţare 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 icircnsă la scara redusă icircn industrie

Avantajele folosirii acestuia sunt

efort minim icircn operații

consumuri energetice minime și construcție simplă ainstalației

11

Principalul dezavantaj este insă productivitatea mică la care se adaugă dificultatea păstrării

condițiilor aseptice cele mai frecvente contaminări fiind date icircn principal de speciile Penicillium

Aspergillus și bacterii lactice

Fermentația icircn profunzime

Se realizează icircn 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 3-45 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

Icircn procesul de obţinere a acidului citric ca şi icircn 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 avacircnd un efect stimulator icircn procesul de

creştere Se estimează ca aproape 80 din producția mondială de acid citric se obține folosind

fermentația icircn 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

14 Alegerea variantei optime

Icircn vederea obținerii acidului citric se alege procedeul discontinuu de fermentație icircn 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 icircn general mai putin complicată și arenevoie

de un sistem de control mai puțin sofisticat icircndemacircnarea tehnică cerută nu este atacirct de icircnaltă

consumul de energie este mic iar căderile frecvente de curent nu afectează icircn mod

criticfuncționarea instalației

Procedeul culturii icircn profunzime constă icircn cultivarea microorganismelor icircn fermentatoare de

otel icircn care mediul este supus unei aerații și agitări continueIcircn aceste condiții procedeulculturii

icircn profunzime oferă o serie de avantaje față de cultura icircn suprafața printre care costuri investiții

reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol deinfectare al culturii redus

volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogenerandamente ridicate puritatea produsului

ca și activitatea biologică ridicate

12

15 Descrierea procesului tehnologic adoptat

151 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Fig 2 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Pregătirea mediului de

cultură

Sterilizarea mediului de

cultură

Fermentație

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Aspergillus niger

Aer nesteril

Sterilizarea aerului

Biomasă

CaCl2

Ca(OH)2 20

H2SO4

Cărbune

13

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

pregătirea mediului de cultură

fermentația

filtrarea soluțiilor native

separarea și purificarea

Pregătirea mediului de cultură

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică

Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o cantitate mare de fier care inhibă

atacirct creșterea masei celulare cacirct 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn 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 microelementedar 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 icircndepărtarea totală a

microorganismelor patogene sau apatogene din substanțe preparate spații icircnchise obiecte

Icircn industria de biosinteză unde se obțin culturi microbiene pure precum și icircn

industriafarmaceutică și cea alimentară procesul de sterilizare este de neicircnlocuit și poate fi realizat

de obicei prin

Metode termice

sterilizare cu aer cald la 140-200 ordmC

sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120 -140 ordmC

sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100 ordmC

Metode fizice

filtrare prin umpluturi fibroase

14

filtrare prin materiale poroase

filtrare prin membrane

utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidăfenol 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 δradiatii UV aplicatii

practice au găsit numai procedee le termice de sterilizare Sterilizarea termică prezintă icircnsă și o

serie de inconveniente generate icircn 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 ndash 125 ordmC (fig 3) deoarece aceasta prezintă o serie deavantaje

cum ar fi simplitatea usurința icircn exploatare a utilajelor de sterilizare și realizarea gradului de

sterilizare dorit

Fig 3 Instalația de sterilizare a mediului de cultură la 120 ndash 125 ordmC

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 circulacircnd prin spațiul dintre cele două țevi Icircncalzirea mediului se face prin

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

15

dirijat tangențial și uniform cu ajutorul unui șnec montat pe exteriorul țevii Mediul staționează icircn

coloană 4 ndash 6 secunde după care pătrunde icircn menținător unde rămacircne 15 ndash 20minute pentru

perfectarea procesului de sterilizareIcircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip

țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40 ordmC temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (fig 4) se observă că icircn această instalație contribuția fazei

de icircncalzire și răcire la performanța procesului de sterilizare este de 5 ndash 6 astfel icircncacirct se poate

considera că sterilizarea se realizează aproape icircn totalitate icircn faza demenținere

Fig 4 Diagrama timp ndash temperatură pentru sterilizarea continuă la 120 ndash 125 ordmC

Sterilizarea aerului

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

și spori care trebuiesc icircndepartate icircn mod obligatoriu pentru a putea fi asigurate condițiile unei

fermentații aseptice

Cu toate că sterilizarea aerului se poate realiza atacirct prin procedee termice cacirct și prin

filtaremetoda cea mai utilizată icircn industrie este filtrarea Pentru sterilizare prin filtrare se pot folosi

următoarele materiale filtrante

fibre de sticlă cu diametru cuprins icircntre 5 și 18 μ

nitrat de celuloză pentru filtrul cu membrană

teflon cu o mare rezistență termică (pacircnă la 300ordmC) și caracter hidrofob utilizat sub fo rmă

de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitateelasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn 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 lumacircnare

16

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 icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile filtrante)

Fig 6 Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră

Din aceste motive răcirea aerului icircn răcitorul (3) se face pacircnă la apariția condensului iar după

separarea lui aerul saturat se preicircncălzește cu aer fierbinte pacircnă cacircnd temperatura deieșire din

filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouăStabilirea

parametrilor de funcționare ai instalației de sterilizare se face numai icircn funcție de parametrii

termodinamici ai aerului Reținerea microorganismelor pe fibrele de sticlă icircn procesul de filtrare

a aerului se realizează ca efect al combinării următoarelor fenomeneimpact 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 fermentațieFermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor

de biosinteză Ea se realizează icircn trei etape

17

- fermentația icircn inoculator - această fermentație dureaza 16 pacircnă la 20 de ore

- fermentația icircn intermediar ndash această fermentație durează aproximativ 12 picircnă la 16 ore

- fermentația icircn regim ndash are loc icircn fermentatorul de regim icircn care se realizează aceleași condiții

și parametri ca și icircn inoculator și intermediar

Icircn primele două faze se consideră că fermentația s-a terminat atunci cacircnd conținutul dezahăr

este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

Icircn toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub ointensă

agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o

cantitate mare de fier care inhibă atacirct creșterea masei celulare cacirct și obținerea acidului citric

Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimiciabsorbanți 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea 70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianurădar

numai pacircnă 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 atacirct procesul de creștere a masei

celulare cacirct și procesul de utilizare a zahărului Melasa conține de obicei 3-20 mg- fosfor iar

pacircnă la valoarea optimă se adaugă icircn 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 microelementedar 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 1-15L aer pentruun

litru mediu pe minutiar pH-ul se menține tot timpul icircntre 3 și 45

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

icircnsămacircnțarea serealizează la 36-42 degC după care temperatura se coboară la 34-36 degC și se menține

