Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

LỜI NÓI ĐẦU
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.

1


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

MỤC LỤC

2


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

TỔNG QUAN VỀ ACID CITRIC
1.1.1.

Đặc điểm của Acid Citric

1.1.1.1.

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: 2-hydroxypropane-1,2,3-tricarboxylic acid
-

Tên thông thường: axit chanh
Công thức phân tử: C6H8O7
Công thức cấu tạo:

-

Khối lượng phân tử: 192.13 g/mol
Có dạng: tinh thể màu trắng
Nhiệt độ nóng chảy: 153oC
Nhiệt độ sôi: 175 oC ( Phân hủy)
3


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

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 74 oC dạng
monohydrat sẽ chuyển sang dạng khan.

4


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

 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 nước
1.1.3. 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.

5


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric
•

Nguyễn Thủy Hà

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 niger

1.2.1. 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

6

Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

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% w/v), 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.
7


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

-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 – 37 oC.
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 10-20 ngày,
trong khi ở quá trình lên men chìm thời gian ủ ngắn hơn nhiều khoảng từ (5-10
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 trưởng
Sự 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.

8


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

Đường cong sinh trưởng trong hệ thống kín
1.3.

TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU

1.3.1. Nguyên liệu chính
Đa 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.

9


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

Dưới đây là bản nồng độ các chất trong nuôi cấy Aspergillus niger nhằm lên men acid
citric:
Thành phần
Sucrose/Glucose
NH4NO3 (hoặc muối NH4+ khác)
KH2PO4
MgSO4.7H2O
Fe++
Zn++
Cu++
Mn++

1.3.1.1.
•

Khoảng giá trị
125-225 kg/m3

0.5-3.5 kg/m3
0.5-2.0 kg/m3
0.1-2.0 kg/m3
2-1300 mg/m3
0-2900 mg/m3
1-10200 mg/m3
0-46 mg/m3

Giá trị chung
180 kg/m3
1.5 kg/m3
0.5 kg/m3
0.25 kg/m3
<200 mg/m3
200-1500 mg/m3
200-1500 mg/m3
<2 mg/m3

Tính chất, đặc điểm

Mật rỉ

Đây là nguồn cơ chất phổ biến hiện nay, có chất lượng rất đa dạng tùy theo nguồn. Và
để dùng sản xuất acid citric thì ta cần dùng những nguồn mật rỉ có chất lượng cao. Hai
loại mật rỉ này có thành phần không giống nhau, do đó người ta sẽ chọn một trong hai
cho quy trình của mình. Cũng có những trường hợp người ta trộn cả hai loại mật rỉ với
nhau, nhằm thu được những nguồn dinh dưỡng từ cả 2 nguồn. Chất lượng lượng của
mía hoặc củ cải phụ thuộc vào các yếu tố canh tác như: điều kiện đất trồng và khí hậu,
hình thức bón phân, phương pháp gieo trồng, thời gian và điều kiện bảo quản, kỹ thuật
sản xuất, dụng cụ kỹ thuật, quy trình kỹ thuật,…

•

Rỉ đường mía

Mật rỉ là chất lỏng đặc sánh có màu đen, mật rỉ còn được gọi là rỉ mật, mật rỉ đường, rỉ
đường, mật đường, mật, molasses…
Mật rỉ là sản phẩm cuối cùng của quá trình sản xuất đường mà từ đó đường không còn
có thể kết tinh một cách kinh tế nữa bởi các công nghệ thông thường. Thành phần
chính của mật rỉ là đường, chủ yếu là sucroza với một ít glucoza và fructoza.
Thành phần hóa học của mật rỉ đường

