چگونه اسید سیتریک تولید می شود؟

برای تولید اسید سیتریک ۹۹ درصد، از طریق منابع مصنوعی ( تخمیر میکروبی و واکنش شیمیایی) ساخته می شود و فقط یک درصد آن به طور طبیعی (میوه مرکبات) ساخته می شود.

اسید سیتریک یک اسید آلی ضعیف است که فرمول شیمیایی C6H8O7 دارد. اسید سیتریک بیشتر به عنوان یک اسید بی آب یا مونوهیدرات به فروش می رسد و حدود ۷۰٪ از کل تولید ۱٫۵ میلیون تن در سال در صنایع غذایی و آشامیدنی به عنوان یک اسیدکننده یا آنتی اکسیدان به منظور حفظ یا تقویت طعم و عطر آب میوه، بستنی و مارمالاد و… مورد استفاده قرار می گیرد.  ۲۰٪  اسید سیتریک در صنایع داروسازی به عنوان آنتی اکسیدان برای حفظ ویتامین ها، جوش آورنده، اصلاح کنندهPH ، نگهدارنده خون یا به شکل سیترات آهن به عنوان منبع آهن برای بدن و همچنین در قرص ها، پمادها و مواد آرایشی مورد استفاده قرار می گیرد. ۱۰ درصد اسید سیتریک در صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد، به عنوان ماده کف سازی برای نرم کردن پارچه، در متالوژی از فلزهای خاصی به شکل سیترات و همچنین به دلیل اثر اتروفیک کمتر در صنایع شوینده به عنوان یک ماده جایگزین فسفات مورد استفاده قرار می گیرد و در سیمان نیز سختی های سیمان را کند می کند. سالانه بیش از دو میلیون تن اسید سیتریک تولید می شود. ظاهراً تا ۱۰۰ سال پیش هنوز بخش عمده ای از اسید سیتریک از منابع طبیعی تولید می شد. مونوهیدرات ها به دلیل کاربردهای بیشمار دارای پتانسیل اقتصادی بالایی است. امروزه یافتن یک منبع طبیعی در مقادیر تجاری تقریبا غیرممکن است.

 تعداد زیادی میکرو ارگانیسم از جمله باکتری ها، قارچ ها و مخمرها برای تولید مونوهیدرات استفاده شده اند. با این حال بسیاری از آنها قادر به بازده قابل قبول تجاری نیستند. این واقعیت را می توان با این واقعیت توضیح داد که اسید سیتریک یک متابولیت متابولیسم انرژی است و تجمع آن فقط در شرایط عدم تعادل شدید به مقدار قابل توجهی افزایش می یابد. مهمترین مزایای استفاده از این میکرو ارگانیسم ها عبارتند از: (الف) سهولت در استفاده از آن ، (ب) توانایی آن برای تخمیر انواع مواد اولیه ارزان و (ج) بازده بالا.

 بیشتر آن توسط تخمیر میکروبی با استفاده از Aspergillus niger تولید می شود. این امر به دلیل این واقعیت است که این ارگانیسم به دلیل داشتن سیستم آنزیمی خوب توسعه یافته، توانایی استفاده از انواع بسترها را دارد.

 با توجه به افزایش تقاضا و بازارهای رو به رشد، همیشه نیاز به کشف و توسعه تکنیک ها و راهکارهای تولید بهتر برای بهبود بازده تولید و کارایی بازیابی محصول است. برای حمایت از مقیاس عظیم تولید، ضروری و مهم است که فرآیند تولید با استفاده از زباله های زراعی و صنعتی به راحتی در دسترس و ارزان و ضمن حفظ بازده تولید بالا، سازگار با محیط زیست باشد. 

طرز تهیه اسید سیتریک

اسید سیتریک به دلیل کاربردهای فراوان دارای پتانسیل اقتصادی بالایی است. بیشتر با تخمیر میکروبی با استفاده از Aspergillus niger تولید می شود. با توجه به افزایش تقاضا و بازارهای در حال رشد، همیشه نیاز به کشف و توسعه تکنیک ها و راه حل های تولید بهتر برای بهبود بازده تولید و کارایی بازیابی محصول وجود دارد. برای حمایت از مقیاس عظیم تولید، لازم و مهم است که فرآیند تولید با استفاده از مواد زائد کشت وصنعت در دسترس و ارزان، ضمن حفظ بازده تولید بالا، سازگار با محیط زیست باشد.

