Biotehnologia fabricarii acidului citric Acidul citric este un aditiv alimentar din categoria regulatorilor de aciditate, fiind utilizat i ca aromatizant. Acesta poteneaz efectul antioxidanilor i gelificanilor i contribuie la formarea emulsiilor. n mod natural, acidul citric se gsete n fiecare celul vie, iar industrial se obine prin fermentarea melasei sau zahrului n prezena mucegaiului Aspergillus niger. Acidul citric (acid tricarbo -1,2,3,-hidroxi-propanoic, C6H8O7) este un acid tricarboxilic care se prezinta ca o pulbere incolora, cu gust acru, usor solubil in ap. Acesta mai este cunoscut si sub numele de sare de lamie sau E330.

acid citric

acid 2 hidroxi-1,2,3-propan tricarboxilic (sare de lmie, E330)

Acidul citric este un compus natural prezent n toate materiile animale i vegetale. Acesta este unul dintre cei mai utilizai aditivi alimentari, fiind i acidul cel mai rspndit n natur. Astfel, el poate fi ntlni n plante sau ca produs n urma proceselor metabolice ale glucidelor sau lipidelor n organismul animal din respiraia tisular sau n timpul sintezei aminoacizilor esentiali. Acest acid mai este ntlnit i n sucurile plantelor citrice, mere, pere, viine, zmeura, coacze, n conifere, foi de tutun, vin i chiar lapte.

Cel mai rspndit este n sucul fructelor din specia citrus lmii, portocale, grepfruturi, ceea ce i-a conferit i numele. De asemenea, serul sanguin conine cca 25mg\l, omul eliminnd normal prin urin 0,5g\zi. Acidul citric este utilizat att ca amplificator de aroma, ct si ca ingredient de conservare. Furnizeaza un gust patrunzator, de citrice, alimentelor pentru a le da o aroma mai puternica, simultan echilibrand pH-ul alimentelor si sporind nivelele de aciditate pentru a le pastra mai mult timp. Pe scurt, sporeste aciditatea mediului microbian, facand mai greu pentru mucegaiuri sau bacterii sa supravietuiasca si sa se reproduca.Proprietai fizice

Acidul citric se prezint sub form de cristale incolore, translucide, inodore, cu gust plcut uor acru, avnd masa molecular 210,14. Este uor solubil n ap, parial solubil n alcooli alifatici inferiori, greu solubil n eter etilic. Este stabil n condiii normale de depozitare i manipulare, se descompune sub aciunea H2SO4 cu formare de acid formic i dioxid de carbon.Proprietai chimice

Acidul citric este unnul tricarboxilic, sarea lui de calciu este mai greu solubila n ap la cald dect la rece: ea se precipita la fierberea solutiei si se redizolva la rcire.

Cu H2SO4 concentrat, acidul citric d o reactie caracteristic a -hidroxi-acizilor i anume elimin acid formic i trece n acid aceton-dicarboxilic, iar un tratament mai energic duce la aceton.

Formula chimica

Deasemenea, efectul chelatizant al acidului citric explic relatia sinergic cu antioxidanii prin complexarea prooxidantilor.

Formula chimica

Proprietati biologice

Face parte dintr-o serie de compui implicai n oxidarea fizica a lipidelor, proteinelor i carboxidrailor n dioxid de carbon i ap. Aceast serie de reacii este legat de aproape tate reaciile metabolice asigurnd 2\3 din energia derivat din alimente din organismele evoluate.

Proprieti farmacologice

Este folosit in industria farmaceutic datorit efectului su anticoagulant. Are proprietatea de a regla ph-ul, este folosit i ca efervescent n comprimate n combinaie cu bicarbonai.