10


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

- Thành phần của mật rỉ phụ thuộc vào giống mía, giai đoạn thu hoạch, thổ nhưỡng,
thời tiết và quy trình sản xuất đường của nhà máy. Do vậy mật rỉ thay đổi về thành
phần dinh dưỡng, mùi vị, màu sắc và độ nhớt
Thành phần tiêu chuẩn của mật rỉ đường thường được chia thành 3 phần: đường, chất
hữu cơ không đường và chất khoáng.
 Đường: các loại gluxit hòa tan (đường đôi và đường đơn) là thành phần dinh dưỡng

chính của mật rỉ, trong đó sucroza chiếm 44%, Fructoza chiếm 13%, Glucoza
chiếm 10%, Axit amin chiếm 3%, các chất khác chiếm 30%. Mật rỉ có tỷ lệ đường
khử tương đối cao. Trong chu trình kết tinh các loại đường khử tăng lên tới mức mà
sucroza không thể kết tinh được nữa bởi vì đường khử làm giảm khả năng hòa tan
của sucroza. Các chất khoáng có xu hướng giữ sucroza trong dung dịch, cho nên

cân bằng giữa đường khử và chất khoáng sẽ quyết định sản lượng sucroza lý thuyết
có từ cây mía. Phần sirô còn lại thường được coi là mật rỉ.
 Chất hữu cơ không đường: Các chất hữu cơ không phải là đường của mật rỉ quyết

định nhiều tính chất vật lý của nó, đặc biệt là độ nhớt dính. Nó bao gồm chủ yếu là
các loại gluxit như tinh bột, các hợp chất chứa N và các axit hữu cơ. Nói chung
hàm lượng các chất hữu cơ không phải là đường của mật rỉ củ cải đường cao hơn
mật rỉ mía. Trong rỉ mật không chứa xơ và lipit. Tỷ lệ protein thô trong rỉ mật mía
tiêu chuẩn là rất thấp (3-5%). Trong rỉ mật mía còn có một lượng đáng kể các axit
hữu cơ, trong đó chủ yếu là axit acotinic. Rỉ mật cũng chứa một lượng axit béo bay
hơi, trung bình khoảng 1,3%.
 Chất khoáng: Mật rỉ là một nguồn giàu khoáng. Hàm lượng Ca trong rỉ mật mía cao

tới 1%, trong khi đó hàm lượng P lại thấp. Rỉ mật mía giàu Na, K, Mg và S. Mật rỉ
cũng chứa một lượng đáng kể các nguyên tố vi lượng như Cu (7 ppm), Zn (10
ppm), Fe (200 ppm), Mn (200 ppm).
•

Rỉ dường củ cải

Rỉ đường củ cải có thành phần khá khác biệt so với rỉ đường mía: chứa ít sucrose hơn và
nhiều đường chuyển hóa hơn, chứa ít nito và raffinose, màu sắc đậm hơn và khả năng
đệm cũng thấp hơn.
11


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

Cả hai loại rỉ ngoài những thành phần chính còn chứa các yếu tố vi lượng, dù rất ít nhưng
lại là thành phần quyết định xem rỉ có đủ điều kiện để đưa vào sử dụng sản xuất acid
citric hay không. Các chất này bao gồm thuốc trừ sâu, trừ nấm và trừ cỏ (từ quá trình
canh tác) và cả các chất phá bọt (từ quá trình sản xuất đường), là những chất có tính độc
và có ảnh hưỡng tiêu cực đến chất lượng mật rỉ. Thường thì mật rỉ mía được dùng phổ
biến hơn trong sản xuất acid citric, đặc biệt là trong lên men chìm, khi mà chất lượng của
mật rỉ trở nên càng quan trọng hơn.
Các vi sinh vật cũng là nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng, có khi lượng vi sinh trong mật
rỉ lên đến hơn 10,000/g mật rỉ (Bacillus, các loài thuộc Candida, Penicillium – dù rất
hiếm, Aspergillus, và các loài khác). Ngoài ra để xử lý mật rỉ ta còn phải loại một số kim
loại nặng bằng nhiều phương pháp như sử dụng kali ferrocyanide và EDTA (và một số
chất khác). Tuy nhiên cũng cần lưu ý giữa lại những chất cần thiết cho Aspergillus niger
sử dụng trong quá trình lên men.
•

Sucrose:

Đường tinh luyện được xem như là nguồn sucrose nguyên chất mà A.niger có khả năng
sử dụng rất tốt. Nồng độ tối ưu của sucrose là vào khoảng 15% - 22%, và dương nhiên ta
cần thêm vào các nguồn dinh dưỡng khác như NH 4NO3, KH2PO4, MgSO4, đồng thời cần
acid hóa bằng acid sulfuric đến khi đạt pH 2.6-3.0.

