UNIVERSITATEA LIBERA INTERNATIONALA DIN MOLDOVA

MINISTERUL INVATAMINT TINERET SI SPORT AL REPUBLICII MOLDOVA

Acidul Citric

Elaborat Maria Ursu

4

Chisinau2015

Tehnologia de fabricație

ll1 Domeniile de utilizare și proprietățile produsului

II11 Domenii de utilizare

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

(C6H8O7) cu masa moleculară 19212 sau ca monohidrat(C6H8O7 H2O) cu masa moleculară

21014 Se găsește foarte mult răspacircndit icircn natură icircn țesuturile și sucurile vegetale și icircn special

icircn citrice fiind solubil icircn apă și solvenți organici

Formula de structură

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 de

culoare și aromă Se consideră că stabilitatea culorii se realizează datorită inhibării atacului

oxidativ asupra culorii existente inhibării dezvoltării oxidării culorii prevenirii formării de

complexe metalice colorate Capacitatea de a forma chelați a acidului citric și a citraților se

datorează existenței grupării hidroxil și a grupărilor carboxilice

2 Icircn scopul stabilizării aromei produselor prin inhibarea atacului oxidativ asupra

componentelor de aromă și icircn același timp prin inhibarea formării preoduselor 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 sub 5

formă de acid ferocitric solubil formă sub care participă la formarea casei Acidul citric poate

fi atacat de bacteriile lactice din vin cu formare de acid lactic și acetic icircn cazul icircn care vinul

nu este protejat biologic Se recomandă ca acidul citric să se adauge icircn faza finală a a

condiționării vinului Doza de acid citric autorizată este de 50ghL 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 tratamentul cu ferocianură de potasiu care este mai scump și mai

dificil

3 La conservarea fructelor prin congelare caz icircn care acidul citric prin chelarea

metalelor face ca acidul ascorbic natural din fructe și legume să nu fie distrus Fructele și

legumele depielate se tratează de aemenea cu soluție de acid citric pentru prevenirea

icircmbrunării enzimatice

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

icircmpiedicarea racircncezirii grăsimilor și uleiurilor Se consideră că efectul sinergetic se datorează

restului 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 utilizează

icircmpreună 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 formează

o culoare albastră datorită complexului cupru-tiol Concomitent se formează și mirosuri

străine Prin tratarea moluștelor cu soluție de acid citric defectele menționate nu mai apar

datorită faptului că acidul citric complexează cuprul

7 Pentru icircmpiedicarea zaharisirii mierii de albine icircn clarificarea enzimatică a sucurilor

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

necesare 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

6

Acidul citric mai este folosit și icircn producerea medicamentelor și icircn biotehnologie precum

și la sapunuri și detergenti datorită proprietății de a combina metalele in apa dură

Are si alte utilizări cum ar fi Circa 6 acid citric va icircndeparta pete de apa dură de pe

sticlă fără frecări ca ingredient in inghețată sau folosit cu bicarbonat de sodiu ajută la

indigestie Mai poate fi utilizat in fotografie la developarea filmului

Datorită faptului că acidul citric poate fi folosit la prepararea unui explozibil sensibil la

șocuri cumpărarea acidului citric in cantități mari duce la suspectarea de activitate teroristă

II13 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 se

redizolvă la răcire

Prin icircncălzirea acidului citric la 175ordmC se produce icircntacirci eliminarea unei molecule de apă

și 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 acidul

tricarbalilic 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-cetonic

dicarboxilic usor de obtinut pe această cale Un tratament mai energic duce la acetonă

7

Prin icircncălzirea acidului citric cu pentasulfură de fosfor se formează tiofen

Efectul chelatizant al acidului citric explică relaţia sinergică cu antioxidanţii prin

complexarea prooxidanţilor

II14 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 aproape

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

evoluate

II15 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

II2 Variante tehnologice de obținere a acidului citric

II21 Obținerea acidului citric prin sinteză

8

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 moleculă

de apă de cristalizare (pt100ordmC) Prin icircncălzire la 80 ordmC pierde apa de cristalizare și are icircn

stare anhidră pt153ordmC

II22 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 10-11

zile 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 ordm

9

C şi se adaugă fosfatul de potasiu sulfatul de zinc sulfatul de magneziu sub formă de soluţii

sterile Mediul de cultură astfel preparat se trimite 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 a

instalației 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 ca

medii 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 de

investitie reduse și randamente ridicate riscuri de contaminare mici

II3 Alegerea variantei optime

10

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 are

nevoie 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 critic

funcționarea 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 procedeul

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

costuri investiții reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol de

infectare al culturii redus volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogene

randamente ridicate puritatea produsului ca și activitatea biologică ridicate

II4 Descrierea procesului tehnologic adoptat

II41 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Aer nesteril

Aspergillus niger

Biomasa

CaCl2

Ca(OH)2 20

11

Pregătire mediu de cultură

Sterilizare mediu de cultură

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Fermentație

Sterilizare aer

H2SO4

cărbune

Fig nr II41 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

Pregătirea mediului de cultură

Fermentația

Filtrarea soluțiilor native

Separarea și purificarea

1 Pregătirea mediului de cultură

In tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătire

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

12

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Pentru a avea un proces normal de creștere a masei celulare și de producere a acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

2 Sterilizarea

Sterilizarea este procesul prin care are loc distrugerea sau 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 industria

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

obicei prin

1 Metode termice

Sterilizare cu aer cald la 140-200ordm C

Sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120-140ordm C

Sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100ordm C

2 Metode fizice

Filtrare prin umpluturi fibroase

Filtrare prin materiale poroase

Filtrare prin membrane

Utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

3 Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidă fenol azotiperită

ozon etc

4 Metode de preparare pe cale aseptică

Sterilizarea mediului de cultură

Deși teoretic sterilizarea mediilor de cultură se poate realiză prin metode mecanice

(filtrare centrifugare flotatie) termice cu agenti chimici bactericizi cu radiații X β δ

radiatii UV aplicatii practice au găsit numai procedeele termice de sterilizare Sterilizarea

termică prezintă icircnsă și o serie de inconveniente generate icircn special de reacțiile secundare

de degradare care au loc in timpul procesului de sterilizare

13

Pentru sterilizarea mediului de cultură pregătit pentru obținerea acidului citric se prezintă

instalația de sterilizare la 120 ndash 125 ordmC (figII412) deoarece aceasta prezintă o serie de

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

gradului de sterilizare dorit

Fig II412 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 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 20

minute pentru perfectarea procesului de sterilizare

Icircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40ordmC

temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (figII413) 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 de

menținere

14

FigII413 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 filtare

metoda 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

formă de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

- poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitate elasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn principiu există trei tipuri de filtre cu

aplicabilitate practică și anume

- filtrul cu fibră de sticlă (FigII414)

- filtre disc cu membrane (filtre absolute)

- filtre tip lumacircnare

15

FigII414 Filtrul cu fibre de sticlă

(1 ndash placă perforată 2 ndash plasă de sacircrmă 3 ndash garnitură de cauciuc 4 ndash material

filtrant 5 - rama)

Este alcătuit dintr-un strat de material filtrant fixat icircntre două site susținute de două placi

perforate (diametrul perforațiilor este de 07 ndash 08 cm) Filtrul este prevăzut cu manta de

icircncalzire care permite uscarea materialului filtrant sterilizat cu abur direct Acest tip de filtru

indicat pentru industria de biosinteză oferă posibilitatea sterilizării unor debite ridicate de aer

realizarea unui grad avansat de purificare și durată indelungată de funcționare Dezavantajele

filtrului cu fibre sunt operații complicate la schimbarea fibrelor de sticlă (durata 25 ndash 3 ore)

manipularea neplacută a fibrelor de sticlă și anularea efectului de sterilizare după umezirea

materialului fibros

Schema de principiu a liniei de purificare și sterilizare a aerului prin filtrare pe material

fibros este redată icircn figura următoare Conform acestei scheme aerul separat de impurități icircn

filtrul (1) trece prin compresorul (2) unde este comprimat adiabatic la 3-35 at temperatura

crescacircnd la 150 - 160ordmC După racire icircn (3) aerul este introdus icircn separatorul de picături (4)

filtrul principal cu material fibros (5) (prima treaptă de sterilizare) filtrul individual cu

material fibros (a doua treaptă de sterilizare după care pătrunde icircn fermentator

16

Fig II415 Schema de purificare și sterilizare a aerului

Sterilizarea pe material fibros poate fi descrisă printr-un model de curgere prin ocolire

(FigII416) fenomen care impune absența totală a umidității din filtru (prezența umidității

transformă curgerea prin ocolire icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile

filtrante)

FigII416 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 de

ieșire din filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouă

Stabilirea 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 fenomene

impact inerțial intercepție difuzie și atracție electrostatică Analiza cantitativă a procesului de

reținere a particulelor din aer pe filtre de fibre de sticlă a evidențiat că eficacitatea filtrării

depinde de caracteristicile materialului fibros și de parametrii operației de filtrare

[1 110-113]

17

3 Fermentația

Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură cu scopul de a biosintetiza

diverși produși poartă denumirea de fermentație

Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză Ea se realizează

icircn trei etape

- 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 de

zahăr este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

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

intensă agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

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

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

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

dar numai pacircnă la concentrația de 50-60 mg după care scade datorită faptului că

ferocianura la concentrații mari inhibă procesul de creștere a masei celulare și de producere a

acidului citric

Un alt factor care influențează sensibil procesul de fermentație citrice este conținutul de

fosfor a cărui valoare optimă este 25-30 mg Fosforul reglează atacirct procesul de creștere a

18

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

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 acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

Procesul de fermentație citrică fiind aerob consumul de aer steril este de 1-15L aer pentru

un 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 se

realizează la 36-42degC după care temperatura se coboară la 34-36degC și se menține la această

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

scade la 30-32degC 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

kcalm3h 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 II417)

FigII417 Variația concentrației acidului citric și a efectului termic icircn procesul de

fermentație

19

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 sa

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

valori de 105-106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectă

concordanță cu acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare se

consumă 10-15 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 conținutul

acesatiua 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 80-95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime 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 1 L aer pentru 1

L mediu și minut

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 icircn

industria 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 pentru

separarea acidului citric cristalin Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe

proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva 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

20

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 cu

ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la

cald 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 citric

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

II42 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 gameți

de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite)

21

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

Chisinau2015

Tehnologia de fabricație

ll1 Domeniile de utilizare și proprietățile produsului

II11 Domenii de utilizare

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

(C6H8O7) cu masa moleculară 19212 sau ca monohidrat(C6H8O7 H2O) cu masa moleculară

21014 Se găsește foarte mult răspacircndit icircn natură icircn țesuturile și sucurile vegetale și icircn special

icircn citrice fiind solubil icircn apă și solvenți organici

Formula de structură

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 de

culoare și aromă Se consideră că stabilitatea culorii se realizează datorită inhibării atacului

oxidativ asupra culorii existente inhibării dezvoltării oxidării culorii prevenirii formării de

complexe metalice colorate Capacitatea de a forma chelați a acidului citric și a citraților se

datorează existenței grupării hidroxil și a grupărilor carboxilice

2 Icircn scopul stabilizării aromei produselor prin inhibarea atacului oxidativ asupra

componentelor de aromă și icircn același timp prin inhibarea formării preoduselor 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 sub 5

formă de acid ferocitric solubil formă sub care participă la formarea casei Acidul citric poate

fi atacat de bacteriile lactice din vin cu formare de acid lactic și acetic icircn cazul icircn care vinul

nu este protejat biologic Se recomandă ca acidul citric să se adauge icircn faza finală a a

condiționării vinului Doza de acid citric autorizată este de 50ghL 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 tratamentul cu ferocianură de potasiu care este mai scump și mai

dificil

3 La conservarea fructelor prin congelare caz icircn care acidul citric prin chelarea

metalelor face ca acidul ascorbic natural din fructe și legume să nu fie distrus Fructele și

legumele depielate se tratează de aemenea cu soluție de acid citric pentru prevenirea

icircmbrunării enzimatice

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

icircmpiedicarea racircncezirii grăsimilor și uleiurilor Se consideră că efectul sinergetic se datorează

restului 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 utilizează

icircmpreună 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 formează

o culoare albastră datorită complexului cupru-tiol Concomitent se formează și mirosuri

străine Prin tratarea moluștelor cu soluție de acid citric defectele menționate nu mai apar

datorită faptului că acidul citric complexează cuprul

7 Pentru icircmpiedicarea zaharisirii mierii de albine icircn clarificarea enzimatică a sucurilor

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

necesare 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

6

Acidul citric mai este folosit și icircn producerea medicamentelor și icircn biotehnologie precum