18

la această valoare timp de 24-36 ore cacirct durează dezvoltarea masei microbiene apoi temperatura

sescade la 30-32 degC 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 pacircnă la 250

kcalm3 h iar această valoare se atinge icircn 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 icircn procesul de fermentație

T1-variația efectului termickcalm2∙h

T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic

A-variația concentrației icircn acid citric g m2∙h

B-viteza specifică de creștere a masei celulare g m2∙h

Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea saicircncepe

după 25-30 ore de fermentație iar viteza de acumulare atinge icircn ziua a 5-a și a 6 ndasha valori de 105-

106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10 ndash 15 iar icircn

perioada de acumulare a produsului 48-50 din cantitatea totală de zahăr din mediu O utilizare

mai rațională a zahărului se obține icircn cazul icircn care conținutulacesatiua icircn mediu de cultură este

cuprins icircntre 14 și 16 concentrație ce asigură un conținut de 10-12 acizi organici icircn care

acidul citric reprezintă 80 ndash 95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime icircn

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 3-45 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 10: Acid Citric

10

13 Variante tehnologice de obținere a acidului citric

131 Obținerea acidului citric prin sinteză

Una din sintezele acidului citric constă icircn transformarea dicloracetonei simetrice cu acid

cianhidric icircn cianhidrina respectivă saponificarea acesteia icircn 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 icircn apă avacircnd o moleculăde apă

de cristalizare (pt100 ordmC) Prin icircncălzire la 80 ordmC pierde apa de cristalizare și are icircnstare anhidră

pt153 ordmC

132 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 icircn suprafață sau icircn profunzime

Icircn primul sistem fermentația durează 10 - 11zile iar icircn al doilea durează 6-7 zile

Fermentația icircn suprafața

Icircn acest procedeu melasa este trimisă icircn reactor unde la 40ordm C se tratează cu ferocianură de

potasiu după care se sterilizează prin icircncălzire la 120 ordm C timp de 30 min se răcește la 45 ordmC şi se

adaugă fosfatul de potasiu sulfatul de zinc sulfatul de magneziu sub formă de soluţii sterile

Mediul de cultură astfel preparat se trimite icircn camera de fermentaţie sterilă construită sub formă

de uscător dulap icircn care se montează pe rafturi tăvi cu icircnălţimea de 20 cm icircn care se introduce

lichid de cultură pe o adacircncime 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 icircnsămacircnţarea prin curentul de aer

După icircnsămacircnţare 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 icircnsă la scara redusă icircn industrie

Avantajele folosirii acestuia sunt

efort minim icircn operații

consumuri energetice minime și construcție simplă ainstalației

11

Principalul dezavantaj este insă productivitatea mică la care se adaugă dificultatea păstrării

condițiilor aseptice cele mai frecvente contaminări fiind date icircn principal de speciile Penicillium

Aspergillus și bacterii lactice

Fermentația icircn profunzime

Se realizează icircn 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 3-45 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

Icircn procesul de obţinere a acidului citric ca şi icircn 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 avacircnd un efect stimulator icircn procesul de

creştere Se estimează ca aproape 80 din producția mondială de acid citric se obține folosind

fermentația icircn 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

14 Alegerea variantei optime

Icircn vederea obținerii acidului citric se alege procedeul discontinuu de fermentație icircn 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 icircn general mai putin complicată și arenevoie

de un sistem de control mai puțin sofisticat icircndemacircnarea tehnică cerută nu este atacirct de icircnaltă

consumul de energie este mic iar căderile frecvente de curent nu afectează icircn mod

criticfuncționarea instalației

Procedeul culturii icircn profunzime constă icircn cultivarea microorganismelor icircn fermentatoare de

otel icircn care mediul este supus unei aerații și agitări continueIcircn aceste condiții procedeulculturii

icircn profunzime oferă o serie de avantaje față de cultura icircn suprafața printre care costuri investiții

reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol deinfectare al culturii redus

volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogenerandamente ridicate puritatea produsului

ca și activitatea biologică ridicate

12

15 Descrierea procesului tehnologic adoptat

151 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Fig 2 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Pregătirea mediului de

cultură

Sterilizarea mediului de

cultură

Fermentație

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Aspergillus niger

Aer nesteril

Sterilizarea aerului

Biomasă

CaCl2

Ca(OH)2 20

H2SO4

Cărbune

13

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

pregătirea mediului de cultură

fermentația

filtrarea soluțiilor native

separarea și purificarea

Pregătirea mediului de cultură

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică

Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o cantitate mare de fier care inhibă

atacirct creșterea masei celulare cacirct 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn 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 microelementedar 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 icircndepărtarea totală a

microorganismelor patogene sau apatogene din substanțe preparate spații icircnchise obiecte

Icircn industria de biosinteză unde se obțin culturi microbiene pure precum și icircn

industriafarmaceutică și cea alimentară procesul de sterilizare este de neicircnlocuit și poate fi realizat

de obicei prin

Metode termice

sterilizare cu aer cald la 140-200 ordmC

sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120 -140 ordmC

sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100 ordmC

Metode fizice

filtrare prin umpluturi fibroase

14

filtrare prin materiale poroase

filtrare prin membrane

utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidăfenol 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 δradiatii UV aplicatii

practice au găsit numai procedee le termice de sterilizare Sterilizarea termică prezintă icircnsă și o

serie de inconveniente generate icircn 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 ndash 125 ordmC (fig 3) deoarece aceasta prezintă o serie deavantaje

cum ar fi simplitatea usurința icircn exploatare a utilajelor de sterilizare și realizarea gradului de

sterilizare dorit

Fig 3 Instalația de sterilizare a mediului de cultură la 120 ndash 125 ordmC

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 circulacircnd prin spațiul dintre cele două țevi Icircncalzirea mediului se face prin

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

15

dirijat tangențial și uniform cu ajutorul unui șnec montat pe exteriorul țevii Mediul staționează icircn

coloană 4 ndash 6 secunde după care pătrunde icircn menținător unde rămacircne 15 ndash 20minute pentru

perfectarea procesului de sterilizareIcircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip

țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40 ordmC temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (fig 4) se observă că icircn această instalație contribuția fazei

de icircncalzire și răcire la performanța procesului de sterilizare este de 5 ndash 6 astfel icircncacirct se poate

considera că sterilizarea se realizează aproape icircn totalitate icircn faza demenținere

Fig 4 Diagrama timp ndash temperatură pentru sterilizarea continuă la 120 ndash 125 ordmC

Sterilizarea aerului

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

și spori care trebuiesc icircndepartate icircn mod obligatoriu pentru a putea fi asigurate condițiile unei

fermentații aseptice

Cu toate că sterilizarea aerului se poate realiza atacirct prin procedee termice cacirct și prin

filtaremetoda cea mai utilizată icircn industrie este filtrarea Pentru sterilizare prin filtrare se pot folosi

următoarele materiale filtrante

fibre de sticlă cu diametru cuprins icircntre 5 și 18 μ

nitrat de celuloză pentru filtrul cu membrană

teflon cu o mare rezistență termică (pacircnă la 300ordmC) și caracter hidrofob utilizat sub fo rmă

de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitateelasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn 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 lumacircnare

