Tehnologia DE Obtinere A Acidului Citric E 330

TEHNOLOGIA DE OBȚINERE A ACIDULUI CITRIC

E 330

CUPRINS:

1. Tema lucrării

2. Memoriu tehnic

3. Tehnologia fabricației

3.1. Produsul finit

3.1.1.Importanța și domenii de utilizare

3.1.2. Caracterizare fizico-chimicã, biologică și farmacologică

3.1.3. Condiții de calitate, depozitare, transport

3.2. Variante tehnologice de obțínere a produsului finit

3.2.1. Obținerea acidului citric prin sinteză chimică

3.2.2. Obținerea acidului citric prin extracție din sucul de lămâie

3.2.2. Obținerea acidului citric prin biosinteză

3.3. Alegerea variantei tehnologice optime

4. Descrierea procesului tehnologic adoptat

4.1. Schema tehnologică și descrierea etapelor procesului tehnologic ales

4.2. Materii prime și materiale auxiliare

4.2.1. Caracterizare fizico-chimică și tehnologică

4.2.2. Condiții de calitate, depozitare, transport

4.3. Procese tehnologice componente (P.T.C.)

4.3.1. Mecanismul procesului biochimic

4.3.2. Elemente de termodinamică și cinetică

4.3.3. Bilanțul de materii prime și materiale

4.4. Utilajele instalației pentru realizarea tehnologiei

4.4.1. Alegerea, descrierea și regimul de funcționare a utilajelor

4.4.2. Dimensionarea tehnologica a utilajelor

4.4.3. Probleme de coroziune și/sau alegere a materialelor de construcție

4.5. Probleme de exploatare a instalației

4.5.1. Controlul, reglarea și automatizarea procesului tehnologic

4.5.2. Controlul de calitate

4.5.6. Norme de securitatea muncii, igienă, prevenirea accidentelor, incendiilor, exploziilor, etc.

4.6. Deșeuri, subproduse, coproduse, emisii de noxe

5. Analiza tehnico-economică

6. Bibliografie

Capitolul 1.Tema lucrării

Acidul citric este, din punct de vedere chimic, un acid organic tricarboxilic, mai precis acid tricarbo-1,2,3-hidroxi-propanoic C6H8O7 cu formula chimică:

Se prezintă sub formă solidă, o pulbere incoloră, cu bună solubilitate în apă, 1000 g/l la 25oC, insolubil în cloroform. Datorită gustului acru și a faptului că este răspândit în citrice, mai este cunoscut și sub denumirea de sare de lămâie. Nu are miros, iar pH-ul este de 2.2 la g/l: 7.

Acidul citric a fost descoperit de un alchimist arab, Dschābir ibn Hayyān, în secolul al IX-lea, și a fost obținut pentru prima oară, de Karl Wilhelm Scheele, în anul 1784.

Sir Hans Krebs, a descoperit, în 1953, rolul pe care îl are acidul citric în reacțiile metabolice folosite de toate organismele aerobe pentru a obține energie. Pentru această descoperire a primit premiul Nobel pentru medicină. De atunci, acest set de reacții metabolice se numește ciclul acidului citric sau mai cunoscut cu denumirea de Ciclul Krebs.

Acest ciclu se bazează pe oxidarea acetatului, rezultat din lipide, carbohidrați și proteine, în dioxid de carbon și apă.

Acidul citric și sărurile sale, citrații, au multe întrebuințări, în industria alimentară, în medicină, în construcții, și din acest motiv este necesară producerea acestuia pe scară largă.

Utilizarea sa ca aditiv alimentar și ca ingredient în medicamente sau suplimente alimentare este aprobată de Uniunea Europeană și este cunoscut sub denumirea E330.

Poate fi folosit pentru:

Conservarea alimentelor și al băuturilor răcoritoare

Dizolvarea carbonatului de calciu depus pe cazane, vase de bucătărie etc

Pentru stabilizarea unor suspensii

Reducerea coroziunea metalelor nobile

Suplimentarea dietei cu citrat de calciu pentru deficiențe de calciu, în special la animale

Suplimentarea cu citrat de magneziu, pentru tratarea deficiențelor de magneziu la oameni

Reglarea pH-lui în cazul unor medicamente, cu citrat de calciu, de magneziu sau de sodiu.

Controlarea vitezei de legare a cimentului, în construcții, cu ajutorul citratului de sodiu.

Tema prezentei lucrări este de a prezenta cele mai cunoscute metode tehnologice de fabricare a acidului citric, de a le analiza și de a alege, din perspectiva eficienței, cel mai bun proces tehnologic.

Capitolul 2. Memoriu tehnic

Acidul citric se găsește, în mod natural, în fructe și legume:

În domeniul industriei alimentare, acidul citric are multe aplicații fiind folosit în diverse scopuri:

Acidul citric a fost obținut, la început, din citrice, dar această metodă era ineficientă pentru că rezultau cantități prea mici.

În prezent baza producerii de acid citric este mucegaiul Aspergillus niger, în prezența glucozei din sirop de porumb.

Acidul citric determină o aciditate crescută (pH scăzut) care inhibă înmulțirea bacteriilor și ciupercilor, fiind un conservant eficient.

El potențează aroma și stabilizează pH-ul la un nivel care să împiedice degradarea microbiologică a alimentelor, în special pentru cele conservate.

De asemeni, acidul citric se folosește în multe produse cosmetice. Astfel, în creme, loțiuni și geluri se adaugă pentru a ajusta pH-ul natural al pielii. Se adaugă în șampon, săpun, detergenți pentru a spori capacitatea de spumare. În același timp ajută la scoaterea petelor.

Acidul citric este nepoluant pentru mediu, este biodegradabil, și are o toxicitate foarte scăzută.În cazul unui consum excesiv, acidul citric poate irita sistemul digestiv, poate provoca răni și răni la nivelul mucoasei stomacale. Poate provoca iritații la nivelul ochilor, pielii și aparatului respirator.
Se evită folosirea în alimentele pentru bebeluși, deoarce poate eroda smalțul dinților în folosire excesivă.

Între beneficii și dezavantaje, acidul citric se dovedește util și nu este periculos dacă este consumat în cantități moderate, de altfel, produsele alimentare nu conțin concentrații mari de acid citric.

Pentru a adopta și a elabora cea mai potrivită tehnologie de fabricație a acidului citric, lucrarea va fi structurată pe mai multe etape de elaborare.

În primul rând se vor sintetiza proprietățile fizico/chimice, biologice și farmacologice ale produsului finit, cât și importanța și domeniile de utilizare pentru a cunoaște cât mai bine produsul ce urmează a fi obținut și caracteristicile sale.

Vom aborda, în cadrul aceleiași etape și condițiile de depozitare și transport pentru a putea aplica la sfârșitul procesului de fabricație cele mai potrivite și optime metode de transport și depozitare.

După ce vom cunoaște bine produsul pe care dorim să îl obținem, vom trece la identificarea metodelor de obținere care există, a avantajelor și dezavantajelor fiecărei metode în parte și, după compararea acestora, vom alege varianta tehnologică pe care dorim să o folosim.

În următoarea etapă, cea mai complexă, vom descrie procesul tehnologic pe care l-am ales. Vom începe cu schema tehnologică și cu descrierea fiecărei etape din acest proces.

Pentru a obține un produs de calitate este necesar să folosim materii prime și materiale auxiliare de calitate. Pentru aceasta le vom descrie din punct de vedere fizico-chimic și tehnologic și vom trece în revistă condițiile de calitate pe care acestea trebuie să le îndeplinească și condițiile în care pot fi depozitate și transportate.

Pentru a înțelege procesul de fabricație vom aborda și prezentarea mecanismelor biochimice care stau la baza obținerii produsului finit.

Pentru înțelegerea aspectelor energetice ale procesului tehnologic vom aborda, apoi, elementele de termodinamică și cinetică specifice procesului biochimic care stă la baza obținerii produsului nostru.

În scopul dimensionării procesului tehnologic, vom calcula bilanțul de materii prime și materiale auxiliare necesare pentru a obține 1000 de tone pe lună, considerând 20 de zile lucrătoare într-o lună.

În funcție de procesul tehnologic ales, și anume prin fermentație de adâncime, vom alege și utilajele cele mai potrivite, le vom dimensiona din punct de vedere tehnologic și vom aborda problemele de coroziune pentru a asigura exploatarea acestora în cele mai bune condiții.

Orice proces tehnologic are nevoie de control, reglare și, pentru o bună eficiență de automatizarea acestuia. După obținerea produsului finit este absolut obligatoriu controlul calității acestuia după criteriile din standardele de specialitate, fizico-chimice, organoleptice, microbiologice.

În cursul oricărui proces tehnologic este obligatorie cunoașterea și respectarea strictă a normelor de securitatea muncii și de prevenire a accidentelor, incendiilor etc.

În toate procesele tehnologice rezultă deșeuri, subproduse, noxe, care trebuie prelucrate, eliminate, neutralizate și depozitate, astfel încât să se respecte normele de protecție a mediului.

