Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Được xem là một chất bảo quân tự nhiên và cũng như được sử dụng để bổ sung vị chua cho thực phẩm hay các loại nước ngọt. Acid citric là một trong những loại acid hữu cơ có nhiều ứng dụng gần gũi trong đời sống và bên đó là ứng dụng khá nhiều của acid citric trong công nghiệp. Trong sinh hoá, là tác nhân trung gian quan. Vì thể xuất hiện trong trao đổi chất của gần như mọi sinh vật, được coi là tác nhân làm sạch tốt về mặt môi trường và đóng vai trò của chất chống ôxi hóa, các lượng acid citric dư thừa dễ dàng trao đổi và bài tiết ra khỏi cơ thể. Chính vì tầm quan trọng và có nhiều ứng dụng của acid citric như thế nên chúng ta tiến hành tìm hiểu quá trình lên men acid citric từ nấm mốc Aspergillus niger từ các nguồn nguyên liệu rẻ tiền như mật ri, tinh bột sắn, ngô,. .. thu hồi acid citric nhiều hơn và hạn chế sử dụng các loại hoá chất tổng hợp hoá học gây hại trong thực phẩm cho con người.Trong đề tài lần này nhóm 3 sẽ tìm hiểu về quy trình sản xuất acid citric từ nấm mốc Aspergillus niger. Theo phương pháp lên men chìm.Trong lúc tìm hiểu đề tài không tránh được những sai xót mong cô và các bạn bổ sung và đóng góp ý kiến. MỤC LỤCLỜI NÓI ĐẦU1MỤC LỤC2CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN41.1.Tổng quan về acid citric41.1.1.Đặc điểm của Acid Citric41.1.2.Tính chất của Acid Citric51.1.3.Mục đích sử dụng của Acid Cirtric61.2.Tổng quan về Aspergillus niger71.2.1.Hình thái và cấu tạo71.2.2.Điều kiện nuôi cấy81.2.3.Đồ thị tăng trưởng91.3.Tổng quan về nguyên liệu101.3.1.Nguyên liệu chính101.4.Cơ sở lý thuyết quá trình lên men17CHƯƠNG 2. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ182.1.Sơ đồ khối192.2.Thuyết minh quy trình192.2.1.Chuẩn bị môi trường nuôi cấy nấm mốc192.2.2.Giống và nhân giống202.2.3.Chuẩn bị dịch lên men212.2.4.Lên men212.2.5.Tách nấm mốc232.2.6.Tạo Canxi citrat242.2.7.Tách canxi citrat252.2.8.Cô đặc và sấy sản phẩm:252.2.9.Thu hồi và tinh chế26CHƯƠNG 3. KẾT LUẬN – BÀN LUẬN – KIẾN NGHỊ283.1.Kết luận283.1.1.Ưu điểm283.1.2.Nhược điểm283.2.Bàn luận283.3.Kiến nghị29TÀI LIỆU THAM KHẢO30 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN1.1.TỔNG QUAN VỀ ACID CITRIC1.1.1.Đặc điểm của Acid Citric1.1.1.1.Giới thiệuAxít 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 quá trình trao đổi chất xảy ra trong 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. Axít 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 axít citric chiếm khoảng 8% khối lượng khô của trái chanh. 1.1.1.2.Thông tin tổng quát Tên theo IUPAC: 2hydroxypropane1,2,3tricarboxylic acidTên thông thường: axit chanhCông thức phân tử: C6H8O7Công thức cấu tạo: Khối lượng phân tử: 192.13 gmolCó dạng: tinh thể màu trắngNhiệt độ nóng chảy: 153oCNhiệt độ sôi: 175 oC ( Phân hủy)Lịch sử tìm ra: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 Ý đã đưa công trình sản xuất axít citric vào hoạt động.Năm 1893 C. Wehmer đã phát hiện ra rằng nấm mốc (Penicillium) cũng có thể tạo nên axít citric từ đường. Sản xuất axít citric theo kiểu vi sinh này đã không được 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 (Aspergillus niger) 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.1.1.2.Tính chất của Acid CitricTính axít của axit citric là do ảnh hưởng của nhóm carboxyl COOH, mỗi nhóm carboxyl có thể cho đi 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 74oC 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 175oC thì nó phân hủy tạo thành CO2 và nước1.1.3.Mục đích sử dụng của Acid Cirtric•Với vai trò là một chất phụ gia thực phẩm, axít citric được dùng làm gia vị, chất bảo quản thực phẩm và đồ uống, đặc biệt là nước giải khát, nó mang mã số E330. Muối citrat của nhiều kim loại được dùng để vận chuyển các khoáng chất trong các thành phần của chất ăn kiêng vào cơ thể. Tính chất đệm của các phức citrat được dùng để hiệu chỉnh độ pH của chất tẩy rửa và dược phẩm.