16

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 icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile filtrante)

Fig 6 Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră

Din aceste motive răcirea aerului icircn răcitorul (3) se face pacircnă la apariția condensului iar după

separarea lui aerul saturat se preicircncălzește cu aer fierbinte pacircnă cacircnd temperatura deieșire din

filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouăStabilirea

parametrilor de funcționare ai instalației de sterilizare se face numai icircn funcție de parametrii

termodinamici ai aerului Reținerea microorganismelor pe fibrele de sticlă icircn procesul de filtrare

a aerului se realizează ca efect al combinării următoarelor fenomeneimpact 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 fermentațieFermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor

de biosinteză Ea se realizează icircn trei etape

17

- fermentația icircn inoculator - această fermentație dureaza 16 pacircnă la 20 de ore

- fermentația icircn intermediar ndash această fermentație durează aproximativ 12 picircnă la 16 ore

- fermentația icircn regim ndash are loc icircn fermentatorul de regim icircn care se realizează aceleași condiții

și parametri ca și icircn inoculator și intermediar

Icircn primele două faze se consideră că fermentația s-a terminat atunci cacircnd conținutul dezahăr

este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

Icircn toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub ointensă

agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o

cantitate mare de fier care inhibă atacirct creșterea masei celulare cacirct și obținerea acidului citric

Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimiciabsorbanți 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea 70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianurădar

numai pacircnă 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 atacirct procesul de creștere a masei

celulare cacirct și procesul de utilizare a zahărului Melasa conține de obicei 3-20 mg- fosfor iar

pacircnă la valoarea optimă se adaugă icircn 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 microelementedar 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 1-15L aer pentruun

litru mediu pe minutiar pH-ul se menține tot timpul icircntre 3 și 45

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

icircnsămacircnțarea serealizează la 36-42 degC după care temperatura se coboară la 34-36 degC și se menține

18

la această valoare timp de 24-36 ore cacirct durează dezvoltarea masei microbiene apoi temperatura

sescade la 30-32 degC 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 pacircnă la 250

kcalm3 h iar această valoare se atinge icircn 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 icircn procesul de fermentație

T1-variația efectului termickcalm2∙h

T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic

A-variația concentrației icircn acid citric g m2∙h

B-viteza specifică de creștere a masei celulare g m2∙h

Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea saicircncepe

după 25-30 ore de fermentație iar viteza de acumulare atinge icircn ziua a 5-a și a 6 ndasha valori de 105-

106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10 ndash 15 iar icircn

perioada de acumulare a produsului 48-50 din cantitatea totală de zahăr din mediu O utilizare

mai rațională a zahărului se obține icircn cazul icircn care conținutulacesatiua icircn mediu de cultură este

cuprins icircntre 14 și 16 concentrație ce asigură un conținut de 10-12 acizi organici icircn care

acidul citric reprezintă 80 ndash 95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime icircn

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 3-45 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 11: Acid Citric

11

Principalul dezavantaj este insă productivitatea mică la care se adaugă dificultatea păstrării

condițiilor aseptice cele mai frecvente contaminări fiind date icircn principal de speciile Penicillium

Aspergillus și bacterii lactice

Fermentația icircn profunzime

Se realizează icircn 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 3-45 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

Icircn procesul de obţinere a acidului citric ca şi icircn 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 avacircnd un efect stimulator icircn procesul de

creştere Se estimează ca aproape 80 din producția mondială de acid citric se obține folosind

fermentația icircn 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

14 Alegerea variantei optime

Icircn vederea obținerii acidului citric se alege procedeul discontinuu de fermentație icircn 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 icircn general mai putin complicată și arenevoie

de un sistem de control mai puțin sofisticat icircndemacircnarea tehnică cerută nu este atacirct de icircnaltă

consumul de energie este mic iar căderile frecvente de curent nu afectează icircn mod

criticfuncționarea instalației

Procedeul culturii icircn profunzime constă icircn cultivarea microorganismelor icircn fermentatoare de

otel icircn care mediul este supus unei aerații și agitări continueIcircn aceste condiții procedeulculturii

icircn profunzime oferă o serie de avantaje față de cultura icircn suprafața printre care costuri investiții

reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol deinfectare al culturii redus

volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogenerandamente ridicate puritatea produsului

ca și activitatea biologică ridicate

12

15 Descrierea procesului tehnologic adoptat

151 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Fig 2 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Pregătirea mediului de

cultură

Sterilizarea mediului de

cultură

Fermentație

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Aspergillus niger

Aer nesteril

Sterilizarea aerului

Biomasă

CaCl2

Ca(OH)2 20

H2SO4

Cărbune

13

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

pregătirea mediului de cultură

fermentația

filtrarea soluțiilor native

separarea și purificarea

Pregătirea mediului de cultură

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică

Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o cantitate mare de fier care inhibă

atacirct creșterea masei celulare cacirct 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn 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 microelementedar 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 icircndepărtarea totală a

microorganismelor patogene sau apatogene din substanțe preparate spații icircnchise obiecte

Icircn industria de biosinteză unde se obțin culturi microbiene pure precum și icircn

industriafarmaceutică și cea alimentară procesul de sterilizare este de neicircnlocuit și poate fi realizat

de obicei prin

Metode termice

sterilizare cu aer cald la 140-200 ordmC

sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120 -140 ordmC

sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100 ordmC

Metode fizice

filtrare prin umpluturi fibroase

14

filtrare prin materiale poroase

filtrare prin membrane

utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidăfenol 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 δradiatii UV aplicatii

practice au găsit numai procedee le termice de sterilizare Sterilizarea termică prezintă icircnsă și o

serie de inconveniente generate icircn 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 ndash 125 ordmC (fig 3) deoarece aceasta prezintă o serie deavantaje

cum ar fi simplitatea usurința icircn exploatare a utilajelor de sterilizare și realizarea gradului de

sterilizare dorit

Fig 3 Instalația de sterilizare a mediului de cultură la 120 ndash 125 ordmC

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 circulacircnd prin spațiul dintre cele două țevi Icircncalzirea mediului se face prin

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

15

dirijat tangențial și uniform cu ajutorul unui șnec montat pe exteriorul țevii Mediul staționează icircn

coloană 4 ndash 6 secunde după care pătrunde icircn menținător unde rămacircne 15 ndash 20minute pentru

perfectarea procesului de sterilizareIcircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip

țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40 ordmC temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (fig 4) se observă că icircn această instalație contribuția fazei

de icircncalzire și răcire la performanța procesului de sterilizare este de 5 ndash 6 astfel icircncacirct se poate

considera că sterilizarea se realizează aproape icircn totalitate icircn faza demenținere

Fig 4 Diagrama timp ndash temperatură pentru sterilizarea continuă la 120 ndash 125 ordmC

Sterilizarea aerului

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

și spori care trebuiesc icircndepartate icircn mod obligatoriu pentru a putea fi asigurate condițiile unei

fermentații aseptice

Cu toate că sterilizarea aerului se poate realiza atacirct prin procedee termice cacirct și prin

filtaremetoda cea mai utilizată icircn industrie este filtrarea Pentru sterilizare prin filtrare se pot folosi

următoarele materiale filtrante

fibre de sticlă cu diametru cuprins icircntre 5 și 18 μ

nitrat de celuloză pentru filtrul cu membrană

teflon cu o mare rezistență termică (pacircnă la 300ordmC) și caracter hidrofob utilizat sub fo rmă

de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitateelasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn 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 lumacircnare

16

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 icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile filtrante)

Fig 6 Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră

Din aceste motive răcirea aerului icircn răcitorul (3) se face pacircnă la apariția condensului iar după

separarea lui aerul saturat se preicircncălzește cu aer fierbinte pacircnă cacircnd temperatura deieșire din

filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouăStabilirea

parametrilor de funcționare ai instalației de sterilizare se face numai icircn funcție de parametrii

termodinamici ai aerului Reținerea microorganismelor pe fibrele de sticlă icircn procesul de filtrare

a aerului se realizează ca efect al combinării următoarelor fenomeneimpact 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 fermentațieFermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor

de biosinteză Ea se realizează icircn trei etape

17

- fermentația icircn inoculator - această fermentație dureaza 16 pacircnă la 20 de ore

- fermentația icircn intermediar ndash această fermentație durează aproximativ 12 picircnă la 16 ore

- fermentația icircn regim ndash are loc icircn fermentatorul de regim icircn care se realizează aceleași condiții

și parametri ca și icircn inoculator și intermediar

Icircn primele două faze se consideră că fermentația s-a terminat atunci cacircnd conținutul dezahăr

este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

Icircn toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub ointensă

agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o

cantitate mare de fier care inhibă atacirct creșterea masei celulare cacirct și obținerea acidului citric

Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimiciabsorbanți 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea 70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianurădar

numai pacircnă 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 atacirct procesul de creștere a masei

celulare cacirct și procesul de utilizare a zahărului Melasa conține de obicei 3-20 mg- fosfor iar

pacircnă la valoarea optimă se adaugă icircn 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 microelementedar 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 1-15L aer pentruun

litru mediu pe minutiar pH-ul se menține tot timpul icircntre 3 și 45

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

icircnsămacircnțarea serealizează la 36-42 degC după care temperatura se coboară la 34-36 degC și se menține

18

la această valoare timp de 24-36 ore cacirct durează dezvoltarea masei microbiene apoi temperatura

sescade la 30-32 degC 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 pacircnă la 250

kcalm3 h iar această valoare se atinge icircn 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 icircn procesul de fermentație

T1-variația efectului termickcalm2∙h

T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic

A-variația concentrației icircn acid citric g m2∙h

B-viteza specifică de creștere a masei celulare g m2∙h

Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea saicircncepe

după 25-30 ore de fermentație iar viteza de acumulare atinge icircn ziua a 5-a și a 6 ndasha valori de 105-

106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10 ndash 15 iar icircn

perioada de acumulare a produsului 48-50 din cantitatea totală de zahăr din mediu O utilizare

mai rațională a zahărului se obține icircn cazul icircn care conținutulacesatiua icircn mediu de cultură este

cuprins icircntre 14 și 16 concentrație ce asigură un conținut de 10-12 acizi organici icircn care

acidul citric reprezintă 80 ndash 95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime icircn

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 3-45 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 12: Acid Citric

12

15 Descrierea procesului tehnologic adoptat

151 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Fig 2 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Pregătirea mediului de

cultură

Sterilizarea mediului de

cultură

Fermentație

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Aspergillus niger

Aer nesteril

Sterilizarea aerului

Biomasă

CaCl2

Ca(OH)2 20

H2SO4

Cărbune

13

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

pregătirea mediului de cultură

fermentația

filtrarea soluțiilor native

separarea și purificarea

Pregătirea mediului de cultură

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică

Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o cantitate mare de fier care inhibă

atacirct creșterea masei celulare cacirct 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn 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 microelementedar 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 icircndepărtarea totală a

microorganismelor patogene sau apatogene din substanțe preparate spații icircnchise obiecte

Icircn industria de biosinteză unde se obțin culturi microbiene pure precum și icircn

industriafarmaceutică și cea alimentară procesul de sterilizare este de neicircnlocuit și poate fi realizat

de obicei prin

Metode termice

sterilizare cu aer cald la 140-200 ordmC

sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120 -140 ordmC

sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100 ordmC

Metode fizice

filtrare prin umpluturi fibroase

14

filtrare prin materiale poroase

filtrare prin membrane

utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidăfenol 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 δradiatii UV aplicatii

practice au găsit numai procedee le termice de sterilizare Sterilizarea termică prezintă icircnsă și o

serie de inconveniente generate icircn 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 ndash 125 ordmC (fig 3) deoarece aceasta prezintă o serie deavantaje

cum ar fi simplitatea usurința icircn exploatare a utilajelor de sterilizare și realizarea gradului de

sterilizare dorit

Fig 3 Instalația de sterilizare a mediului de cultură la 120 ndash 125 ordmC

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 circulacircnd prin spațiul dintre cele două țevi Icircncalzirea mediului se face prin

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

15

dirijat tangențial și uniform cu ajutorul unui șnec montat pe exteriorul țevii Mediul staționează icircn

coloană 4 ndash 6 secunde după care pătrunde icircn menținător unde rămacircne 15 ndash 20minute pentru

perfectarea procesului de sterilizareIcircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip

țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40 ordmC temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (fig 4) se observă că icircn această instalație contribuția fazei

de icircncalzire și răcire la performanța procesului de sterilizare este de 5 ndash 6 astfel icircncacirct se poate

considera că sterilizarea se realizează aproape icircn totalitate icircn faza demenținere

Fig 4 Diagrama timp ndash temperatură pentru sterilizarea continuă la 120 ndash 125 ordmC