și la sapunuri și detergenti datorită proprietății de a combina metalele in apa dură

Are si alte utilizări cum ar fi Circa 6 acid citric va icircndeparta pete de apa dură de pe

sticlă fără frecări ca ingredient in inghețată sau folosit cu bicarbonat de sodiu ajută la

indigestie Mai poate fi utilizat in fotografie la developarea filmului

Datorită faptului că acidul citric poate fi folosit la prepararea unui explozibil sensibil la

șocuri cumpărarea acidului citric in cantități mari duce la suspectarea de activitate teroristă

II13 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 se

redizolvă la răcire

Prin icircncălzirea acidului citric la 175ordmC se produce icircntacirci eliminarea unei molecule de apă

și 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 acidul

tricarbalilic 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-cetonic

dicarboxilic usor de obtinut pe această cale Un tratament mai energic duce la acetonă

7

Prin icircncălzirea acidului citric cu pentasulfură de fosfor se formează tiofen

Efectul chelatizant al acidului citric explică relaţia sinergică cu antioxidanţii prin

complexarea prooxidanţilor

II14 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 aproape

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

evoluate

II15 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

II2 Variante tehnologice de obținere a acidului citric

II21 Obținerea acidului citric prin sinteză

8

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 moleculă

de apă de cristalizare (pt100ordmC) Prin icircncălzire la 80 ordmC pierde apa de cristalizare și are icircn

stare anhidră pt153ordmC

II22 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 10-11

zile 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 ordm

9

C şi se adaugă fosfatul de potasiu sulfatul de zinc sulfatul de magneziu sub formă de soluţii

sterile Mediul de cultură astfel preparat se trimite 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 a

instalației 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 ca

medii 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 de

investitie reduse și randamente ridicate riscuri de contaminare mici

II3 Alegerea variantei optime

10

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 are

nevoie 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 critic

funcționarea 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 procedeul

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

costuri investiții reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol de

infectare al culturii redus volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogene

randamente ridicate puritatea produsului ca și activitatea biologică ridicate

II4 Descrierea procesului tehnologic adoptat

II41 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Aer nesteril

Aspergillus niger

Biomasa

CaCl2

Ca(OH)2 20

11

Pregătire mediu de cultură

Sterilizare mediu de cultură

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Fermentație

Sterilizare aer

H2SO4

cărbune

Fig nr II41 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

Pregătirea mediului de cultură

Fermentația

Filtrarea soluțiilor native

Separarea și purificarea

1 Pregătirea mediului de cultură

In tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătire

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

12

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Pentru a avea un proces normal de creștere a masei celulare și de producere a acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

2 Sterilizarea

Sterilizarea este procesul prin care are loc distrugerea sau 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 industria

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

obicei prin

1 Metode termice

Sterilizare cu aer cald la 140-200ordm C

Sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120-140ordm C

Sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100ordm C

2 Metode fizice

Filtrare prin umpluturi fibroase

Filtrare prin materiale poroase

Filtrare prin membrane

Utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

3 Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidă fenol azotiperită

ozon etc

4 Metode de preparare pe cale aseptică

Sterilizarea mediului de cultură

Deși teoretic sterilizarea mediilor de cultură se poate realiză prin metode mecanice

(filtrare centrifugare flotatie) termice cu agenti chimici bactericizi cu radiații X β δ

radiatii UV aplicatii practice au găsit numai procedeele termice de sterilizare Sterilizarea

termică prezintă icircnsă și o serie de inconveniente generate icircn special de reacțiile secundare

de degradare care au loc in timpul procesului de sterilizare

13

Pentru sterilizarea mediului de cultură pregătit pentru obținerea acidului citric se prezintă

instalația de sterilizare la 120 ndash 125 ordmC (figII412) deoarece aceasta prezintă o serie de

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

gradului de sterilizare dorit

Fig II412 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 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 20

minute pentru perfectarea procesului de sterilizare

Icircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40ordmC

temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (figII413) 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 de

menținere

14

FigII413 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 filtare

metoda 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

formă de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

- poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitate elasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn principiu există trei tipuri de filtre cu

aplicabilitate practică și anume

- filtrul cu fibră de sticlă (FigII414)

- filtre disc cu membrane (filtre absolute)

- filtre tip lumacircnare

15

FigII414 Filtrul cu fibre de sticlă

(1 ndash placă perforată 2 ndash plasă de sacircrmă 3 ndash garnitură de cauciuc 4 ndash material

filtrant 5 - rama)

Este alcătuit dintr-un strat de material filtrant fixat icircntre două site susținute de două placi

perforate (diametrul perforațiilor este de 07 ndash 08 cm) Filtrul este prevăzut cu manta de

icircncalzire care permite uscarea materialului filtrant sterilizat cu abur direct Acest tip de filtru

indicat pentru industria de biosinteză oferă posibilitatea sterilizării unor debite ridicate de aer

realizarea unui grad avansat de purificare și durată indelungată de funcționare Dezavantajele

filtrului cu fibre sunt operații complicate la schimbarea fibrelor de sticlă (durata 25 ndash 3 ore)

manipularea neplacută a fibrelor de sticlă și anularea efectului de sterilizare după umezirea

materialului fibros

Schema de principiu a liniei de purificare și sterilizare a aerului prin filtrare pe material

fibros este redată icircn figura următoare Conform acestei scheme aerul separat de impurități icircn

filtrul (1) trece prin compresorul (2) unde este comprimat adiabatic la 3-35 at temperatura

crescacircnd la 150 - 160ordmC După racire icircn (3) aerul este introdus icircn separatorul de picături (4)

filtrul principal cu material fibros (5) (prima treaptă de sterilizare) filtrul individual cu

material fibros (a doua treaptă de sterilizare după care pătrunde icircn fermentator

16

Fig II415 Schema de purificare și sterilizare a aerului

Sterilizarea pe material fibros poate fi descrisă printr-un model de curgere prin ocolire

(FigII416) fenomen care impune absența totală a umidității din filtru (prezența umidității

transformă curgerea prin ocolire icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile

filtrante)

FigII416 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 de

ieșire din filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouă

Stabilirea 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 fenomene

impact inerțial intercepție difuzie și atracție electrostatică Analiza cantitativă a procesului de

reținere a particulelor din aer pe filtre de fibre de sticlă a evidențiat că eficacitatea filtrării

depinde de caracteristicile materialului fibros și de parametrii operației de filtrare

[1 110-113]

17

3 Fermentația

Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură cu scopul de a biosintetiza

diverși produși poartă denumirea de fermentație

Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză Ea se realizează

icircn trei etape

- 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 de

zahăr este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

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

intensă agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

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

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

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

dar numai pacircnă la concentrația de 50-60 mg după care scade datorită faptului că

ferocianura la concentrații mari inhibă procesul de creștere a masei celulare și de producere a

acidului citric

Un alt factor care influențează sensibil procesul de fermentație citrice este conținutul de

fosfor a cărui valoare optimă este 25-30 mg Fosforul reglează atacirct procesul de creștere a

18

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

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 acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

Procesul de fermentație citrică fiind aerob consumul de aer steril este de 1-15L aer pentru

un 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 se

realizează la 36-42degC după care temperatura se coboară la 34-36degC și se menține la această

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

scade la 30-32degC 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

kcalm3h 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 II417)

FigII417 Variația concentrației acidului citric și a efectului termic icircn procesul de

fermentație

19

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 sa

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

valori de 105-106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectă

concordanță cu acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare se

consumă 10-15 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 conținutul

acesatiua 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 80-95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime 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 1 L aer pentru 1

L mediu și minut

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 icircn

industria 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 pentru

separarea acidului citric cristalin Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe

proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva 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

20

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 cu

ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la

cald 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 citric

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

II42 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 gameți

de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite)

21

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

formă de acid ferocitric solubil formă sub care participă la formarea casei Acidul citric poate

fi atacat de bacteriile lactice din vin cu formare de acid lactic și acetic icircn cazul icircn care vinul

nu este protejat biologic Se recomandă ca acidul citric să se adauge icircn faza finală a a

condiționării vinului Doza de acid citric autorizată este de 50ghL 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 tratamentul cu ferocianură de potasiu care este mai scump și mai

dificil

3 La conservarea fructelor prin congelare caz icircn care acidul citric prin chelarea

metalelor face ca acidul ascorbic natural din fructe și legume să nu fie distrus Fructele și

legumele depielate se tratează de aemenea cu soluție de acid citric pentru prevenirea

icircmbrunării enzimatice

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

icircmpiedicarea racircncezirii grăsimilor și uleiurilor Se consideră că efectul sinergetic se datorează

restului 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 utilizează

icircmpreună 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 formează

o culoare albastră datorită complexului cupru-tiol Concomitent se formează și mirosuri

străine Prin tratarea moluștelor cu soluție de acid citric defectele menționate nu mai apar

datorită faptului că acidul citric complexează cuprul

7 Pentru icircmpiedicarea zaharisirii mierii de albine icircn clarificarea enzimatică a sucurilor

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

necesare 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

6

Acidul citric mai este folosit și icircn producerea medicamentelor și icircn biotehnologie precum

și la sapunuri și detergenti datorită proprietății de a combina metalele in apa dură

Are si alte utilizări cum ar fi Circa 6 acid citric va icircndeparta pete de apa dură de pe

sticlă fără frecări ca ingredient in inghețată sau folosit cu bicarbonat de sodiu ajută la

indigestie Mai poate fi utilizat in fotografie la developarea filmului

Datorită faptului că acidul citric poate fi folosit la prepararea unui explozibil sensibil la

șocuri cumpărarea acidului citric in cantități mari duce la suspectarea de activitate teroristă

II13 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 se

redizolvă la răcire

Prin icircncălzirea acidului citric la 175ordmC se produce icircntacirci eliminarea unei molecule de apă

și 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 acidul

tricarbalilic 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-cetonic

dicarboxilic usor de obtinut pe această cale Un tratament mai energic duce la acetonă

