تولید اسید سیتریک از کاه گندم به روش تخمیر حالت جامد

تولید اسیدهای آلی به دلیل کاربرد وسیع آنها در صنایع مختلف از دیرباز مورد مطالعه و بررسی بوده است.

از جمله اسیدهای آلی مورد استفاده، اسید سیتریک است که دارای مصارف متعددی در صنایع غذایی، دارویی، بهداشتی و سایر صنایع می‌باشد که به دلیل غیرسمی بودن، اسیدیته مناسب، قابلیت بافری و . . .  هر سال به مقدار %2-3 بر میزان مصرف آن افزوده می‌گردد.

از اولین کشورهایی که در این زمینه تلاش کردند، ایتالیا، آمریکا، انگلستان و چند کشور اروپایی بودند که در قرون 18 و 19 به روش شیمیایی اقدام به این عمل نمودند و تقریباً از اوایل قرن 20 روشهای بیوتکنولوژی در سراسر دنیا رایج شدند که هنوز هم کاربرد دارند.

ابتدا روش بستر جامد برای تولید آن استفاده می‌شد ولی به تدریج روش غوطه وری جایگزین روشهای قبلی شد زیرا در روش غوطه‌وری کنترل بهتر و آسانتر صورت گرفته و نیز شرایط کار بهتر و راندمان بیشتر می‌باشد. مجدداً پس از طی چند دهه روش بستر جامد برای تولید این اسید به دلیل امکان استفاده از ضایعات فراوان و ارزان کشاورزی به عنوان سوبسترا رواج یافت. به هر حال در سالهای اخیر تلاشهای فراوانی برای اصلاح گونه‌های میکروبی مولد اسید سیتریک مخصوصاً آسپرژیلوس نایجر صورت گرفته و از جهت افزایش راندمان تولید و استخراج اسید نیز مورد توجه بوده است.

پیشینه

این اسید اولین بار در سال 1784 توسط Scheel از آبلیمو جداسازی و کریستالیه شد. اولین بار به طور تجاری در سال 1826 توسط John و Edmond sturge در انگلستان تولید گردید. در سال 1869 در انگلستان از کلسیم سیتریت وارده در ایتالیا تهیه گردید. سیترات کلسیم را یک کارتل دولتی ایتالیا به نرخ بالایی فروخته بود. این قیمت بالا توسعه خرید سیترات کلسیم و تولید اسید سیتریک را به تعویق انداخت. در سال 1880 اسید سیرتیک توسط Adam و Grimux سنتز شد. از آن زمان تا حال روشهای سنتزی متعددی ارائه شده‌اند که هیچ کدام به تولید صنعتی نرسیده‌اند و دلیل آن بازدهی کم و عدم توجیه اقتصادی این روشها نسبت به سایر روشهای تولید است. شروع تولید اسید سیتریک به روش تخمیر به سال 1893 بر می گردد. زمانی که wehmer (گیاه‌شناسی آلمانی) تشخیص داد که اسید سیتریک متابولیت کپکهای سیترومایسس ففریا نیز (citromyces pfefferionis) و سیترومایسس گلابر (glaber) است.

کوشش های زیاد wehmer برای تولید اسید سیتریک ناموفق بوده‌اند تا اینکه کوری در سال 1917 تولید انبوه اسید سیتریک به روش تخمیر سطحی را با آسپرژیلوس نایجر پایه‌گذاری کرد. بعداً کوری به چاس فیرز پیوست و در سال 1923 کارخانه تولید اسید سیتریک به روش جدید را راه‌اندازی کردند. این تخمیر با رشد میکروارگانیسم به صورت کشت سطحی همراه بود. تولید میکروبی اسید سیتریک با روش کشت سطحی ادامه یافت تا اینکه اولین بار در سال 1951 فرآیند تخمیر غوطه‌وری پیشرفته در ایالت متحده امریکا توسعه داده شد. ابداع این فرآیند تحول عمده ای در تولید اسید سیتریک ایجاد کرد.

خواص فیزیکی اسید سیتریک

اسید سیتریک بی‌آب به صورت کریستالهای شفاف بی‌رنگ یا پودر کریستالی سفید است که به طبقه بلورهای منظم الاضلاع سیستم حاوی سه محور غیرمساوی با تقاطع اریب تعلق دارد. هر دو شکل تحت شرایط رطوبت معمولی وجود دارند، آبگیری از شکل تک آبه در هوای خیلی خشک اتفاق می افتد و تحت خلأ در حضور اسید سولفوریک غلیظ این عمل سریعتر رخ می دهد. بلورهای بدون آب به تدریج در هوای مرطوب، آب را جذب می نمایند.

