روش توليد اسيد سيتريک

روش توليد اسيد سيتريک

مقاله زیر یک متن جامع و بلند درباره روش تولید اسید سیتریک است که فرآیند پیچیده و دقیق تخمیر میکروبی را شرح می‌دهد:

روش توليد اسيد سيتريک ، از کشت قارچ تا کریستال خالص اسید سیتریک (Citric Acid)، با فرمول شیمیایی C6​H8​O7​، یکی از فراوان‌ترین و پرکاربردترین اسیدهای آلی در صنایع مدرن است. این ماده که به طور طبیعی طعم ترش مرکبات (به ویژه لیمو) را ایجاد می‌کند، به دلیل خاصیت اسیدی قوی، توانایی‌اش در تنظیم pH و نقش آن به عنوان عامل کی‌لیت‌کننده (Chelating Agent)، در صنایع غذایی (به عنوان افزودنی E330)، دارویی، و شوینده‌ها حیاتی است. امروزه، نزدیک به ۹۹ درصد از اسید سیتریک تولید شده در جهان از طریق یک فرآیند بیوتکنولوژی کارآمد به نام تخمیر میکروبی (Microbial Fermentation) به دست می‌آید.

۱. پیشینه و مبنای علمی تولید صنعتی اسید سیتریک

تا پیش از قرن بیستم، اسید سیتریک تنها با استخراج گران‌قیمت از میوه‌های لیمو تولید می‌شد. نقطه عطف در تولید صنعتی این اسید، کشف جیمز کینوری کری در سال ۱۹۱۷ بود که نشان داد یک گونه از قارچ‌های رشته‌ای به نام آسپرژیلوس نایجر (Aspergillus niger)، قادر است قند (ساکارز یا گلوکز) را به اسید سیتریک تبدیل کند.

مبانی بیوشیمیایی: فرآیند تولید اسید سیتریک توسط A. niger یک مسیر متابولیکی فرعی از چرخه کربس (Krebs Cycle) یا چرخه اسید سیتریک است. در شرایط خاص و محدودیت‌های غذایی معین (مانند محدودیت یون‌های فلزی و فسفات)، قارچ به جای اینکه سیترات تولید شده را به طور کامل در چرخه کربس مصرف کند، آن را به عنوان یک محصول جانبی بزرگ به محیط خارج سلولی ترشح می‌کند. این مکانیسم کلیدی، پایه اصلی تولید در مقیاس صنعتی است.

۲. مراحل اصلی فرآیند تخمیر میکروبی اسید سیتریک

تولید اسید سیتریک فرآیندی چندمرحله‌ای است که دقت بالایی در کنترل پارامترهای محیطی و شیمیایی نیاز دارد.

الف) آماده‌سازی مواد اولیه و کشت قارچ

۱. انتخاب سویه و تلقیح: انتخاب سویه‌های با عملکرد بالای A. niger که مقاوم به محیط اسیدی و کارآمد در تبدیل قند هستند، بسیار حیاتی است. قارچ در محیط آزمایشگاهی کشت داده شده و به صورت یک سوسپانسیون متراکم برای تزریق (تلقیح) به راکتورهای تخمیر آماده می‌شود.

۲. آماده‌سازی بستر (سوبسترا): ماده اولیه اصلی، یک منبع کربوهیدراتی ارزان قیمت است. رایج‌ترین بسترها عبارتند از:

• ملاس (Molasses): ملاس نیشکر یا چغندر قند (به دلیل قیمت پایین و غلظت قند بالا).
• نشاسته هیدرولیز شده: گلوکز حاصل از ذرت یا گندم.

۳. تنظیم محیط کشت: محیط کشت باید به دقت تنظیم شود تا شرایط استرس‌زا برای قارچ فراهم شود و تولید سیترات به حداکثر برسد:

• محدودیت نیتروژن: میزان نیتروژن باید کم باشد تا رشد زیست‌توده (تولید قارچ) محدود شده و متابولیسم به سمت تولید اسید سیتریک سوق یابد.
• کنترل فلزات کمیاب: کنترل دقیق غلظت یون‌های فلزی، به ویژه آهن (Fe2+) و روی (Zn2+)، ضروری است. غلظت بیش از حد این یون‌ها، به ویژه آهن، می‌تواند به طور جدی تولید اسید سیتریک را کاهش دهد و باعث تولید محصولات جانبی ناخواسته مانند اسید اگزالیک شود.
• pH اولیه: pH باید به طور معمول بین ۵ تا ۷ تنظیم شود، اما در طول تخمیر به سرعت کاهش یافته و به محدوده پایین (معمولاً زیر ۳.۵) می‌رسد که برای جلوگیری از آلودگی باکتریایی مفید است.

ب) روش‌های تخمیر صنعتی

دو روش اصلی برای انجام تخمیر در مقیاس صنعتی وجود دارد:

۱. تخمیر غوطه‌وری (Submerged Fermentation – SmF)

• شرح: این روش رایج‌ترین و مؤثرترین روش است. قارچ‌ها در مخازن بزرگ تخمیر (بیوراکتورها) در بستر مایع غوطه‌ور هستند.
• ویژگی‌ها: فرآیند به شدت هوازی است؛ بنابراین، اکسیژن‌دهی و هم‌زدن مداوم برای اطمینان از توزیع یکنواخت مواد مغذی و اکسیژن حیاتی است. دما (حدود ۲۸ تا ۳۰ درجه سانتیگراد) و pH به طور دقیق کنترل می‌شوند.
• مزایا: بازده بالا، کنترل دقیق فرآیند، و زمان تخمیر نسبتاً کوتاه‌تر (۷ تا ۱۴ روز).