7

Prin icircncălzirea acidului citric cu pentasulfură de fosfor se formează tiofen

Efectul chelatizant al acidului citric explică relaţia sinergică cu antioxidanţii prin

complexarea prooxidanţilor

II14 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 aproape

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

evoluate

II15 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

II2 Variante tehnologice de obținere a acidului citric

II21 Obținerea acidului citric prin sinteză

8

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 moleculă

de apă de cristalizare (pt100ordmC) Prin icircncălzire la 80 ordmC pierde apa de cristalizare și are icircn

stare anhidră pt153ordmC

II22 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 10-11

zile 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 ordm

9

C şi se adaugă fosfatul de potasiu sulfatul de zinc sulfatul de magneziu sub formă de soluţii

sterile Mediul de cultură astfel preparat se trimite 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 a

instalației 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 ca

medii 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 de

investitie reduse și randamente ridicate riscuri de contaminare mici

II3 Alegerea variantei optime

10

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 are

nevoie 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 critic

funcționarea 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 procedeul

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

costuri investiții reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol de

infectare al culturii redus volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogene

randamente ridicate puritatea produsului ca și activitatea biologică ridicate

II4 Descrierea procesului tehnologic adoptat

II41 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Aer nesteril

Aspergillus niger

Biomasa

CaCl2

Ca(OH)2 20

11

Pregătire mediu de cultură

Sterilizare mediu de cultură

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Fermentație

Sterilizare aer

H2SO4

cărbune

Fig nr II41 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

Pregătirea mediului de cultură

Fermentația

Filtrarea soluțiilor native

Separarea și purificarea

1 Pregătirea mediului de cultură

In tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătire

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

12

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Pentru a avea un proces normal de creștere a masei celulare și de producere a acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

2 Sterilizarea

Sterilizarea este procesul prin care are loc distrugerea sau 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 industria

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

obicei prin

1 Metode termice

Sterilizare cu aer cald la 140-200ordm C

Sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120-140ordm C

Sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100ordm C

2 Metode fizice

Filtrare prin umpluturi fibroase

Filtrare prin materiale poroase

Filtrare prin membrane

Utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

3 Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidă fenol azotiperită

ozon etc

4 Metode de preparare pe cale aseptică

Sterilizarea mediului de cultură

Deși teoretic sterilizarea mediilor de cultură se poate realiză prin metode mecanice

(filtrare centrifugare flotatie) termice cu agenti chimici bactericizi cu radiații X β δ

radiatii UV aplicatii practice au găsit numai procedeele termice de sterilizare Sterilizarea

termică prezintă icircnsă și o serie de inconveniente generate icircn special de reacțiile secundare

de degradare care au loc in timpul procesului de sterilizare

13

Pentru sterilizarea mediului de cultură pregătit pentru obținerea acidului citric se prezintă

instalația de sterilizare la 120 ndash 125 ordmC (figII412) deoarece aceasta prezintă o serie de

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

gradului de sterilizare dorit

Fig II412 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 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 20

minute pentru perfectarea procesului de sterilizare

Icircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40ordmC

temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (figII413) 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 de

menținere

14

FigII413 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 filtare

metoda 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

formă de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

- poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitate elasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn principiu există trei tipuri de filtre cu

aplicabilitate practică și anume

- filtrul cu fibră de sticlă (FigII414)

- filtre disc cu membrane (filtre absolute)

- filtre tip lumacircnare

15

FigII414 Filtrul cu fibre de sticlă

(1 ndash placă perforată 2 ndash plasă de sacircrmă 3 ndash garnitură de cauciuc 4 ndash material

filtrant 5 - rama)

Este alcătuit dintr-un strat de material filtrant fixat icircntre două site susținute de două placi

perforate (diametrul perforațiilor este de 07 ndash 08 cm) Filtrul este prevăzut cu manta de

icircncalzire care permite uscarea materialului filtrant sterilizat cu abur direct Acest tip de filtru

indicat pentru industria de biosinteză oferă posibilitatea sterilizării unor debite ridicate de aer

realizarea unui grad avansat de purificare și durată indelungată de funcționare Dezavantajele

filtrului cu fibre sunt operații complicate la schimbarea fibrelor de sticlă (durata 25 ndash 3 ore)

manipularea neplacută a fibrelor de sticlă și anularea efectului de sterilizare după umezirea

materialului fibros

Schema de principiu a liniei de purificare și sterilizare a aerului prin filtrare pe material

fibros este redată icircn figura următoare Conform acestei scheme aerul separat de impurități icircn

filtrul (1) trece prin compresorul (2) unde este comprimat adiabatic la 3-35 at temperatura

crescacircnd la 150 - 160ordmC După racire icircn (3) aerul este introdus icircn separatorul de picături (4)

filtrul principal cu material fibros (5) (prima treaptă de sterilizare) filtrul individual cu

material fibros (a doua treaptă de sterilizare după care pătrunde icircn fermentator

16

Fig II415 Schema de purificare și sterilizare a aerului

Sterilizarea pe material fibros poate fi descrisă printr-un model de curgere prin ocolire

(FigII416) fenomen care impune absența totală a umidității din filtru (prezența umidității

transformă curgerea prin ocolire icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile

filtrante)

FigII416 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 de

ieșire din filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouă

Stabilirea 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 fenomene

impact inerțial intercepție difuzie și atracție electrostatică Analiza cantitativă a procesului de

reținere a particulelor din aer pe filtre de fibre de sticlă a evidențiat că eficacitatea filtrării

depinde de caracteristicile materialului fibros și de parametrii operației de filtrare

[1 110-113]

17

3 Fermentația

Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură cu scopul de a biosintetiza

diverși produși poartă denumirea de fermentație

Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză Ea se realizează

icircn trei etape

- 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 de

zahăr este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

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

intensă agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

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

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

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

dar numai pacircnă la concentrația de 50-60 mg după care scade datorită faptului că

ferocianura la concentrații mari inhibă procesul de creștere a masei celulare și de producere a

acidului citric

Un alt factor care influențează sensibil procesul de fermentație citrice este conținutul de

fosfor a cărui valoare optimă este 25-30 mg Fosforul reglează atacirct procesul de creștere a

18

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

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 acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

Procesul de fermentație citrică fiind aerob consumul de aer steril este de 1-15L aer pentru

un 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 se

realizează la 36-42degC după care temperatura se coboară la 34-36degC și se menține la această

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

scade la 30-32degC 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

kcalm3h 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 II417)

FigII417 Variația concentrației acidului citric și a efectului termic icircn procesul de

fermentație

19

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 sa

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

valori de 105-106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectă

concordanță cu acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare se

consumă 10-15 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 conținutul

acesatiua 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 80-95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime 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 1 L aer pentru 1

L mediu și minut

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 icircn

industria 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 pentru

separarea acidului citric cristalin Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe

proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva 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

20

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 cu

ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la

cald 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 citric

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

II42 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 gameți

de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite)

21

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

Acidul citric mai este folosit și icircn producerea medicamentelor și icircn biotehnologie precum

și la sapunuri și detergenti datorită proprietății de a combina metalele in apa dură

Are si alte utilizări cum ar fi Circa 6 acid citric va icircndeparta pete de apa dură de pe

sticlă fără frecări ca ingredient in inghețată sau folosit cu bicarbonat de sodiu ajută la

indigestie Mai poate fi utilizat in fotografie la developarea filmului

Datorită faptului că acidul citric poate fi folosit la prepararea unui explozibil sensibil la

șocuri cumpărarea acidului citric in cantități mari duce la suspectarea de activitate teroristă

II13 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 se

redizolvă la răcire

Prin icircncălzirea acidului citric la 175ordmC se produce icircntacirci eliminarea unei molecule de apă

și 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 acidul

tricarbalilic 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-cetonic

dicarboxilic usor de obtinut pe această cale Un tratament mai energic duce la acetonă

7

Prin icircncălzirea acidului citric cu pentasulfură de fosfor se formează tiofen

Efectul chelatizant al acidului citric explică relaţia sinergică cu antioxidanţii prin

complexarea prooxidanţilor

II14 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 aproape

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

evoluate

II15 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

II2 Variante tehnologice de obținere a acidului citric

II21 Obținerea acidului citric prin sinteză

8

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 moleculă

de apă de cristalizare (pt100ordmC) Prin icircncălzire la 80 ordmC pierde apa de cristalizare și are icircn

stare anhidră pt153ordmC

II22 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 10-11

zile 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 ordm

9

C şi se adaugă fosfatul de potasiu sulfatul de zinc sulfatul de magneziu sub formă de soluţii

sterile Mediul de cultură astfel preparat se trimite 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 a

instalației 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 ca

medii 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 de

investitie reduse și randamente ridicate riscuri de contaminare mici

II3 Alegerea variantei optime

10

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 are

nevoie 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 critic

funcționarea 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 procedeul

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

costuri investiții reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol de

infectare al culturii redus volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogene

randamente ridicate puritatea produsului ca și activitatea biologică ridicate

II4 Descrierea procesului tehnologic adoptat

II41 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Aer nesteril

Aspergillus niger

Biomasa

CaCl2

Ca(OH)2 20

11

Pregătire mediu de cultură

Sterilizare mediu de cultură

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Fermentație

Sterilizare aer

H2SO4

cărbune

Fig nr II41 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

Pregătirea mediului de cultură

Fermentația

Filtrarea soluțiilor native

Separarea și purificarea

1 Pregătirea mediului de cultură

In tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătire

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

12

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Pentru a avea un proces normal de creștere a masei celulare și de producere a acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

2 Sterilizarea

Sterilizarea este procesul prin care are loc distrugerea sau 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 industria

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

obicei prin

1 Metode termice

Sterilizare cu aer cald la 140-200ordm C

Sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120-140ordm C

Sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100ordm C

2 Metode fizice

Filtrare prin umpluturi fibroase

Filtrare prin materiale poroase

Filtrare prin membrane

Utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

3 Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidă fenol azotiperită

ozon etc

4 Metode de preparare pe cale aseptică

Sterilizarea mediului de cultură

Deși teoretic sterilizarea mediilor de cultură se poate realiză prin metode mecanice

(filtrare centrifugare flotatie) termice cu agenti chimici bactericizi cu radiații X β δ

radiatii UV aplicatii practice au găsit numai procedeele termice de sterilizare Sterilizarea

termică prezintă icircnsă și o serie de inconveniente generate icircn special de reacțiile secundare

de degradare care au loc in timpul procesului de sterilizare

13

Pentru sterilizarea mediului de cultură pregătit pentru obținerea acidului citric se prezintă

instalația de sterilizare la 120 ndash 125 ordmC (figII412) deoarece aceasta prezintă o serie de

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

gradului de sterilizare dorit

Fig II412 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 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 20

minute pentru perfectarea procesului de sterilizare

Icircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40ordmC

temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (figII413) 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 de

menținere

14

FigII413 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 filtare

metoda 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

formă de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

- poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitate elasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn principiu există trei tipuri de filtre cu

aplicabilitate practică și anume

- filtrul cu fibră de sticlă (FigII414)

- filtre disc cu membrane (filtre absolute)

- filtre tip lumacircnare

15

FigII414 Filtrul cu fibre de sticlă

(1 ndash placă perforată 2 ndash plasă de sacircrmă 3 ndash garnitură de cauciuc 4 ndash material

filtrant 5 - rama)

Este alcătuit dintr-un strat de material filtrant fixat icircntre două site susținute de două placi

perforate (diametrul perforațiilor este de 07 ndash 08 cm) Filtrul este prevăzut cu manta de

icircncalzire care permite uscarea materialului filtrant sterilizat cu abur direct Acest tip de filtru

indicat pentru industria de biosinteză oferă posibilitatea sterilizării unor debite ridicate de aer

realizarea unui grad avansat de purificare și durată indelungată de funcționare Dezavantajele

filtrului cu fibre sunt operații complicate la schimbarea fibrelor de sticlă (durata 25 ndash 3 ore)

manipularea neplacută a fibrelor de sticlă și anularea efectului de sterilizare după umezirea

materialului fibros

Schema de principiu a liniei de purificare și sterilizare a aerului prin filtrare pe material

fibros este redată icircn figura următoare Conform acestei scheme aerul separat de impurități icircn

filtrul (1) trece prin compresorul (2) unde este comprimat adiabatic la 3-35 at temperatura

crescacircnd la 150 - 160ordmC După racire icircn (3) aerul este introdus icircn separatorul de picături (4)

filtrul principal cu material fibros (5) (prima treaptă de sterilizare) filtrul individual cu

material fibros (a doua treaptă de sterilizare după care pătrunde icircn fermentator