În ultimul capitol vom aborda o analiză tehnico-economică pentru a estima valoarea investiției și eficiența acesteia.

Capitolul 3. Tehnologia fabricației

3.1. Produsul finit

3.1.1.Importanța și domenii de utilizare

Așa cum am prezentat anterior, producerea de acid citric la nivel industrial se justifică prin numeroasele aplicații pe care le are, prin costurile relativ mici de fabricare și o toxicitate scăzută.Vom insista pe importanța și domeniile de utilizare ale acestuia, specifice industriei alimentare, și vom reține că acest aditiv se folosește și în medicină, construcții, cosmetică.

Întrebuințările acidului citric în industria alimentară sunt numeroase:

Acidul citric se adaugă în sucurile de fructe, concentrate sau diluate, și în băuturile carbonatate. El are rolul de a conserva produsul în care se adaugă și de a menține culoarea și aroma acestuia, proaspătă. Are proprietatea chimică de a forma chelați, prin intermediul grupărilor hidroxilice și carboxilice, cu ionii metalelor, și astfel inhibă formarea de complexe metalice colorate care ar schimba culoarea sucului (Figura 1).

ION METALIC + CITRAT → CITRATUL METALIC

M2+ + C6H5O73- → [M(C6H5O7)]-

Figura 1. Reacția de chelare

Bazându-se pe aceeași proprietate de a inhiba oxidarea substanțelor aromate, acidul citric asigură menținerea aromei, și împiedică dezvoltarea unor mirosuri neplăcute.

Se folosește foarte mult în industria vinurilor pentru a ajusta pH-ul acestuia, pentru a inhiba formarea de precipitate, în special a celor ferice. Acidul citric complexează ionii ferici cu formarea de acid ferocitric solubil. Bacteriile lactice, care se găsesc în vin în timpul procesului de fermentație alcoolică, pot acționa asupra acidului citric, ducând la formarea de acid lactic și acetic. Din acest motiv acidul citric se adaugă în faza finală a condiționării vinului. Cantitatea de acid citric, care se poate adăuga, este de maxim 50g/hL, mai ales la vinurile care au un nivel scăzut de casare, au circa 10-15mg fier/L. Adaosul se face în funcție de calitatea vinului: tanin, pH, potențial redox și de conținutul de fier. În acest mod se poate renunța la tratarea vinului cu ferocianură de potasiu, care este mai scumpă.

Fructele și legumele conservate prin congelare sunt tratate cu acid citric pentru a preveni oxidarea vitaminei C (acidului ascorbic). De asemeni, acidul citric previne schimbarea culorii fructelor și legumelor congelate prin reacția de chelare a metalelor.

Pentru a preveni oxidarea grăsimilor și uleiurilor, acidul citric se folosește împreună cu antioxidanți precum BHA, BHT sau galatul de propil. Se recomandă monostearil citratul pentru că are o solubiltate mai mare în grăsimi față de acidul citric.

Acidul citric este folosit împreună cu alte săruri pentru a obține brânzeturi procesate, de tip brânză topită. Complexează ionii de calciu. Îmbunătățește stabilitatea microbiologică.

Atunci când se congelează moluștele, datorită complexului cupru-tiol, apare o culoare albastră, și apare și miros neplăcut. Pentru îndepărtarea lor se folosește acid citric care formează complecși cu cuprul.

Acidul citric se folosește pentru a inhiba zaharisirea mierii de albine.

De asemeni pentru a menține prospețimea condimentelor alimentare.

Acidul citric intră în compoziția sărurilor efervescente alături de bicarbonatul de sodiu.

În procesul de fabricare a sucurilor și băuturilor carbonatate artificiale.

3.1.2. Caracterizare fizico-chimicã, biologică și farmacologică

Acidul citric prezintă următoarele proprietăți fizice:

Acidul citric estee care au un nivel scăzut de casare, au circa 10-15mg fier/L. Adaosul se face în funcție de calitatea vinului: tanin, pH, potențial redox și de conținutul de fier. În acest mod se poate renunța la tratarea vinului cu ferocianură de potasiu, care este mai scumpă.

Fructele și legumele conservate prin congelare sunt tratate cu acid citric pentru a preveni oxidarea vitaminei C (acidului ascorbic). De asemeni, acidul citric previne schimbarea culorii fructelor și legumelor congelate prin reacția de chelare a metalelor.

Pentru a preveni oxidarea grăsimilor și uleiurilor, acidul citric se folosește împreună cu antioxidanți precum BHA, BHT sau galatul de propil. Se recomandă monostearil citratul pentru că are o solubiltate mai mare în grăsimi față de acidul citric.

Acidul citric este folosit împreună cu alte săruri pentru a obține brânzeturi procesate, de tip brânză topită. Complexează ionii de calciu. Îmbunătățește stabilitatea microbiologică.

Atunci când se congelează moluștele, datorită complexului cupru-tiol, apare o culoare albastră, și apare și miros neplăcut. Pentru îndepărtarea lor se folosește acid citric care formează complecși cu cuprul.

Acidul citric se folosește pentru a inhiba zaharisirea mierii de albine.

De asemeni pentru a menține prospețimea condimentelor alimentare.

Acidul citric intră în compoziția sărurilor efervescente alături de bicarbonatul de sodiu.

În procesul de fabricare a sucurilor și băuturilor carbonatate artificiale.

3.1.2. Caracterizare fizico-chimicã, biologică și farmacologică

Acidul citric prezintă următoarele proprietăți fizice:

Acidul citric este stabil în condiții normale de depozitare și manipulare.

Proprietăți chimice ale acidului citric sunt date de:

reacțiile chimice specifice grupării carboxil –COOH:

reacția de decarboxilare

reacția de esterificare

reacția cu hidroxidul de sodium

reacția de formare a sărurilor

reacția cu apa de brom

reacția iodoformului

reacția de oxidare cu permanganate de potasiu

reacțiile chimice specifice grupării hidroxil –OH:

reacția cu pentaclorura de fosfor PCl5

reacția cu HI

reacția de dehidrogenarea

reacția de încălzire cu acizi minerali a acizilor-alcooli

reacții de culoare:

reacția cu rezorcina

reacția cu acid sulfuric concentrate

reacția cu clorura ferică

reacții specifice:

reacția Fenton

reacția cu O2 și KMnO4

reacții de substituție la nucleul benzenic:

reacția de alchilare

reacțiile cu acidul sulfuric, acidul azotic

reacția cu compusul diazoic și cu bromul

Cele mai importante și cunoscute reacții chimice ale acidului citric sunt:

Reacția de obținere a acidului aconitic, prin încălzirea acidului citric la 175ºC, când are loc eliminarea unei molecule de apă. Acidul aconitic este un antioxidant și un stabilizant al aromelor volatile (de exemplu la prăjirea cafelei):

Acid citric Acid aconitic

Prin descompunerea pirogenică a acidului citric se formează anhidrida acidului itaconic și a acidului citraconic:

Cu acidul sulfuric concentrat, acidul citric dă o reacție caracteristică a α-hidroxi-acizilor, anume elimină acid formic și trece în acidul aceton-dicarboxilic, un acid β-cetonic dicarboxilic, ușor de obținut pe această cale:

Reacția cu apă de brom. În prezența apei de brom, acidul citric se oxidează, formându-se acidul aceton-dicarboxilic, care, în exces de apă de brom formează pentabromacetona; aceasta, prin hidroliză și decarboxilare, trece în glioxal. Formarea glioxalului se pune în evidență prin reacția de culoare cu fenoli.

Prin încălzire cu sulfură de carbon se formează un compus biciclic-tiofen

Efectul chelatizant al acidului citric explică relația sinergică cu antioxidanții prin complexarea prooxidanților:

Proprietăți biologice:

Acidul citric este un metabolit normal și un intermediar în metabolismul oxidativ celular. El se formează în mitocondrii.

Ciclul Krebs cuprinde 8 reacții metabolice care au loc în matricea mitocondrială. Grupul acetil de acetil-coenzima A (acetil-CoA). În acest mod se eliberează energie datorită sintezei de ATP. Cele 8 reacții sunt de condensare, două reacții de decarboxilare, patru reacții de oxidare, și una de fosforile, iar ele pot fi reprezentate schematic astfel:

Acetil-CoA + 3 NAD+ +FAD + GDP + fosfat + 2 H2O → 2 CO2 + CoA + 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP

Funcția ciclului Krebs în organism este de a furniza energie.

Proprietăți farmacologice

Acidul citric are efect anticoagulant. Prin prezența sa, se mărește solubilitatea substanțelor active din produsele farmaceutice. De asemeni, se folosește pentru reglarea pH-lui. Se folosește și la obținerea comprimatelor efervescente. Substanța activă este inclusă în amestecuri de acid citric cu bicarbonat de sodiu. În contact cu apa, componentele reacționează cu degajare de CO2 care ajută la desfacerea sau dizolvarea substanței active.

3.1.3. Condiții de calitate, depozitare, transport

Fișele tehnice de calitate pentru acidul citric conțin următoarele cerințe:

Stabil în condiții normale de depozitare și manipulare.

