دانلود مقاله اسید های آلی

دیباچه تولید اسید های آلی به دلیل کاربرد وسیع آنها در صنایع مختلف از دیرباز مورد مطالعه و بررسی بوده است.

از جمله اسیدهای آلی مورد استفاده، اسید سیتریک است که دارای مصارف متعددی در صنایع غذایی، دارویی، بهداشتی و سایر صنایع می‌باشد که به دلیل غیرسمی بودن، اسیدیته مناسب، قابلیت بافری و .

.

هر سال به مقدار %2-3 بر میزان مصرف آن افزوده می‌گردد.

از اولین کشورهایی که در این زمینه تلاش کردند، ایتالیا، آمریکا، انگلستان و چند کشور اروپایی بودند که در قرون 18 و 19 به روش شیمیایی اقدام به این عمل نمودند و تقریباً از اوایل قرن 20 روشهای بیوتکنولوژی در سراسر دنیا رایج شدند که هنوز هم کاربرد دارند.

ابتدا روش بستر جامد برای تولید آن استفاده می‌شد ولی به تدریج روش غوطه وری جایگزین روشهای قبلی شد زیرا در روش غوطه‌وری کنترل بهتر و آسانتر صورت گرفته و نیز شرایط کار بهتر و راندمان بیشتر می‌باشد.

مجدداً پس از طی چند دهه روش بستر جامد برای تولید این اسید به دلیل امکان استفاده از ضایعات فراوان و ارزان کشاورزی به عنوان سوبسترا رواج یافت.

به هر حال در سالهای اخیر تلاشهای فراوانی برای اصلاح گونه‌های میکروبی مولد اسید سیتریک مخصوصاً آسپرژیلوس نایجر صورت گرفته و از جهت افزایش راندمان تولید و استخراج اسید نیز مورد توجه بوده است.

مقدمه اسید سیتریک یک تری کربوکسیلیک اسید 6 کربنه با فرمول ساختمانی زیر است: نام شیمیایی آن، 2- هیدروکسی 1 و 2 و 3 پروپان تری کربوکسیلیک اسید است.

فرمول شیمیایی: اسید سیتریک جزء طبیعی و متابولیت مشترک گیاهان و حیوانات است و به صورت خیلی گسترده در صنایع غذایی، نوشیدنی و دارویی و غیره استفاده می‌شود.

به علت دارا بودن گروههای عاملی مختلف و قابلیت زیست تخریب پذیری، اسید سیتریک و نمکهای آن (عمدتاً Na و K ) کاربردهای صنعتی خیلی زیاد در زمینه‌های مختلف دارند.

1-1) پیشینه: این اسید اولین بار در سال 1784 توسط Scheel از آبلیمو جداسازی و کریستالیه شد.

اولین بار به طور تجاری در سال 1826 توسط John و Edmond sturge در انگلستان تولید گردید.

در سال 1869 در انگلستان از کلسیم سیتریت وارده در ایتالیا تهیه گردید.

سیترات کلسیم را یک کارتل دولتی ایتالیا به نرخ بالایی فروخته بود.

این قیمت بالا توسعه خرید سیترات کلسیم و تولید اسید سیتریک را به تعویق انداخت.

در سال 1880 اسید سیرتیک توسط Adam و Grimux سنتز شد.

از آن زمان تا حال روشهای سنتزی متعددی ارائه شده‌اند که هیچ کدام به تولید صنعتی نرسیده‌اند و دلیل آن بازدهی کم و عدم توجیه اقتصادی این روشها نسبت به سایر روشهای تولید است.

شروع تولید اسید سیتریک به روش تخمیر به سال 1893 بر می گردد.

زمانی که wehmer (گیاه‌شناسی آلمانی) تشخیص داد که اسید سیتریک متابولیت کپکهای سیترومایسس ففریا نیز (citromyces pfefferionis) و سیترومایسس گلابر (glaber) است.