روش های تولید صنعتی اسید سیتریک

۱- تولید اسید سیتریک از طریق تخمیر میکروبی

قارچ های Aspergillus niger به دلیل پتانسیل بالای تولید بیش از حد اسیدهای آلی به خوبی شناخته شده اند. این میکروارگانیسم ها توانایی ذاتی در تجمع این مواد را دارند و به طور کلی اعتقاد بر این است که این قارچ یک مزیت زیست محیطی را در اختیار قارچ ها قرار می دهد، زیرا در pH 3 تا ۵ به خوبی رشد می کنند، در حالی که برخی از گونه ها حتی مقادیر pH حداقل ۱٫۵ را نیز تحمل می کنند. تولید اسیدهای آلی را می توان تحریک کرد و در تعدادی از موارد شرایطی پیدا شده است که منجر به تبدیل تقریباً کمی بستر کربن به اسید می شود. در ساخت اسید سیتریک در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار می گیرد.  در گذشته سنتز شیمیایی اسید سیتریک با توجه به مواد اولیه گران و فرایند پیچیده و با عملکرد کم امکان پذیر بود، اما مناسب نبود. کشف انباشت سیترات توسط Aspergillus niger منجر به توسعه سریع فرآیند تخمیر شد وامروزه بخش بزرگی از تولید جهانی را به خود اختصاص داده است. کار با آن آسان است، می تواند مواد اولیه ارزان قیمت را تخمیر کند و بازده بالایی را به همراه آورد. به این ترتیب، سویه های این میکروارگانیسم می توانند برای ایجاد سویه های صنعتی جهت استفاده در تولید تجاری بهبود یافته و جهش زایی و انتخاب کرنش برای چنین پیشرفتی انجام شود. جهش های مختلفی از جمله تابش اشعه ماوراء بنفش، اشعه ایکس و گاما و مواد شیمیایی مانند اتیل متان سولفونات و دی اتیل سولفونات برای القای جهش Aspergillus niger استفاده می شود.

۲- تهیه اسید سیتریک از طریق واکنش های شیمیایی

اسید سیتریک همچنین می تواند با واکنشهای شیمیایی کاملاً تولید شود. اسید سیتریک برای اولین بار در سال ۱۸۸۰ توسط Grimaux و Adam با استفاده از گلیسرول به عنوان ماده آغازین شیمیایی سنتز شد، اما این روش در مقایسه با سایر مسیرهای تولید مانند تخمیر، از نظر اقتصادی به اندازه کافی قابل رقابت نبود. بنابراین تخمیر میکروبی به عنوان یک انتخاب برای تخمیر اسید سیتریک موفقیت آمیزتر از مواد شیمیایی شناخته شد. 

اساس روند بازار آشکار است که تقاضای جهانی اسید سیتریک افزایش خواهد یافت. از این رو، شرکتها به دنبال بهینه سازی تولید اسید سیتریک برای گزینه هایی که اقتصادی ترو سازگار با محیط زیست، هستند و بازده تولید بالاتری نسبت به روش های فعلی دارند.

۳- تولید اسید سیتریک از طریق طبیعی

روش استخراج اسید سیتریک از آب لیمو در سال ۱۷۸۴ توسط یک شیمی دان سوئدی، کارل ویلهلم شل (۱۷۴۲-۱۷۴۲) انجام شد. این روش در انگلستان در حدود سال ۱۸۲۶ برای تولید تجاری اسید سیتریک با استفاده از لیموهای وارد شده از ایتالیا پذیرفته شد. این روش تا اواخر قرن نوزدهم انحصار خود را به عنوان تنها منبع تجاری برای تولید اسید سیتریک حفظ کرده است.  