Sterilizarea aerului

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

și spori care trebuiesc icircndepartate icircn mod obligatoriu pentru a putea fi asigurate condițiile unei

fermentații aseptice

Cu toate că sterilizarea aerului se poate realiza atacirct prin procedee termice cacirct și prin

filtaremetoda cea mai utilizată icircn industrie este filtrarea Pentru sterilizare prin filtrare se pot folosi

următoarele materiale filtrante

fibre de sticlă cu diametru cuprins icircntre 5 și 18 μ

nitrat de celuloză pentru filtrul cu membrană

teflon cu o mare rezistență termică (pacircnă la 300ordmC) și caracter hidrofob utilizat sub fo rmă

de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitateelasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn 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 lumacircnare

16

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 icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile filtrante)

Fig 6 Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră

Din aceste motive răcirea aerului icircn răcitorul (3) se face pacircnă la apariția condensului iar după

separarea lui aerul saturat se preicircncălzește cu aer fierbinte pacircnă cacircnd temperatura deieșire din

filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouăStabilirea

parametrilor de funcționare ai instalației de sterilizare se face numai icircn funcție de parametrii

termodinamici ai aerului Reținerea microorganismelor pe fibrele de sticlă icircn procesul de filtrare

a aerului se realizează ca efect al combinării următoarelor fenomeneimpact 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 fermentațieFermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor

de biosinteză Ea se realizează icircn trei etape

17

- fermentația icircn inoculator - această fermentație dureaza 16 pacircnă la 20 de ore

- fermentația icircn intermediar ndash această fermentație durează aproximativ 12 picircnă la 16 ore

- fermentația icircn regim ndash are loc icircn fermentatorul de regim icircn care se realizează aceleași condiții

și parametri ca și icircn inoculator și intermediar

Icircn primele două faze se consideră că fermentația s-a terminat atunci cacircnd conținutul dezahăr

este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

Icircn toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub ointensă

agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o

cantitate mare de fier care inhibă atacirct creșterea masei celulare cacirct și obținerea acidului citric

Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimiciabsorbanți 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea 70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianurădar

numai pacircnă 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 atacirct procesul de creștere a masei

celulare cacirct și procesul de utilizare a zahărului Melasa conține de obicei 3-20 mg- fosfor iar

pacircnă la valoarea optimă se adaugă icircn 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 microelementedar 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 1-15L aer pentruun

litru mediu pe minutiar pH-ul se menține tot timpul icircntre 3 și 45

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

icircnsămacircnțarea serealizează la 36-42 degC după care temperatura se coboară la 34-36 degC și se menține

18

la această valoare timp de 24-36 ore cacirct durează dezvoltarea masei microbiene apoi temperatura

sescade la 30-32 degC 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 pacircnă la 250

kcalm3 h iar această valoare se atinge icircn 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 icircn procesul de fermentație

T1-variația efectului termickcalm2∙h

T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic

A-variația concentrației icircn acid citric g m2∙h

B-viteza specifică de creștere a masei celulare g m2∙h

Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea saicircncepe

după 25-30 ore de fermentație iar viteza de acumulare atinge icircn ziua a 5-a și a 6 ndasha valori de 105-

106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10 ndash 15 iar icircn

perioada de acumulare a produsului 48-50 din cantitatea totală de zahăr din mediu O utilizare

mai rațională a zahărului se obține icircn cazul icircn care conținutulacesatiua icircn mediu de cultură este

cuprins icircntre 14 și 16 concentrație ce asigură un conținut de 10-12 acizi organici icircn care

acidul citric reprezintă 80 ndash 95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime icircn

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 3-45 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 13: Acid Citric

13

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

pregătirea mediului de cultură

fermentația

filtrarea soluțiilor native

separarea și purificarea

Pregătirea mediului de cultură

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică

Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o cantitate mare de fier care inhibă

atacirct creșterea masei celulare cacirct 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn 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 microelementedar 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 icircndepărtarea totală a

microorganismelor patogene sau apatogene din substanțe preparate spații icircnchise obiecte

Icircn industria de biosinteză unde se obțin culturi microbiene pure precum și icircn

industriafarmaceutică și cea alimentară procesul de sterilizare este de neicircnlocuit și poate fi realizat

de obicei prin

Metode termice

sterilizare cu aer cald la 140-200 ordmC

sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120 -140 ordmC

sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100 ordmC

Metode fizice

filtrare prin umpluturi fibroase

14

filtrare prin materiale poroase

filtrare prin membrane

utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidăfenol 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 δradiatii UV aplicatii

practice au găsit numai procedee le termice de sterilizare Sterilizarea termică prezintă icircnsă și o

serie de inconveniente generate icircn 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 ndash 125 ordmC (fig 3) deoarece aceasta prezintă o serie deavantaje

cum ar fi simplitatea usurința icircn exploatare a utilajelor de sterilizare și realizarea gradului de

sterilizare dorit

Fig 3 Instalația de sterilizare a mediului de cultură la 120 ndash 125 ordmC

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 circulacircnd prin spațiul dintre cele două țevi Icircncalzirea mediului se face prin

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

15

dirijat tangențial și uniform cu ajutorul unui șnec montat pe exteriorul țevii Mediul staționează icircn

coloană 4 ndash 6 secunde după care pătrunde icircn menținător unde rămacircne 15 ndash 20minute pentru

perfectarea procesului de sterilizareIcircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip

țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40 ordmC temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (fig 4) se observă că icircn această instalație contribuția fazei

de icircncalzire și răcire la performanța procesului de sterilizare este de 5 ndash 6 astfel icircncacirct se poate

considera că sterilizarea se realizează aproape icircn totalitate icircn faza demenținere

Fig 4 Diagrama timp ndash temperatură pentru sterilizarea continuă la 120 ndash 125 ordmC

Sterilizarea aerului

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

și spori care trebuiesc icircndepartate icircn mod obligatoriu pentru a putea fi asigurate condițiile unei

fermentații aseptice

Cu toate că sterilizarea aerului se poate realiza atacirct prin procedee termice cacirct și prin

filtaremetoda cea mai utilizată icircn industrie este filtrarea Pentru sterilizare prin filtrare se pot folosi

următoarele materiale filtrante

fibre de sticlă cu diametru cuprins icircntre 5 și 18 μ

nitrat de celuloză pentru filtrul cu membrană

teflon cu o mare rezistență termică (pacircnă la 300ordmC) și caracter hidrofob utilizat sub fo rmă

de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitateelasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn 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 lumacircnare

16

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 icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile filtrante)

Fig 6 Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră

Din aceste motive răcirea aerului icircn răcitorul (3) se face pacircnă la apariția condensului iar după

separarea lui aerul saturat se preicircncălzește cu aer fierbinte pacircnă cacircnd temperatura deieșire din

filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouăStabilirea

parametrilor de funcționare ai instalației de sterilizare se face numai icircn funcție de parametrii

termodinamici ai aerului Reținerea microorganismelor pe fibrele de sticlă icircn procesul de filtrare

a aerului se realizează ca efect al combinării următoarelor fenomeneimpact 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 fermentațieFermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor

de biosinteză Ea se realizează icircn trei etape

17

- fermentația icircn inoculator - această fermentație dureaza 16 pacircnă la 20 de ore