کوشش های زیاد wehmer برای تولید اسید سیتریک ناموفق بوده‌اند تا اینکه کوری در سال 1917 تولید انبوه اسید سیتریک به روش تخمیر سطحی را با آسپرژیلوس نایجر پایه‌گذاری کرد.

بعداً کوری به چاس فیرز پیوست و در سال 1923 کارخانه تولید اسید سیتریک به روش جدید را راه‌اندازی کردند.

این تخمیر با رشد میکروارگانیسم به صورت کشت سطحی همراه بود.

تولید میکروبی اسید سیتریک با روش کشت سطحی ادامه یافت تا اینکه اولین بار در سال 1951 فرآیند تخمیر غوطه‌وری پیشرفته در ایالت متحده امریکا توسعه داده شد.

ابداع این فرآیند تحول عمده ای در تولید اسید سیتریک ایجاد کرد.

از سال 1965 به بعد پیشرفت به سمت معرفی فرآیندهایی بود که در آن زمان از مخمرهای خاصی برای تولید اسید سیتریک استفاده شد.

در این فرآیندها ابتدا از کربوهیدراتها و سپس از آلکانهای نرمال استفاده می‌شد.

البته زمانی که هیدروکربنها به عنوان ماده خام استفاده می شدند، محصولات نفتی ارزان بودند و طبیعتاً تولید اسید در آن شرایط از نظر اقتصادی مقرون به صرفه بود به طوری که چاس فیرز پس از یک دوره استفاده از هیدروکربن به سمت استفاده از کربوهیدراتها تغییر جهت داد.

علاوه بر این، شرکت Liquichimica در ایتالیای جنوبی کارخانه دیگری با ظرفیت تولید سالیانه 50 تن سیتر ات سدیم از آلکانهای نرمال، تأسیس کر د که پس از دوره کوتاهی تعطیل شد.

علاوه بر دو روش تخمیر سطحی و غوطه‌ور، روش کشت حالت جامد نیز برای تولید اسید سیتریک قابل استفاده است.

از این روش بیشتر در کشورهای آسیایی جنوب شرقی استفاده می شود.

به طوری که هم اکنون 20% اسید سیتریک مصرفی ژاپن از این روش تولید می شود.

در سه دهه اخیر تمایل فزاینده‌ای برای استفاده از مواد خام جامد و کم ارزش صورت گرفته است.

-3) خواص فیزیکی اسید سیتریک اسید سیتریک بی‌آب به صورت کریستالهای شفاف بی‌رنگ یا پودر کریستالی سفید است که به طبقه بلورهای منظم الاضلاع سیستم حاوی سه محور غیرمساوی با تقاطع اریب تعلق دارد.

هر دو شکل تحت شرایط رطوبت معمولی وجود دارند، آبگیری از شکل تک آبه در هوای خیلی خشک اتفاق می افتد و تحت خلأ در حضور اسید سولفوریک غلیظ این عمل سریعتر رخ می دهد.

بلورهای بدون آب به تدریج در هوای مرطوب، آب را جذب می نمایند.

هر دو فرم بلورین تشکیل کلوخه داده و در هوای مرطوب سخت می شوند.

حلالیت اسید سیتریک در آب تابعی از دماست .

PH محلولهای اسید سیتریک به صورت تابعی از غلظت در شکل (1-2) نشان داده شده است.

نقاط انجماد و جوش محلولهای اسید سیتریک نیز در جدول (1-1) داده شده است.

ثوابت تفکیک اسید در به قرار زیر می‌باشند: و و جدول (1-4): حلالیت اسید سیتریک بدون آب جدول (1-5): PH و چگالی محلولهای آبی اسید سیتریک جدول (1-6): محلولهای بافر اسید سیتریک اسید سیتریک اسید ضعیف با ثابتهای یونیزاسیون و و در است .

