Chủ Đề báo cáo thu hoạch về quy trình và thuyết minh quy trình sản xuất acid citric

Tính chất Một vài tính chất vật lý của acid citric được liệt kê ở bảng trên, tính acid của nó là do ảnh hưởng của nhóm carboxyl -COOH, mà mỗi nhóm carboxyl có thể cho di một proton để tạ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA

- -PHIẾU GIAO BÀI TẬP NHÓM 9 MÔN: CÔNG NGHỆ LÊN MEN

Chủ đề: BÁO CÁO THU HOẠCH VỀ QUY TRÌNH VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH SẢN XUẤT ACID CITRIC

Lớp: CNTP02-K16 Giáo viên hướng dẫn: TS Đỗ Thị Hạnh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Trọng

Đoàn Minh Tuấn Hoàng Văn Tuấn Nguyễn Anh Tuấn Nguyễn Anh Tuấn Trần Mạnh Tuấn

Lê Đức Hoàng Tùng Phan Thanh Tùng Đào Thị Tuyết

Mục lục

Mục lục 1

1 Tổng quan về acid citric 2

1.1 Giới thiệu về acid citric 2

1.2 Tính chất 2

1.3 Lịch sử 3

1.4 Ứng dụng 4

1.5 Thông tin về an toàn 5

2 Yêu cầu đối với nguyên liệu lên men acid citric 5

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất acid citric 5

3.1 Vi sinh vật 5

3.2 Nguyên liệu 6

3.3 Môi trường dinh dưỡng 6

3.4 PH môi trường 6

3.5 Sự thoáng khí 7

4 Quy trình sản xuất axit Citric 7

5 Thuyết minh quy trình 8

5.1 Công nghệ sản xuất acid citric 8

5.1.1 Nuôi cấy nấm mốc (nuôi cấy trong phòng thí nghiệm và nhân giống trong sản xuất) 8

5.1.2 Chuẩn bị dịch lên men 8

5.1.3 Lên men 9

5.1.4 Tách nấm mốc 9

5.1.5 Tạo canxi citrat 9

5.1.6 Tách canxi citrat 10

5.1.7 Sấy dung dịch acid citric trong thiết bị sấy chân không 11

5.1.8 Kết tinh và sấy khô acid citric 11

5.2 Sản xuất acid citric bằng nấm mốc Aspergillus niger 11

5.2.1 Môi trường lên men 11

5.2.2 Thu hồi và tinh chế acid citric 12

1 Tổng quan về acid citric

1.1 Giới thiệu về acid citric

Acid citric là một axít hữu cơ thuộc loại yếu và nó thường được tìm thấy trong

các loại trái cây thuộc họ cam quít Nó là chất bảo quản thực phẩm tự nhiên và thường

được thêm vào thức ăn và đồ uống để làm vị chua Ở lĩnh vực hóa sinh thì axít citric

đóng một vai trò trung gian vô cùng quan trọng trong chu trình axít citric của quá trình

trao đổi chất xảy ra trong tất cả các vật thể sống Ngoài ra axít citric còn đóng vai trò

như là một chất tẩy rửa, an toàn đối với môi trường và đồng thời là tác nhân chống oxy

hóa

Acid citric có mặt trong nhiều loại trái cây và rau quả nhưng trong trái chanh thì

hàm lượng của nó được tìm thấy nhiều nhất, theo ước tính acid citric chiếm khoảng

8% khối lượng khô của trái chanh

1.2 Tính chất

Một vài tính chất vật lý của acid citric được liệt kê ở bảng trên, tính acid của nó

là do ảnh hưởng của nhóm carboxyl( -COOH), mà mỗi nhóm carboxyl có thể cho di

một proton để tạo thành ion citrat Các muối citrat dùng làm dung dịch đệm rất tốt để

hạn chế sự thay đổi pH của các dung dịch axít

Các ion citrat kết hợp với các ion kim loại để tạo thành muối, phổ biến nhất là

muối Canxi Citrat dùng làm chất bảo quản và giữ vị cho thực phẩm Bên cạnh đó ion

citrat có thể kết hợp với các ion kim loại tạo thành các phức dùng làm chất bảo quản

và làm mềm nước Ở nhiệt độ phòng thì axít citric tồn tại ở dạng tinh thể màu trắng