- fermentația icircn intermediar ndash această fermentație durează aproximativ 12 picircnă la 16 ore

- fermentația icircn regim ndash are loc icircn fermentatorul de regim icircn care se realizează aceleași condiții

și parametri ca și icircn inoculator și intermediar

Icircn primele două faze se consideră că fermentația s-a terminat atunci cacircnd conținutul dezahăr

este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

Icircn toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub ointensă

agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o

cantitate mare de fier care inhibă atacirct creșterea masei celulare cacirct și obținerea acidului citric

Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimiciabsorbanți 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea 70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianurădar

numai pacircnă 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 atacirct procesul de creștere a masei

celulare cacirct și procesul de utilizare a zahărului Melasa conține de obicei 3-20 mg- fosfor iar

pacircnă la valoarea optimă se adaugă icircn 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 microelementedar 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 1-15L aer pentruun

litru mediu pe minutiar pH-ul se menține tot timpul icircntre 3 și 45

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

icircnsămacircnțarea serealizează la 36-42 degC după care temperatura se coboară la 34-36 degC și se menține

18

la această valoare timp de 24-36 ore cacirct durează dezvoltarea masei microbiene apoi temperatura

sescade la 30-32 degC 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 pacircnă la 250

kcalm3 h iar această valoare se atinge icircn 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 icircn procesul de fermentație

T1-variația efectului termickcalm2∙h

T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic

A-variația concentrației icircn acid citric g m2∙h

B-viteza specifică de creștere a masei celulare g m2∙h

Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea saicircncepe

după 25-30 ore de fermentație iar viteza de acumulare atinge icircn ziua a 5-a și a 6 ndasha valori de 105-

106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10 ndash 15 iar icircn

perioada de acumulare a produsului 48-50 din cantitatea totală de zahăr din mediu O utilizare

mai rațională a zahărului se obține icircn cazul icircn care conținutulacesatiua icircn mediu de cultură este

cuprins icircntre 14 și 16 concentrație ce asigură un conținut de 10-12 acizi organici icircn care

acidul citric reprezintă 80 ndash 95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime icircn

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 3-45 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 14: Acid Citric

14

filtrare prin materiale poroase

filtrare prin membrane

utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidăfenol 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 δradiatii UV aplicatii

practice au găsit numai procedee le termice de sterilizare Sterilizarea termică prezintă icircnsă și o

serie de inconveniente generate icircn 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 ndash 125 ordmC (fig 3) deoarece aceasta prezintă o serie deavantaje

cum ar fi simplitatea usurința icircn exploatare a utilajelor de sterilizare și realizarea gradului de

sterilizare dorit

Fig 3 Instalația de sterilizare a mediului de cultură la 120 ndash 125 ordmC

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 circulacircnd prin spațiul dintre cele două țevi Icircncalzirea mediului se face prin

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

15

dirijat tangențial și uniform cu ajutorul unui șnec montat pe exteriorul țevii Mediul staționează icircn

coloană 4 ndash 6 secunde după care pătrunde icircn menținător unde rămacircne 15 ndash 20minute pentru

perfectarea procesului de sterilizareIcircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip

țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40 ordmC temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (fig 4) se observă că icircn această instalație contribuția fazei

de icircncalzire și răcire la performanța procesului de sterilizare este de 5 ndash 6 astfel icircncacirct se poate

considera că sterilizarea se realizează aproape icircn totalitate icircn faza demenținere

Fig 4 Diagrama timp ndash temperatură pentru sterilizarea continuă la 120 ndash 125 ordmC

Sterilizarea aerului

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

și spori care trebuiesc icircndepartate icircn mod obligatoriu pentru a putea fi asigurate condițiile unei

fermentații aseptice

Cu toate că sterilizarea aerului se poate realiza atacirct prin procedee termice cacirct și prin

filtaremetoda cea mai utilizată icircn industrie este filtrarea Pentru sterilizare prin filtrare se pot folosi

următoarele materiale filtrante

fibre de sticlă cu diametru cuprins icircntre 5 și 18 μ

nitrat de celuloză pentru filtrul cu membrană

teflon cu o mare rezistență termică (pacircnă la 300ordmC) și caracter hidrofob utilizat sub fo rmă

de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitateelasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn 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 lumacircnare

16

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 icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile filtrante)

Fig 6 Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră

Din aceste motive răcirea aerului icircn răcitorul (3) se face pacircnă la apariția condensului iar după

separarea lui aerul saturat se preicircncălzește cu aer fierbinte pacircnă cacircnd temperatura deieșire din

filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouăStabilirea

parametrilor de funcționare ai instalației de sterilizare se face numai icircn funcție de parametrii

termodinamici ai aerului Reținerea microorganismelor pe fibrele de sticlă icircn procesul de filtrare

a aerului se realizează ca efect al combinării următoarelor fenomeneimpact 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 fermentațieFermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor

de biosinteză Ea se realizează icircn trei etape

17

- fermentația icircn inoculator - această fermentație dureaza 16 pacircnă la 20 de ore

- fermentația icircn intermediar ndash această fermentație durează aproximativ 12 picircnă la 16 ore

- fermentația icircn regim ndash are loc icircn fermentatorul de regim icircn care se realizează aceleași condiții

și parametri ca și icircn inoculator și intermediar

Icircn primele două faze se consideră că fermentația s-a terminat atunci cacircnd conținutul dezahăr

este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

Icircn toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub ointensă

agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o

cantitate mare de fier care inhibă atacirct creșterea masei celulare cacirct și obținerea acidului citric

Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimiciabsorbanți 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea 70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianurădar

numai pacircnă 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 atacirct procesul de creștere a masei

celulare cacirct și procesul de utilizare a zahărului Melasa conține de obicei 3-20 mg- fosfor iar

pacircnă la valoarea optimă se adaugă icircn 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 microelementedar 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 1-15L aer pentruun

litru mediu pe minutiar pH-ul se menține tot timpul icircntre 3 și 45

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

icircnsămacircnțarea serealizează la 36-42 degC după care temperatura se coboară la 34-36 degC și se menține

18

la această valoare timp de 24-36 ore cacirct durează dezvoltarea masei microbiene apoi temperatura

sescade la 30-32 degC 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 pacircnă la 250

kcalm3 h iar această valoare se atinge icircn 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 icircn procesul de fermentație