لذا وقتی به صور ت جزئی در آب حل می شود، سیستم‌های بافری خیلی عالی تشکیل می دهد که در جدول بالا به آن اشاره شده است.

اسید سیتریک یک آبه با وزن مولکولی 210.14 از محلول آبی سرد، کریستاله می‌شود.

این شکل از اسید وقتی به آرامی حرارت داده می‌شود، در دمای آب خود را از دست داده و در محدوده دمایی ذوب می‌شود.

1-4) خواص شیمیایی اسید سیتریک اسید سیتریک در دمای با از دست دادن آب به شکل اسید آکونیتیک و با حذف دی اکسید کربن به انیدرید ایتاکونیک تبدیل می شود.

انیدرید ایتاکونیک به انیدرید سیتراکونیک باز آرایی می‌‌شود یا با آبگیری به شکل اسید ایتاکونیک در می‌آید.

افزایش آب به انیدرید ایتاکونیک خشک شده، اسید سیتراکونیک سیس را می‌دهد.

تبخیر محلول اسید سیتراکونیک در حضور اسید نیتریک، ایزومرترانس اسید سیتراکونیک یعنی اسید میزاکونیک را ایجاد می‌نماید.

اکسیداسیون اسید سیتریک در دمای با پرمنگنات پتاسیم، 1 و 3- استن دی کربوکسیلیک اسید را تولید می نماید.

در محصول، اسید اگزالیک است.

ذوب اسید سیتریک با هیدورکسید پتاسیم، اسیدهای اگزالیک و استیک را بوجود می‌آورد.

اسید سیتریک بلورهای نمک یک، دو و سه بازی را با بسیاری از کاتیونها تشکیل می دهد.

درجه هیدراسیون این نمکها متغیر است.

تری سدیم سولفات می تواند با 2 یا 5/5 مولکول آب کریستاله شود.

مخلوط شدن آن با کاتیونهای فلزی ، نمکهای کمپلکس نظیر و و ایجاد می نماید.

اسید سیتریک با بسیاری از فلزات تشکیل کمپلکس های پایداری مثل فروآمونیوم سیتراتها را می دهد که می توانند کریستاله شوند.

با بسیاری از یونهای فلزی در محلول، بوسیله تشکیل پیوند بین فلز و گروههای کربوکسیل یا هیدروکسیل می تواند شلات ایجاد کند.

گاهی اوقات تعدادی مولکول یا بیشتر اسید سیتریک در بر هم کنش با یونهای فلزی تجمع می‌یابند.

این خصوصیت برای هدایت رسوب دهی، تغییر پتانسیل شیمیایی و دیگر خصوصیات شیمیایی، ارزشمند است.

اسید سیتریک به آسانی با بسیاری از الکلها تحت شرایط معمولی در حضور کاتالیزورهایی نظیر اسید سولفوریک، پاراتولوئن، سولفونیک اسید، یک رزین تعویض یون، استری می‌شود.

کلریدهای اسیدی و انیدریدها با گروههای هیدروکسیل اسید سیتریک واکنش می دهند.

اپوکسایدها نظیر اکسیداتیلن، اکسید پروپیلن و اکسیداستیرن طی واکنش با اسید سیتریک یا استرهای آن در گروههای قابل دسترسی هیدروکسیل و کربوکسیل تشکیل پلیمر می دهند.

آمونیاک، آمینها، آمیدها و کربامیدها به همان صورت واکنش با اسیدهای کربوکسیلیک ساده، با اسید سیتریک وارد واکنش می شوند.

1-5) منابع طبیعی اسید سیتریک اسید سیتریک به صورت گسترده در گیاهان و جانوران وجود دارد.

اسید سیتریک کل سرم خون انسان تقریباً 1 وزن بدن انسان است.

جدول (1-7): میزان اسید سیتریک در چند گیاه و میوه جدول (1-8) اسید ستریک موجود در تعدادی از نسوج و مایعات بدن انسان 1-6) کاربرد اسید سیتریک همانطور که اشاره شد، اسید سیتریک به دو شکل بدون آب و یک آبه تولید می شود.