•Citric axít có khả năng tạo phức với nhiều kim loại có tác dụng tích cực trong xà phòng và chất tẩy rửa. Bằng cách phức hóa các kim loại trong nước cứng, các phức này cho phép các chất tẩy rửa tạo nhiều bọt hơn và tẩy sạch hơn mà không cần làm mềm nước trước. Bên cạnh đó axít citric còn dùng để sản xuất các chất trao đổi ion dùng để làm mềm nước bằng cách tách ion kim loại ra khỏi phức citrat.•Axít citric được dùng trong công nghệ sinh học và công nghiệp dược phẩm để làm sạch ống dẫn thay vì phải dùng axít nitric.•Citric axít 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. Ở một số nước nếu bạn mua một số lượng lớn axít citric bạn sẽ bị liệt kê vào sổ đen của các âm mưu khủng bố.•Axít 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.•Citric axit 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 axít citric sẽ bị chuyển hóa và đào thải khỏi cơ thể.•Điều thú vị là mặc dù axít citric có mặt khắp nơi trong cơ thể nhưng vẫn có một vài trường hợp mẫn cảm với axít citric. Tuy nhiên những trường hợp này rất hiếm và người ta thường gọi đó là phản ứng giả vờ của cơ thể. Axít citric khô có thể làm kích thích da và mắt do đó nên mặc áo bảo hộ khi tiếp xúc với axít này.1.2.TỔNG QUAN VỀ Aspergillus niger1.2.1.Hình thái và cấu tạo•Aspergillus niger là một loại nấm sợi và một trong những loài phổ biến nhất của chi Aspergillus có nhiều công dụng trong công nghệ sinh học, nhiệt độ tối ưu ở 35 – 370C, pH từ 1,4 9. Nó gây ra một căn bệnh được gọi là nấm mốc đen trên một số loại trái cây và rau quả như nho, hành tây, đậu phộng, và là một chất gây ô nhiễm phổ biến của thực phẩm. •Aspergillus niger là vi sinh vật hiếu khí phát triển trên các chất hữu cơ, do đó nó có thể được tìm thấy gần như ở khắp mọi nơi trong môi trường có chứa đất. Ngoài ra, nó được tìm thấy trong chất thải, nguyên liệu thực vật phân hủy và phân hữu cơ trong môi trường ngoài trời. Môi trường trong nhà tạo ra một môi trường sống tốt cho sự phát triển của nấm mốc. Chẳng hạn như trong các lĩnh vực hộ gia đình thông thường, trên các bức tường trong phòng tắm hoặc các khu vực khu vực khác có độ ẩm cao.•Có nhiều loài nấm mốc có khả năng oxy hóa gluxit thành axit citric như Rhizopus, Aspergillus, Penicillium. Trong đó quan trọng nhất là Aspergillus niger.•A.niger được nuôi để sản xuất nhiều chất trong công nghiệp, trong đó có axit citric  1.2.2.Điều kiện nuôi cấy•Vi sinh vật: Vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong quá trình lên men. Do đó cần lựa 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 1 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.