View
63
Download
1
Category
Preview:
DESCRIPTION
producerea
Citation preview
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Recommended