دمای انتقال بین دو فر م است.

شکل بدون آب توسط کریستالیزاسیون از محلولهای آبی داغ بدست می‌آید، در حالیکه شکل یک آبه توسط کریستالیزاسیون در دمای کمتر از بدست می آید.

هر دو صورت در صنعت مصرف می شوند.

میزان کاربردهای اسید سیتریک در صنایع مختلف عبارتند از : غذا، شیرینی و نوشابه‌سازی 75% ، داروسازی 10% و سایر صنایع 15% و در غذا، شیرینی و نوشابه‌سازی بیشتر مصرف داشته و به طور وسیع برای ترشی کردن فرآورده‌های غذایی استفاده می‌شود.

میزان استفاده از آن به عنوان پایدار کننده روغنها و چربیها منجر می‌شود.

از محلول اسید سیتریک در تمیز کردن بویلرهای ایستگاه قدرت و تجهیزات مشابه استفاده می‌شود.

جایی که در شوینده‌ها روی فسفات محدودیت وجود دارد، تری سدیم سیترات در تمیز کننده‌های ویژه و آبهای سخت جایگزین می شود.

سیترات آمونیوم آهن هنوز در درمان کم خونی استفاده می‌شود، اگر چه سایر نمکهای آهن به طور فزاینده‌ای ترجیح دارند.

مخلوطی از اسید سیتریک و نمکهای آن دارای ظرفیت بافری خوبی هستند و بوفور در داروسازی، صنایع غذایی و آرایشی استفاده می‌شوند.

برای حذف دی اکسید گوگرد خارج شده از دودکش ایستگاههای قدرت پیشنهاد شده از اسید سیتریک استفاده شود.

محلول بافری شامل نمک سیترات به عنوان یک عامل ضدعفونی کننده مورد استفاده قرار می گیرد.

استرهای اسید سیتریک حاصل از واکنش با طیف وسیعی از الکلها شناخته شده‌اند.

بویژه استرهای تری اتیل، تری بوتیل و استیل تری بوتیل به عنوان نرم‌کننده‌های غیرسمی در روکشهای پلاستیکی برای محافظت مواد غذایی استفاده می شود.

از کاربردهای دیگر اسید سیتریک می توان به موارد ذیل اشاره نمود: 1- نوشابه های الکلی و شربتها: اسید سیتریک به دلیل طعم ترش مطبوع، کمک به جوشش و کربناسیون به عنوان نگاهدارنده در شربتها و نوشابه‌ها مورد استفاده قرار می گیرد.

این اسید همچنین سبب جدا شدن فلزات که ایجاد تیرگی نموده و سبب تسریع فساد و رنگ و طعم می شوند، می‌گردد.

2- عصاره میوه‌جات و سبزیجات: به طور کلی مقادیر پایین PH، یک اثر حفاظتی بر روی پیگمانهای آب میوه جات اعمال می نماید.

وجود اسید سیتریک در عصاره میوه‌جات و سبزیجات و نهایتاً افت PH سبب افزایش مقاومت در برابر فساد می گردد.

در آب گوجه فرنگی توسط افزودن اسید سیتریک به میزان %0.1 از رشد میکروارگانیسمهای flatsour که سبب از بین رفتن طعم می گردند، جلوگیری می شود.

همچنین طعم طبیعی عصاره گریب فروت و سایر میوه‌جات به علت طعم ترش و مطبوعی که اسید سیتریک ایجاد می کند، تشدید می شود.

3- شیرینی جات: اسید سیتریک به منظور تشدید طعم میوه‌های مختلف مانند توت فرنگی، شاتوت و انگور در شیرینی پزی و بخصوص آبنبات‌سازی استفاده می شود.