Condiții de depozitare, manipulare, transport și protecția mediului:

Rezervoarele se vor închide etanș.

Evitați formarea prafului.

Temperatura de depozitare: fără restricții.

Se va evita deteriorarea ambalajelor și împrăștierea produsului în spațiul de depozitare.

Trebuie asigurată o bună aerisire/aspirare la locul de muncă.

Etichetarea se face cu etichete conforme CE cu pictograme Xi( iritant )

Transportul se face cu mijloace de transport acoperite, conform reglementărilor în vigoare.

RID/AD : nu este clasificat ca produs periculos, nu necesită condiții speciale de transport.

Produsul nu se va deversa în sistemul de canalizare, cursuri de apă sau pe sol.

Produsul ambalat și depozitat în condiții corespunzătoare are termen de garanție 12 de luni.

3.2. Variante tehnologice de obțínere a produsului finit:

3.2.1. Obținerea acidului citric prin sinteză chimică:

Una din sintezele chimice pornește de la dicloracetonă care reacționează cu acid cianhidric și cianhidrina rezultată este saponificată în hidroxiacidul halogenat. În final acesta este condensat cu cianură de potasiu.

FLUXUL TEHNOLOGIC DE OBȚINERE A ACIDULUI CITRIC PRIN SINTEZĂ CHIMICĂ:

3.2.2. Obținerea acidului citric prin extracție din sucul de lămâie:

Sucul de lamiae este supus fermentației în scopul îndepărtării zaharurilor, pectinei și a proteinelor. După această etapă, filtratul obținut se concentrează până se ajunge la o densitate de 1,24 g/ml. Se tratează apoi cu hidroxid de calciu, iar la încălzire, precipită citratul de calciu. Acesta se filtrează, se spală cu apă, apoi se tratează cu acid sulfuric. Soluția se concentrează și astfel cristalizează acidul citric. Această metodă nu este eficientă, necesitând cantități foarte mari de materie primă.

FLUXUL TEHNOLOGIC DE OBȚINERE A ACIDULUI CITRIC PRIN EXTRACȚIE DIN SUCUL DE LĂMÂIE:

3.2.3. Obținerea acidului citric prin biosinteză:

Metodele de sinteză chimică nu sunt eficiente, sunt scumpe și necesită etape complicate, materii prime scumpe, etape de purificare.

Obținerea, pe cale naturală, din fructe, din citrice, are o productivitate foarte scăzută.

S-au pus la punct, în acest context, metode de biosinteză bazate pe culturi ale diverșilor mucegaiuri, precum Aspergillus niger, Aspergillus clavatus, Aspergillus ventii, Penicillium citrinum.

După testarea și cercetarea mai multor variante, la nivel industrial s-a aplicat doar obținerea pe baza culturilor de Aspergillus niger, iar dintre mediile de cultură cel mai potrivit și economic s-a dovedit a fi cel pe bază de melasă.

FLUXUL TEHNOLOGIC DE BAZĂ PENTRU OBȚINEREA ACIDULUI CITRIC PRIN BIOSINTEZĂ:

Ca materie primă se folosesc melasa, zahărul invertit sau zaharoza.

Reacția globală este o reactive de oxidare:

C6H12O6 + 3/2 O2 = C6H8O7 . 2H2O

Caracteristica procesului de fermentație pentru producerea acidului citric prin utilizarea tulpinilor de Aspergillus niger este limitarea concentrației de mangan și fier pentru a împiedica creșterea vegetativă peste un anumit punct. Succesul unei asemenea fermentații depinde de reglarea și funcționarea căii glicolitice și a ciclului acizilor tricarboxilici.

Producerea acidului citric se realizează în mod similar cu orice metabolit secundar: în faza fermentației, o parte a substratului glucidic este utilizată pentru producerea de miceliu fungic iar o alta este convertită la CO2 în cursul procesului respirator. În timpul idiofazei, restul substratului glucidic determină creșterea activității citrat sintetazei și scăderea activității aconitazei și a izocitrat dehidrogenazei, ceea ce conduce la acumularea și excreția de acid citric de către microorganismul aflat în condiții de stress. Din punct de vedere istoric, producerea acidului citric prin proces submers reprezintă primul exemplu de fermentație industrială aerobă.

După modul de decurgere a procesului tehnologic, procesul de fermentație a acidului citric are două tipuri de procese: cultivarea în suprafață sau cultivarea în profunzime.

Fiecare din aceste două metode are anumite caracteristici, avantaje și dezavantaje:

Cultivarea în suprafață:

În această metodă se face inocularea sporulată a unei tulpini de Aspergillus niger timp de 7-10 zile, cu un randament foarte variabil, de la 60 la 90%.

Culturile de suprafață:

au fost primele sisteme de fermentație folosite

mediul de cultură este solid, semisolid sau este reprezentat de starturi lichide aflate în repaus

în sisteme omogene – compoziția mediului de fermentație este uniformă în orice colț al bioreactorului, în orice moment

în sisteme heterogene – gradiente de celule sau substrat; microorganismele sunt expuse la diferite conditii de mediu

sunt utilizate mai mult în laboratoar pentru întreținerea culturilor, decât industrial pentru biosinteză.

Procesul tehnologic decurge astfel:

Melasa este introdusă în reactor și se tratează cu ferocianură de potasiu la 40oC

În a doua etapă se sterilizează melasa, timp de 30 de minute, la 120oC

Urmează răcirea melasei la 45oC

După răcire se adaugă fosfatul de potasiu, sulfatul de zinc, sulfatul de magneziu, sub formă de soluții sterile.

Melasa astfel tratată devine mediul de cultură,

Mediul de cultură se introduce în camera de fermentație sterilă. Această camera este proiectată sub forma unui dulap-uscător dulap în care, pe rafturi, se montează tăvi cu înălțimea de 20 cm. În aceste tăvi se pune mediul de cultură până la o adâncime de 10-15 cm.

Camera de fermentație este, ulterior sterilizată cu aer.

După introducerea mediului de cultură se sterilizează încă o data cu aer steril pentru 30 de minute.

Se face însămânțarea prin curentul de aer.

Timp de oră se oprește ventilația timp de o oră, pentru a permite sedimentarea inoculului.

După această oră se repornește ventilația cu aer steril.

După o perioadă de fermentație de 7-10 zile, se filtrează biomasa.

Soluția filtrate se prelucrează pentru a se separa acidul cristalin în forma cristalină.

Precipitarea se face cu carbonat de calciu pentru a neutraliza mediul și a forma citrat de calciu sub forma unui precipitat insolubil (aproximativ 74% acid citric), conform reacției chimice:

CaCO3 + Acid citric → CO2+ citrat de calciu

Citratul de calciu obținut se spală, este incalzit și filtrat pentru a se îndepărta contaminantii. Filtrele pot fi plasate inainte de prima reactie cu carbonatul de calciu sau intre două reactii de precipitare. Alegerea filtrului se face după natura contaminantului indepartat. Vor fi îndepărtate întâi contaminanții cu dimensiuni mari, și apoi și contaminanții mici.

Citratul de calciu se tratează apoi cu acid sulfuric și se obține acid sulfuric cristalizat (precipitat).

Această metodă de obținere are următoarele avantaje:

Număr mic de operații tehnologice

Consum energetic minim

Instalație tehnologică simplă

Dezavantajele acestui procedeu sunt:

Productivitatea mică

Dificultăți în păstrarea condițiilor aseptice (se pot contamina cu specii precum Penicillium, Aspergillus și bacterii lactice.)

Cultivarea submersă are o tehnologie simplă, cu un randament mare, durată mai scurtă a procesului, iar condițiile aseptice ssunt mai bune.

Se face inocul vegetativ – pellets (200-280 x 103 /l pellets), într-un process care durează 6 zileiar randamentul este maxim, de 100% acid citric.

Procesul tehnologic are căteva caracteristici specifice:

Se folosesc fermentatoare cilindrice, verticale, dotate cu agitator, serpentină, barbotor de aer și cu dispozitive de reglare.

Cultivarea microorganismelor se face în aceste fermentatoare de otel, în care mediul este supus unei aerații și agitări continue

Procesul de fermentație se face la pH 3-4,5, la un debit de aer de 1 litru de aer pe minut pentru 1 litru de mediu.

După finalizarea procesului de fermentație se filtrează miceliul.

Soluția obținută se tratează chimic pentru separarea acidului citric.

Miceliul rămas, se usucă și se folosește pentru hrănirea păsărilor.

80% din producția mondială se obține prin procedeul de fermentație în profunzime.

Avantanjele acestei metode:

Productivitate mare

Investiție redusă

Riscuri mici de contaminare

flexibilitate ridicată,

conversia substratului ridicată,

volum bioreactor relativ mare,

se obțin culturi omogene, randamente ridicate, puritatea produsului, ca și activitatea biologică ridicate.

Dezavantajele:

Instalații tehnologice sofisticate

Necesită un control mai riguros al procesului

3.3. Alegerea variantei tehnologice optime

Analizând avantajele și dezavantajele metodelor prezentate am exclus sinteza chimică datorită implicării unor substanțe foarte toxice precum 1,3 dicloracetona, acidul cianhidric și cianura de potasiu. De asemenea am exclus și metoda de extracție din sucul de lamiae datorită eficienței sale reduse.