16

Fig II415 Schema de purificare și sterilizare a aerului

Sterilizarea pe material fibros poate fi descrisă printr-un model de curgere prin ocolire

(FigII416) fenomen care impune absența totală a umidității din filtru (prezența umidității

transformă curgerea prin ocolire icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile

filtrante)

FigII416 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 de

ieșire din filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouă

Stabilirea 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 fenomene

impact inerțial intercepție difuzie și atracție electrostatică Analiza cantitativă a procesului de

reținere a particulelor din aer pe filtre de fibre de sticlă a evidențiat că eficacitatea filtrării

depinde de caracteristicile materialului fibros și de parametrii operației de filtrare

[1 110-113]

17

3 Fermentația

Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură cu scopul de a biosintetiza

diverși produși poartă denumirea de fermentație

Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză Ea se realizează

icircn trei etape

- 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 de

zahăr este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

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

intensă agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

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

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

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

dar numai pacircnă la concentrația de 50-60 mg după care scade datorită faptului că

ferocianura la concentrații mari inhibă procesul de creștere a masei celulare și de producere a

acidului citric

Un alt factor care influențează sensibil procesul de fermentație citrice este conținutul de

fosfor a cărui valoare optimă este 25-30 mg Fosforul reglează atacirct procesul de creștere a

18

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

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 acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

Procesul de fermentație citrică fiind aerob consumul de aer steril este de 1-15L aer pentru

un 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 se

realizează la 36-42degC după care temperatura se coboară la 34-36degC și se menține la această

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

scade la 30-32degC 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

kcalm3h 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 II417)

FigII417 Variația concentrației acidului citric și a efectului termic icircn procesul de

fermentație

19

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 sa

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

valori de 105-106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectă

concordanță cu acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare se

consumă 10-15 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 conținutul

acesatiua 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 80-95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime 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 1 L aer pentru 1

L mediu și minut

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 icircn

industria 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 pentru

separarea acidului citric cristalin Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe

proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva 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

20

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 cu

ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la

cald 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 citric

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

II42 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 gameți

de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite)

21

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

Prin icircncălzirea acidului citric cu pentasulfură de fosfor se formează tiofen

Efectul chelatizant al acidului citric explică relaţia sinergică cu antioxidanţii prin

complexarea prooxidanţilor

II14 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 aproape

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

evoluate

II15 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

II2 Variante tehnologice de obținere a acidului citric

II21 Obținerea acidului citric prin sinteză

8

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 moleculă

de apă de cristalizare (pt100ordmC) Prin icircncălzire la 80 ordmC pierde apa de cristalizare și are icircn

stare anhidră pt153ordmC

II22 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 10-11

zile 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 ordm

9

C şi se adaugă fosfatul de potasiu sulfatul de zinc sulfatul de magneziu sub formă de soluţii

sterile Mediul de cultură astfel preparat se trimite 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 a

instalației 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 ca

medii 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 de

investitie reduse și randamente ridicate riscuri de contaminare mici

II3 Alegerea variantei optime

10

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 are

nevoie 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 critic

funcționarea 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 procedeul

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

costuri investiții reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol de

infectare al culturii redus volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogene

randamente ridicate puritatea produsului ca și activitatea biologică ridicate

II4 Descrierea procesului tehnologic adoptat

II41 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Aer nesteril

Aspergillus niger

Biomasa

CaCl2

Ca(OH)2 20

11

Pregătire mediu de cultură

Sterilizare mediu de cultură

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Fermentație

Sterilizare aer

H2SO4

cărbune

Fig nr II41 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

Pregătirea mediului de cultură

Fermentația

Filtrarea soluțiilor native

Separarea și purificarea

1 Pregătirea mediului de cultură

In tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătire

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

12

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Pentru a avea un proces normal de creștere a masei celulare și de producere a acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

2 Sterilizarea

Sterilizarea este procesul prin care are loc distrugerea sau 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 industria

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

obicei prin

1 Metode termice

Sterilizare cu aer cald la 140-200ordm C

Sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120-140ordm C

Sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100ordm C

2 Metode fizice

Filtrare prin umpluturi fibroase

Filtrare prin materiale poroase

Filtrare prin membrane

Utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

3 Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidă fenol azotiperită

ozon etc

4 Metode de preparare pe cale aseptică

Sterilizarea mediului de cultură

Deși teoretic sterilizarea mediilor de cultură se poate realiză prin metode mecanice

(filtrare centrifugare flotatie) termice cu agenti chimici bactericizi cu radiații X β δ

radiatii UV aplicatii practice au găsit numai procedeele termice de sterilizare Sterilizarea

termică prezintă icircnsă și o serie de inconveniente generate icircn special de reacțiile secundare

de degradare care au loc in timpul procesului de sterilizare

13

Pentru sterilizarea mediului de cultură pregătit pentru obținerea acidului citric se prezintă

instalația de sterilizare la 120 ndash 125 ordmC (figII412) deoarece aceasta prezintă o serie de

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

gradului de sterilizare dorit

Fig II412 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 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 20

minute pentru perfectarea procesului de sterilizare

Icircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40ordmC

temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (figII413) 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 de

menținere

14

FigII413 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 filtare

metoda 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

formă de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

- poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitate elasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn principiu există trei tipuri de filtre cu

aplicabilitate practică și anume

- filtrul cu fibră de sticlă (FigII414)

- filtre disc cu membrane (filtre absolute)

- filtre tip lumacircnare

15

FigII414 Filtrul cu fibre de sticlă

(1 ndash placă perforată 2 ndash plasă de sacircrmă 3 ndash garnitură de cauciuc 4 ndash material

filtrant 5 - rama)

Este alcătuit dintr-un strat de material filtrant fixat icircntre două site susținute de două placi

perforate (diametrul perforațiilor este de 07 ndash 08 cm) Filtrul este prevăzut cu manta de

icircncalzire care permite uscarea materialului filtrant sterilizat cu abur direct Acest tip de filtru

indicat pentru industria de biosinteză oferă posibilitatea sterilizării unor debite ridicate de aer

realizarea unui grad avansat de purificare și durată indelungată de funcționare Dezavantajele

filtrului cu fibre sunt operații complicate la schimbarea fibrelor de sticlă (durata 25 ndash 3 ore)

manipularea neplacută a fibrelor de sticlă și anularea efectului de sterilizare după umezirea

materialului fibros

Schema de principiu a liniei de purificare și sterilizare a aerului prin filtrare pe material

fibros este redată icircn figura următoare Conform acestei scheme aerul separat de impurități icircn

filtrul (1) trece prin compresorul (2) unde este comprimat adiabatic la 3-35 at temperatura

crescacircnd la 150 - 160ordmC După racire icircn (3) aerul este introdus icircn separatorul de picături (4)

filtrul principal cu material fibros (5) (prima treaptă de sterilizare) filtrul individual cu

material fibros (a doua treaptă de sterilizare după care pătrunde icircn fermentator

16

Fig II415 Schema de purificare și sterilizare a aerului

Sterilizarea pe material fibros poate fi descrisă printr-un model de curgere prin ocolire

(FigII416) fenomen care impune absența totală a umidității din filtru (prezența umidității

transformă curgerea prin ocolire icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile

filtrante)

FigII416 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 de

ieșire din filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouă

Stabilirea 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 fenomene

impact inerțial intercepție difuzie și atracție electrostatică Analiza cantitativă a procesului de

reținere a particulelor din aer pe filtre de fibre de sticlă a evidențiat că eficacitatea filtrării

depinde de caracteristicile materialului fibros și de parametrii operației de filtrare

[1 110-113]

17

3 Fermentația

Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură cu scopul de a biosintetiza

diverși produși poartă denumirea de fermentație

Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză Ea se realizează

icircn trei etape

- 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 de

zahăr este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

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

intensă agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

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

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

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

dar numai pacircnă la concentrația de 50-60 mg după care scade datorită faptului că

ferocianura la concentrații mari inhibă procesul de creștere a masei celulare și de producere a

acidului citric

Un alt factor care influențează sensibil procesul de fermentație citrice este conținutul de

fosfor a cărui valoare optimă este 25-30 mg Fosforul reglează atacirct procesul de creștere a

18

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

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 acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

Procesul de fermentație citrică fiind aerob consumul de aer steril este de 1-15L aer pentru

un 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 se

realizează la 36-42degC după care temperatura se coboară la 34-36degC și se menține la această

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

scade la 30-32degC 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

kcalm3h 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 II417)

FigII417 Variația concentrației acidului citric și a efectului termic icircn procesul de

fermentație

19

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 sa

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

valori de 105-106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectă

concordanță cu acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare se

consumă 10-15 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 conținutul

acesatiua 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 80-95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime 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 1 L aer pentru 1

L mediu și minut

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 icircn

industria 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 pentru

separarea acidului citric cristalin Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe

proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva 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

20

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 cu

ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la

cald 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 citric

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

II42 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 gameți

de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite)

21

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

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 moleculă

de apă de cristalizare (pt100ordmC) Prin icircncălzire la 80 ordmC pierde apa de cristalizare și are icircn

stare anhidră pt153ordmC

II22 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 10-11

zile 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 ordm

9

C şi se adaugă fosfatul de potasiu sulfatul de zinc sulfatul de magneziu sub formă de soluţii

sterile Mediul de cultură astfel preparat se trimite 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 a

instalației 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 ca

medii 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 de

investitie reduse și randamente ridicate riscuri de contaminare mici

II3 Alegerea variantei optime

10

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 are

nevoie 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 critic

funcționarea 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 procedeul

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

costuri investiții reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol de

infectare al culturii redus volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogene

randamente ridicate puritatea produsului ca și activitatea biologică ridicate

II4 Descrierea procesului tehnologic adoptat

II41 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Aer nesteril

Aspergillus niger

Biomasa

CaCl2

Ca(OH)2 20

11

Pregătire mediu de cultură

Sterilizare mediu de cultură

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Fermentație

Sterilizare aer

H2SO4

cărbune

Fig nr II41 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

Pregătirea mediului de cultură

Fermentația

Filtrarea soluțiilor native

Separarea și purificarea

1 Pregătirea mediului de cultură

In tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătire

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

12

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Pentru a avea un proces normal de creștere a masei celulare și de producere a acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

2 Sterilizarea

Sterilizarea este procesul prin care are loc distrugerea sau 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 industria

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

obicei prin

1 Metode termice

Sterilizare cu aer cald la 140-200ordm C

Sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120-140ordm C

Sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100ordm C

2 Metode fizice

Filtrare prin umpluturi fibroase

Filtrare prin materiale poroase

Filtrare prin membrane

Utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

3 Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidă fenol azotiperită

ozon etc

4 Metode de preparare pe cale aseptică

Sterilizarea mediului de cultură

Deși teoretic sterilizarea mediilor de cultură se poate realiză prin metode mecanice

(filtrare centrifugare flotatie) termice cu agenti chimici bactericizi cu radiații X β δ

radiatii UV aplicatii practice au găsit numai procedeele termice de sterilizare Sterilizarea

termică prezintă icircnsă și o serie de inconveniente generate icircn special de reacțiile secundare

de degradare care au loc in timpul procesului de sterilizare

13

Pentru sterilizarea mediului de cultură pregătit pentru obținerea acidului citric se prezintă

instalația de sterilizare la 120 ndash 125 ordmC (figII412) deoarece aceasta prezintă o serie de