در موارد بسیاری به علت حلالیت کم ساکیارز نسبت به قندهای احیاء بهتر است که ساکارز به دو قند ساده دکستروز و Lerulose هیدرولیز شود.

اضافه نمودن اسید سیتریک در خلال فرآیند پخت سبب هیدرولیز ساکارز به قندهای ساده که به آسانی کریستال نمی‌شوند، می‌گردد.

4- دسرها: در صنعت دسرهای ژلاتینی، کنترل PH از اهمیت خاصی برخودار می‌باشد.

زیرا که کیفیت ژلاتین تابع مقادیر PH است.

اسید سیتریک نه تنها PH را در اپتیمم مقدار خود یعنی 2-3.5 تنظیم می‌نماید، بلکه طعم مطبوعی ایجاد می نماید.

حلالیت بالا و غیرسمی بودن اسید سیتریک نیز در این صنعت اهمیت بسیار زیاد دارد.

5- ژله و مرباجات: اسید سیتریک، PH ژله‌ها و مرباجات را به نحوی تنظیم می نماید که پکتین بتواند به خوبی عمل نماید.

اضافه نمودن اسید سیتریک پس از تغلیظ نمودن مخلوط پخته شده قند، پکتین و عصاره ژله صورت می گیرد.

مقدار اسید سیتریک مصرفی بسته به نوع و خصوصیات پکتین متفاوت است.

6- میوه‌جات منجمد: اکسیداسیون مواد تولید کننده رنگ مانند کاتکولز (Catechols) سبب بیرنگی میوه‌جات می گردد.

هر چند اسید اسکوربیک که به طور طبیعی در میوه‌جات موجود است، به عنوان آنتی اکسیدانت عمل می نماید.

لیکن اثر حفاظتی آن تا زمانی است که توسط آنزیمهای میوه از بین نرود.

البته برای رفع این مسأله می‌توان از عمل blanching (از بین بردن آنزیمها توسط حرارت) استفاده نمود ولی این فرآیند سبب ایجاد طعم پختگی در میوه ها می شود که این طعم در محصولاتی که به صورت تازه منجمد می شوند، مطلوب نیست.

از طرفی وجود فلزات trace از قبیل مس و آهن نیز فساد اسید اسکوربیک را سرعت می بخشد که در این مورد blan ching هیچ تأثیری روی حضور این فلزات ندارد.

اسید سیتریک به دو منظور در بسته‌بندی کردن میوه‌جات منجمد بکار می رود.

اول آنکه چون عمل پوست‌گیری، معمولاً توسط مواد قلیایی صورت می گیرد، پس از شستشوی کامل میوه با آب باقیمانده قلیا توسط قرار دادن میوه‌جات سبزیجات و در محلول %1-2 اسید سیتریک خنثی می‌گردد.

در غیر این صورت قلیایی باقیمانده، اسید اسکوربیک را از بین می برد.

اسید سیتریک با کاهش PH و در نتیجه غیرفعال نمودن آنزیمهای اکسید کننده ، ثبات اسید اسکوربیک و همچنین شرایط پایداری را فراهم می ‌سازد.

علاوه بر این با قرار دادن میوه‌جات و سبزیجات در محلول اسید سیتریک، نابودی اسید اسکوربیک توسط فلزات trace به تعویق می افتد.

ضمناً با اضافه نمودن اسید سیتریک به همراه اسید دی ریتروبیک و یا سدیم دی اریتروبات به محصولاتی از قبیل هلو، گلابی، گیلاس و معجون میوه‌جات از تغییرات نامطلوب طعم و رنگ ناشی از اکسیداسیون، جلوگیری می شود.

اسید سیتریک فلزاتی را که سبب تسریع اکسیداسیون می شوند، به صورت کمپلکس در می ‌آورد که به این ترتیب بی رنگ شدن به تعویق افتاده و طعم ویتامینهای طبیعی حفظ می‌شود.