Metode biotehnologice de obinere a acidului citric

Cnd priveti prima dat ingredientele de pe o etichet i vezi acid citric, te duce cu gndul c este un extract de suc de lmie. Acest acid poate fi obinut din sucul de fructe ( lmie) care va fi tratat cu NH3 conc. i filtrat. Citratul de amoniu obinut este uor solubil, care tratat cu Ca(OH)2 rezult citrat de calciu greu solubil n ap. Urmeaz o nou filtrare a amestecului, apoi prin tratare cu H2SO4 (25%) se formeaz sulfatul de calciu (CaSO4) insolubil, fiind astfel eliminat prin filtrare obtinndu-se acidul citric sub form cristalin.Deoarece , obinerea acidului citric din fructe este costisitoare, aceasta se produce la nivel comercial din zahr supus aciunii bacteriilor i drojdiilor.

Pn la nceputul sec.20, este extras exclusiv din sucul de lmie, ns, n prezent este facut din Aspergilius niger, un mucegai, care produce acid citric ca produs secundar al metabolismului. Aceast metod a fost descoperit n 1917 de ctre chimstul alimentar James Currie.

Acidul citric mai poate fi obtinut prin sintez sau biosintez utilizand diferite culturi.

1.Obtinerea acidului citric prin sintez

Una din sintezele acidului citric const n transformarea dicloracetonei simetrice, cu acid cianhidric n cianhidrina respectiv, urmata de saponificarea acesteia n hidroxiacidul halogenat i condensarea celui din urm cu cianur de potasiu:Formula chimica

O alt sintez pornete de la esterul metilic aceton-dicarboxilic (R=CH3);

Formula chimica

Acidul citric formeaz cristale mari, transparente, uor solubile n ap avnd o molecul de ap de cristalizare (p.t.100C). Prin nclzire la 80 C pierde apa de cristalizare i are n stare anhidr, p.t.153C.2.Obinerea acidului citric prin biosintez

Au fost cercetate tehnologiile de obinere a acidului citric prin biosintez pe culturi de

Aspergillus niger, Aspergillus clavatus, Aspergillus ventii, Penicillium citrinum,dar aplicaiile industriale au gsit numai tehnologiile ce folosesc culturi deAspergillus niger, iar dintre mediile de cultur studiate, cel mai eficient s-a dovedit a fi mediul de cultur pe baz de melas.

Din punct de vedere tehnologic,procesul de fermentaie a acidului citric cuAsp. nigerpoate fi realizat n suprafa sau n profunzime. n primul sistem fermentaia dureaz 10-11zile iar n al doilea dureaz 6-7 zile.Fermentaia n suprafa

n acest procedeu, melasa este trimis n reactor, unde la 40 C se trateaz cu ferocianur de potasiu, dup care se sterilizeaz prin nclzire la 120 C timp de 30 min, se rcete la 45 C i se adaug fosfatul de potasiu, sulfatul de zinc, sulfatul de magneziu, sub form de soluii sterile. Mediul de cultur, astfel preparat se trimite n camera de fermentaie steril, n care se introduce mediu de cultur pe o adncime de 10-15 cm.

Camera de fermentaie se sterilizeaz cu aer, iar dup introducerea mediului de cultur se ventileaz cu are steril timp de 30 min, iar la sfarsitul perioadei de ventilaie se face nsmnarea prin curentul de aer. Dup nsmnare se oprete pentru o ora ventilaia,timp necesa sedimentrii inoculului, iar apoi se reia pentru toat durata fermentaiei. La terminarea fermentaiei biomasa se filtreaz, iar soluia se supune prelucrrii pentru separarea acidului citric cristalin.Acest tip de fermentaie este folosit ns la scara redus n industrie.Avantajele folosirii acestuia sunt: efort minim n operaii, consumuri energetice minime i construcie simpl a instalaiei. Principalul dezavantaj este ins productivitatea mic la care se adaug dificultateapstrrii condiiilor aseptice, cele mai frecvente contaminri fiind date n principal de speciile Penicillium, Aspergillus i bacterii lactice.

Fermentaia n profunzime

Biotehnologia de obinere a acidului citric prin aceast metod cuprinde urmatoarele etape:

Pregtirea mediului de cultur;

Fermentaia;

Filtrarea soluiilor native;

Separarea i purificarea.