خواص شیمیایی اسید سیتریک

اسید سیتریک در دمای  با از دست دادن آب به شکل اسید آکونیتیک  و با حذف دی اکسید کربن به انیدرید ایتاکونیک تبدیل می شود. انیدرید ایتاکونیک به انیدرید سیتراکونیک باز آرایی می‌‌شود یا با آبگیری به شکل اسید ایتاکونیک در می‌آید.

کاربرد اسید سیتریک

همانطور که اشاره شد، اسید سیتریک به دو شکل بدون آب و یک آبه تولید می شود. دمای انتقال بین دو فر م  است. شکل بدون آب توسط کریستالیزاسیون از محلولهای آبی داغ بدست می‌آید، در حالیکه شکل یک آبه توسط کریستالیزاسیون در دمای کمتر از  بدست می آید. هر دو صورت در صنعت مصرف می شوند. میزان کاربردهای اسید سیتریک در صنایع مختلف عبارتند از : غذا، شیرینی و نوشابه‌سازی 75% ، داروسازی 10% و سایر صنایع 15% و در غذا، شیرینی و نوشابه‌سازی  بیشتر مصرف داشته و به طور وسیع برای ترشی کردن فرآورده‌های غذایی استفاده می‌شود. میزان استفاده از آن به عنوان پایدار کننده روغنها و چربیها منجر می‌شود. از محلول اسید سیتریک در تمیز کردن بویلرهای ایستگاه قدرت و تجهیزات مشابه استفاده می‌شود. جایی که در شوینده‌ها روی فسفات محدودیت وجود دارد، تری سدیم سیترات در تمیز کننده‌های ویژه و آبهای سخت جایگزین می شود. سیترات آمونیوم آهن هنوز در درمان  کم خونی استفاده می‌شود، اگر چه سایر نمکهای آهن به طور فزاینده‌ای ترجیح دارند. مخلوطی از اسید سیتریک و نمکهای آن دارای ظرفیت بافری خوبی هستند و بوفور در داروسازی، صنایع غذایی و آرایشی استفاده می‌شوند. برای حذف دی اکسید گوگرد خارج شده از دودکش ایستگاههای قدرت پیشنهاد شده از اسید سیتریک استفاده شود. محلول بافری شامل نمک سیترات به عنوان یک عامل ضدعفونی کننده مورد استفاده قرار می گیرد. استرهای اسید سیتریک حاصل از واکنش با طیف وسیعی از الکلها شناخته شده‌اند. بویژه استرهای تری اتیل، تری بوتیل و استیل تری بوتیل به عنوان نرم‌کننده‌های غیرسمی در روکشهای پلاستیکی برای محافظت مواد غذایی استفاده می شود.

مشتقات اسید سیتریک

• نمک ها
• استرها

نقش فیزیولوژیکی اسید سیتریک

اسید سیتریک متابولیت چرخه کربس است. در طی این چرخه کربوهیدراتها، چربیها، پروتئین‌ها به دی اکسید کربن و آب تبدیل می‌شوند. ضمناً این چرخه انرژی لازم برای رشد، تولید مثل، حرکت، تولید شیمیایی مواد و . . . . میکروارگانیسمها را فراهم می‌کند. چرخه کربس را می توان طوری هدایت کرد که در آن تولید اسید سیتریک به بیشترین مقدار خودش برسد. این موضوع اساس فرآیندهای تخمیری تولید اسید سیتریک را تشکیل می دهد.

بیوشیمی تخمیر

شکل (2-1) یک روند ساده شده از انواع واکنشهای آنزیمی متناسب با سنتز و شکستن اسید سیتریک را نشان می‌دهد. اسید سیتریک در محیطهای کشت با PH=1.8-2  دفع و تولید می شود. یعنی در شرایط اسیدی که اکثر موجودات زنده قادر به تحمل آن نیستند. در مورد PH درون میتوکندری یا حتی سلول میکروارگانیسمهایی که در این محیط زندگی می کنند، اطلاع زیادی در دست نیست ولی برای رفع این تناقض تفاسیری وجود دارد. Blumenthal در سال 1965 مسیرهای متابولیک مختلف قارچها را توضیح داده است. در آسپرژیلوس نایجر %78 از قند مصرفی در مسیر (EMP) Embden- Meyerhof- Parans مصرف می‌شود. در محیط تخمیر اسید ستیریک ، این درصد تغییر می نماید.