•Nguyên liệu: Nguyên liệu thích hợp cho sản xuất acid citric là nguyên liệu chứa nhiều đường (ví dụ: mật rỉ,...) vì sinh vật sẽ oxi hóa đường để tạo thành acid citric, Nồng độ axit citric cao nhất đạt được nếu phát triển ở môi trường có nồng độ đường ban đầu cao (15−20% wv), nếu không đủ lượng đường cho vi sinh vật sử dụng thì khả năng tổng hợp acid citric kém, ngoài ra nguyên liệu phải không lẫn nhiều tạp, chất kim loại nặng đặc biệt là sắt nếu hàm lương sắt quá giới hạn thì cần phải loại bỏ. •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 môi trường nhiều cabon và ít nitơ (lượng đường 4 ÷ 20%, nitơ 0.07%, ngoài ra còn bổ sung thêm nguyên tố khoáng như P, Fe, Zn…) thì quá trình tổng hợp axit citric xảy ra mạnh. •pH môi trường: pH thích hợp để tạo thành axit citric từ 3 ÷ 4, tùy thuộc vào chủng nấm mốc sử dụng. Ta có thể axit hoá môi trường bằng HCl, pH môi trường phụ thuộc vào nguồn nitơ. Nếu sử dụng NH4NO3 thì pH thích hợp là 3, nếu sử dụng NH4Cl thì pH thích hợp là 4. Trong quá trình lên men do sự tạo thành axit citric nên pH giảm mạnh, vì vậy cần phải điều chỉnh pH của môi trường cho thích hợp. 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. Trong thực tế sản xuất người ta thường thổi không khí vô trùng vào dịch lên men. •Nhiệt độ: Nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men tạo axit citric là 31 – 37oC. Thấp hơn thì tạo axit gluconic, cao hơn thì việc tạo axit citric bị kìm hãm. Thời gian lên men khoảng 7 – 10 ngày.• Thời gian lên men: Thời gian tối ưu để quá trình sản xuất axit citric đạt tối đa phụ thuộc vào chủng được sử dụng, thành phần hóa học của môi trường, hệ thống lên men, và nói chung, các điều kiện theo đó quá trình lên men diễn ra. Trong quá trình lên men bề mặt, thời gian lên men thường được hoàn thành trong 1020 ngày, trong khi ở quá trình lên men chìm thời gian ủ ngắn hơn nhiều khoảng từ (510 ngày). Trong quá trình lên men trạng thái rắn thời gian lên men phụ thuộc mạnh mẽ vào chất tiêm chủng được sử dụng, độ ẩm bề mặt, độ pH ban đầu, nhiệt độ và lượng mẫu trong môi trường (ví dụ, vỏ hạt carob hoặc sung). Trong trường hợp này, nồng độ tối đa acid citric đạt được từ trong khoảng 10 đến 15 ngày.1.2.3.Đồ thị tăng trưởngSự sinh trưởng quần thể vi sinh vật được nghiên cứu bằng cách phân tích đường cong sinh trưởng trong một môi trường nuôi cấy vi sinh vật theo phương pháp nuôi cấy theo mẻ (batch culture) hoặc trong một hệ thống kín. Có nghĩa là vi sinh vật được nuôi cấy trong một thiết bị kín, trong quá trình nuôi cấy không thay đổi môi trường và thời gian nuôi cấy càng kéo dài thì nồng độ chất dinh dưỡng càng giảm sút, các chất phế thải của trao đổi chất càng tăng lên. Nếu lấy thời gian nuôi cấy là trục hoành và lấy số logarit của số lượng tế bào sống làm trục tung sẽ có thể vẽ được đường cong sinh trưởng của các vi sinh vật sinh sản bằng cách phân đôi. Đường cong này có 4 giai đoạn (phases) khác nhau. 1.3.TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU1.3.1.Nguyên liệu chínhĐa số các quy trình công nghiệp hiên nay sử dụng nguồn cơ chất là rỉ đường. Nhưng dù có sử dụng nguồn cơ chất như thế nào thì người ta vẫn cần phải chú y đến hai yếu tố quan trọng là giá thành và các yếu tố cần chuẩn bị để cung cấp điều kiện thuận lợi nhất cho vi sinh vật lên men. Nguồn cơ chất cơ bản được dùng trong các quy trình lên men nổi là mật rỉ đường mía hoặc mật rỉ củ cải đường. Còn đối với các quy trình lên men nổi thì nguồn cơ chất có thể được sử dụng không chỉ là mật rỉ đường mà còn là những cơ chất có độ tinh khiết cao hơn như glucose tinh khiết, đường thô hoặc đường tinh, nước ép mía và củ cải đường cô đặc. Sử dụng các nguồn cơ chất tinh khiết như trên có thế giúp làm năng năng suất hoặc giúp giảm thời gian nuôi cấy. Dưới đây là bản nồng độ các chất trong nuôi cấy Aspergillus niger nhằm lên men acid citric:Thành phầnKhoảng giá trịGiá trị chungSucroseGlucose125225 kgm3180 kgm3NH4NO3 (hoặc muối NH4+ khác)0.53.5 kgm31.5 kgm3KH2PO40.52.0 kgm30.5 kgm3MgSO4.7H2O0.12.0 kgm30.25 kgm3Fe++21300 mgm3