dạng bột hoặc ở dạng khan hay là dạng monohydrat có chứa một phân tử nước trong

mỗi phân tử của axít citric Dạng khan thu được khi axít citric kết tinh trong nước

nóng, trái lại dạng monohydrat lại kết tinh trong nước lạnh Ở nhiệt độ trên 74°C dạng

monohydrat sẽ chuyển sang dạng khan

Về mặt hóa học thì axít citric cũng có tính chất tương tự như các axít carboxylic

khác Khi nhiệt độ trên 175°C thì nó phân hủy tạo thành CO, và nước

1.3 Lịch sử

Vào thế kỷ thứ 8 nhà giả kim thuật Jabir Ibn Hayyan người Iran đã phát hiện ra

axít citric Các học giả châu Âu thời trung cổ cũng đã biết về axít tự nhiên trong chanh,

những kiến thức sơ bộ về axít này cũng đã được ghi nhận vào thế kỷ XIII Axít Citric

được nhà hóa học người Thụy Sĩ tách được vào năm 1784, ông đã kết tinh được axít

citric từ nước chanh ép Năm 1860 ngành công nghiệp nước ép trái cây của Y đã dựa

công trình sản xuất axít citric vào hoạt động

Năm 1893 C Wehmer đã phát hiện ra rằng nấm mốc cũng có thể tạo nên axit

citric từ đường Sản xuất axít citric theo kiểu vi sinh này đã không dược đưa vào sản

xuất công nghiệp cho đến thế chiến thứ I, do cục xuất khẩu nước hoa quả của Ý bác

bỏ Vào năm 1917 nhà hóa học thực phẩm James Currie người Mỹ đã phát hiện ra rằng

nấm mốc hình sợi có thể dùng để sản xuất axít citric rất hiệu quả Hai năm sau tập

đoàn dược phẩm Pfizer đã ứng dụng kỹ thuật này vào sản xuất axít citric theo qui mô

công nghiệp

1.4 Ứng dụng

Với vai trò là một chất phụ gia thực phẩm, acid citric được dùng làm gia vị,

chất bảo quản thực phẩm và đồ uống, đặc biệt là nước giải khát(E330)

Citric acid có khả năng tạo phức với nhiều kim loại có tác dụng tích cực trong

xà phòng và chất tẩy rửa Bên cạnh đó axít citric còn dùng để sản xuất các chất trao

dổi ion dùng để làm mềm nước bằng cách tách ion kim loại ra khỏi phức Citrat

Acid citric được dùng trong công nghệ sinh học và công nghiệp dược phẩm để

làm sạch ống dẫn thay vì phải dùng acid nitric

Ở Anh, acid citric được dùng làm chất đệm để cho heroin nâu dễ hòa tan hơn

Citric acid là một trong những hóa chất cần thiết cho quá trình tổng hợp

Hexametylen triperoxit diamin (HMDT) là một chất dễ phát nổ giống Axeton peroxit,

nhạy với nhiệt và ma sát

Acid citric cũng được cho vào thành phần của kem để giữ các giọt chất béo tách

biệt Ngoài ra nó cũng được thêm vào nước ép chanh tươi

1.5 Thông tin về an toàn

Citric acid được coi là an toàn sử dụng cho thực phẩm ở các quốc gia trên thế

giới Nó là một thành phần tự nhiên có mặt ở hầu hết các vật thể sống, lượng dư acid

citric sẽ bị chuyển hóa và đào thải khỏi cơ thể

Điều thú vị là mặc dù acid citric có mặt khắp nơi trong cơ thể nhưng vẫn có một

vài trường hợp mẫn cảm với acid citric Tuy nhiên những trường hợp này rất hiếm và

người ta thường gọi đó là phản ứng giả vờ của cơ thể

Acid citric khô có thể làm kích thích da và mắt do đó nên mặc áo bảo hộ khi

tiếp xúc với acid này

2 Yêu cầu đối với nguyên liệu lên men acid citric

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất acid citric

3.1 Vi sinh vật

Vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong quá trình lên men Do đó cần làm

chọn vi sinh vật phù hợp cho quá trình lên men citric, thông thường để quá trình tổng

hợp acid citric xảy ra mạnh thì vi sinh vật phải có khả năng tạo ra acid cao nếu khả

năng tạo ra acid của vi sinh thấp thì không thể sản xuất ra một lượng lớn acid citric