Ne-am oprit la metodele de obținere prin biosinteză care se bazează pe obținerea din materii prime ieftine, precum melasa și implică foarte puține substanțe chimice.

Am ales a doua varinată, cea a fermentației în profunzime cu microorganismul Aspergillus niger deoarece randamentul acestei metode este ridicat, de 90-100%, operațiile care sunt realizate sunt puține, și simple astfel încât scade mult pericolul contaminării mediului de cultură, consumul energetic este mai scăzut. De asemeni productivitatea este mare, metoda are un grad ridicat de flexibilitate, investiția este redusă, volumul bioreactorului este relative mare, permițând obținerea de șarje mari.

Capitolul 4. Descrierea procesului tehnologic adoptat

4.1. Schema tehnologică și descrierea etapelor procesului tehnologic ales

Tehnologia de obținere a acidului citric are la bază 5 operații tehnologice:

Pregătirea mediului de cultură

Fermentația microbiologică a zaharurilor din material primă

Filtrarea soluțiilor obținute din fermentație

Separarea acidului citric prin reacții de precipitare

Purificarea acidului citric obținut

Descrierea etapelor din procesul tehnologic:

Pregătirea mediului de cultură

Această etapă este foarte importantă în tehnologia de obținere a acidului citric, calitatea mediului de cultură influențând eficiența și productivitatea procesului. Drept materie primă se folosește melasa rezultată din industria de fabricare a zahărului. Aceasta conține o cantitate mare de fier, care este un inhibitor al dezvoltării celulare a microorganismelor de Aspergillus și al procesului metabolic de obținere a acidului citric. Pentru eliminarea acestui factor inhibitor, melasa se tratează cu diverși agenți chimici, schimbători de ioni sau absorbanți. Cele mai bune rezultate s-au obținut cu ferocianura de potasiu cu ajutorul căreia atât fierul cât și alte metale grele sunt precipitate.

În acest scop se încălzețte melasa la 40oC, se adjustează pH-ul la 7,0, se adaugă ferocianura de potasiu și apoi se fierbe amestecul timp de 45 de minute.

În următoarea fază, melasa se răcește, se determină concentrația de zahăr și se diluează la o concentrație de 15% zahăr.

Dezvoltarea celulară a microorganismelor folosite pentru fermentație și reacția de producer a acidului citric sunt stimulate de prezența în mediul de cultură a surselor de azot, microelemente și sulf. Pentru a avea surse de azot se adauugă extract de porumb. Microelementele adăugate, sub formă de săruri, trebuie să fie de cadmiu, cupru, zinc, magneziu și cadmiu.

Sterilizarea

Sterilizarea are ca scop distrugerea și îndepărtarea totală atât a microorganismelor patogene cât și a celor apatogene, din melasă, aer, suprafețele de lucru, reactoare etc.

Sterilizarea se poate realiza prin mai multe metode:

b.1. Metode termice:

Cu aer cald, la temperatură de 140-200oC

Cu vapori de apă sub presiune, la temperatură de 120-140oC

Prin încălzire repetată, la temperatură de 70-100oC

b.2. Metode fizice:

Filtrare prin materiale filtrante poroase

Filtrare prin materiale filtrante fibroase

Filtrare prin membrane

Folosirea de radiații de tip IR, UV, raze X, beta, gamma etc

b.3. Metode chimice:

Folosirea de agenți chimici precum formaldehida, ozonul, oxidul de etilenă, fenolul etc

b.4. Metode de preparare a mediului de cultură pe cale aseptică.

În practică mediul de cultură se sterilizează prin metodele termice. Acestea au ca dezavantaj reacțiile de degradare care au loc la aceste temperaturi ridicate. Un exemplu de instalație de sterilizare a mediului de cultură la 120-125oC este prezentat în figura 2.

Acesta este alcătuit dintr-o coloană de sterilizare (1), un vas de menținere a temperaturii (2) și un sistem de răcire (3). Coloana de sterilizare este formată din două țevi concentrice. Mediul de cultură circulă în spațiul dintre cele două țevi, iar prin țeava interioară circulă aburul.

Fig. 2: Instalația de sterilizare a mediului de cultură la 120 – 125 ºC .

Aburul este barbotat sub presiunea de 5 atmosfere prin fantele practicate pe țeava interioară. Mediul staționează 5-6 secunde în coloana de sterilizare, apoi este transferat în vasul de menținere unde va staționa circa 20 de minute pentru finalizarea procesului de sterilizare. După această etapă, el trece în schimbătorul de căldură, unde va fi răcit până la 40oC. De acici va trece în vasul de fermentație.

Sterilizarea aerului

Acest proces se poate realiza prin procedee termice sau fizice, prin filtrare. În industrie se preferă aplicarea filtrării aerului prin diferite materiale filtrante:

Filtre cu membrană, cu nitrat de celuloză

Fibre de sticlă cu diametru de 5-18 μ

Flitru din teflon, cu caracter hidrofob și având rezistență termică ridicată (300oC). Se pot folosi folii de teflon sau teflon amestecat cu polietilenă.

Filtre din poliamidă care este hidrofobă, elastică, dură și rezistentă termic.

Filtrele fibra de sticlă sunt unele din cele mai înalte mijloace de filtrare existente și sunt utilizate în cercetare și în aplicațiile industriale.  Dacă fibra este din sticlă borosilicat cresc mult rezistența chimică, rezistența la pH și inerția biologică. Rezistenta termică poate ajunge și până la 1000°C prin întărirea fibrei în interiorul benzii de alumină.

Cele mai folosite filtre folosite pentru sterilizarea aerului sunt:

Filtrele cu fibre de sticlă (figura 3)

Filtrele cu membrane

Filtrele de tip lumânare

Filtrul cu fibre de sticlă din figura 3 este format dintr-un material filtrant fixat între două site. Sitele sunt susținute de două plăci perforate. Filtrul are o manta de încălzire datorită căreia se usucă materialul filtrant care a fost sterilizat cu abur direct. Are ca avantaje debitul mare de aer sterilizat, un grad mare de purificare și o durată mare a funcționării.

Ca dezavantaje pot fi amintite operațiile complicate și îndelungate necesare la schimbarea fibrelor de sticlă, și, în caz de umezire a materialului fibros, se pierde efectul de sterilizare.

Figura 3.Filtru cu fibre de sticla pentru sterilizarea aerului: 1 – placă perforată, 2 – plasă de sârmă, 3 – garnitură de cauciuc, 4 – material filtrant, 5 – ramă

Fitrele fibre disc cu membrană, numite și fibre absolute sau milipori, au membrane microporoase cu dimensiuni de 0,2 μ. Aburul se introduce direct pe direcția fluxului de aer. Este indicată folosirea membranelor din materiale hidrofobe, pentru ca umiditatea aerului să nu boicoteze procesul de filtrare. (figura 4).

Figura 3. Filtru disc cu membrane

1 – sita-suport, 2 – membrană, 3 – carcasă

Din păcate, aceste filtre au o productivitate redusă ți o durată scurtă de viață a membranei.

Pentru sterilizarea aerului se mai pot folosi și filtre tip lumânare, care includ în carcasă unul sau mai multe elemente de filtrare. Filtrarea se poate realiza printr-o membrană sau prin trei straturi de fibre care sunt înfășurate în jurul unei țevi poroase. (figura 4). Sterilizarea se face cu abur direct. Au ca avantaj durata mare de funcționare, circa 200 de sterlizări termice, circa 4 ani.

Figura 4. Filtru lumânare pentru sterilizarea aerului

 1 – carcasă; 2 – membrană; 3 – ventil de aerisire; 4 – garnituri de etanșare

Fermentația

Fermentația este procesul de creșterea a microorganismelor pe mediile de cultură cu obținerea de diverși produși chimici și biochimici. Acest proces cuprinde trei etape:

Fermentația în inoculator care durează între 16 și 20 de ore.

Fermentația în intermediar care durează de la 12 până la 16 ore.

Fermentația în regim care are loc în fermentatorul de regim și se respectă aceleași condiții ca la inoculator și intermediar.

Primele două etape se consideră încheiate atunci când concentrația de zahăr a scăzut cu circa 50% din valoarea inițială. În timpul fermentației se administrează un litru de aer pe minut, la temperature de 29-32oC.

Cantitatea de ferocianură adăugată în mediul de cultură pentru îndepărtarea fierului și a metalelor grele, influențează randamentul procesului de fermentație. Astfel, până la o concentrație de 50-60 mg% de ferocianură, randamentul fermentației crește, dar după această valoare, randamentul scade datorită procesului de inhibare a dezvoltării microorganismelor și a producerii acidului citric.

Procesul de fermentație este influențat și de conținutul de fosfor care intervine în procesul de creștere a masei celulare și în cel de utilizare a zahărului. Concentrația optima este de 25-30mg%. Deoarece melasă conține circa 3-20 mg% de fosfor, se mai adaugă fosfor monopotasic sau acid fosforic pentru a ajunge la concentrația optimă.

