Upload
maria-ursu
View
74
Download
8
Tags:
Embed Size (px)
DESCRIPTION
referat
Citation preview
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
25
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
25
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
25
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
25
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
25
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
25
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
25
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
25
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
25
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
25
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
25
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
25
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
25
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
25
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
25
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
25
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
25
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
25
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
25
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
25
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
25