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

gradului de sterilizare dorit

Fig II412 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 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 20

minute pentru perfectarea procesului de sterilizare

Icircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40ordmC

temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (figII413) 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 de

menținere

14

FigII413 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 filtare

metoda 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

formă de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

- poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitate elasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn principiu există trei tipuri de filtre cu

aplicabilitate practică și anume

- filtrul cu fibră de sticlă (FigII414)

- filtre disc cu membrane (filtre absolute)

- filtre tip lumacircnare

15

FigII414 Filtrul cu fibre de sticlă

(1 ndash placă perforată 2 ndash plasă de sacircrmă 3 ndash garnitură de cauciuc 4 ndash material

filtrant 5 - rama)

Este alcătuit dintr-un strat de material filtrant fixat icircntre două site susținute de două placi

perforate (diametrul perforațiilor este de 07 ndash 08 cm) Filtrul este prevăzut cu manta de

icircncalzire care permite uscarea materialului filtrant sterilizat cu abur direct Acest tip de filtru

indicat pentru industria de biosinteză oferă posibilitatea sterilizării unor debite ridicate de aer

realizarea unui grad avansat de purificare și durată indelungată de funcționare Dezavantajele

filtrului cu fibre sunt operații complicate la schimbarea fibrelor de sticlă (durata 25 ndash 3 ore)

manipularea neplacută a fibrelor de sticlă și anularea efectului de sterilizare după umezirea

materialului fibros

Schema de principiu a liniei de purificare și sterilizare a aerului prin filtrare pe material

fibros este redată icircn figura următoare Conform acestei scheme aerul separat de impurități icircn

filtrul (1) trece prin compresorul (2) unde este comprimat adiabatic la 3-35 at temperatura

crescacircnd la 150 - 160ordmC După racire icircn (3) aerul este introdus icircn separatorul de picături (4)

filtrul principal cu material fibros (5) (prima treaptă de sterilizare) filtrul individual cu

material fibros (a doua treaptă de sterilizare după care pătrunde icircn fermentator

16

Fig II415 Schema de purificare și sterilizare a aerului

Sterilizarea pe material fibros poate fi descrisă printr-un model de curgere prin ocolire

(FigII416) fenomen care impune absența totală a umidității din filtru (prezența umidității

transformă curgerea prin ocolire icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile

filtrante)

FigII416 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 de

ieșire din filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouă

Stabilirea 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 fenomene

impact inerțial intercepție difuzie și atracție electrostatică Analiza cantitativă a procesului de

reținere a particulelor din aer pe filtre de fibre de sticlă a evidențiat că eficacitatea filtrării

depinde de caracteristicile materialului fibros și de parametrii operației de filtrare

[1 110-113]

17

3 Fermentația

Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură cu scopul de a biosintetiza

diverși produși poartă denumirea de fermentație

Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză Ea se realizează

icircn trei etape

- 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 de

zahăr este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

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

intensă agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

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

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

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

dar numai pacircnă la concentrația de 50-60 mg după care scade datorită faptului că

ferocianura la concentrații mari inhibă procesul de creștere a masei celulare și de producere a

acidului citric

Un alt factor care influențează sensibil procesul de fermentație citrice este conținutul de

fosfor a cărui valoare optimă este 25-30 mg Fosforul reglează atacirct procesul de creștere a

18

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

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 acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

Procesul de fermentație citrică fiind aerob consumul de aer steril este de 1-15L aer pentru

un 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 se

realizează la 36-42degC după care temperatura se coboară la 34-36degC și se menține la această

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

scade la 30-32degC 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

kcalm3h 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 II417)

FigII417 Variația concentrației acidului citric și a efectului termic icircn procesul de

fermentație

19

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 sa

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

valori de 105-106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectă

concordanță cu acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare se

consumă 10-15 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 conținutul

acesatiua 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 80-95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime 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 1 L aer pentru 1

L mediu și minut

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 icircn

industria 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 pentru

separarea acidului citric cristalin Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe

proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva 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

20

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 cu

ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la

cald 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 citric

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

II42 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 gameți

de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite)

21

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

C şi se adaugă fosfatul de potasiu sulfatul de zinc sulfatul de magneziu sub formă de soluţii

sterile Mediul de cultură astfel preparat se trimite 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 a

instalației 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 ca

medii 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 de

investitie reduse și randamente ridicate riscuri de contaminare mici

II3 Alegerea variantei optime

10

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 are

nevoie 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 critic

funcționarea 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 procedeul

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

costuri investiții reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol de

infectare al culturii redus volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogene

randamente ridicate puritatea produsului ca și activitatea biologică ridicate

II4 Descrierea procesului tehnologic adoptat

II41 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Aer nesteril

Aspergillus niger

Biomasa

CaCl2

Ca(OH)2 20

11

Pregătire mediu de cultură

Sterilizare mediu de cultură

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Fermentație

Sterilizare aer

H2SO4

cărbune

Fig nr II41 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

Pregătirea mediului de cultură

Fermentația

Filtrarea soluțiilor native

Separarea și purificarea

1 Pregătirea mediului de cultură

In tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătire

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

12

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Pentru a avea un proces normal de creștere a masei celulare și de producere a acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

2 Sterilizarea

Sterilizarea este procesul prin care are loc distrugerea sau 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 industria

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

obicei prin

1 Metode termice

Sterilizare cu aer cald la 140-200ordm C

Sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120-140ordm C

Sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100ordm C

2 Metode fizice

Filtrare prin umpluturi fibroase

Filtrare prin materiale poroase

Filtrare prin membrane

Utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

3 Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidă fenol azotiperită

ozon etc

4 Metode de preparare pe cale aseptică

Sterilizarea mediului de cultură

Deși teoretic sterilizarea mediilor de cultură se poate realiză prin metode mecanice

(filtrare centrifugare flotatie) termice cu agenti chimici bactericizi cu radiații X β δ

radiatii UV aplicatii practice au găsit numai procedeele termice de sterilizare Sterilizarea

termică prezintă icircnsă și o serie de inconveniente generate icircn special de reacțiile secundare

de degradare care au loc in timpul procesului de sterilizare

13

Pentru sterilizarea mediului de cultură pregătit pentru obținerea acidului citric se prezintă

instalația de sterilizare la 120 ndash 125 ordmC (figII412) deoarece aceasta prezintă o serie de

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

gradului de sterilizare dorit

Fig II412 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 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 20

minute pentru perfectarea procesului de sterilizare

Icircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40ordmC

temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (figII413) 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 de

menținere

14

FigII413 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 filtare

metoda 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

formă de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

- poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitate elasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn principiu există trei tipuri de filtre cu

aplicabilitate practică și anume

- filtrul cu fibră de sticlă (FigII414)

- filtre disc cu membrane (filtre absolute)

- filtre tip lumacircnare

15

FigII414 Filtrul cu fibre de sticlă

(1 ndash placă perforată 2 ndash plasă de sacircrmă 3 ndash garnitură de cauciuc 4 ndash material

filtrant 5 - rama)

Este alcătuit dintr-un strat de material filtrant fixat icircntre două site susținute de două placi

perforate (diametrul perforațiilor este de 07 ndash 08 cm) Filtrul este prevăzut cu manta de

icircncalzire care permite uscarea materialului filtrant sterilizat cu abur direct Acest tip de filtru

indicat pentru industria de biosinteză oferă posibilitatea sterilizării unor debite ridicate de aer

realizarea unui grad avansat de purificare și durată indelungată de funcționare Dezavantajele

filtrului cu fibre sunt operații complicate la schimbarea fibrelor de sticlă (durata 25 ndash 3 ore)

manipularea neplacută a fibrelor de sticlă și anularea efectului de sterilizare după umezirea

materialului fibros

Schema de principiu a liniei de purificare și sterilizare a aerului prin filtrare pe material

fibros este redată icircn figura următoare Conform acestei scheme aerul separat de impurități icircn

filtrul (1) trece prin compresorul (2) unde este comprimat adiabatic la 3-35 at temperatura

crescacircnd la 150 - 160ordmC După racire icircn (3) aerul este introdus icircn separatorul de picături (4)

filtrul principal cu material fibros (5) (prima treaptă de sterilizare) filtrul individual cu

material fibros (a doua treaptă de sterilizare după care pătrunde icircn fermentator

16

Fig II415 Schema de purificare și sterilizare a aerului

Sterilizarea pe material fibros poate fi descrisă printr-un model de curgere prin ocolire

(FigII416) fenomen care impune absența totală a umidității din filtru (prezența umidității

transformă curgerea prin ocolire icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile

filtrante)

FigII416 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 de

ieșire din filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouă

Stabilirea 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 fenomene

impact inerțial intercepție difuzie și atracție electrostatică Analiza cantitativă a procesului de

reținere a particulelor din aer pe filtre de fibre de sticlă a evidențiat că eficacitatea filtrării

depinde de caracteristicile materialului fibros și de parametrii operației de filtrare

[1 110-113]

17

3 Fermentația

Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură cu scopul de a biosintetiza

diverși produși poartă denumirea de fermentație

Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză Ea se realizează

icircn trei etape

- 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 de

zahăr este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

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

intensă agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

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

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

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

dar numai pacircnă la concentrația de 50-60 mg după care scade datorită faptului că

ferocianura la concentrații mari inhibă procesul de creștere a masei celulare și de producere a

acidului citric

Un alt factor care influențează sensibil procesul de fermentație citrice este conținutul de

fosfor a cărui valoare optimă este 25-30 mg Fosforul reglează atacirct procesul de creștere a

18

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

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 acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

Procesul de fermentație citrică fiind aerob consumul de aer steril este de 1-15L aer pentru

un 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 se

realizează la 36-42degC după care temperatura se coboară la 34-36degC și se menține la această

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

scade la 30-32degC 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

kcalm3h 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 II417)

FigII417 Variația concentrației acidului citric și a efectului termic icircn procesul de

fermentație

19

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 sa

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

valori de 105-106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectă

concordanță cu acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare se

consumă 10-15 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 conținutul

acesatiua 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 80-95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime 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 1 L aer pentru 1

L mediu și minut

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 icircn

industria 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 pentru

separarea acidului citric cristalin Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe

proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva 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

20

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 cu

ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la

cald 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 citric

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

II42 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 gameți

de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite)

21

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

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 are

nevoie 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 critic

funcționarea 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 procedeul

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

costuri investiții reduse flexibilitate ridicată conversia substratului ridicată pericol de

infectare al culturii redus volum bioreactor relativ mare se obtin culturi omogene

randamente ridicate puritatea produsului ca și activitatea biologică ridicate

II4 Descrierea procesului tehnologic adoptat

II41 Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic

Aer nesteril

Aspergillus niger

Biomasa

CaCl2

Ca(OH)2 20

11

Pregătire mediu de cultură

Sterilizare mediu de cultură

Filtrare

Precipitare

Neutralizare

Fermentație

Sterilizare aer

H2SO4

cărbune

Fig nr II41 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

Pregătirea mediului de cultură

Fermentația

Filtrarea soluțiilor native

Separarea și purificarea

1 Pregătirea mediului de cultură

In tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătire

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

12

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Pentru a avea un proces normal de creștere a masei celulare și de producere a acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

2 Sterilizarea

Sterilizarea este procesul prin care are loc distrugerea sau 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 industria

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

obicei prin

1 Metode termice

Sterilizare cu aer cald la 140-200ordm C

Sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120-140ordm C

Sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100ordm C

2 Metode fizice

Filtrare prin umpluturi fibroase

Filtrare prin materiale poroase

Filtrare prin membrane

Utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

3 Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidă fenol azotiperită

ozon etc

4 Metode de preparare pe cale aseptică

Sterilizarea mediului de cultură

Deși teoretic sterilizarea mediilor de cultură se poate realiză prin metode mecanice