تهیه و بررسی روش های تولید اسید سیتریک

اسید سیتریک همچنین می تواند با واکنش های کاملاً شیمیایی تولید شود. اسید سیتریک برای اولین بار در سال ۱۸۸۰ توسط گریموکس و آدام با استفاده از گلیسرول به عنوان ماده اولیه، از نظر شیمیایی سنتز شد، اما این روش در مقایسه با سایر راههای تولید مانند تخمیر، از نظر اقتصادی از نظر رقابتی کافی نبود. بنابراین، تخمیر میکروبی به عنوان گزینه ای برای تخمیر اسید سیتریک تجارتی شناخته شد زیرا موفقیت آن بیشتر از مواد شیمیایی بود. اسید سیتریک در بسیاری از صنایع چند منظوره و حیاتی است. طیف گسترده ای از کاربردهای همه کاره در صنایع مختلف از ابتدای قرن بیستم، تقاضای بالایی را ایجاد کرده است. تولید اسید سیتریک در سراسر جهان در سال ۲۰۰۷ ۱٫۶ میلیون تن بود که سالانه ۳٫۵-۴٫۰ درصد افزایش تقاضا و مصرف داشت. اسید سیتریک معمولاً در مواد غذایی و آشامیدنی، مواد شوینده، دارویی، آرایشی، بهداشتی و سایر صنایع استفاده می شود. صنایع نوشیدنی و مواد غذایی حدود ۷۵٪ از مصرف اسید سیتریک در جهان را تشکیل می دهند، که عمدتاً به عنوان یک ماده تشکیل دهنده نوشیدنی های گازدار و یک ماده اسیدی است. از نظر صنعتی، اتمام و تمیز کردن فلز بیشترین استفاده از اسید سیتریک را به خود اختصاص می دهد و به دنبال آن روان کننده ها، مواد شیمیایی، مواد خوراکی حیوانات و نرم کننده ها استفاده می شود.

براساس روند بازار، بدیهی است که تقاضای جهانی اسید سیتریک افزایش خواهد یافت. از این رو، بهینه سازی تولید اسید سیتریک با جستجوی گزینه هایی که مقرون به صرفه تر، سازگار با محیط زیست و دارای عملکرد تولید بالاتر از روش های فعلی هستند، بسیار مهم است.

بهینه‌سازی تولید اسیدسیتریک از گونه قارچی آسپرژیلوس نایجر

یکی از مهمترین قارچهای مورد استفاده در میکروبیولوژی صنعتی، Aspergillus niger، سالهاست که برای تولید تجاری اسید سیتریک استفاده می شود. با این حال، تقاضای جهانی برای اسید سیتریک سریعتر از تولید آن در حال افزایش است و به فرایندهای اقتصادی بیشتری نیاز است. A. niger معمولاً برای تولید اسید سیتریک استفاده می شود. این به دلیل است که این ارگانیسم به دلیل سیستم آنزیمی پیشرفته، توانایی استفاده از انواع بسترها را دارد. اگرچه Aspergillus niger تولید کننده سنتی اسید سیتریک است، اما طی ۳۰ سال گذشته استفاده از مخمرها برای فرآیند های تخمیر اسید سیتریک مورد توجه محققان قرار گرفته است. در میان گونه های مخمر، Yarrowia lipolytica به عنوان یک تولید کننده بالقوه اسید سیتریک شناخته می شود.

تولید میکروبی اسید سیتریک

این کار مروری در مورد تولید بیوتکنولوژیک اسید سیتریک با شروع از خصوصیات فیزیکوشیمیایی و کاربردهای صنعتی، به طور عمده در بخشهای غذایی و دارویی ارائه می دهد. چندین عامل موثر بر تخمیر اسید سیتریک مورد بحث قرار گرفته است، از جمله منبع کربن، محدودیت های نیتروژن و فسفات، pH محیط کشت، عناصر کمیاب و مورفولوژی قارچ. توجه ویژه ای به اصول بیوشیمی و تجمع اسید سیتریک می شود. فن آوری های به کار رفته در مقیاس صنعتی مانند کشت های سطحی عمدتا با استفاده از Aspergillus niger و فرآیندهای انجام شده با Yarrowia lipolytica و همچنین فن آوری بازیابی محصول نیز توصیف شده است. سرانجام، این بررسی استفاده از سایر محصولات جانبی را به عنوان مواد اولیه تولید بیولوژیک اسید سیتریک خلاصه می کند.