•

Syrup:

Xi-rô đường cũng có thế được sử dụng làm cơ chất cho lên men acid citric chìm. Ưu
điểm nổi trội nhất của nguồn cơ chất này là độ tinh khiết của nó. Tuy nhiên syrup lại rất
dễ giảm chất lượng nhanh chóng trong quá trình vận chuyển và lưu trữ. Vì thế nguồn cơ
chất này chỉ có thể sử dụng trong những khoảng thời gian sản xuất đường đạt cao điểm,

và nhà máy đường phải rất gần với nhà máy sản xuất acid citric.

12


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

Đối với cơ chất này, ta hòa tan vào nước đến nồng độ 15-20%, thêm vào các chất dinh
dưỡng cần thiết (NH4NO3, KH2PO4, MgSO4 và (NH4)2C2O4), acid hóa và sau đó tiến hành
hấp khử trùng.
•

Tinh bột

Sản xuất acid citric bằng nguồn cơ chất là tinh bột ngô, lúa mì, khoai tây,… tương đối
phổ biến. Nguồn cơ chất này có độ tinh khiết và phương thức thủy giải (bằng acid hoặc
bằng enzyme, hoặc kết hợp cả hai) khá phù hợp cho việc sản xuất acid citric.
Sử dụng phương thức thủy giải của tinh bột bằng enzyme cũng có thể sử dụng cho nguồn
cơ chất là syrup dextrose.Quy trình này thậm chí đã được áp dụng vào quy mô công
nghiệp. Tuy nhiên cần phải chú ý đến lượng kim loại nặng trong dịch lên men và tiến
hành loại bỏ chúng nếu chúng vượt ngưỡng cho phép.
•

Alkan

Với giá thành rẻ và được nhiều chủng vi sinh vật sử dụng, alkan đã làm thay đổi mạnh
mẽ phương thức sản xuất acid citric trong những thập niên 1960 – 1970. Ví dụ điển hình
là quy trình sử dụng nấm Candida lipolytica. Hiện nay alkan không còn được sử dụng

phổ biến như trước do vấn đề thu hồi gặp khó khăn (do sự tạo thành acid isocitric).
•

Dầu & chất béo

Hiện nay dầu được sử dụng làm nguồn carbon chính để sản xuất acid citric tương tự như
alkan trước đây. Trong một ví dụ cụ thể: dầu cọ được chủng đột biến của Candida
lipolytica có thể lên men tạo acid citric với hiệu suất lên đến 145%. Ngoài ra dầu cũng
được thêm vào môi trường lên men bằng Aspergillus niger với nồng độ thấp, thậm chí có
trường hợp là nguồn carbon duy nhất. Người ta thấy rằng đây là nguồn carbon có thể cho
năng suất cao trong việc tạo acid citric. Dầu và chất béo có thể thay thế alkan trong vài
quy trình, tuy nhiên giá thành thì chưa hẳn vẩn còn ở mức thấp.
1.3.1.2.
•

Chất dinh dưỡng

Rỉ đường mía
13


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

Rỉ mía có khoảng 65-80% lượng chất kho và 20-25% là nước. Thành phần các chất dinh
dưỡng của nó được liệt kê trong bảng sau:
Đường tổng số (%)--------------------------------48 – 56
Chất hữu cơ khác(%)-----------------------------9 – 12
Protein(%)------------------------------------------2 – 4