được, mặt khác vi sinh vật phải có khả năng chịu được acid khi lượng acid tăng cao

nếu không trong quá trình lên men acid hình thành lớn vi sinh vật sẽ chết và sẽ ức chế

khả năng tạo acid citric, ngoài ra chủng vi sinh vật sử dụng cần phải ít tạo ra những

acid hữu cơ khác như: acid oxalic, acid gluconic, acid fumaric vì nếu các acid này hình

thành nhiều sẽ gây ảnh hưởng đến chất lượng của acid citric

3.2 Nguyên liệu

Nguyên liệu thích hợp cho sản xuất acid nitric là nguyên liệu chứa nhiều

đường.vi sinh vật sẽ oxi hóa đường để tạo thành acid nitric, Nồng độ axit citric cao

nhất đạt được tiêu phát triển ở môi trường có nồng độ đường ban đầu cao (15 - 20% w/

v), nếu không đủ lượng đường cho vi sinh vật sử dụng thì khả năng tổng hợp acid

nitric kém ngoài ra nguyên liệu phát không lẫn nhiều tạp chất , chất kim loại nặng đặc

biệt là sắt nếu hàm lượng sắt quá giới hạn thì cần loại bỏ

3.3 Môi trường dinh dưỡng

Nấm mốc cần đường, tinh bột và các muối vô cơ Trong điều kiện thường nấm

mốc chỉ phát triển sinh khối tạo ra rất ít axit citric Trong trường hợp tốt trường nhiều

cabon và ít nito (lượng đường 4-20% ,nito 0,07%, ngoài ra còn bổ sung , nạp thêm

nguyên tố khoáng như F Fe, Zn ) thì quá trình tổng hợp axit citric xảy ra mạnh

3.4 PH môi trường

pH thích hợp để tạo thành axit citric 3 - 4 tùy thuộc vào chủng nấm mốc sử

dụng Ta có thể axit hóa môi trường bằng HCL, pH môi trường phụ thuộc vào nguồn

nito Trong quá trình lên men đồ sự tạo thành axit citric nên pH giảm mạnh, vì vậy cần

phải điều chỉnh ph của môi trường cho thích hợp

3.5 Sự thoáng khí

Quá trình oxi hoá cần một lượng lớn oxy, vì vậy cần phải cung cấp không khí

cho quá trình lên men bằng cách thông thoáng khí môi trường Ngoài ra sự thông

thoáng khí còn giảm lượng khí cacbonic trong môi trường

4 Quy trình sản xuất axit Citric

5 Thuyết minh quy trình

5.1 Công nghệ sản xuất acid citric

5.1.1 Nuôi cấy nấm mốc (nuôi cấy trong phòng thí nghiệm và nhân

giống trong sản xuất)

Chuẩn bị dung dịch ri đường 3 4% trong thùng nuôi cấy ở nhiệt độ 35

-38°C Bổ sung dung dịch các chất dinh dưỡng vào thùng nuôi cấy Chuyển men

giống từ phòng thí nghiệm vào theo tỷ lệ 3 gam bào tử khô/Ty 3 lít dung dịch rỉ

đường Sau đó mở cánh khuấy và cung cấp không khi vô trùng (nạp không khi và

đảo trộn suốt quá trình nhân giống) Duy trì áp suất trong thùng 0,1 – 0,2 at, to = 34

– 35°C và thời gian 28 – 36 h Thời kỳ đầu cho oxy vào với lượng 9 – 10 m3/h, thời

kỳ cuối (24 - 30 h) là 90 - 100 m3/h

5.1.2 Chuẩn bị dịch lên men

Trước hết phải dùng hơi cao áp để tiệt trùng thiết bị và đường ống Rỉ đường

được pha thành hai loại nồng độ: nồng độ 3 - 4% để nuôi cấy mốc giống và lên

men ban đầu Nồng độ 25 - 28% để bổ sung trong quá trình lên men Để pha chế

dịch lên men, dùng nước vô trùng trộn với dung dịch các muỗi dinh dưỡng và rỉ

đường rồi khuấy đều Môi trường 3 – 4% được pha chế trong thiết bị lên men Sau

đó cho mốc giống tử thiết bị nuôi cấy vào và tiếp tục khuấy trộn trong 30 phút

5.1.3 Lên men

Trong quá trình lên men, lượng đường giảm nhanh, để bù lại dùng dung

dịch rỉ có nồng độ 25 - 28% để bổ sung gián đoạn vào thiết bị lên men Thời kỳ đầu