T1-variația efectului termickcalm2∙h

T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic

A-variația concentrației icircn acid citric g m2∙h

B-viteza specifică de creștere a masei celulare g m2∙h

Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea saicircncepe

după 25-30 ore de fermentație iar viteza de acumulare atinge icircn ziua a 5-a și a 6 ndasha valori de 105-

106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10 ndash 15 iar icircn

perioada de acumulare a produsului 48-50 din cantitatea totală de zahăr din mediu O utilizare

mai rațională a zahărului se obține icircn cazul icircn care conținutulacesatiua icircn mediu de cultură este

cuprins icircntre 14 și 16 concentrație ce asigură un conținut de 10-12 acizi organici icircn care

acidul citric reprezintă 80 ndash 95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime icircn

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 3-45 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 15: Acid Citric

15

dirijat tangențial și uniform cu ajutorul unui șnec montat pe exteriorul țevii Mediul staționează icircn

coloană 4 ndash 6 secunde după care pătrunde icircn menținător unde rămacircne 15 ndash 20minute pentru

perfectarea procesului de sterilizareIcircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip

țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40 ordmC temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (fig 4) se observă că icircn această instalație contribuția fazei

de icircncalzire și răcire la performanța procesului de sterilizare este de 5 ndash 6 astfel icircncacirct se poate

considera că sterilizarea se realizează aproape icircn totalitate icircn faza demenținere

Fig 4 Diagrama timp ndash temperatură pentru sterilizarea continuă la 120 ndash 125 ordmC

Sterilizarea aerului

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

și spori care trebuiesc icircndepartate icircn mod obligatoriu pentru a putea fi asigurate condițiile unei

fermentații aseptice

Cu toate că sterilizarea aerului se poate realiza atacirct prin procedee termice cacirct și prin

filtaremetoda cea mai utilizată icircn industrie este filtrarea Pentru sterilizare prin filtrare se pot folosi

următoarele materiale filtrante

fibre de sticlă cu diametru cuprins icircntre 5 și 18 μ

nitrat de celuloză pentru filtrul cu membrană

teflon cu o mare rezistență termică (pacircnă la 300ordmC) și caracter hidrofob utilizat sub fo rmă

de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitateelasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn 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 lumacircnare

16

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 icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile filtrante)

Fig 6 Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră

Din aceste motive răcirea aerului icircn răcitorul (3) se face pacircnă la apariția condensului iar după

separarea lui aerul saturat se preicircncălzește cu aer fierbinte pacircnă cacircnd temperatura deieșire din

filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouăStabilirea

parametrilor de funcționare ai instalației de sterilizare se face numai icircn funcție de parametrii

termodinamici ai aerului Reținerea microorganismelor pe fibrele de sticlă icircn procesul de filtrare

a aerului se realizează ca efect al combinării următoarelor fenomeneimpact 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 fermentațieFermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor

de biosinteză Ea se realizează icircn trei etape

17

- fermentația icircn inoculator - această fermentație dureaza 16 pacircnă la 20 de ore

- fermentația icircn intermediar ndash această fermentație durează aproximativ 12 picircnă la 16 ore

- fermentația icircn regim ndash are loc icircn fermentatorul de regim icircn care se realizează aceleași condiții

și parametri ca și icircn inoculator și intermediar

Icircn primele două faze se consideră că fermentația s-a terminat atunci cacircnd conținutul dezahăr

este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

Icircn toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub ointensă

agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o

cantitate mare de fier care inhibă atacirct creșterea masei celulare cacirct și obținerea acidului citric

Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimiciabsorbanți 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea 70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianurădar

numai pacircnă 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 atacirct procesul de creștere a masei

celulare cacirct și procesul de utilizare a zahărului Melasa conține de obicei 3-20 mg- fosfor iar

pacircnă la valoarea optimă se adaugă icircn 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 microelementedar 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 1-15L aer pentruun

litru mediu pe minutiar pH-ul se menține tot timpul icircntre 3 și 45

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

icircnsămacircnțarea serealizează la 36-42 degC după care temperatura se coboară la 34-36 degC și se menține

18

la această valoare timp de 24-36 ore cacirct durează dezvoltarea masei microbiene apoi temperatura

sescade la 30-32 degC 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 pacircnă la 250

kcalm3 h iar această valoare se atinge icircn 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 icircn procesul de fermentație

T1-variația efectului termickcalm2∙h

T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic

A-variația concentrației icircn acid citric g m2∙h

B-viteza specifică de creștere a masei celulare g m2∙h

Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea saicircncepe

după 25-30 ore de fermentație iar viteza de acumulare atinge icircn ziua a 5-a și a 6 ndasha valori de 105-

106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10 ndash 15 iar icircn

perioada de acumulare a produsului 48-50 din cantitatea totală de zahăr din mediu O utilizare

mai rațională a zahărului se obține icircn cazul icircn care conținutulacesatiua icircn mediu de cultură este

cuprins icircntre 14 și 16 concentrație ce asigură un conținut de 10-12 acizi organici icircn care

acidul citric reprezintă 80 ndash 95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime icircn

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 3-45 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 16: Acid Citric

16

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 icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile filtrante)

Fig 6 Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră

Din aceste motive răcirea aerului icircn răcitorul (3) se face pacircnă la apariția condensului iar după

separarea lui aerul saturat se preicircncălzește cu aer fierbinte pacircnă cacircnd temperatura deieșire din

filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouăStabilirea

parametrilor de funcționare ai instalației de sterilizare se face numai icircn funcție de parametrii

termodinamici ai aerului Reținerea microorganismelor pe fibrele de sticlă icircn procesul de filtrare

a aerului se realizează ca efect al combinării următoarelor fenomeneimpact 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 fermentațieFermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor

de biosinteză Ea se realizează icircn trei etape

17

- fermentația icircn inoculator - această fermentație dureaza 16 pacircnă la 20 de ore

- fermentația icircn intermediar ndash această fermentație durează aproximativ 12 picircnă la 16 ore

- fermentația icircn regim ndash are loc icircn fermentatorul de regim icircn care se realizează aceleași condiții

și parametri ca și icircn inoculator și intermediar

Icircn primele două faze se consideră că fermentația s-a terminat atunci cacircnd conținutul dezahăr

este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

Icircn toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub ointensă

agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o

cantitate mare de fier care inhibă atacirct creșterea masei celulare cacirct și obținerea acidului citric

Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimiciabsorbanți 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea 70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianurădar

numai pacircnă 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 atacirct procesul de creștere a masei

celulare cacirct și procesul de utilizare a zahărului Melasa conține de obicei 3-20 mg- fosfor iar

pacircnă la valoarea optimă se adaugă icircn 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 microelementedar 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 1-15L aer pentruun

litru mediu pe minutiar pH-ul se menține tot timpul icircntre 3 și 45

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

icircnsămacircnțarea serealizează la 36-42 degC după care temperatura se coboară la 34-36 degC și se menține