Alte substanțe foarte importante și necesare în procesul de fermentație sunt azotul, sulful și microelementele. Azotul se adaugă sub formă de extract de porumb, iar microelementele sub formă de săruri.

PH-ul procesului de fermentație se menține între 3 și 4,5. Temperatura este reglată în funcție de stadiul de dezvoltare în care se află microorganismele. Astfel, însămânțarea se face la 36-42oC, apoi se coboară temperatura la 34-36oc, o menține timp de 24-36 de ore, pe durata dezvoltării masei microbiene, apou scade la 30-32oC pe durata formării acidului citric.

S-a studiat dinamica procesului de biosinteză și s-a constatat că acidul citric începe să se acumuleze după 25-30 de ore de fermentație, iar în a 5-a zi și în a 6-a, junge la valori de 105-106 g/m3/h. Consumul de zahăr corespunde acestui process, astfel în perioada de creștere celulară se consumă circa 10-15% din zahăr, și în cea de acumulare a acidului citric se consumă circa 50% din cantitatea de zahăr din mediu de cultură. Concentrația optima de zahăr în mediu de cultură este de circa 15%, din acesta obținându-se 10-12% acizi organici, cu un procent de 80-95% de acid citric.

În acest proces tehnologic, fermentația se realizează prin fermentație în profunzime/ Se folosesc fermentatoare cilindrice, vertical echipate cu agitator, serpentine, barbotor de aer și cu dispositive de reglare.

Durata procesului de fermentație este de circa 6-7 zile.

Filtrarea

După încheierea procesului de fermentație se trece la filtrarea biomasei rezultate pentru a obține produsul util. În cadrul acestui proces se va ține cont de volumele ridicate de mediu care trebuie filtrate și de prezența microorganismelor care pot înfunda porii materialului filtrant. Se va ține seama de acești factori în procesul de alegere a celui mai potrivit filtru.

Operația de filtrare a mediilor de biosinteză este facilitată prin utilizarea adjuvanților de filtrare care formează în cursul operației straturi microporoase micșorînd diametrul aparent al porilor și implicit mărind eficiența de colectare prin reținerea unor particule de diametru mai scăzut. Utilizarea lor industrială conduce la mărirea vitezei de filtrare și reducerea consumurilor de materiale. O variantă a operației de filtrare mult utilizată în biotehnologie este filtrarea sterilizantă. La prelucrarea suspensiilor se execută întâi o prefiltrare grosieră, urmată de filtrarea sterilizantă propriu zisă. Pentru filtrarea sterilizantă se montează în filtru plăcile (din acetat de celuloză, azbest sau polimeri sintetici) cu diametru redus al porilor, executând apoi în mod normal operația de filtrare.

După filtrare, soluția obținută este prelucrată pentru a separa acidul citric în forma cristalizată. Această operație are la bază proprietatea citratului de calciu de a nu se dizolva în apă.

Precipitarea și neutralizarea

Obținerea citratului de calciu se face prin adăugarea clorurii de calciu CaCl2 în soluția filtrate, apoi se încălzește la 100oC și se adjustează la pH 6,8-7 cu hidroxid de calciu. Astfel se obțin sărurile de calciu ale acizilor organici rezultați în urma fermentației: acid citric, malic, succinic.

Filtrarea și acidularea

Precipitatul format în etapa precedentă se filtrează, se spală cu apă fierbinte, la 95oC, se tratează cu acid sulfuric și astfel se obține acidul citric.

Decolorare și filtrare

Pentru decolorare se folosește cărbunele activ, apoi se filtrează, iar soluția obținută se tratează cu ferocianură de potasiu pentru a se îndepărta fierul și alte metale grele. Soluția obținută are circa 20-25% acid citric care se concentrează prin evaporare la vid, la 70oC. După ce densitatea soluției a ajuns la 1m35-1,36 g/cm3, se trece la următoarea etapă, cristalizarea.

Cristalizarea și filtrarea

Se răcește soluția la 37oC, cu o viteză de 20 de grade pe oră, apoi de la 37oC cu o viteză de 10 grade pe oră, de la 27oC la 20oC cu o viteză de 5 grade pe oră, iar de la 20oc la 8oC cu o viteză de 3 grade pe oră. În acest fel cristalizează acidul citric, care este filtrat la centrifugă.

Uscarea

Uscarea acidul citric obținut se face continuu sau discontinuu la 60-70oC. Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ºC nu pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50%. Dacă însă umiditatea aerului crește la 90% atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului, trecând în soluție. Acidul citric anhidru se poate obține numai prin uscare cu aer a cărui umiditate trebuie să fie sub 50%.

4.2. Materii prime și materiale auxiliare

4.2.1. Caracterizare fizico-chimică și tehnologică

Microorganismele

Mucegaiurile sunt microorganisme filamentoase saprofite care cresc pe substanțe intrate în putrefacție și nu provoacă boli sau parazite, care produc diverse boli. Reproducerea are loc pe cale asexuată, fără participarea unor gamete de sexe diferite, sau sexuat, cu participarea unor gamete de sexe diferite.

Aceste microorganism se adaptează ușor la condițiile nefavorabile de mediu, cum ar fi aciditate ridicată, presiune osmotică mare, uscăciune. Structural or celulară este de tip eucariot.

În procesul de biosinteză a acidului citric se folosesc mucegaiuri din genul Aspergillus. Aceștia prezintă conidiofori drepți, neramificați care poartă capul conidial alcătuit dintr-o veziculă pe care se dezvoltă celulele conidiogene, respectiv fialide, generatoare de lanțuri lungi de fialospori. Fialidele se pot dezvolta pe toată suprafața veziculei sau numai pe partea superioară, fie într-un singur strat – fialide primare, fie în două straturi suprapuse – fialide primare sub forma unor celule lungi și groase și fialide secundare, mai scute și subțiri. Conidiofori au formă rotundă, elipsoidală sau ovală.Ei formează lanțuri lungi care se pot interconecta prin intermediul unor punți citoplasmatice. Capul conidial are formă sferică când fialidele cresc pe toată suprafața fertilă a vezicule sau formă columnară atunci când vezicula este fertilă numai pe partea superioară, și poate fi observa macroscopic la unele specii. Aspergilșus niger, formează colonii radiale de culoare brun-negru. Prezintă conidiofor cu cap conidial sferic și două rânduri de fialide dispuse pe toată suprafața veziculei. Tulpinile selecționate sunt folosite pentru obținerea de enzime (amilaze, proteaze, glucozoxidaze, invertaze) sau acizi organici (acidul citric, acidul lactic).

Prin activitățile lor metabolice și posibilitățile de a transforma cu ușurință o gamă mare de substanțe, mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați în industria alimentară, fiind factorii principali în obținerea unor brânzeturi, producerea unor antibiotice, dar și în obținerea acidului citric.

Melasa

Melasa este produsul secundar rezultat în timpul procesului de fabricare a zahărului din trestie ți sfeclă de zahăr. Este un sirop din care nu se mai poate separa zaharoza prin procesele tehnologice de cristalizare și centrifugare. Se prezintă ca un lichid vâscos de culoare brună închis cu gust characteristic. Densitatea acestuia variază în funcție de conținutul în substanță uscată, fiind de 1390 kg/m3, la 77% s.u. și de 1420 kg/m3, la 84% s.u. Vâscozitatea este cuprinsă între 13Cp si 19 Cp, iar căldura specifică este de 0,5 kcal/kg·K.

Compozitia chimica a melasei din sfecla de zahăr:

–        apă = 20-25 %;

–        substanță uscată = 75-80 %;

–        zahăr total = 44-52 %;

–        zahăr invertit = 0,1-0,5 %;

–        rafinoză = 0,6-1,8 %;

–        azot total = 1,2-2,4 %;

–        substanțe minerale = 7,6-12,3;

–        pH = 6-8,6.

Extractul de porumb

În timpul procesului de fabricare a amidonului din porumb, în timpul înmuierii preliminare a boabelor, se obține un subprodus, extractul de porumb. Acesta este un mediu de cultură nutritive folosit mult în procesele de biosinteză. Are aspectul unui lichid cremos de culoare galben închis, cu un pH de 3,4-4.

Compoziția chimică a extractului de porumb:

Substanța uscată: minim 50%;

pH = 3.5-4;

conținutul în acid lactic : minim 20g la 100g substanță uscată;

zahăr total maxim 2.5%.

4.2.2. Condiții de calitate, depozitare, transport

Melasa

Depozitare: Melasa se depozitează în rezervoare metalice, prevăzute cu serpentine de abur pentru încâlzire și robinete, dispuse în spirală la distanțe de 20 cm pe înălțime și de 1 m pe lățime. Rezervoarele în care se depozitează trebuie să fie curate, fără mirosuri străine (de produse petroliere, de substanțe chimice, de rânced, etc.)

Transport: Melasa se transportă în cisterne, cu capacitate de 5 tone (cisterne auto) sau de 50 tone (cisterne C.F.) Cisternele folosite la transportul melasei trebuie să fie curate, fără mirosuri străine (de produse petroliere, de substanțe chimice, de rânced, etc.).