giữ ở 33 - 34°C, khi tạo acid mạnh thì giữ ở nhiệt độ 31 - 32°C Thời kỳ đầu cung

cấp 100 m3/h (thể tích thiết bị 50 m ) Thời kỳ cuối 800 - 1000 m3/h

5.1.4 Tách nấm mốc

Kết thúc quá trình lên men bằng cách kiểm tra mẫu Nếu hai mẫu kiểm tra

cách nhau 4 - 6 h mà có độ acid như nhau thì coi như kết thúc quá trình lên men

Thời gian lên men có thể kéo dài 5 - 10 ngày, phụ thuộc vào hoạt lực của nắm mốc

Khi kết thúc quá trình lên men thì đun nóng dịch lên men 60 - 65°C và chuyển vào

thùng trung gian để tách nấm mốc Nấm mốc được tách trên máy lọc chân không

5.1.5 Tạo canxi citrat

Dung dịch đã lên men là hỗn hợp gồm: acid citric, acid gluconic, acid

oxalic, đường không lên men và các hợp chất khoáng

Tách acid citric bằng cách cho liên kết với cation canxi để tạo muối ít tan

canxi citrat Dung dịch đã lên men cho vào thiết bị trung hòa và đun sối Sau đó mở

cánh khuấy và cho sữa vôi vào để trung hòa Quá trình trung hòa được kết thúc khi

pH = 6,8 - 7,5

Khi trung hoà tạo thành:

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

Axit xitric Canxi citrat

2C6H12O7 + Ca(OH)2 Ca(C6H11O7)2 + 2H O₂O

Axit gluconic Canxi gluconat

C H O₂O ₂O 4 + Ca(OH)2→ CaC O₂O 4 + 2H O₂O

Axit oxalic Canxi oxalat

Dùng thiết bị lọc chân không tách các chất kết tủa canxi citrat và canxi

oxalat rồi đem sấy khô

5.1.6 Tách canxi citrat

Dùng H2SO4 để tách canxi citrat (trong thiết bị tách có cảnh khuấy, ống

phun hơi và thoát hơi) Đầu tiên cho nước vào thiết bị 0,25 - 0,5 m3/1 tấn acid citric

chứa trong citrat, mở cánh khuấy và cho chất kết tủa vào Để làm trong acid citric

dùng than hoạt tính với lượng 2% so với lượng acid citric trong citrat Sau đó đem

đun nóng lên 60°C và cho H2SO4 có tỷ trọng 1,8 - 1,84 vào (0,425 lit H2SO4 /1kg

acid citric có trong citrat) Khuấy đều rồi đun sôi 10 – 15 phút

Ca(C6H5O7)2 + 3H2SO4  2C6H3O7+ 3CaSO4

Để tách canxi oxalat khi có mặt acid citric, sử dụng 1 lượng dư acid

sunfuric, khi đó canxi oxalat sẽ kết tủa cùng với thạch cao được tạo thành và lúc đó

trong dung dịch chỉ còn acid citric Để tách dung dịch acid citric khỏi kết tủa có

chứa thạch cao, canxi oxalat, than, các hợp chất sunfua của kim loại nặng Chuyển

hỗn hợp vào lọc chân không, dung dịch sau khi lọc đem sấy

5.1.7 Sấy dung dịch acid citric trong thiết bị sấy chân không

Giai đoạn đầu sẩy đến tỷ trọng 1,24 - 1,26

Giai đoạn hai sấy đến tỷ trọng 1,32 - 1,36 tương ứng với nồng độ 80%

5.1.8 Kết tinh và sấy khô acid citric

Khi nhiệt độ của dung dịch 35 – 37oC thì cho mẩm kết tinh (tinh thể, acid

citric) vào để kết tinh và tiếp tục làm nguội 8 – 10oC và cho khuấy liên tục trong 30

phút Sau đó cho qua thiết bị ly tâm để tách tinh thể rồi đưa đi sẩy khô (dùng thiết

bị sấy kiểu băng tải, tác nhân sấy là không khí với nhiệt độ không quả 35°C)