M.O های مولد اسید سیتریک

اسید سیتریک به میزان فراوانی توسط A.niger،  برخی از مخمرها و باکتریها تولید می‌شود. این یک پدیده طبیعی در این موجودات نیست، بلکه تحت برخی از فشارهای متابولیکی در طی رشد میکروب، این اسید بدست می‌آید و البته انتخاب سویه‌های مناسب و بدست آوردن موتانهایی که متابولیسم آنها مستعد برای تولید اسید سیتریک می باشد، به این مسأله کمک می‌کند. بیشتر آزمایشات و تحقیقات انجام شده در تولید اسید بر روی محیطهای مناسب رشد و نمو A.niger انجام شده است. این آزمایشات با استفاده از بررسی نیازهای غذایی M.O و روشهای مؤثر در بهبود فعالیتهای آنزیمهای حیاتی آن در مراحل متعدد تخمیر انجام گرفته است.

تعریف کشت حالت جامد

ارائه تعریف واحد و دقیقی از کشت حالت جام مشکل است. مویانگ و همکاران در سال 1983 این واژه را چنین توصیف کردند: به تمامی فرآیندهایی که در آنها M.oها از مواد نامحلول در آب، در شرایط بدون حضور آب آزاد استفاده می‌کنند، کشت حالت جامد گفته میشود. با افزایش میزان مولکولهای آزاد آب، کشت از حالت جامد به حالت دوغابی و سپس به حالت سوسپانسیونی از ذرات جامد تبدیل می‌شود. در کشت حالت جامد، رطوبت به طور جذب شده، کمپلکس در شبکه جامد یا در حالت پیوند با مواد جامد است. در این نوع کشت نمی‌توان مرز مشخصی برای میزان آب آزاد موجود. معین کرد. حد نهایی مقدار رطوبت، تابعی از قدرت جذب سوبسترا است.

مراحل اصلی فرآیند کشت حالت جامد

معمولاً تمامی فرآیندهای کشت حالت جامد مراحل یکسانی دارند که آنها را به ترتیب زیر بیان می‌کنیم:

1. مرحله آماده‌سازی مواد خام جامد
2. مرحله پخت (که سوبسترا را  سترون یا حداقل پاستوریره کند)
3. تهیه مایه تلقیح مناسب با روشهای سنتی یا روشهای کشت خالص
4. انجام تلقیح روی جامد مرطوب (سوبسترا)
5. گرماگذاری در شرایط کشت مناسب
6. برقراری شرایط بهینه و نگهداری آن در حد ممکن
7. برداشت محصول به صورت ماده جامد مرطوب
8. خشک کردن ماده جامد مرطوب یا استخراج محصول از مواد جامد

• دیباچه – 1

فصل اول: شناخت کلی اسید سیتریک – 2

• مقدمه – 3
  • پیشینه – 4
  • سوبستراهای استفاده شده بای تولید اسید سیتریک – 6
  • خواص فیزیکی اسید سیتریک – 7
  • خواص شیمیایی اسید سیتریک – 11
  • منابع طبیعی اسید سیتریک – 13
  • کاربرد اسید سیتریک – 15
  • مشتقات اسید سیتریک – 20
• 1-7-1) نمکها – 20
• 1-7-2) استرها – 21

فصل دوم: بیوشیمی تخمیر و متابولیسم تولید اسید سیتریک – 23

• 2-1) بیوشیمی تخمیر – 24
• 2-2) بیو شیمی تخمیر – 24
• 2-2-1) تشکیل اسید سیتریک از پیرووات – 27

فصل سوم: روشهای تولید اسید سیتریک – 31

• 3-1) O های مولد اسید سیتریک – 32
• 3-1-1) مخمرها – 33
• 3-1-2) آسپرژیلوس نایجر – 33
• 3-1-2-1) روش جداسازی سویه niger مولد اسید سیتریک – 34
• 3-1-2-2) شناسایی اختصاصی niger – 35
• 3-2) روش کشت سطحی – 37
• 3-3) روش کشت غوطه‌ور – 37
• 3-4) تخمیر در بستر جامد – 38
• 3-4-1) روش تخمیر کوجی – 38
• 3-5) تأثیر شرایط محیطی بر تولید اسید سیتریک – 39
• 3-5-1) شرایط تغذیه‌ای niger – 39
• 3-5-2) تأثیر فلزات trace در تولید اسید سیتریک – 40
• 3-5-3) تأثیر نیتروژن و فسفر در تولید اسید سیتریک – 40
• 3-5-4) تأثیر متانول در تولید اسید سیتریک – 41