Pregtirea mediului de culturDe o importan major este pregtirea melasei pentru fermentaia citric.

n general melasa ce rezult din industria zahrului conine o cantitate mare de fier (8-52mg%) care inhib att creterea masei celulare, ct i obinerea acidului citric. De aceea, melasa se prelucreaz cu ageni chimici - ferocianur de potasiu, care permite sedimentarea ionilor de fier i a altor metale grele. Pentru aceasta melasa concentrat se nclzete la 40C, se corecteaz pH ul la valoarea7.0, apoi se adaug ferocianura de potasiu i se fierbe 45 min. Dup aceasta melasa se rcete i se dilueaz cu ap pn ce concentraia n zahr devine 15%. Pentru a avea un proces normal de cretere a masei celulare i de producere a acidului citric este necesar ca mediul de cultur s conin i surse de azot, sulf i microelemente. Sursele de azot se adaug sub form de extract de porumb, iar microelementele se adaug laprepararea mediului. Interesant este faptul c melasa conine iniial i microelemente, dar o parte din ele se separ odat cu fierul. Dintre microelemente nu trebuie s lipseasc zincul, cadmiul, aluminiul, cuprul i magneziul.

SterilizareaSterilizarea este procesul prin care are loc distrugerea sau ndeprtarea total a microorganismelor patogene sau apatogene din substane, preparate, spaii nchise, obiecte. Astfel, n industria de biosintez, unde se obin culturi microbiene pure, precum i n idustria farmaceutic i cea alimentar, procesul de sterilizare este de nenlocuit.De obicei, sterilizarea mediilor de cultur se poate realiz prin metode mecanice(filtrare, centrifugare, flotatie), termice, cu agenti chimici bactericizi, cu radiaii X, , ,radiatii UV, aplicatii practice au gsit numai procedeele termice de sterilizare. Sterilizarea termic prezint, ns, i o serie de inconveniente, generate n special, de reaciile secundare de degradare care au loc in timpul procesului de sterilizare.

Pentru sterilizarea mediului de cultur pregtit pentru obinerea acidului citric se utilizeaz o instalaie termic de sterilizare la 120 125 C , deoarece aceasta prezint o serie deavantaje cum ar fi: simplitatea, usurina n exploatare a utilajelor de sterilizare i realizarea gradului de sterilizare dorit.

FermentaiaProcesul de cretere a microorganismelor pe medii de cultur, cu scopul de a biosintetiza diveri produi, poart denumirea de fermentaie. Fermentaia reprezint etapa fundamental a proceselor de biosintez. Ea se realizeaz n trei etape: Fermentaia n inoculator-dureaz 16 pn la 20 ore;

Fermentaia n intermediar dureaz 12 pn la 16 ore;

Fermentaia n regim are loc n fermentatorul de regim, n care se realizeaz n aceleai condiii i parametri ca i n inoculator i intermediar.

n primele dou faze se consider c fermentaia s-a terminat atunci cnd coninutul dezahr este consumat pn la aproximativ 50% din valoarea iniial. n toate fazele fermentaiei se administreaz acelai debit de aer (1 litru pe minut) sub o intens agitare la temperatura de 29-32 C. n tehnologia obinerii acidului citric, o importan foarte mare o are procesul de pregtirea melasei pentru fermentaia citric. n general, melasele rezultate din industria zahruluiconin o cantitate mare de fier, care inhib att creterea masei celulare, ct i obinerea acidului citric. Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu ageni chimici,absorbani, schimbtori de ioni, dar rezultatele cele mai bune s-au obinut la prelucrarea cu ferocianur de potasiu, care permite sedimentarea ionilor de fier i a altor metale grele. Pentru aceasta, melasa concentrat se nclzete la 40C, se corecteaz pH ul la valoarea 7,0, iar apoi se adaug ferocianura de potasiu i se fierbe 45 min. Dup aceasta melasa sercete i se dilueaz cu ap pn ce concentraia n zahr devine 15%. Viteza i randamentul procesului de fermentaie cresc cu creterea cantitii de ferocianur,dar numai pn la concentraia de 50-60 mg%, dup care scade datorit faptului cferocianura la concentraii mari inhib procesul de cretere a masei celulare i de producere a acidului citric. Un alt factor care influeneaz sensibil procesul de fermentaie citrice este coninutul defosfor, a crui valoare optim este 25-30 mg%. Fosforul regleaz att procesul de cretere a masei celulare ct i procesul de utilizare a zahrului. Melasa conine, de obicei, 3-20mg% fosfor , iar pn la valoarea optim se adaug n mediu de cultur fie fosfor monopotasic, fie acid fosforic. Pentru a avea un proces normal de cretere a masei celulare i de producere a aciduluicitric este necesar ca mediul de cultur s conin i surse de azot, sulf i microelemente.