(filtrare centrifugare flotatie) termice cu agenti chimici bactericizi cu radiații X β δ

radiatii UV aplicatii practice au găsit numai procedeele termice de sterilizare Sterilizarea

termică prezintă icircnsă și o serie de inconveniente generate icircn special de reacțiile secundare

de degradare care au loc in timpul procesului de sterilizare

13

Pentru sterilizarea mediului de cultură pregătit pentru obținerea acidului citric se prezintă

instalația de sterilizare la 120 ndash 125 ordmC (figII412) deoarece aceasta prezintă o serie de

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

gradului de sterilizare dorit

Fig II412 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 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 20

minute pentru perfectarea procesului de sterilizare

Icircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40ordmC

temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (figII413) 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 de

menținere

14

FigII413 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 filtare

metoda 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

formă de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

- poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitate elasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn principiu există trei tipuri de filtre cu

aplicabilitate practică și anume

- filtrul cu fibră de sticlă (FigII414)

- filtre disc cu membrane (filtre absolute)

- filtre tip lumacircnare

15

FigII414 Filtrul cu fibre de sticlă

(1 ndash placă perforată 2 ndash plasă de sacircrmă 3 ndash garnitură de cauciuc 4 ndash material

filtrant 5 - rama)

Este alcătuit dintr-un strat de material filtrant fixat icircntre două site susținute de două placi

perforate (diametrul perforațiilor este de 07 ndash 08 cm) Filtrul este prevăzut cu manta de

icircncalzire care permite uscarea materialului filtrant sterilizat cu abur direct Acest tip de filtru

indicat pentru industria de biosinteză oferă posibilitatea sterilizării unor debite ridicate de aer

realizarea unui grad avansat de purificare și durată indelungată de funcționare Dezavantajele

filtrului cu fibre sunt operații complicate la schimbarea fibrelor de sticlă (durata 25 ndash 3 ore)

manipularea neplacută a fibrelor de sticlă și anularea efectului de sterilizare după umezirea

materialului fibros

Schema de principiu a liniei de purificare și sterilizare a aerului prin filtrare pe material

fibros este redată icircn figura următoare Conform acestei scheme aerul separat de impurități icircn

filtrul (1) trece prin compresorul (2) unde este comprimat adiabatic la 3-35 at temperatura

crescacircnd la 150 - 160ordmC După racire icircn (3) aerul este introdus icircn separatorul de picături (4)

filtrul principal cu material fibros (5) (prima treaptă de sterilizare) filtrul individual cu

material fibros (a doua treaptă de sterilizare după care pătrunde icircn fermentator

16

Fig II415 Schema de purificare și sterilizare a aerului

Sterilizarea pe material fibros poate fi descrisă printr-un model de curgere prin ocolire

(FigII416) fenomen care impune absența totală a umidității din filtru (prezența umidității

transformă curgerea prin ocolire icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile

filtrante)

FigII416 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 de

ieșire din filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouă

Stabilirea 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 fenomene

impact inerțial intercepție difuzie și atracție electrostatică Analiza cantitativă a procesului de

reținere a particulelor din aer pe filtre de fibre de sticlă a evidențiat că eficacitatea filtrării

depinde de caracteristicile materialului fibros și de parametrii operației de filtrare

[1 110-113]

17

3 Fermentația

Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură cu scopul de a biosintetiza

diverși produși poartă denumirea de fermentație

Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză Ea se realizează

icircn trei etape

- 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 de

zahăr este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

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

intensă agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

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

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

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

dar numai pacircnă la concentrația de 50-60 mg după care scade datorită faptului că

ferocianura la concentrații mari inhibă procesul de creștere a masei celulare și de producere a

acidului citric

Un alt factor care influențează sensibil procesul de fermentație citrice este conținutul de

fosfor a cărui valoare optimă este 25-30 mg Fosforul reglează atacirct procesul de creștere a

18

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

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 acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

Procesul de fermentație citrică fiind aerob consumul de aer steril este de 1-15L aer pentru

un 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 se

realizează la 36-42degC după care temperatura se coboară la 34-36degC și se menține la această

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

scade la 30-32degC 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

kcalm3h 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 II417)

FigII417 Variația concentrației acidului citric și a efectului termic icircn procesul de

fermentație

19

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 sa

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

valori de 105-106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectă

concordanță cu acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare se

consumă 10-15 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 conținutul

acesatiua 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 80-95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime 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 1 L aer pentru 1

L mediu și minut

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 icircn

industria 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 pentru

separarea acidului citric cristalin Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe

proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva 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

20

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 cu

ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la

cald 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 citric

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

II42 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 gameți

de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite)

21

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

H2SO4

cărbune

Fig nr II41 Schema tehnologică de obținere a acidului citric

Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze

Pregătirea mediului de cultură

Fermentația

Filtrarea soluțiilor native

Separarea și purificarea

1 Pregătirea mediului de cultură

In tehnologia obținerii acidului citric o importanță foarte mare o are procesul de pregătire

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

12

Filtrare

Acidulare

Decolorare și filtrare

Demineralizare

Cristalizare

Filtrare

Uscare

Pentru a avea un proces normal de creștere a masei celulare și de producere a acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

2 Sterilizarea

Sterilizarea este procesul prin care are loc distrugerea sau 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 industria

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

obicei prin

1 Metode termice

Sterilizare cu aer cald la 140-200ordm C

Sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120-140ordm C

Sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100ordm C

2 Metode fizice

Filtrare prin umpluturi fibroase

Filtrare prin materiale poroase

Filtrare prin membrane

Utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

3 Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidă fenol azotiperită

ozon etc

4 Metode de preparare pe cale aseptică

Sterilizarea mediului de cultură

Deși teoretic sterilizarea mediilor de cultură se poate realiză prin metode mecanice

(filtrare centrifugare flotatie) termice cu agenti chimici bactericizi cu radiații X β δ

radiatii UV aplicatii practice au găsit numai procedeele termice de sterilizare Sterilizarea

termică prezintă icircnsă și o serie de inconveniente generate icircn special de reacțiile secundare

de degradare care au loc in timpul procesului de sterilizare

13

Pentru sterilizarea mediului de cultură pregătit pentru obținerea acidului citric se prezintă

instalația de sterilizare la 120 ndash 125 ordmC (figII412) deoarece aceasta prezintă o serie de

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

gradului de sterilizare dorit

Fig II412 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 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 20

minute pentru perfectarea procesului de sterilizare

Icircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40ordmC

temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (figII413) 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 de

menținere

14

FigII413 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 filtare

metoda 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

formă de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

- poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitate elasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn principiu există trei tipuri de filtre cu

aplicabilitate practică și anume

- filtrul cu fibră de sticlă (FigII414)

- filtre disc cu membrane (filtre absolute)

- filtre tip lumacircnare

15

FigII414 Filtrul cu fibre de sticlă

(1 ndash placă perforată 2 ndash plasă de sacircrmă 3 ndash garnitură de cauciuc 4 ndash material

filtrant 5 - rama)

Este alcătuit dintr-un strat de material filtrant fixat icircntre două site susținute de două placi

perforate (diametrul perforațiilor este de 07 ndash 08 cm) Filtrul este prevăzut cu manta de

icircncalzire care permite uscarea materialului filtrant sterilizat cu abur direct Acest tip de filtru

indicat pentru industria de biosinteză oferă posibilitatea sterilizării unor debite ridicate de aer

realizarea unui grad avansat de purificare și durată indelungată de funcționare Dezavantajele

filtrului cu fibre sunt operații complicate la schimbarea fibrelor de sticlă (durata 25 ndash 3 ore)

manipularea neplacută a fibrelor de sticlă și anularea efectului de sterilizare după umezirea

materialului fibros

Schema de principiu a liniei de purificare și sterilizare a aerului prin filtrare pe material

fibros este redată icircn figura următoare Conform acestei scheme aerul separat de impurități icircn

filtrul (1) trece prin compresorul (2) unde este comprimat adiabatic la 3-35 at temperatura

crescacircnd la 150 - 160ordmC După racire icircn (3) aerul este introdus icircn separatorul de picături (4)

filtrul principal cu material fibros (5) (prima treaptă de sterilizare) filtrul individual cu

material fibros (a doua treaptă de sterilizare după care pătrunde icircn fermentator

16

Fig II415 Schema de purificare și sterilizare a aerului

Sterilizarea pe material fibros poate fi descrisă printr-un model de curgere prin ocolire

(FigII416) fenomen care impune absența totală a umidității din filtru (prezența umidității

transformă curgerea prin ocolire icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile

filtrante)

FigII416 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 de

ieșire din filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouă

Stabilirea 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 fenomene

impact inerțial intercepție difuzie și atracție electrostatică Analiza cantitativă a procesului de

reținere a particulelor din aer pe filtre de fibre de sticlă a evidențiat că eficacitatea filtrării

depinde de caracteristicile materialului fibros și de parametrii operației de filtrare

[1 110-113]

17

3 Fermentația

Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură cu scopul de a biosintetiza

diverși produși poartă denumirea de fermentație

Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză Ea se realizează

icircn trei etape

- 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 de

zahăr este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

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

intensă agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

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

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

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

dar numai pacircnă la concentrația de 50-60 mg după care scade datorită faptului că

ferocianura la concentrații mari inhibă procesul de creștere a masei celulare și de producere a

acidului citric

Un alt factor care influențează sensibil procesul de fermentație citrice este conținutul de

fosfor a cărui valoare optimă este 25-30 mg Fosforul reglează atacirct procesul de creștere a

18

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

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 acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

Procesul de fermentație citrică fiind aerob consumul de aer steril este de 1-15L aer pentru

un 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 se

realizează la 36-42degC după care temperatura se coboară la 34-36degC și se menține la această

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

scade la 30-32degC 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

kcalm3h 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 II417)

FigII417 Variația concentrației acidului citric și a efectului termic icircn procesul de

fermentație

19

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 sa

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

valori de 105-106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectă

concordanță cu acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare se

consumă 10-15 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 conținutul

acesatiua 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 80-95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime 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 1 L aer pentru 1

L mediu și minut

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 icircn

industria 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 pentru

separarea acidului citric cristalin Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe

proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva 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

20

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 cu

ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la

cald 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 citric

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

II42 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 gameți

de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite)

21

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

Pentru a avea un proces normal de creștere a masei celulare și de producere a acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

2 Sterilizarea

Sterilizarea este procesul prin care are loc distrugerea sau 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 industria

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

obicei prin

1 Metode termice

Sterilizare cu aer cald la 140-200ordm C

Sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120-140ordm C

Sterilizare prin icircncălziri repetate la 70-100ordm C

2 Metode fizice

Filtrare prin umpluturi fibroase

Filtrare prin materiale poroase

Filtrare prin membrane

Utilizarea rediațiilor UV IR raze X β γ etc

3 Metode chimice

Utilizarea agenților chimici oxid de etilenă formaldehidă fenol azotiperită

ozon etc

4 Metode de preparare pe cale aseptică

Sterilizarea mediului de cultură

Deși teoretic sterilizarea mediilor de cultură se poate realiză prin metode mecanice

(filtrare centrifugare flotatie) termice cu agenti chimici bactericizi cu radiații X β δ

radiatii UV aplicatii practice au găsit numai procedeele termice de sterilizare Sterilizarea

termică prezintă icircnsă și o serie de inconveniente generate icircn special de reacțiile secundare

de degradare care au loc in timpul procesului de sterilizare

13

Pentru sterilizarea mediului de cultură pregătit pentru obținerea acidului citric se prezintă

instalația de sterilizare la 120 ndash 125 ordmC (figII412) deoarece aceasta prezintă o serie de