Ambalare: Ambalajele de transport (cisternele) vor fi marcate cu următoarele specificații:

denumirea întreprinderii poducătoare sau a furnizorului;

denumirea produsului și calitatea;

masa netă;

destinația.

Documente: Fiecare lot se însoțește de documentul de certificare a calității, care trebuie să conțină următoarele specificații:

denumirea întreprinderii producătoare sau a furnizorului;

denumirea produsului și calitatea ;

anul și luna fabricației;

data expedierii, numărul lotului, numărul buletinului de analiză;

proveniența melasei.

CONFORM STAS 12846-90

Calitatea melasei se verifică prin următoarele determinări:

Zaharoza se determină prin:

metoda polarimetrică;

metoda prin inversie chimică.

Metoda polarimetrică (STAS 12871-90):

Substanțele optic active din probă rotesc planul luminii polarizate care trece prin soluția probei de analizat, proporțional cu concentrația în zaharoza a acesteia.

Mod de lucru

Etalonarea polarimetrului: Polarimetrul trebuie sa fie asezat intr-un loc intunecat.

Verificarea punctului zero: Verificarea se efectuează fără a se introduce tubul polarimetric în aparat. În cazul În care egalitatea luminozității camurilor nu coincide cu punctul zero de pe scara aparatului, acesta se reglează cu ajutorul dispozitivului de reglare a aparatului.

Verificarea tubului: Prin introducerea tubului polarimetric cu apă în aparatul reglat la zero, nu trebuie să se modifice citirea la aparat

Verificarea unui punct determinat de pe scara polarimetrului: Verificarea se face cu ajutorul punctului de control. Placa de cuarț din tubul de control rotește planul luminii polarizate, direct proporțional cu grosimea sa. Prin introducerea tubului de control în aparat, rotirea planului luminii polarizate trebuie să corespundă cu valoarea înscrisă pe tub, în grade de zaharoză. Se recomandă folosirea unei plăci de cuarț a cărei valoarea în grade zaharoza este apropiată de activitatea optică a probei, exprimată în grade de zaharoză. În cursul etalonării, temparatura plăcii de cuarț trebuie să fie egală cu temperatura polarimetrului (a mediului ambiant). Abaterea dintre indicațiile aparatului și cele ale tubului de control, în cazul în care punctul zero a fost verificat, reprezintă eroarea aparatului, cu care se corectează valoarea citită la determinarea probei.

Calculul si exprimarea rezultatului.

Valoarea citită pe scara polarimetrului în grade de zaharoză inmulțită cu doi reprezintă conținutul de zaharoză din proba de analizat, în procente.

Ca rezultat se ia media aritmetică a celor două determinări, dacă sunt îndeplinite condițiile de repetabilitate (diferența între rezultatele a două determinări paralele, efectuate de același operator, în cadrul aceluiași laborator, din aceeași probă, trebuie să nu depășească 0,1 % în valoare absolută)

Acidul sulfuric

Ambalare: până la stabilirea ambalajelor și materialelor de ambalare pentru acidul sulfuric tehnic, prin normativul de ambalare pe produse și grupe de produse consumului intern, aprobat de organul central coordonator, acesta se livrează în cistene de oțel, butoaie de oțel, și baloane de sticlă, curate și uscate, sau alte ambalaje convenite între părți cu condiția menținerii integrității produsului.

Butoaiele de otel vor fi prevăzute cu dopuri din oțel, filetate, cu garnituri de azbest și vor fi plumbuite. Buloanele de sticlă vor fi prevazute cu dopuri etanșate cu ipsos. Buloanele de sticlă vor fi protejate cu un strat de vată minerală și introduse în cosuri metalice, prevăzute cu capace de protecție și mânere.

Manipularea, depozitarea și transportul acidului sulfuric tehnic se fac cu respectarea normelor de tehnică a securității muncii, referitoare la produsele corosive. Se interzice transportul altor produse (inclusiv acid sulfuric rezidual) în cisternele destinate transportului de acid sulfuric. Fiecare lot de livrare va fi însotit de documentul de certificare a calității, întocmit conform dispozițiilor legale în vigoare.

Marcarea ambalajelor se face prin șablonare sau etichetare cu următoarele specificații:

marca de fabrică a întreprinderii producătoare

denumirea produsului, tipul, masa brută, țara, numărul lotului

viza organului de control tehnic al calității

semnul avertizor pentru produse corosive.

Conform STAS 97 – 80, după conținutul de acid sulfuric monohidrat, acidul sulfuric se livrează în patru tipuri:

– tip 98;

– tip 96;

– tip 92;

– tip 73.

Condiții tehnice de calitate privind acidul sulfuric (STAS 97-74):

Acidul citric

Manipulare și depozitare:

nu se depozitează împreună cu oxidanți, baze puternice, amine, carbonați, și metale alcaline

se protejează împotriva loviturilor și distrugerii. În zona în care sunt depozitate este interzis fumatul

se depozitează în locuri uscate, și se ține în containere sigilate, pentru a se preveni contaminarea și evaporarea.

se minimalizează vaporii generat de aceasta, și acumulările de vapori. Se evită inhalarea de vapori sau gaz. Se evită contactul cu ochi și pielea. Se depozitează într-un loc răcoros și uscat, în containăre închise ermetic.

Transport acidului citric:

este un lichid foarte inflamabil, foarte corosiv.

mărimea produsului sub forma care se transportă: 4 L

4.3. Procese tehnologice componente (P.T.C.)

4.3.1. Mecanismul procesului biochimic

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul de Aspergillus niger este reprezentat de ciclul Krebs.

Prezența în biomasă a acidului aconitic, succinic, malic și fumaric demonstrează că acidul citric se formează ca rezultat al reacțiilor ciclului acizilor di- și tri-carboxilixi. De asemenea, au loc și reacții secundare de condensare a acizilor cu 2 și 4 atomi de carbon care pot conduce la acid citric.

În procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger în vederea obținerii acidului citric, se folosesc medii de cultură pe bază de melasă, la care se adaugă săruri minerale, surse de azot și stimulatori de biosinteză. Procesul de biosinteză este determinat de compoziția mediului de cultură, pH, aerație, temperatură și timp.

Reacțiile ciclului Krebs

Ciclul Krebs comportă 8 reacții:

– una de condensare

– 2 de decarboxilare

– 4 de oxidare

– 1 de fosforilare

1. Citrat sintetaza catalizează condensarea acetil-CoA cu oxalacetatul pentru a da naștere citratului. Reacția este ireversibilă.

2. Aconitaza izomerizează citratul (alcool terțiar greu de oxidat) în izocitrat (alcool secundar ușor de oxidat). Această reacție decurge în două etape: o deshidratare cu formarea de cis-aconitat și apoi rehidratarea cu formarea izocitratului. Reacția are loc în prezența ionilor de fier. Reacția este reversibilă.

3. izocitrat dehidrogenaza oxidează izocitratul la α-cetoglutarat pe baza reacției de reducere a NAD+ în NADH. Se elimină primul mol de CO2. Reacția are loc în prezența ionilor de Mg2+ sau Mn2+. Reacția este ireversibilă.

4. Complexul multienzimatic α-cetoglutarat dehidrogenaza catalizează decarboxilarea oxidativă a α-cetoglutaratului până la succinil-CoA. Această reacție necesită prezența mai multor co-enzime: TPP – tiamin-piro-fosfatul, acidul lipoic, CoASH, FAD, NAD+ și a ionilor de Mg2+. Are loc reducerea NAD+ la NADH și eliminarea celui de-al doilea mol de CO2. Reacția este ireversibilă.

5. Succinil-CoA sintetaza transformă succinil-CoA în succinat. Energia liberă este conservată prin formarea de GTP. GTP poate fi transformat în ATP conform reacției: GTP + ADP → GDP + ATP. Reacția este reversibilă.

6. Succinat dehidrogenaza catalizează oxidarea succinatului la fumarat cu reducerea FAD la FADH2. Reacția este reversibilă

7. Fumaraza catalizează adiția apei la dubla-legătură; se formează malatul. Reacția este reversibilă.

8. Malat dehidrogenaza tranformă malatul în oxalacetat printr-o reacție de oxidare cuplată cu reducerea NAD+ în NADH. Reacția este reversibilă. Deși reacția este puternic endergonică, ea se desfășoară totuși preferențial spre dreapta, deoarece reacția puternic exergonică a citrat-sintetazei menține nivelele intramitocondriale de oxalacetat la valori extrem de joase ( sub 10-6M).

Reacția generală a ciclului Krebs este:

Acetil-CoA + 3 NAD+ +FAD + GDP + fosfat + 2 H2O →

2 CO2 + CoA + 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP

Intermediarii NADH și FADH2 consțituie substraturi pentru lanțul respirator mitocondrial.

Bilanțul energetic al ciclului Krebs

Prin fiecare parcurgere a ciclului Krebs are loc degradarea unui mol de acetil-CoA și eliberarea a doi moli de CO2.