Sursele de azot se adaug sub form de extract de porumb, iar microelementele se adaug laprepararea mediului. Este interesant de remarcat c melasa conine iniial i microelemente,dar o parte din ele se separ odat cu fierul. Dintre microelemente nu trebuie s lipseasc zincul, cadmiul, aluminiul, cuprul i magneziul.

Procesul de fermentaie citric fiind aerob, consumul de aer steril este de -1,5L aer pentru un litru mediu pe minut,iar pH-ul se menine tot timpul ntre 3 i 4,5. Temperatura procesuluide biosintez depinde de stadiul de dezvoltare a masei celulare. Astfel, nsmnarea se realizeaz la 36-42C, dup care temperatura se coboar la 34-36C i se menine la aceast valoare timp de 24-36 ore, ct dureaz dezvoltarea masei microbiene, apoi temperatura se scade la 30-32C i se menine la aceast valoare pe toat durata elaborrii acidului citric. n urma acestui proces de biosintez s-a constatat c a acidului citric rezult c acumularea sancepe dup 25-30 ore de fermentaie, iar viteza de acumulare atinge n ziua a 5-a i a 6-a valori de 105-106 g/m3h. De asemenea consumul de zahr din biomas este n perfect concordan cu acumularea acidului citric: n perioada de cretere a masei celulare seconsum 10-15%, iar n perioada de acumulare a produsului 48-50% din cantitatea total dezahr din mediu. O utilizare mai raional a zahrului se obine n cazul n care coninutul acesatiua n mediu de cultur este cuprins ntre 14 i 16%, concentraie ce asigur un coninut de 10-12% acizi organici, n care acidul citric reprezint 80-95%. Procesul de fermentaie se realizeaz prin fermentaie n profunzime, n fermentatoarecilindrice, verticale echipate cu agitator, serpentin, barbotor de aer i dispozitive de reglare.

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

Filtrarea reprezint separarea biomasei rezultate n urma procesului de fermentaie de produsul util. n principiu filtrarealichidelor de fermentaie se utilizeaz aceleai tehnici ca n industria chimic, ns n cazul biotehnologiilor apar unele particulariti legate de:-volume ridicate de mediu supus filtrarii;

-prezena microorganismelor care nfund porii materialului filtrant.

Dup fermentaie i filtrarea miceliului, soluia apoas se supune prelucrrii pentrusepararea acidului citric cristalin. Separarea acidului citric sub form de cristale se bazeaz peproprietatea unor sruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva n ap.

Pentru obinerea citratului de calciu se adaug n soluia filtrat, rezultat de la fermentaie CaCl2, se nclzete la 100C i se neutralizeaz la pH 6,8-7 cu Ca(OH)2, cndprecipit srurile de calciu ale acizilor organici formai (acid citric, succinic, malic) prin biosintez. Apoi precipitatul format se filtreaz i se spal cu ap fierbinte la 95C, dup care se trateaz cu acid sulfuric pentru eliberarea acidului citric din sarea sa de calciu.Solutia obinut se trateaz cu crbune activ i se filtreaz, iar filtratul se trateaz cu ferocianur de potasiu pentru separarea fierului i a altor metale grele, filtrndu-se din nou la cald. Astfel, se obine o soluie de acid citric de concentraie 20-25% care este supus unei evaporri la vid la o temperatur de 70C. Evaporarea se continu pn ce concentraia soluiei ajunge la o densitate de 1.35-1.36 g\cm3, dup care se trimite la cristalizare.