5.2. Sản xuất acid citric bằng nấm mốc Aspergillus niger

5.2.1 Môi trường lên men

Thực hiện trong điều kiện vô trùng, chuyển bào tử từ giống gốc sang môi

trường Agar

Sau 3 - 6 ngày nuôi cấy ở nhiệt độ 30°C, bào tử được thu hoạch và nuôi cây

trên môi trường tỉnh bột để khoảng 1011 bào tử cho 1cm3 môi trường

Sinh khối có thể được truyền trực tiếp từ nỗi lên men dung tích 10 - 20 cm3 để

tạo giống dạng hạt chứa 1 - 5.105 hạt cho 1 lít môi trưởng Giống dạng hạt được được

tiếp sang môi trường sang môi trường công nghiệp với nồng độ 5-10% (v/v)

Nhiệt độ lên men trong khoảng 28 - 35°C

pH môi trường cần được khống chế ở giá trị 2,2 - 2,6 bằng việc bổ sung kiềm

NH3

Với tốc độ sinh acid citric trong lên men công nghiệp nằm mốc sẽ có nhu cầu

oxy là 0,3 - 0,5 kgm-3h-1

pH thấp và nồng độ oxy hoà tan cao đóng vai trò quyết định

pH quá thấp sẽ hạn chế sinh tổng hợp acid citric

Quá trình bọt được khống chế bằng việc bổ sung các chất phá bọt

5.2.2 Thu hồi và tinh chế acid citric

Thu hồi acid citric có thể được thực hiện 1 trong 3 phương pháp:

• Kết tinh trực tiếp khi cô đặc dịch lọc

• Kết tủa ở dạng tetrahydrate citrat canxi

• Chiết pha lỏng

Phương pháp phổ biển nhất là kết tủa citrat

Sinh khối nấm và các chất không tan được lọc dùng hệ thống lọc băng liên tục

Canxi citrat được kết tủa từ dịch lọc bằng cách bổ sung canxi hydroxit

• Ở nhiệt độ 70C, sản phẩm chủ yếu là tricancium citrate tetrahydrat vô định

hình

• Ở nhiệt độ 90C, sản phẩm chủ yếu lại là dicancium hydro citrate tetrahydrat

tinh thể

Lượng acid citric còn sót lại trong dịch lọc có thể được kết tủa một lần nữa

bằng cách bổ sung thêm với cho tới khi pH đạt giá trị 5,8

Phần kết tòa được lọc tiếp bằng một băng lọc khác và phần dịch lọc loại bỏ

Kết tủa ở dạng dicancium hydro citrate sử dụng ít cancihydroxit hơn và tương

tự như vậy cũng cần it acid sunfuric hơn trong quá trình chuyển hoá tiếp theo Việc rửa

phần kết tủa nhân loại bỏ các tạp chất bàm theo như đường, protein

Các tỉnh thể sau khi rửa và acid sulfuric 98% được đồng thời vào hỗn hợp chứa

40% acid citric và tủa dihydrat sulphate canxi

Dịch lọc được xử lí loại màu bằng than hoạt tính Sau đó các ion kim loại, sulfat

canci còn sót được loại bỏ bởi cột trao đổi cation mạnh và anion yếu Dung dịch sau

đó được cô tới nồng độ 700 kgm-3 và chuyển vào hệ thống kết tinh chân không hoạt

động ở nhiệt độ 35°C hoặc 62°C

Tinh thể acid citric được tách bằng ly tâm và làm khô trong hệ thống sấy tầng

sôi 2 giai đoạn

Giai đoạn đầu sử dụng khí nóng 90°C và giai đoạn 2 sử dụng khi ở nhiệt độ

20°C với độ ẩm tương đối là 30 – 40%

Khoảng 20% dịch gốc được hoả loãng với nước rửa thiết bị, loại màu, và

chuyển ngược về bước xử lí bằng canci hydroxit, Phần còn lại của dịch gốc được loại

kháng, loại màu và quay về bộ phận kết tinh

Trong quy trình tách chiết pha lỏng, acid citric được tách từ dịch lên men sử

dụng hỗn hợp trilauryl amine, n-octan và C10 hoặc C11 isoparafin

Dịch chiết được gia nhiệt và rửa bằng nước theo chiều ngược và tạo sản phẩm

là acid citric Dịch thu acid sau đó được xử lí bằng cột than hoạt tính, cô đặc và kết

tinh như trong quy trình