۲. تخمیر سطح جامد (Solid-State Fermentation – SSF)

• شرح: این روش شامل رشد قارچ روی بسترهای جامد مرطوب (مانند سبوس گندم یا تفاله سیب‌زمینی) بدون وجود آب آزاد است.
• مزایا: تولید کمتر پساب، مصرف انرژی پایین‌تر، و استفاده از منابع تجدیدپذیر.
• محدودیت‌ها: کنترل ضعیف‌تر پارامتر هایی مانند دما و pH و بازده پایین‌تر در مقایسه با روش غوطه‌وری.

ج) جداسازی و خالص‌سازی (Downstream Processing)

پس از اتمام دوره تخمیر و رسیدن به حداکثر غلظت اسید سیتریک، فرآیند جداسازی برای استخراج و خالص‌سازی اسید آغاز می‌شود.

۱. جداسازی زیست‌توده: ابتدا توده قارچ (میسلیوم) از محلول تخمیر (شامل اسید سیتریک) با استفاده از فیلتراسیون یا سانتریفیوژ جدا می‌شود.

۲. رسوب‌دهی با کلسیم (Precipitation): محلول حاوی اسید سیتریک با آهک (هیدروکسید کلسیم، Ca(OH)2​) خنثی می‌شود. اسید سیتریک با کلسیم واکنش داده و سیترات کلسیم (Ca3​(C6​H5​O7​)2​) نامحلول تشکیل می‌دهد که به صورت رسوب ته‌نشین می‌شود:

2C6​H8​O7​+3Ca(OH)2​→Ca3​(C6​H5​O7​)2​↓+6H2O

۳. بازیابی اسید با اسید سولفوریک: رسوب سیترات کلسیم جدا شده و با اسید سولفوریک (H2​SO4​) تیمار می‌شود. این واکنش اسید سیتریک را به شکل محلول آزاد می‌کند و سولفات کلسیم (گچ، CaSO4​) به عنوان محصول جانبی نامحلول جدا می‌شود:

Ca3​(C6​H5​O7​)2​+3H2SO4​→2C6​H8​O7​+3 CaSO4​↓

۴. خالص‌سازی نهایی: محلول اسید سیتریک حاصله دارای ناخالصی‌های رنگی و یون‌های فلزی است. این محلول از طریق فیلتراسیون، جذب توسط کربن فعال (برای حذف رنگ‌ها و مواد آلی) و تبادل یونی (برای حذف یون‌های فلزی باقیمانده) خالص‌سازی می‌شود تا گرید خلوص مورد نیاز (مانند گرید غذایی یا دارویی) حاصل شود.

د) کریستالیزاسیون و بسته‌بندی

۱. تغلیظ و کریستالیزاسیون: محلول اسید سیتریک خالص از طریق تبخیر، تغلیظ شده تا به غلظت فوق اشباع برسد. کریستالیزاسیون با سرد کردن کنترل شده، باعث تشکیل کریستال‌های اسید سیتریک می‌شود.

• اسید سیتریک مونوهیدرات (Monohydrate): در دمای زیر 36.6∘C (رایج‌تر).
• اسید سیتریک بدون آب (Anhydrous): در دمای بالاتر از 36.6∘C.

۲. خشک کردن و بسته‌بندی: کریستال‌ها از محلول مادر جدا شده، شسته و سپس در خشک‌کن‌های دوار (Rotary Dryers) با هوای گرم خشک می‌شوند. محصول نهایی به صورت کریستال‌های ریز یا درشت، آماده بسته‌بندی و عرضه به بازار است.

۳. چالش‌ها و روندهای آینده

اگرچه فرآیند تخمیر میکروبی بسیار مؤثر است، اما چالش‌هایی نیز وجود دارد:

• کنترل pH: با تولید اسید، pH به شدت کاهش می‌یابد که می‌تواند بر متابولیسم قارچ تأثیر منفی بگذارد.
• آلودگی‌های محیطی: تولید سولفات کلسیم (گچ) به عنوان محصول جانبی، یک چالش زیست‌محیطی برای دفع است.

روندهای آینده در این صنعت به سمت بهینه‌سازی فرآیند تخمیر با استفاده از مهندسی ژنتیک (برای بهبود سویه‌های قارچی)، استفاده از بسترهای ارزان‌تر و تجدیدپذیر (مانند ضایعات کشاورزی) و توسعه روش‌های جداسازی سازگار با محیط زیست است تا کارایی تولید اسید سیتریک افزایش یابد.

جمع بندی

فرسان شیمی واردکننده اسید سیتریک خشک و آبدار ، ارائه دهنده بهترین قیمت اسید سیتریک در ایران .

برای مشاوره خرید اسید سیتریک و دریافت آنالیز اسید سیتریک با ما در تماس باشید .

کلمات کلیدی : نام دیگر اسيد سيتريک – مضرات اسيد سيتريک خوراکی چیست – واکنش اسيد سيتريک با آب – خرید اسيد سيتريک دیجی کالا – طرز تهیه اسيد سيتريک – خرید اسيد سيتريک خشک – خرید اسيد سيتريک آبدار