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

gradului de sterilizare dorit

Fig II412 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 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 20

minute pentru perfectarea procesului de sterilizare

Icircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40ordmC

temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (figII413) 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 de

menținere

14

FigII413 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 filtare

metoda 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

formă de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

- poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitate elasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn principiu există trei tipuri de filtre cu

aplicabilitate practică și anume

- filtrul cu fibră de sticlă (FigII414)

- filtre disc cu membrane (filtre absolute)

- filtre tip lumacircnare

15

FigII414 Filtrul cu fibre de sticlă

(1 ndash placă perforată 2 ndash plasă de sacircrmă 3 ndash garnitură de cauciuc 4 ndash material

filtrant 5 - rama)

Este alcătuit dintr-un strat de material filtrant fixat icircntre două site susținute de două placi

perforate (diametrul perforațiilor este de 07 ndash 08 cm) Filtrul este prevăzut cu manta de

icircncalzire care permite uscarea materialului filtrant sterilizat cu abur direct Acest tip de filtru

indicat pentru industria de biosinteză oferă posibilitatea sterilizării unor debite ridicate de aer

realizarea unui grad avansat de purificare și durată indelungată de funcționare Dezavantajele

filtrului cu fibre sunt operații complicate la schimbarea fibrelor de sticlă (durata 25 ndash 3 ore)

manipularea neplacută a fibrelor de sticlă și anularea efectului de sterilizare după umezirea

materialului fibros

Schema de principiu a liniei de purificare și sterilizare a aerului prin filtrare pe material

fibros este redată icircn figura următoare Conform acestei scheme aerul separat de impurități icircn

filtrul (1) trece prin compresorul (2) unde este comprimat adiabatic la 3-35 at temperatura

crescacircnd la 150 - 160ordmC După racire icircn (3) aerul este introdus icircn separatorul de picături (4)

filtrul principal cu material fibros (5) (prima treaptă de sterilizare) filtrul individual cu

material fibros (a doua treaptă de sterilizare după care pătrunde icircn fermentator

16

Fig II415 Schema de purificare și sterilizare a aerului

Sterilizarea pe material fibros poate fi descrisă printr-un model de curgere prin ocolire

(FigII416) fenomen care impune absența totală a umidității din filtru (prezența umidității

transformă curgerea prin ocolire icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile

filtrante)

FigII416 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 de

ieșire din filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouă

Stabilirea 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 fenomene

impact inerțial intercepție difuzie și atracție electrostatică Analiza cantitativă a procesului de

reținere a particulelor din aer pe filtre de fibre de sticlă a evidențiat că eficacitatea filtrării

depinde de caracteristicile materialului fibros și de parametrii operației de filtrare

[1 110-113]

17

3 Fermentația

Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură cu scopul de a biosintetiza

diverși produși poartă denumirea de fermentație

Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză Ea se realizează

icircn trei etape

- 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 de

zahăr este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

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

intensă agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

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

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

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

dar numai pacircnă la concentrația de 50-60 mg după care scade datorită faptului că

ferocianura la concentrații mari inhibă procesul de creștere a masei celulare și de producere a

acidului citric

Un alt factor care influențează sensibil procesul de fermentație citrice este conținutul de

fosfor a cărui valoare optimă este 25-30 mg Fosforul reglează atacirct procesul de creștere a

18

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

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 acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

Procesul de fermentație citrică fiind aerob consumul de aer steril este de 1-15L aer pentru

un 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 se

realizează la 36-42degC după care temperatura se coboară la 34-36degC și se menține la această

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

scade la 30-32degC 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

kcalm3h 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 II417)

FigII417 Variația concentrației acidului citric și a efectului termic icircn procesul de

fermentație

19

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 sa

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

valori de 105-106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectă

concordanță cu acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare se

consumă 10-15 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 conținutul

acesatiua 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 80-95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime 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 1 L aer pentru 1

L mediu și minut

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 icircn

industria 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 pentru

separarea acidului citric cristalin Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe

proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva 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

20

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 cu

ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la

cald 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 citric

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

II42 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 gameți

de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite)

21

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

Pentru sterilizarea mediului de cultură pregătit pentru obținerea acidului citric se prezintă

instalația de sterilizare la 120 ndash 125 ordmC (figII412) deoarece aceasta prezintă o serie de

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

gradului de sterilizare dorit

Fig II412 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 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 20

minute pentru perfectarea procesului de sterilizare

Icircn final mediul este răcit icircntr-un schimbător de caldură tip țeavă icircn țeavă la 35 ndash 40ordmC

temperatură cu care este introdus icircn fermentator

Din diagrama timp ndash temperatură (figII413) 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 de

menținere

14

FigII413 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 filtare

metoda 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

formă de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

- poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitate elasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn principiu există trei tipuri de filtre cu

aplicabilitate practică și anume

- filtrul cu fibră de sticlă (FigII414)

- filtre disc cu membrane (filtre absolute)

- filtre tip lumacircnare

15

FigII414 Filtrul cu fibre de sticlă

(1 ndash placă perforată 2 ndash plasă de sacircrmă 3 ndash garnitură de cauciuc 4 ndash material

filtrant 5 - rama)

Este alcătuit dintr-un strat de material filtrant fixat icircntre două site susținute de două placi

perforate (diametrul perforațiilor este de 07 ndash 08 cm) Filtrul este prevăzut cu manta de

icircncalzire care permite uscarea materialului filtrant sterilizat cu abur direct Acest tip de filtru

indicat pentru industria de biosinteză oferă posibilitatea sterilizării unor debite ridicate de aer

realizarea unui grad avansat de purificare și durată indelungată de funcționare Dezavantajele

filtrului cu fibre sunt operații complicate la schimbarea fibrelor de sticlă (durata 25 ndash 3 ore)

manipularea neplacută a fibrelor de sticlă și anularea efectului de sterilizare după umezirea

materialului fibros

Schema de principiu a liniei de purificare și sterilizare a aerului prin filtrare pe material

fibros este redată icircn figura următoare Conform acestei scheme aerul separat de impurități icircn

filtrul (1) trece prin compresorul (2) unde este comprimat adiabatic la 3-35 at temperatura

crescacircnd la 150 - 160ordmC După racire icircn (3) aerul este introdus icircn separatorul de picături (4)

filtrul principal cu material fibros (5) (prima treaptă de sterilizare) filtrul individual cu

material fibros (a doua treaptă de sterilizare după care pătrunde icircn fermentator

16

Fig II415 Schema de purificare și sterilizare a aerului

Sterilizarea pe material fibros poate fi descrisă printr-un model de curgere prin ocolire

(FigII416) fenomen care impune absența totală a umidității din filtru (prezența umidității

transformă curgerea prin ocolire icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile

filtrante)

FigII416 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 de

ieșire din filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouă

Stabilirea 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 fenomene

impact inerțial intercepție difuzie și atracție electrostatică Analiza cantitativă a procesului de

reținere a particulelor din aer pe filtre de fibre de sticlă a evidențiat că eficacitatea filtrării

depinde de caracteristicile materialului fibros și de parametrii operației de filtrare

[1 110-113]

17

3 Fermentația

Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură cu scopul de a biosintetiza

diverși produși poartă denumirea de fermentație

Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză Ea se realizează

icircn trei etape

- 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 de

zahăr este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

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

intensă agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

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

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

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

dar numai pacircnă la concentrația de 50-60 mg după care scade datorită faptului că

ferocianura la concentrații mari inhibă procesul de creștere a masei celulare și de producere a

acidului citric

Un alt factor care influențează sensibil procesul de fermentație citrice este conținutul de

fosfor a cărui valoare optimă este 25-30 mg Fosforul reglează atacirct procesul de creștere a

18

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

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 acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

Procesul de fermentație citrică fiind aerob consumul de aer steril este de 1-15L aer pentru

un 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 se

realizează la 36-42degC după care temperatura se coboară la 34-36degC și se menține la această

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

scade la 30-32degC 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

kcalm3h 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 II417)

FigII417 Variația concentrației acidului citric și a efectului termic icircn procesul de

fermentație

19

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 sa

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

valori de 105-106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectă

concordanță cu acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare se

consumă 10-15 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 conținutul

acesatiua 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 80-95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime 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 1 L aer pentru 1

L mediu și minut

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 icircn

industria 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 pentru

separarea acidului citric cristalin Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe

proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva 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

20

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 cu

ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la

cald 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 citric

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

II42 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 gameți

de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite)

21

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

FigII413 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 filtare

metoda 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

formă de folii de teflon sau icircn amestec cu polietilena

- poliamidă (naylon) caracterizată prin rezistență termică hidrofobicitate elasticitate și

durabilitate

Pentru sterilizarea aerului prin filtrare icircn principiu există trei tipuri de filtre cu

aplicabilitate practică și anume

- filtrul cu fibră de sticlă (FigII414)

- filtre disc cu membrane (filtre absolute)

- filtre tip lumacircnare

15

FigII414 Filtrul cu fibre de sticlă

(1 ndash placă perforată 2 ndash plasă de sacircrmă 3 ndash garnitură de cauciuc 4 ndash material

filtrant 5 - rama)

Este alcătuit dintr-un strat de material filtrant fixat icircntre două site susținute de două placi

perforate (diametrul perforațiilor este de 07 ndash 08 cm) Filtrul este prevăzut cu manta de

icircncalzire care permite uscarea materialului filtrant sterilizat cu abur direct Acest tip de filtru

indicat pentru industria de biosinteză oferă posibilitatea sterilizării unor debite ridicate de aer

realizarea unui grad avansat de purificare și durată indelungată de funcționare Dezavantajele

filtrului cu fibre sunt operații complicate la schimbarea fibrelor de sticlă (durata 25 ndash 3 ore)

manipularea neplacută a fibrelor de sticlă și anularea efectului de sterilizare după umezirea

materialului fibros

Schema de principiu a liniei de purificare și sterilizare a aerului prin filtrare pe material

fibros este redată icircn figura următoare Conform acestei scheme aerul separat de impurități icircn

filtrul (1) trece prin compresorul (2) unde este comprimat adiabatic la 3-35 at temperatura

crescacircnd la 150 - 160ordmC După racire icircn (3) aerul este introdus icircn separatorul de picături (4)

filtrul principal cu material fibros (5) (prima treaptă de sterilizare) filtrul individual cu

material fibros (a doua treaptă de sterilizare după care pătrunde icircn fermentator

16

Fig II415 Schema de purificare și sterilizare a aerului

Sterilizarea pe material fibros poate fi descrisă printr-un model de curgere prin ocolire

(FigII416) fenomen care impune absența totală a umidității din filtru (prezența umidității

transformă curgerea prin ocolire icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile

filtrante)

FigII416 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 de

ieșire din filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouă

Stabilirea 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 fenomene

impact inerțial intercepție difuzie și atracție electrostatică Analiza cantitativă a procesului de

reținere a particulelor din aer pe filtre de fibre de sticlă a evidențiat că eficacitatea filtrării

depinde de caracteristicile materialului fibros și de parametrii operației de filtrare

[1 110-113]

17

3 Fermentația

Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură cu scopul de a biosintetiza

diverși produși poartă denumirea de fermentație

Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză Ea se realizează

icircn trei etape

- 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 de

zahăr este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

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

intensă agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

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

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

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

dar numai pacircnă la concentrația de 50-60 mg după care scade datorită faptului că

ferocianura la concentrații mari inhibă procesul de creștere a masei celulare și de producere a

acidului citric

Un alt factor care influențează sensibil procesul de fermentație citrice este conținutul de

fosfor a cărui valoare optimă este 25-30 mg Fosforul reglează atacirct procesul de creștere a

18

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

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 acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