K(%)------------------------------------------------1.5 – 5
Ca(%)-----------------------------------------------0.4 – 0.8
Mg(%)----------------------------------------------0.06
P(%)-------------------------------------------------0.6 – 2
Biotin (vitamin H) mg/kg------------------------1 – 3
Axit pantothenic mg/kg---------------------------15 – 55
Inositol mg/kg-------------------------------------2500 – 6000
Thiamin mg/kg------------------------------------1.8
Trong đường tổng số bao gồm sucrose (44-54%), đường chuyển hóa (0.4-1.5%), raffinose
(0.5-2%), kestose và neokestose (0.6-1.6%), arabinose, xylose và mannose (0.5-1.5%).
Trong đó, raffinose là một thành phần tự nhiên của đường mía, trong khi kestose là sản
phẩn của các chủng vi sinh trong quá trình xử lý. Tất cả các đường trên (trừ sucrose) đều
được xem là cơ chất hữu cơ không nito trong rỉ đường. Các sản phẩm hóa và nhiệt phân
hủy của đường (melanoidine và caramel) và các acid hữu cơ cũng thuộc nhóm này.
Caramel chứa đường anhydride và các chất có màu, còn melanoidine là sản phẩm của
một phản ứng giữa đường giảm và acid amin.
Ngoài ra, trong rỉ đường còn chứa các acid hữu cơ không bay hơi và bay hơi, và nếu
lượng acid không bay hơi cao hơn 1% thì thường sẽ có màu rất đậm và không được dùng
cho quy trình lên men acid citric.
Các chất chửa nito trong rỉ mía gồm chủ yếu là betaine (có trong mía nhưng không được
vi sinh vật sử dụng làm nguồn N), sau đó là acid amin, protein và các chất vi lượng như
ammonium nitrate và amid.

14


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

Ngoài các yếu tố trên thì một yếu tố cũng rất quan trọng để đánh giá chất lượng rỉ mía
nhằm đạt năng suất cao trong sản xuất acid citric là lượng các nguyên tố vi lượng trong
mỗi loại rỉ.
pH của mật rỉ phụ thuộc vào cộng nghệ chiết, và pH được cho là tối ưu để lên men acid
citric là trung tính hoặc kiềm nhẹ. Nhằm đạt được độ giảm pH cần thiết trong quy trình
sản xuất acid citric, ta cần mật rỉ với khả năng đệm thấp.
•

Rỉ đường củ cải:

Có thành phần khá khác biệt so với rỉ đường mía : chứa ít sucrose hơn và nhiều đường
chuyển hóa hơn, màu sắc đậm hơn và khả năng đệm thấp hơn.
•

Sucrose

Đường tinh luyện được xem như là nguồn sucrose nguyên chất mà A.Niger có khả năng
sử dụng rất tốt.
•

Syrup:

Xi-rô đường cũng có thế được sử dụng làm cơ chất cho lên men acid citric chìm. Là
nguồn cơ chất có độ tinh khiết cao.
•

Tinh bột

Cung cấp nguồn cơ chất là tinh bột ngô, lúa mì, khoai tây..

•

Alkan

Cung cấp nguồn carbon chính để sản xuất acid citric.( nhưng hiện nay không còn sử
dụng)
•

Dầu & chất béo

Hiện nay dầu được sử dụng làm nguồn carbon chính để sản xuất acid citric
15


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

1.4.

Nguyễn Thủy Hà

CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LÊN MEN

•

Trong quá trình này glucose được chuyển hoá thành axit pyruvic theo con đường
EMP (Embden-Mayerhof-Parnas), sau đó axit pyruvic tiếp tục chuyển hoá thành
axit citric. Phương trình tổng quát của quá trình này như sau:
2C6H12O6 + 3 O2 → 6C6H8O7 + 4H2O

Cơ chế của sự chuyển hoá này có thể được biểu diễn như sau:

Đường C6H12O6 thuỷ phần thành acid pyruvic (CH3COCOOH)
CH3COCOOH + CO2 → HOOCCH2COCOOH
(Acid oxaloacetic)
HOOCCH2COCOOH + CH3COOH → CH2COOHCOHCOOHCH2COOH
(Acid citric)