Substanțele macroergice formate sunt:

Un mol de GTP

3 echivalenți reducători NADH + H+ care în urma lanțului respirator mitocondrial dau naștere la 9 moli de ATP

1 echivalent reducător FADH2 care generează 2 moli de ATP în urma parcurgerii lanțului respirator mitocondrial.

Oxidarea completă a unui mol de acetil-CoA formează 12 moli de ATP.

Din punct de vedere al randamentului energetic, ciclul Krebs este foarte eficient deoarece aproximativ 90% din energia chimică a acetil-CoA (228 kcal/mol) se regăsește sub formă de GTP și a coenzimelor reduse (care pot elibera 206 kcal/mol).

4.3.2. Elemente de termodinamică și cinetică

Creșterea bacteriilor presupune presupune o succesiune de fenomene biochimice și biologice prin care celula individuală crește, se dezvoltă, după care se divide în alte două bacterii care reiau același ciclu.

Mediul de cultură, datorită compoziției, temperaturii, concentrației de substrat, afectează în mod direct creșterea microorganismelor și producția de substanțe utile.

Pentru a putea controla procesul de fermentație se impune urmărirea ciclului de creștere prin determinarea numărului de microorganisme și a acumulării acestora în timp. Curba de creștere a microorganismelor cuprinde mai multe faze corespunzătoare diferitelor viteze de creștere din ciclu (Figura 5):

Faza de inoculare sau de adaptare la mediu, de la a la b

Faza creșterii logaritmice a numărului de microorganisme, de la b la c

Faza creșterii încetinite, de la c la d

Faza de descreștere a numărului de microorganisme, de la d la e

După Monod, curba de creștere cuprinde fazele:

faza lag sau faza creșterii staționare (1),

faza de creștere accelerată (2),

faza de creștere logaritmică sau faza exponentială (3),

faza de retardare (4), faza stationară (5),

faza distrucției accelerate a microorganismelor (6)

faza distrucției logaritmice.

Fig. 5. Curba de creștere a microorganismelor

Mecanismul reacțiilor enzimatice, procesele metabolice și viteza de transformare a substratului în produsul utile se face prin metoda cinetică. Enzimele sunt catalizatori ai proceselor biochimice având structurî proteică. Activitatea lor este influențată de pH, temperature, presiune osmotică, concentrația substratului, concentrațiile produșilor de reactie. Există substanțe care inhibă activitatea enzimatică, precum sulfamidele, antibioticele, coloranți, apă oxigenată etc.

Enzimele catalizează reacțiile în care sunt implicate substanțele numite substrate. Prin activitatea enzimatică substratul se transformă la temperature normal a materiei vii. În acest mod este furnizată energia necesară desfășurării procesului de biosinteză.

Cel mai important efect al acțiunii enzimatice este reducerea barierelor de potential ale reacțiilor de transformare a substratului care determină deplasarea echilibrului spre formarea de produs.

Michaelis și Menten au dezvoltat un model cinetic al vitezei de formare a produsului în funcție de concentrația substratului și a enzimei:

          vmax*[S]

V = ––––––

                         KM+[S]

în care: v este viteza de reacție la un moment dat

             vmax reprezintă viteza maximă de reacție, corespunzătoare concentrației mari de substrat, când enzima este saturată cu substrat

                        [S]   este concentrația substratului

                        kM   este constanta Michaelis-Menten, moli/1.

Reprezentarea grafică a ecuației Michaelis-Menten (Figura 6) reprezintă o hiperbolă, în care se observă o tranziție de la faza în care viteza de reacție este dependentă de concentrația substratului (reacția este de ordinul 1) la faza independentă de concentrația substratului (reacția este de ordinul zero), în care viteza de reacție este maximă iar enzima este saturată cu substrat. Concentrația substratului corespunzătoare la o viteză egală cu jumătate din viteza maximă este denumită kM sau constanta Michaelis-Menten. Aceasta se exprimă în moli/1 și indică afinitatea enzimei față de substrat: cu cât kM are o valoare mai mică, cu atât afinitatea enzimei pentru substrat este mai mare și invers, cu cât kM are o valoare mai mare cu atât afinitatea enzimei pentru substrat va fi mai mică.

Figura 6. Reprezentarea grafică a ecuației Michaelis-Menten

Determinarea constantei Km și a vitezei maxime V se face cu metoda Lineweaver-Burk care folosește inversul ecuației Michaelis-Menten:

            1 KM+[S]

–––––- = ––––––

                         V  vmax*[S

Prin reprezentarea grafică se obține diagrama Lineweaver-Burk(figura 7), din care se determină constantele V și Km în funcție de variația concentrației substratului și de valorile experimentale ale vitezei de formare a produsului.

Figura 7. Reprezentarea grafică a ecuației Lineweaver-Burk

Termodinamica

Procesul de fermentație este un sistem termodinamic deschis, sistem specific organismelor vii, care este caracterizat de schimb de energie și de materie cu mediul înconjurător. Sistemele deschise nu sunt în echilibru cu mediul lor. Ele se află într-o stare staționară în care viteza transferului de materie și energie din mediu în sistem este compensate total de viteza transferului de materie și energie din afara lui. În starea staționară, viteza de producere a entropiei are o valoare minima, iar sistemul operează cu maximum de eficiența în condițiile date.

Sinteza unor molecule mari, bogate în informații, formarea structurilor intracelulare, creșterea biomasei sunt puternice forțe antientropice. Organismele vii sunt obligate să se supună principiului al doilea al termodinamicii, și anume să producă entropie, și atunci au ales calea de a produce entropie cu viteza minimă, menținându-se astfel în stare staționară, stare în care reacțiile din celulele vii decurg cu o viteză foarte mare.

Microorganismele sunt caracterizate de o eficiență deosebită în prelucrarea energiei și materiei. Ele funcționează ca niște mașini izoterme care absorb energia din mediul lor pe care o transformă în energie chimică pe care o folosesc pentru realizarea funcției chimice de biosinteză a componentelor celulare, a funcției osmotice, necesară transportului în celulă, și a funcției mecanice, de contracție si locomoție, toate acestea la temperatură constantă.

Drept sursă de energie sunt folosiți hidrații de carbon, lipidele, alcoolii, proteinele. Aceste substanțe, prin combustie chimică, eliberează o cantitate mare de energie. O parte din această energie se elimină din sistem, iar o parte este inmagazinată de sistem în compuși organici macroenergetici, dintre care se remarcă acidul adenozintrifosforic (ATP), compus care asigură practic, rezerva energetică a celulei.

În ATP (Figura 8), legăturile dintre grupările fosfat adiacente sunt legături de tip anhidridă, notate cu ~. Legătura dintre acidul fosforic și riboza din AMP este o legătură esterică. Energia liberă standard de hidroliză a legăturilor tip anhidridă este mult mai mare comparativ cu cea a legăturilor esterice. ATP-ul este un rezervor de energie chimică, și, în același timp, un transmițător sau transportor de energie chimică în celulele vii. Transportând energia sa la alte molecule, acest compus pierde gruparea fosfat terminală, trecând în ADP, care , la rândul său, poate accepta energie chimică și reface ATP-ul, primind o grupare fosfat.

Figura 8. Structura ATP- ului

ATP-ul funcționează ciclic ca transportor de energie chimică de la reacțiile de ardere, care furnizează energie chimică, la diferitele procese celulare care necesită un consum energetic (Figura 9)

Figura 9.Ciclul ATP-ADP și modalitățile de utilizare a energiei eliberate de ATP.

Viteza de formare a ATP-ului în celule este determinată de viteza de utilizare a ATP-ului în cadrul unei stări staționare dinamice.

Cunoscându-se numărul de molecule de ATP sintetizate, funcție de cantitatea de hidrați de carbon consumată, se poate determina, suficient de exact, performanța procesului de biosinteză.

Calculul efectului termic total al procesului biochimic:

Q1=Vu ∙ RQ

unde,

Q1 – efectul termic al procesului biochimic

Vu – volumul util al lichidului de fermentație

RQ = viteza de degajare a căldurii

RQ = 5 ∙ 105 ∙ RO2

RO2 = 28 mmoli/l∙h

RQ = 5 ∙ 105 ∙ RO2= 5 ∙ 105 ∙ 28/3600=3888,889 W/m3

Q1 = Vu ∙ RQ = 45,743 ∙ 3888,889 = 177889,449 W

4.3.3. Bilanțul de materii prime și materiale:

Vom calcula bilanțul de materiale per unitatea de produs, respectiv o tonă de acid citric. Vom ține cont de următoarele randamente ale operațiilor tehnologice:

Materia prima folosita este melasa rezultata la fabricarea zaharului.