فصل چهارم: تخمیر در بستر جامد (SSF) – 42

• 4-1) تعریف کشت حالت جامد – 43
• 4-2) تفاوتهای اساسی بین کشت حالت جامد و کشت غوطه ور – 44
• 4-3) مقایسه کشت حالت جامد با سایر فرآیندهای تخمیری – 46
• 4-4) مزایایی سیستم کشت حالت جامد – 48
• 4-5) معایب سیستم کشت حالت جامد – 48
• 4-6) مراحل اصلی فرآیند کشت حالت جامد – 49
• 4-7) پارامترهای مؤثر بر فرایند SSF در تولید اسید سیتریک – 50

فصل پنجم: کاه گندم – 52

• 5-1) تعریف کاه و ویژگیهای ساختاری – 53
• 5-1-1) کربوهیدراتهای ساختمانی – 54
• 5-1-1-1) سلولز – 54
• 5-1-1-2) همی سلولز – 55
• 5-1-1-2) لیگنین – 55
• 5-2) ترکیب شیمیایی کاه گندم – 59
• 5-3) پیش تیمار (Pretreatment) کاه گندم – 59
• 5-3-1) روشهای فیزیکی پیش تیمار کاه گندم – 60
• 5-3-1-1) پیش تیمار کاه گندم با بخار – 60
• 5-3-2) روشهای شیمیایی پیش تیمار کاه گندم – 61
• 5-3-2-1) پیش تیمار کاه با اوره – 63
• 5-3-3) پیش تیمار بیولوژیکی کاه گندم – 63

فصل ششم: جداسازی و خالص‌سازی اسید سیتریک – 64

• 6-1) استخراج اسید سیتریک – 65
• 6-1-1) فروشویی (Leaching) – 65
• 6-1-2) روش رسوبگیری – 66
• 6-1-3) روش استفاده از استخراج با حلال – 68
• 6-1-4) روش استفاده از غشاء – 69
• 6-1-5) مقایسه بین روشهای مختلف جداسازی اسید – 70
• 6-2) خالص سازی اسید سیتریک – 71

فصل هفتم: بررسی جنبه اقتصادی – 73

• 7-1) کشورهای عمده‌ تولید کننده و مصرف کننده محصول – 74
• 7-2) اهمیت اقتصادی طرح – 74
• 7-3) میزان واردات اسید سیتریک – 75
• 7-4) واحدهای تولیدی و واحدهای در دست اجرای اسید سیتریک – 78
• منابع مورد استفاده – 81