16


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

CHƯƠNG 2. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Sản xuất acid citric có thế thực hiện theo phương pháp bế mặt hoặc cấy chìm. Trong
phương pháp nổi (bề mặt) mốc tạo thành màng nổi trên môi trường thức ăn; Trong
phương pháp chìm (cấy sâu) mốc tạo thành Sợi nằm trong toàn bộ môi trường lỏng.
Phương pháp chìm có nhiều ưu việc hơn phương pháp nổi, cho phép tăng năng suất. Hiện
nay nuối cấy chủ yếu bằng phương pháp chìm. Vì các công đoạn đều được thanh trùng,
tạo được chế độ công nghệ bền vũng, rút ngắn được thời gian lên men, dễ tự động hóa,
giảm được lao động nặng nhọc.
Trong công nghệ sản xuất acid citric theo phương pháp chìm, người ta sử dụng môi
trường giống như môi trường lỏng dùng trong phương pháp lên men bề mặt.
Quá trình được thực hiện trong các thiết bị lên men có cánh khuấy và có hệ thống thổi
khí liên tục. Người ta tiến hành lên men ở 28 – 320C trong thời gian 6 – 7 ngày.
Trong qúa trình lên men, người ta thường phải sử dụng CaCO3 để điều chỉnh pH vì acid
citric được tạo thành sẽ làm giảm pH xuống 1 – 1,5. Việc điều chỉnh này còn có ý nghĩa
là người ta chuyển acid citric thành xitrat canxi lắng xuống. Kết thúc quá trình lên men,
người ta sử dụng H2SO4 để tách acid citric ra. Tiến hành cô đặc và kết tinh acid citric.
Trong kỹ thuật sản xuất này, công nghệ sản xuất công nghiệp chính cho axít citric, các mẻ

cấy nấm Aspergillus niger được nuôi trong môi trường chứa sucroza hayglucoza để sinh
ra axít citric. Nguồn đường là nước ngâm ngô cô đặc, nước rỉ đường, tinh bột ngô thủy
phân hay các dung dịch đường rẻ tiền khác. Sau khi nấm được lọc ra khỏi dung dịch được
tạo thành, axít citric được cô lập bằng kết tủa nó với vôi tôi (hydroxit canxi) để tạo ra
muối citrat canxi, từ đó axít citric được sinh ra bằng xử lý muối này với axít sulfuric.
Phương pháp lên mên chìm được áp dụng rộng rã trong bởi những ưu điểm vượt trội
so với phương pháp lên men bề mặt trong đề tài lần này nhóm sẽ tìm hiểu về phương
pháp lên men chìm.

17


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

2.1.

Nguyễn Thủy Hà

SƠ ĐỒ KHỐI
Tinh bột
Dịch lên men
Rỉ đường

Lên men

Nấm mốc

Ca(OH)2,
CaCO3 10%

Muối citrat canxi
H2SO4
Tách kết tủa
Trung hòa
Cô đặc

Kết tinh
Tinh chế
Acide citric

2.2.

THUYẾT MINH QUY TRÌNH

2.2.1. Chuẩn bị môi trường nuôi cấy nấm mốc
Như chúng ta đã biết , đối với A.Niger- các chủng sản xuất trong lên men acid citric thì
cơ chất thích hợp nhất là glucozo và saccarozo.Trong thực tế có thể dùng rỉ đường mía
hoặc rỉ đường củ cải thay cho các loại đường này.Rỉ đường là phế phẩm của công nghiệp
đường , vừa rẻ tiền vừa thích hợp cho quá trình lên men acid citric.
18


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

Hàm lượng đường trong môi trường nuôi cấy nấm mốc sinh acid citric thường cao và sợi
nấm phát triển bị hạn chế bởi các yếu tố dinh dưỡng như photpho,mangan hay kẽm.
Chuẩn bị môi trường cần lưu ý:
-

Để nấm mốc phát triển tốt giữ pH=6

-

Lên men tốt pH=3.4-3.5
Điều chỉnh pH bằng HCl hoặc NH4OH, pH quá thấp (<1.6), hạn chế khả năng

sinh tổng hợp acid citric.
2.2.2. Giống và nhân giống
Giống thuần chủng trong sản xuất acid citric là các chủng A.Niger đã được chọn
lọc kĩ, có hoạt lực siêu tổng hợp acid citric, được bảo quản trong các ống nghiệm hoặc
các bình có mặt nghiêng rộng.Giống nấm được bảo quản ở trạng thái bào tử khô trong
các bình kín có chứa chất hút ẩm sau đó được tiếp vào bình hoặc nồi nhân giống có
khuấy đảo và sục khí( đã qua hệ lọc khí vô khuẩn)
Trong quá trình nuôi cấy chìm, giống kết lại với nhau thành các viên (Pellets)
đường kính 1-2 mm.Nhân giống trong công nghiệp có thể ở trong nồi 10-20m3 đạt được
(1-5)x105 cục trong 1 lít môi trường.
Trong quá trì nuôi cấy , nấm phát triển thành các dạng khác nhau:
Sợi nấm phát triển rời rạc, dài, không phân nhánh sẽ làm tăng độ nhớt môi trường
, giảm khả năng trao đổi oxy và sinh ra ít acid citric,thậm chí không sinh ra.Dạng hình
cầu nhỏ với những sợi mập và ngắn là tốt nhất, có hoạt tính sinh acid citric cao.Dạng hạt
không mong muốn là dạng hạt phân rã, với những sợi nấm ít phân nhánh .Trường hợp
này cần bổ sung thêm vào Kali Feroxyamit,ZnSo4 hay CuSo4 , để ức chế sự phát triển