Procesul de fermentație citrică fiind aerob consumul de aer steril este de 1-15L aer pentru

un 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 se

realizează la 36-42degC după care temperatura se coboară la 34-36degC și se menține la această

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

scade la 30-32degC 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

kcalm3h 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 II417)

FigII417 Variația concentrației acidului citric și a efectului termic icircn procesul de

fermentație

19

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 sa

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

valori de 105-106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectă

concordanță cu acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare se

consumă 10-15 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 conținutul

acesatiua 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 80-95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime 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 1 L aer pentru 1

L mediu și minut

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 icircn

industria 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 pentru

separarea acidului citric cristalin Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe

proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva 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

20

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 cu

ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la

cald 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 citric

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

II42 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 gameți

de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite)

21

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

FigII414 Filtrul cu fibre de sticlă

(1 ndash placă perforată 2 ndash plasă de sacircrmă 3 ndash garnitură de cauciuc 4 ndash material

filtrant 5 - rama)

Este alcătuit dintr-un strat de material filtrant fixat icircntre două site susținute de două placi

perforate (diametrul perforațiilor este de 07 ndash 08 cm) Filtrul este prevăzut cu manta de

icircncalzire care permite uscarea materialului filtrant sterilizat cu abur direct Acest tip de filtru

indicat pentru industria de biosinteză oferă posibilitatea sterilizării unor debite ridicate de aer

realizarea unui grad avansat de purificare și durată indelungată de funcționare Dezavantajele

filtrului cu fibre sunt operații complicate la schimbarea fibrelor de sticlă (durata 25 ndash 3 ore)

manipularea neplacută a fibrelor de sticlă și anularea efectului de sterilizare după umezirea

materialului fibros

Schema de principiu a liniei de purificare și sterilizare a aerului prin filtrare pe material

fibros este redată icircn figura următoare Conform acestei scheme aerul separat de impurități icircn

filtrul (1) trece prin compresorul (2) unde este comprimat adiabatic la 3-35 at temperatura

crescacircnd la 150 - 160ordmC După racire icircn (3) aerul este introdus icircn separatorul de picături (4)

filtrul principal cu material fibros (5) (prima treaptă de sterilizare) filtrul individual cu

material fibros (a doua treaptă de sterilizare după care pătrunde icircn fermentator

16

Fig II415 Schema de purificare și sterilizare a aerului

Sterilizarea pe material fibros poate fi descrisă printr-un model de curgere prin ocolire

(FigII416) fenomen care impune absența totală a umidității din filtru (prezența umidității

transformă curgerea prin ocolire icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile

filtrante)

FigII416 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 de

ieșire din filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouă

Stabilirea 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 fenomene

impact inerțial intercepție difuzie și atracție electrostatică Analiza cantitativă a procesului de

reținere a particulelor din aer pe filtre de fibre de sticlă a evidențiat că eficacitatea filtrării

depinde de caracteristicile materialului fibros și de parametrii operației de filtrare

[1 110-113]

17

3 Fermentația

Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură cu scopul de a biosintetiza

diverși produși poartă denumirea de fermentație

Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză Ea se realizează

icircn trei etape

- 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 de

zahăr este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

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

intensă agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

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

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

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

dar numai pacircnă la concentrația de 50-60 mg după care scade datorită faptului că

ferocianura la concentrații mari inhibă procesul de creștere a masei celulare și de producere a

acidului citric

Un alt factor care influențează sensibil procesul de fermentație citrice este conținutul de

fosfor a cărui valoare optimă este 25-30 mg Fosforul reglează atacirct procesul de creștere a

18

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

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 acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

Procesul de fermentație citrică fiind aerob consumul de aer steril este de 1-15L aer pentru

un 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 se

realizează la 36-42degC după care temperatura se coboară la 34-36degC și se menține la această

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

scade la 30-32degC 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

kcalm3h 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 II417)

FigII417 Variația concentrației acidului citric și a efectului termic icircn procesul de

fermentație

19

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 sa

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

valori de 105-106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectă

concordanță cu acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare se

consumă 10-15 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 conținutul

acesatiua 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 80-95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime 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 1 L aer pentru 1

L mediu și minut

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 icircn

industria 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 pentru

separarea acidului citric cristalin Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe

proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva 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

20

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 cu

ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la

cald 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 citric

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

II42 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 gameți

de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite)

21

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

Fig II415 Schema de purificare și sterilizare a aerului

Sterilizarea pe material fibros poate fi descrisă printr-un model de curgere prin ocolire

(FigII416) fenomen care impune absența totală a umidității din filtru (prezența umidității

transformă curgerea prin ocolire icircn curgere prin alunecare anulacircnd total proprietățile

filtrante)

FigII416 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 de

ieșire din filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ordmC temperatura punctului de rouă

Stabilirea 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 fenomene

impact inerțial intercepție difuzie și atracție electrostatică Analiza cantitativă a procesului de

reținere a particulelor din aer pe filtre de fibre de sticlă a evidențiat că eficacitatea filtrării

depinde de caracteristicile materialului fibros și de parametrii operației de filtrare

[1 110-113]

17

3 Fermentația

Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură cu scopul de a biosintetiza

diverși produși poartă denumirea de fermentație

Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză Ea se realizează

icircn trei etape

- 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 de

zahăr este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

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

intensă agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

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

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

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

dar numai pacircnă la concentrația de 50-60 mg după care scade datorită faptului că

ferocianura la concentrații mari inhibă procesul de creștere a masei celulare și de producere a

acidului citric

Un alt factor care influențează sensibil procesul de fermentație citrice este conținutul de

fosfor a cărui valoare optimă este 25-30 mg Fosforul reglează atacirct procesul de creștere a

18

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

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 acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

Procesul de fermentație citrică fiind aerob consumul de aer steril este de 1-15L aer pentru

un 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 se

realizează la 36-42degC după care temperatura se coboară la 34-36degC și se menține la această

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

scade la 30-32degC 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

kcalm3h 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 II417)

FigII417 Variația concentrației acidului citric și a efectului termic icircn procesul de

fermentație

19

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 sa

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

valori de 105-106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectă

concordanță cu acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare se

consumă 10-15 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 conținutul

acesatiua 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 80-95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime 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 1 L aer pentru 1

L mediu și minut

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 icircn

industria 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 pentru

separarea acidului citric cristalin Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe

proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva 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

20

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 cu

ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la

cald 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 citric

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

II42 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 gameți

de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite)

21

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

3 Fermentația

Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură cu scopul de a biosintetiza

diverși produși poartă denumirea de fermentație

Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză Ea se realizează

icircn trei etape

- 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 de

zahăr este consumat pacircnă la aproximativ 50 din valoarea inițială

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

intensă agitare la temperatura de 29 - 32ordmC

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

a melasei pentru fermentația citrică Icircn general melasele rezultate din industria zahărului

conțin 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 cu

ferocianură 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 se

răcește și se diluează cu apă pacircnă ce concentrația icircn zahăr devine 15

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

dar numai pacircnă la concentrația de 50-60 mg după care scade datorită faptului că

ferocianura la concentrații mari inhibă procesul de creștere a masei celulare și de producere a

acidului citric

Un alt factor care influențează sensibil procesul de fermentație citrice este conținutul de

fosfor a cărui valoare optimă este 25-30 mg Fosforul reglează atacirct procesul de creștere a

18

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

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 acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

Procesul de fermentație citrică fiind aerob consumul de aer steril este de 1-15L aer pentru

un 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 se

realizează la 36-42degC după care temperatura se coboară la 34-36degC și se menține la această

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

scade la 30-32degC 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

kcalm3h 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 II417)

FigII417 Variația concentrației acidului citric și a efectului termic icircn procesul de

fermentație

19

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 sa

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

valori de 105-106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectă

concordanță cu acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare se

consumă 10-15 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 conținutul

acesatiua 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 80-95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime 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 1 L aer pentru 1

L mediu și minut

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 icircn

industria 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 pentru

separarea acidului citric cristalin Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe

proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva 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

20

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 cu

ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la

cald 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 citric

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

II42 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 gameți

de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite)

21

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

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

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 acidului

citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot sulf și microelemente

Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb iar microelementele se adaugă la

prepararea mediului Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente

dar o parte din ele se separă odată cu fierul Dintre microelemente nu trebuie să lipsească

zincul cadmiul aluminiul cuprul și magneziul

Procesul de fermentație citrică fiind aerob consumul de aer steril este de 1-15L aer pentru

un 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 se

realizează la 36-42degC după care temperatura se coboară la 34-36degC și se menține la această

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

scade la 30-32degC 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

kcalm3h 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 II417)

FigII417 Variația concentrației acidului citric și a efectului termic icircn procesul de

fermentație

19

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 sa

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

valori de 105-106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectă

concordanță cu acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare se

consumă 10-15 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 conținutul

acesatiua 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 80-95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime 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 1 L aer pentru 1

L mediu și minut

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 icircn

industria 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 pentru

separarea acidului citric cristalin Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe

proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva 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

20

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 cu

ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la

cald 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 citric

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

II42 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 gameți

de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite)

21

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

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 sa

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

valori de 105-106 gm3h De asemenea consumul de zahăr din biomasă este icircn perfectă

concordanță cu acumularea acidului citric icircn perioada de creștere a masei celulare se

consumă 10-15 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 conținutul

acesatiua 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 80-95

Procesul de fermentație se realizează prin fermentație icircn profunzime 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 1 L aer pentru 1

L mediu și minut

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 icircn

industria 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 pentru

separarea acidului citric cristalin Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe

proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva 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

20

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 cu

ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la

cald 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 citric

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

II42 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 gameți

de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite)

21

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

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 cu

ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la

cald 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 citric

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

II42 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 gameți

de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite)

21

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate nefavorabile ale

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

presiune osmotică uscăciune etc Au structura celulară de tip eucariot

Fig nr II421 Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri

Structura internă

Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de

mucegai Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal

Icircn general icircn structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice

celor mai multe eucariote peretele celular (hifal) membrană plasmatică citoplasmă și

constituenții citoplasmici și nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid icircn structura căruia intră chitină celuloză

polizaharide și unii acizi grași Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel

care participă la formarea septului hifal

Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important

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

mediu icircn celulă și din celulă icircn mediu

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

vacuolele picături de grăsimi numeroase granule de incluziuni și particule Icircn citoplasmă se

găsesc de asemenea reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat aparatul Golgi

22

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

mitocondrii ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi formațiuni

structurale cu rol icircn liza unor substanțe

Fiziologie și metabolism

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

medii bogate icircn substanțe organice

Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică alcooli și acizi

organici Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică iar unele

specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții

Fungii cresc bine icircn atmosferă umedă iar pH-ul lor optim este 5-6 Sunt microorganisme

cu capacitate biosintetică mare putacircnd sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide

Lipide acizi organici pigmenți substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active

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

necesitacircnd 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 creștere

fără 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 de

substanțe mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați icircn industria

alimentară fiind factorii principali icircn obținerea unor bracircnzeturi producerea unor antibiotice

dar 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 kgm 3 la

77 su și de 1420 kgm3 la 84 su

Vacircscozitate cuprinsă icircntre 13Cp si 19 Cp

Caldură specifică 05 kcalkgK

23

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

In compoziția melasei intră 45divide52 zaharoză 14divide18 apă iar restul este reprezentat de

substanțe organice și minerale

II43 Mecanismul reacțiilor biochimice

Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul

de Aspergillus niger este prezentat icircn figura II431

Prezența icircn 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

Icircn procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger icircn vederea obținerii acidului citric

se folosesc medii de cultiră 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

Ciclul Krebs

constantelor V și Km icircn funcție de variația concentrației substratului și de valorile exp

erimentale ale vitezei de formare a produsului

24

25