Acidul citric cristalizat se filtreaz pe centrifug, dup care se supune procesului de uscare.

Uscarea acidului citric se poate realiza continuu sau discontinuu, la o temperatur de 60-70C, durata uscarii variind cu temperatura. Acidul monohidrat la temperatura de 20C nu pierde apa de cristalizare la o umiditatea a aerului de 40-50%. ns dac umiditatea aerului crete pn la 90%, atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului, trecnd n soluie. Acidul citric anhidru se poate obine numai prin uscare cu aer a crui umiditate trebuie s fie sub 50%.Utilizari

Acidul citric eset foarte utilizat in industria alimentar:1.Ca adaos n sucurile de fructe ca atare sau diluate, precum i n racoritoare carbonatate, n care acioneaz ca agent de conservare i ca agent de protejare a culorii i aromei, avnd n aceli timp i capacitatea de a chela metalele care pot provoca modificri deculoare i arom. Se consider c stabilitatea culorii se realizeaz datorit inhibrii atacului oxidativ asupra culorii existente, inhibrii dezvoltrii oxidrii culorii,prevenirii formrii de complexe metalice colorate.

Capacitatea de a forma chelai a acidului citric i a citrailor sedatoreaz existenei gruprii hidroxil i a gruprilor carboxilice.

2.n scopul stabilizrii aromei produselor prin inhibarea atacului oxidativ asuprac omponentelor de arom in acelai timp,prin inhibarea formrii preoduselor cu miros neplcut.

n cazul adaosului la vinuri, acidul citric contribuie la ajustarea (corectarea) aciditii, previne formarea de precipitate i casarea feric datorit faptului c se complexeaz fierul subform de acid ferocitric solubil, form sub care particip la formarea casei. Acidul citric poatefi atacat de bacteriile lactice din vin, cu formare de acid lactic i acetic, n cazul n care vinul nu este protejat biologic. 3.La conservarea fructelor prin congelare, caz n care, acidul citric, prin chelarea metalelor, face ca acidul ascorbic natural din fructe i legume s nu fie distrus. Fructele i legumele depielate se trateaz,de aemenea,cu soluie de acid citric pentru prevenirea mbrunrii enzimatice;

5.Ca un component al srurilor de topire,n cazul brnzeturilor topite. Se utilizeazmpreun cu fosfaii,efectul de emulsionare fiind ns realizat de tartrai. Lactaii au ns efect invers coagulnd proteinele din brnz;

6.La tratarea molutelor supuse refrigerrii si congelrii. La aceste produse se formeaz o culoare albastr, datorit complexului cupru-tiol. Concomitent se formeaz i mirosuri strine.

7.Pentru mpiedicarea zaharisirii mierii de albine, n clarificarea enzimatic a sucurilor,ca agent de stabilizare pentru condimente,boia de ardei n sinteza grsimilor rearanjate necesare obinerii de shortening uri n dressingurile pentru salate;

8.Ca un component al srurilor efervescente mpreun cu bicarbonatul de sodiu (acestea,la adaos de ap degajdioxid de carbon); 9.La obinerea de ape minerale artificiale;

Acidul citric mai este folosit i n producerea medicamentelor i n biotehnologie precumi la sapunuri i detergenti, datoritproprietii de a combina metalele in apa dur.Mai are i alte utilizri, cum ar fi: circa 6% acid citric va ndeprta pete de ap dur de pe sticl fr frecri, ca ingredient n ngheat, sau mpreun cu bicarbonatul de sodiu, ajut la indigestie. Mai este utilizat i n fotografie , la developarea filmului.

Bibliografie

10

_1141659351.bin