19


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

những hạt ít nhánh.Trong nuôi cấy có cánh khuấy có tốc độ cao có tác dụng tốt với việc
tạo thành các viên nấm nhỏ.

Các dạng khác nhau của nấm A.Niger
2.2.3. Chuẩn bị dịch lên men
-

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

-

Rỉ đường được chia thành loại nồng độ: nồng độ 3-4% để nuôi cấy móc giống lên
men ban đầu.Nồng độ 25-28% để bổ sung cho quá trình lên men.

-

Để pha chế dịch lên men dùng nước vô trùng trộn với dung dịch các muối dinh
dưỡng và rỉ đường rồi khuấy đều.

-

Mội trường 3-4% được pha chế trong thiết bị lên men.Sau đó cho mốc giống từ
thiết bị nuôi cấy vào và tiếp tục khuấy trộn trong 30 phút.

2.2.4. 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 vào thiết bị lên men.
Thời kì đầu giữ ở 33-34oC, khi tạo acid mạnh thì giữ ở 31-32oC

20


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

Lên men chìm được thực hiện trong nồi lên men công nghiệp có thể tích tới 150200m3 có trang bị cánh khuấy và bộ phận thổi khí.

Quy trình lên men acid citric công nghiệp
Giống nuôi ở các nồi có khuấy và sục khí.Tiếp giống vào quá trình lên men với tỉ
lệ 5-10% theo thể tích.Trong quá trình lên men,pH và oxi đóng vai trò quan trọng.Nếu pH
ban đầu quá thấp (<1.6) làm hạn chế sin h tổng hợp acid citric , ở pH<3 sự tạo thành acid
oxalic và glunomic bị hạn chế.Với tốc độ tạo acid citric trong lên men công nghiệp ,
khoảng 1,5kg/m3.h, nấm mốc nuôi cấy có nhu cầu oxi là 0,5kg/m3.h
21


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

Nuôi cấy sau 8h sẽ xuất hiên bọt.Để tránh trào bọt ra ngoài và lên men ít bọt ,
người ta thường dùng dầu thực vật để phá bọt.
Giống nấm mốc sau khi được tiếp vào môi trường sẽ tiếp tục tăng sinh khối và
kết thành các viên hạt sợi nấm.Quá trình sinh trường sinh nhiệt là cho môi trường nóng
dần.Trong công nghiệp người ta thường dùng hệ thống xoắn dẫn nước lạnh để hạ nhiệt và
giữ ở khoảng 28-35oC.

Động học của quá trình lên men
Kết thúc quá trình lên men khi 2 lần phân tích cách nhau 4h không thấy lượng
acid tăng lên.Thời gian kết thúc lên men vào khoảng 150-200h.Trong dịch lên men có 1
lượng nhỏ acid oxalic , acid gluconic.
2.2.5. Tách nấm mốc
Kết thúc quá trinh lên men bằng cách kiểm tra mẫu.Nếu hai mẩu kiểm tra cách
nhau 4-6 h mà có độ acid như nhau thì coi như kết thúc quá trình lên men

22


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

Thời gian lên men có thể kéo dài từ 5-10 ngày, phụ thuộc vào hoạt lực của nấm
mốc.Khi kết thúc quá trình lên men thì đun nóng dịch men lên 65oC và chuyển vào thùng
trung gian để tách nấm mốc.Nấm mốc được tách trên máy lọc chân không.