18

la această valoare timp de 24-36 ore cacirct durează dezvoltarea masei microbiene apoi temperatura

sescade la 30-32 degC 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 pacircnă la 250

kcalm3 h iar această valoare se atinge icircn 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 icircn procesul de fermentație

T1-variația efectului termickcalm2∙h

T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic

A-variația concentrației icircn acid citric g m2∙h

B-viteza specifică de creștere a masei celulare g m2∙h

Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea saicircncepe

după 25-30 ore de fermentație iar viteza de acumulare atinge icircn ziua a 5-a și a 6 ndasha valori de 105-

106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10 ndash 15 iar icircn

perioada de acumulare a produsului 48-50 din cantitatea totală de zahăr din mediu O utilizare

mai rațională a zahărului se obține icircn cazul icircn care conținutulacesatiua icircn mediu de cultură este

cuprins icircntre 14 și 16 concentrație ce asigură un conținut de 10-12 acizi organici icircn care

acidul citric reprezintă 80 ndash 95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime icircn

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 3-45 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 17: Acid Citric

17

- fermentația icircn inoculator - această fermentație dureaza 16 pacircnă la 20 de ore

- fermentația icircn intermediar ndash această fermentație durează aproximativ 12 picircnă la 16 ore

- fermentația icircn regim ndash are loc icircn fermentatorul de regim icircn care se realizează aceleași condiții

și parametri ca și icircn inoculator și intermediar

Icircn primele două faze se consideră că fermentația s-a terminat atunci cacircnd conținutul dezahăr

este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

Icircn toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub ointensă

agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

Icircn tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătirea

melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahăruluiconțin o

cantitate mare de fier care inhibă atacirct creșterea masei celulare cacirct și obținerea acidului citric

Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimiciabsorbanți 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 icircncălzește la 40degC se corectează pH ul la valoarea 70

iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min După aceasta melasa serăcește și se

diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianurădar

numai pacircnă 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 atacirct procesul de creștere a masei

celulare cacirct și procesul de utilizare a zahărului Melasa conține de obicei 3-20 mg- fosfor iar

pacircnă la valoarea optimă se adaugă icircn 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 microelementedar 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 1-15L aer pentruun

litru mediu pe minutiar pH-ul se menține tot timpul icircntre 3 și 45

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

icircnsămacircnțarea serealizează la 36-42 degC după care temperatura se coboară la 34-36 degC și se menține

18

la această valoare timp de 24-36 ore cacirct durează dezvoltarea masei microbiene apoi temperatura

sescade la 30-32 degC 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 pacircnă la 250

kcalm3 h iar această valoare se atinge icircn 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 icircn procesul de fermentație

T1-variația efectului termickcalm2∙h

T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic

A-variația concentrației icircn acid citric g m2∙h

B-viteza specifică de creștere a masei celulare g m2∙h

Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea saicircncepe

după 25-30 ore de fermentație iar viteza de acumulare atinge icircn ziua a 5-a și a 6 ndasha valori de 105-

106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10 ndash 15 iar icircn

perioada de acumulare a produsului 48-50 din cantitatea totală de zahăr din mediu O utilizare

mai rațională a zahărului se obține icircn cazul icircn care conținutulacesatiua icircn mediu de cultură este

cuprins icircntre 14 și 16 concentrație ce asigură un conținut de 10-12 acizi organici icircn care

acidul citric reprezintă 80 ndash 95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime icircn

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 3-45 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 18: Acid Citric

18

la această valoare timp de 24-36 ore cacirct durează dezvoltarea masei microbiene apoi temperatura

sescade la 30-32 degC 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 pacircnă la 250

kcalm3 h iar această valoare se atinge icircn 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 icircn procesul de fermentație

T1-variația efectului termickcalm2∙h

T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic

A-variația concentrației icircn acid citric g m2∙h

B-viteza specifică de creștere a masei celulare g m2∙h

Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea saicircncepe

după 25-30 ore de fermentație iar viteza de acumulare atinge icircn ziua a 5-a și a 6 ndasha valori de 105-

106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectăconcordanță cu

acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare seconsumă 10 ndash 15 iar icircn

perioada de acumulare a produsului 48-50 din cantitatea totală de zahăr din mediu O utilizare

mai rațională a zahărului se obține icircn cazul icircn care conținutulacesatiua icircn mediu de cultură este

cuprins icircntre 14 și 16 concentrație ce asigură un conținut de 10-12 acizi organici icircn care

acidul citric reprezintă 80 ndash 95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime icircn

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 3-45 și un debit de 1 L aer pentru 1L mediu și minut

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 19: Acid Citric

19

Filtrarea

Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate icircn urma procesului de fermentație de produsul

util Icircn principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca icircnindustria

chimică icircnsă icircn cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de

- volume ridicate de mediu supus filtrarii

- prezența microorganismelor care icircnfundă 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 icircn apă

Precipitarea și neutralizarea

Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă icircn soluția filtrată rezultată de la fermentație

CaCl2 se icircncălzește la 100ordmC și se neutralizează la pH 68 - 7 cu Ca(OH)2 cacircnd 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 ordmC 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

icircn acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25 care se supune unei evaporări la vid la

temperatura de 70 ordmC Evaporarea se continuă pacircnă ce concentrația soluției ajunge la densitatea de

135-136 gcm3 după care se trimite la cristalizare

Cristalizarea și filtrarea

Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ordmC cu o viteză de 20 ordmC pe oră de la 37 ordmC la 27 ordmC cu o

viteză de 10 ordmC pe oră de la 27 ordmC la 20 ordmC cu o viteză de 5 ordmC pe oră iar de la 20 ordmC la 8 ordmC cu o

viteză de 3 ordmC 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 ordmC

iar durata uscării variază cu temperatura Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ordmC nu

pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50 Dacă icircnsă umiditatea aerului creşte

la 90 atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului trecacircnd icircn soluţie Acidul citricanhidru se

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

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7

Page 20: Acid Citric

20

Bibliografie

1 Banu C et al 2000 ndash Biotehnologii icircn industria alimentară Editura Tehnică Bucureşti

2 Banu C et al ndash Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară Editura Tehnică

Bucureşti

3 Cojocaru C 1969 ndash Procedee tehnologice icircn industria fermentativă Editura Tehnică

Bucureşti

4 Sasson Al 1993 ndash Biotehnologii şi dezvoltare Editura Tehnică Bucureşti

5 httpruscribdcomdoc112246297Tehnologia-de-fabricaC89Bie-Acid-citric

6 httpwwwbiotehnologiiusamvrofisierefileMICROBIOLOGIE20APLICATC4

82pdf

7