منابع

1. بیوتکنولوژی- میکروبیولوژی صنعتی، تألیف:‌ ولف کروگر- آنالیز کروگر، مترجمان: دکترسید علی مرتضوی- مهندس مهدی کریمی- مهندس رسول کدخدایی- مهندس سعید رحیمی یزدی، انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد.
2. میکروبیولوژی صنعتی، تألیف: اختر الملوک کاظمی و سیری (1372) دانشگاه صنعتی شریف.
3. بیوتکنولوژی صنعتی، تألیف: دکتر سید عباس شجاع الساداتی، دانشگاه تربیت مدرس
4. مبانی بیوتکنولوژی و میکروب‌شناسی صنعتی، تألیف:‌ دکتر حسن لامع و دکتر محمد رضا احسانی، دانشگاه آزاد اسلامی (1375)
5. بیوتکنولوژی میکروبی، تألیف: محمد رضا صعودی، دکتر فریدون ملک زاده، دکتر شیرین ملک زاده، دانشگاه تهران (1380)
6. تکنولوژی آماده‌سازی و نگهداری غلات، تألف:‌ دکتر ناصر رجب زاده (1375)
7. مبانی فناوری غلات، تألیف دکتر ناصر رجب زاده، دانشگاه تهران (1380)
8. غلات      تألیف: ناصر خدا بنده           دانشگاه تهران
9. گندم        تألیف:‌ هادی کریمی
10. سالنامه آمار بازرگانی خارجی جمهوری اسلامی ایران سالهای 82-1377
11. آمار وزارت صنایع (1383)، وزارت صنایع تهران
12. سید صفاعلی فاطمی، سید عباس شجاع الساداتی، «بهینه‌سازی تولید اسید سیتریک با استفاده از طراحی آزمایشها در روش تخمیر حالت جامد با بکارگیری A.niger،‌ دانشگاه تربیت مدرس، امیر کبیر، سال یازدهم، شماره 43.
13. سید صفا علی فاطمی، سید عباس شجاع الساداتی،‌ «تولید اسید سیتریک از تفاله سیب با استفاده از تخمیر حالت جامد، مقالات علمی پژوهشی،‌ سال هجدهم ، شماره یک و دو (1378)
14. Y.D. Hang, E. E. Woodams, “A process for leaching citric acid from apple pomace fermented with A.nigr in SSF”, MIRCEN jornal, (1989), 5, 379-382.
15. Y.D. Hang, E. E. Woodams, “Solid state fermentation of apple pomace for citric acid production.” MIRCEN jornal, (1986), 2, 283-287
16. S.A. shojaosadati, V. Babaeipour. “Citric acid production from apple pomace in multi- layer Packed bed solid- state bioreactor.”, process Biochemistry 37. (2002), 909-914.
17. W.Q.XU, Y.D. Hang, “Roller culture techni que for citric acid production by A.niger”, process Biochemistry, (1988)
18. Y.D. Hang. “Microbial production of citric acid in fixed- bed column. Bioreactors”, Biotechnology letters, Vol 10, No.6 421-426 (1988)
19. Y. D/ Hang, E.E. woodams, “utilization of grape pomace for citric acid production by SSF.” , Am.j Enol.vitic, vol/.37 , No.2, (1986)
20. Y.D. Hang, E.E. woodams, ‘production of cirtic acid from corncobs. By A.niger”. , Bioresource technology 65 (1998) 251-253.
21. T. Roukas, P. Kotze kidou, ‘Pretreat ment of date syrup to increase citric acid production”. Enzyme and Microbial technology 21, 273-276 (1997) .
22. Al- obaidi, “The use of deionised date syrup as a substrate for citric acid production.”, Biote chnology letters, (1979), 1, 153-158.
23. V.S. shankaranad, B. K. Lonsane, “coffee- husk; an inexpen sive subtrate for production of citric acid by A.niger in SSF.”, Jornal of microbiology & Biotechnology 10, 165-168, (1994)
24. P.S. randenberghe, C. R. soccol, A. pandey, J. M. Lebeault, “SSF for the synthesis of citric acid by A.niger.”,  Bioresource Technology 74, (2000), 175-178
25. S.K. Khare, Krishna Jha, A.P. Gandhi, ‘citric acid production from okaraybg SSF.”, Biore source Teehnology 54 (1995), 323-325.
26. M. Y. Lu, I. S. Maddox, J. D. Brooks, “Application of a multi- Layer Packed- bed reactor to citric acid production in SSF using A. niger.”, process Biochemistry, vol. 33, No.2 PP.117-123, (1998)
27. M.Y. Lu, j.P. Brooks, I. S. Maddox, ‘citric acid production by SSF in a packed – bed reactor using A.niger.”, Enzyme and Microbial Technology 21, 392-397, (1997)
28. T. Roukas, P. Kotzekidou, “production of citric acid from Brewery wastes by surface fenmentation using A.niger.”, journal of food science- 225, vol. 51 No. 1, (1986)
29. T. Roukas, E. Alichanidis, “citric acid production from beet molasses by cell recycle of A.niger,”, Indus trial Micobiology, 7 (1991), 71-74.
30. G.N. Q azi, C. N. Gaind, S.K. chaturred, “pilot – scale citric acid production with A.niger under several conditions.”, jornal of fermentation and bioengineering, vel. 69, No. 1,72 – 74, (1990)
31. اطلاعات اولیه مورد نیاز طرح تولید اسید سیتریک،‌ وزارت صنایع،‌ معاونت توسعه صنعتی ، میترا رزمجو (1377)
32. قارچ شناسی پزشکی، تألیف: دکتر مسعود امامی، دکتر پریوش کردبچه،‌ دکتر مهین مقدمی،‌ دکتر فریده زینی، انتشارات دانشگاه تهران،‌ (1373).