Máy lọc chân không
2.2.6. Tạo Canxi citrat
Nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình tạo kết tủa canxi citrate.Ở 70 oC sản phẩm chủ
yếu tricanxi citrate ngậm 4 nước vô định hình.Ở 90oC-dicanxi hydroxitrat tinh thể
Khi cho nước vôi cào dịch lọc có acid và pH tăng tới 5.8 tủa dicanxi citrate sẽ tạo
thành.Tủa này dễ lọc và rữa hơn tricanxi nitrat
Dung dịch sau lên menla 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
citrate.Dung dịch đã lên men cho vào thiết bị trung hòa và đun sôi.Sau đó mở cánh khuấy
cho sữa vôi vào để turng hòa.Qua trình trung hòa kết thúc khi pH=6.8-7.5

C6H8O7(acid citric)+3Ca(OH)2Ca3(C6H5O7)2 (canxi citrat) +6H2O
2C6H12O7(acid gluconic) +Ca(OH)2Ca(C6H11O7)2(Canxi Gluconat) +2H2O
23


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

C2H2O4(acid oxalic) +Ca(OH)2CaC2O4(Canxi oxalat) +2H2O
Dùng thiết bị lọc chân không tách kết tủa canxi citrate và canxi oxalat ra.
2.2.7. Tách canxi citrat
Dùng H2SO4 để tách canxi citrat.
Đầu tiên cho nước vào thiết bị 0,25-0,5 m3/l tấn acid citric chứa trong citrate, mở
cánh khuây và cho chất kết tủa vào.Để làm trong acid citric dùng than hoạt tính với lượng
2% so với lượng acid citric trong citrate.Sau đó đun nóng lên 60 oC và cho H2SO4 có tỉ
trọng 1.8-1.84 vào (0,425 lit H2SO4/1kg acid citric có trong citrat).Khuấy đều rồi đun sôi
10-15 phút
Ca3(C6H5O7)2 +3H2SO42C6H8O7 +3CaSO4
Để tách canxi oxalate khi có mặt acid citric, sử dụng 1 lượng dư acid sunfuric,
khi đó canxi oxalate 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 oxalate, than, các hợp chất sunfua của kim loại nặng.Tiếp theo là cho dung dịch qua
cột trao đổi ion mạnh chủ yếu để hấp thụ các lim loại ,canxi sunphat còn sót,các hợp chất
sunfua của kim loại nặng.Chuyển hỗn hợp vào lọc chân không , dung dịch sau khi lọc
đem sấy.
2.2.8. Cô đặc và sấy sản phẩm:
Dịch acid citric đưa vào thiết bị sấy
-

Giai đoạn đầu sấy đến tỉ trọng 1.24-1.26

-

Giai đoạn sau sấy đến tỷ trọng 1.32-1.36 tương ứng với nồng độ 80% rồi đưa vào
thiết bị kết tinh .Khi dịch có nhiệt độ 35-37 oC thì cho mầm kết tinh (tinh thể acid
citric)tới 10-25% vào thiết bị để kết tinh và tiếp tục giảm nhiệt dộ 8-10 oC,cho
24


Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất Acid Citric

Nguyễn Thủy Hà

khuấy trong 30 phút.Chú ý: khi cho kết tinh cần giữ ở nhiệt độ trên hoặc dưới
36,6oC, điểm này là điểm chuyển hóa dạng khan sang dạng ngậm nước
monohydrate của sản phẩm .Sau đó tách các tinh thể acid citric monohydrate bằng
ly tâm và đưa đi sấy khô .Sấy bằng kiểu sấy băng tải, tác nhân sấy là không khí
với nhiệt độ không quá 35oC.Cũng có thể sấy sản phẩm bằng sấy tầng sôi hai giai
đoạn:giai đoạn đầu với khí nóng 90oC , giai đoạn sau với khí khô có độ ẩm 3040% ở nhiệt độ 20oC
Công đoạn tách và làm sạch sản phẩm từ dịch lên men ở quy mô công nghiệp
được giới thiệu như sau:

Sơ đồ tách acid citric khỏi dung dịch lên men
2.2.9. Thu hồi và tinh chế
Thu hồi acid citric có thể thực hiện 1 trong 3 phương pháp
-

Kết tinh trực tiếp khi cô đặc dịch lọc

25