Conditii de fermentatie ce determina un randament  bun in acidul citric peste 60% sunt :

-melasă 3% cu concentratia de zahar – 15 % 

-compozitia mediului: 0,3% fosfat monopotasic, 4% extract de porumb, 0,1% CaCO3 , 0,1% ZnSO4, 0,3% MgSO4

-reactia mediului pHoptim = 1,6-2,2

-cantitatea de oxigen

-temperatura toptim = 8-32o C

-durata fermentatiei este 7 zile, în medie 168 ore

-raportul intre volumul si suprafata solutiei de fermentare este 1,22-1,83

Calcule preliminare:

Considerăm o șarjă de 1t=1000 kg

Durata unei șarje:

ts = tf + taux

ts – durata unei șarje

tf – durata fermentației

taux – timpi auxiliari 10-15 ore, mediu 12 ore

ts = 156 + 12 = 168 ore

Producția în fermentator:

Productivitatea microorganismului, P: P=50 kg/m3

Volumul util, Vu:

m3

Masa lichidului de fermentație, M:

M= ƍ ∙ Vu

ƍ – densitatea apei la temperatura din fermentator

30o C…………………….996 kg/m3

40o C………………..992 kg/m3

ƍ32oC ∙ (32-30) + 996=995,2 kg/ m3

atunci,

M= ƍ ∙ Vu=995,2 ∙ 45,743 = 45523, 4336 kg

Pregătirea mediului de cultură:

3% zahăr, melasă cu concentrația în zahăr 15% (20% melasă)

0,3% fosfat monopotasic

4% extract de porumb

0,1% CaCO3

0,1% ZnSO4

0,3% MgSO4

75,2% apă

Melasă:

100 kg Mdc (mediu de cultură)……………………3 kg zahăr

45523, 4336 kg…………………………………………….X

X=

100 kg melasă ……………………15 kg zahăr

y……………………………………..1365,703

y=

Melasa: 20% din masa mediului de cultură.

Extract de porumb:

100 kg Mdc (mediu de cultură)…………………… 4 kg extract de porumb

45523,4336…………………………………………………x1

X1=

Fosfat monopotasic:

100 kg Mdc (mediu de cultură)……………………0,3 kg KH2PO4

45523,4336 kg………………………………………….x2

X2= KH2PO4

Carbonat de calciu:

100 kg Mdc (mediu de cultură)……………………0,1 kg CaCO3

45523,4336 kg………………………………………….x3

X3= CaCO3

Sulfat de zinc:

100 kg Mdc (mediu de cultură)……………………0,1 kg ZnSO4

45523,4336 kg………………………………………….x3

X3= ZnSO4

Sulfat de magneziu:

100 kg Mdc (mediu de cultură)……………………0,3 kg MgSO4

45523,4336 kg………………………………………….x3

X3= MgSO4

Apă:

100 kg Mdc (mediu de cultură)……………………75,2 kg apă

45523,4336 kg………………………………………….z

z= apă

Pentru că în procesul de sterilizare se degradează o parte din componentele din mediul de cultură, aceștia se iau în exces cu 10%: melasa și extractul de porumb.

Melasa: 9104,6866 ∙ 1,1 = 10015,1552 kg/șarjă (22%)

Extract de porumb: 1820,9373 ∙ 1,1= 2003,031 kg/șarjă (4,4%)

Redeterminarea cantității de apă necesară:

100 kg Mdc (mediu de cultură)……………………72,8 kg apă

45523,4336 kg………………………………………….w

w= apă

Sterilizarea mediului de cultură:

Fermentație:

Necesarul de aer: 1 l aer/1l Mdc ∙ min

Avem Vu=45,743 m3

10-3 m3 Mdc……………………….10-3 m3 aer

45,743 m3 Mdc……………………x m3 aer

X = 45,743 m3 / șarjă aer

1 minut………………………………………………………….45,743 m3 aer

9360 minute (durata fermentației, 156 ore)……………………Vaer m3 aer

Vaer = 45,743 ∙ 9360=428154,48 m3/șarjă aer

ƍ aer =

ƍ aer = ƍ0∙ ∙=1,293 ∙ ∙=1,2731

Maer = 1,2731 ∙ 428154,48=545083,4684 kg/șarjă aer

Biomasa

Concentrația biomasei în process Cx = 20 g s.u. / l Mdc

Celule vii: 20% s.u., 80% apă

100 g cellule…………………………20 g s.u.

10-3 m3 Mdc…………………………….100 g cellule

45,743 m3 Mdc…………………………..Cx g cellule

Cx= 4574300 g cellule = 4573,3 kg cellule/șarjă biomasă

Apă evaporată:

1 kg aer…………………………………..0,01 kg apă

545083,4684 kg aer……………………….y kg/șarjă apă evaporată

Y = 5450,8346 kg/șarjă apă evaporate

Minocul=0,1 ∙ MMdc

Minocul = 4267,8256 kg/șarjă inocul

Mmediu = 0,9 ∙ MMdc

Mmediu = 38410,4307 kg/șarjă mediu

MLdf (masa lichidului de fermentație) = Minocul + Mmediu – Mapa evap – Mbiomasă

MLdf = 4267,8256 + 38410,4307 – 5450,8346 – 4573,3 = 32654,1217 kg/șarjă Ldf

Filtrare

Precipitatul reține 20% din lichidul de fermentație:

MPP = Mbiomasă + 0,2 ∙ Mpp

MPP =

Mfiltrat = Mldf – 0,2 ∙ Mpp = 32654,1217 – 0,2 ∙ 5716,625 = 31510,7967 kg/șarjă

a = Pf ∙ 0,8 = 2103,8997∙ 0,8 = 1683,1197 kg/șarjă

Precipitare și neutralizare:

a x y’ z’

2C6H8O7 + 3 Ca(OH)2 = (C6H5O7)2Ca3 + 6H2O

2 ∙ 192 3 ∙ 74 498 6 ∙ 18

a = Pf ∙ 0,8 = 2103,8997 ∙ 0,8 = 1683,1197

x = =973,0535 kg/șarjă Ca(OH)2

y’=

z’= apă

y = y’ ∙ 0,9 = 1964,5162 kg/șarjă

z = z’∙ 0,9= 426,0396 kg/șarjă

Ca(OH)2, conc. = 20%, 5% exces

MCa(OH)2 exces = 0,05 ∙ x= 48,6526 kg/șarjă

MCa(OH)2 nereact = 0,05 ∙ x= 97,3053 kg/șarjă

Macid citric p = 0,9 ∙ a = 1514,8077

C=

md = 1,05 ∙ x = 1021,7061

ms = 5108,5308 kg/șarjă

Mapă din Ca(OH)2 = ms – md = 5108,5308 – 1021,7061 = 4086,8247 kg/șarjă

Mape rezid = Mfiltrat – Macid citric p + z+ MCa(OH)2 exces + MCa(OH)2 nereact.+ Mapa din Ca(OH)2

Mape rezid=32654,1214 – 1514,8077 + 426,0396+48,6526+4086,8247+97,3053=38850,8306 kg/șarjă

Filtrare

Precipitatul reține 20% umiditate:

Mpp= Mcitrat + 0,2MPP

Mpp=

Datorită randamentului:

Mpp = 0,9 ∙ 2455,6452 = 2210,0807 kg/șarjă

Mcitrat pierdut = 0,1Mcitrat = 196,4516 kg/șarjă

Mfiltrat = Mape reziduale – 0,2 Mpp + Mcitrat p

Mfiltrat = 38605,2661

Acidulare

C=1363,3269 x y z

(C6H5O7)2Ca3 + 3H2SO4 = 2C6H8O7 + 3CaSO4

498 3 ∙ 98 2 ∙ 192 3 ∙ 136

X = 804,8556 kg/șarjă

Y = 1051,24 kg/șarjă

Z = 1116,9425 kg/șarjă

H2SO4, c = 20%, exces 5%

MH2SO4, exces = 0,05 ∙ x = 40,24278 kg/șarjă

md= 1,05 ∙ x = 845,0983 kg/șarjă

md=

Mapa din H2SO4= ms – md = 4225,4916 – 845,9983 = 3379,4936 kg/șarjă

Mumid pp = MPP – C = 2210,0807 – 1363,3269 = 846,7538

Msol acide = Mapa din H2SO4 + MH2SO4, exces + y+ Mumid pp= 3379,4936 + 40,2427+1051,24+846,7538 = 5317,7301

Decolorare și filtrare

Masa cărbunelui activ este de 20% din masa soluției acide.

Mcarb activ=0,2Msol acidă=0,2 x 5317,7301 kg/șarjă = 1063,546 kg/șarjă

Mpp==2472,68kg/șarjă

Mfiltrat = Msol acidă – 0,15 Msol acidă – 0,2 Mpp= 5317,7301 – 0,15 x 5317,7301 – 0,2 x 2472,68 = 4025,5346 kg/șarjă

Cristalizare

Mape rezid = Mfiltrat – Macid citric

Macid citric=0,9 e = 0,9 x 1158,8278=1042,945 kg/șarjă

Mape rezid = 4025,5346 – 1042,945 = 2982,5846 kg/șarjă

Filtrare

Precipitatul reține 10% din umiditate.

Mpp =

Mfiltrat = Mape rezid + 0,1 Macid citric – 0,1 Macid citric= Mape rezid= 2982,5896 kg/șarjă

Uscare

M apa evap = 0,1 g+ 0,02 h=123,067

Macid citric = 0,98 h = 919,8774 kg/șarjă

4.4. Utilajele instalației pentru realizarea tehnologiei