7- صنایع دارویی: اسید سیتریک در تهیه مواد دارویی به عنوان ایجاد کننده و تشدید کننده طعم شربتها و محلولها بکار می‌رود.

اسید سیتریک همراه با بی کربنات سدیم هنگام انحلال در آب ایجاد گاز کربنیک می نماید که از این خاصیت اسید در تهیه قرصها و پودرهای جوشان استفاده می گردد.

در تهیه‌ این قرصها و پودرها در اشل صنعتی از نمکهای اسید سیتریک از قبیل سیترات سدیم و سیترات پتاسیم نیز استفاده می‌شود.

8- لوازم آرایشی: اسید سیتریک در صنایع آرایشی نیز مورد استعمال زیادی دارد.

شستشوی موی سر با آب حاوی مقداری اسید سیتریک، باعث براق شدن آن می گردد.

اسید سیتریک در لوسیونهای مخصوص پوستهای چرب که دارای منافذ بزرگ می باشند و همچنین در لوسیونهای سفید کننده پوست به عنوان تنظیم کننده PH بکار می رود.

9- شستشوی فلزات: اسید سیتریک با از بین بردن رنگ، جرم و لکه از سطوح فلزی، درخشندگی آنها را سبب می ‌شود.

به منظور تأثیر بیشتر این اسید ابتدا با ذرات گریس، روغن و گرد غبار از سطوح فلزی زدوده شود.

این عمل توسط حلالهای آلی، امولسیونها و یا محلولهای قلیایی صورت می‌پذیرد.

در فرمولاسیون اغلب شفاف کننده‌های آلومینیوم، اسید سیتریک نیز وجود دارد.

10- حذف جرم و رنگ: در اوایل سال 1913 کشف شد که محلولهای آمونیاکی داغ اسید سیتریک در از بین بردن زنگ از وسایل آهنی بسیار مؤثر است.

با اضافه نمودن یک پوند هیدروکسید آمونیوم 4/29% به 66/1 پوند اسید سیتریک بدون آب در حضور مقدار مناسب آب، یک حلال شستشوی آماده برای مصرف بدست می‌آید.

البته در دمای بیشتر از این حلال مؤثرتر است.

این محلول گذشته از عمل پاک کنندگی مؤثر آن به دلیل غیرسمی بودن از امتیاز خاصی برخوردار است و شخص با استفاده از این محول، در معرض خطرات ناشی از استفاده از ترکیبات دیگر قرار نمی‌گیرد.

11- شستشوی شیمیایی: استفاده از اسید سیتریک در پاک کننده‌های شیمیایی در سالهای اخیر افزایش یافته است ژنراتورهای بخار با فشار زیاد، شامل قسمتهای مختلف هستند که از مواد austenitic ساخته شده‌اند.

از آنجاییکه این مواد نسبت به شستشو با اسیدهای کلردار بسیار حساس می باشند، شستشوی آنها توسط محلول اسید سیتریک جهت تمیز نمودن تجهیزات شیمیایی و راکتورهای اتمی و وسایلی نظیر اینها نیز بکار می رود.

پرداخت فلزات بوسیله جریان برق، آب مس کاری، بازیابی ثانویه نفت، چاپ و موارد متفرقه.

اسید سیتریک نقطه شروع تولید انواع استرها، نیتراتهای سدیم، آمونیوم، کلسیم، یون فریک منیزیم، پتاسیم، منگنز و استرانسیم است.

1-7) مشتقات اسید سیتریک 1-7-1) نمکها نمک سیترات تری سدیم از اضافه کردن دقیق محلول %50 وزنی هیدروکسید سدیم به محلول اسید سیتریک تا رسیدن به PH=8-8.5 بدست می آید.

واکنش گرمازاست و برای جلوگیری از جوشیدن محلول، لازم است سرد شود.

محلول گرم با کربن فعال تیمار می شود تا قبل از کریستاله شدن و تبخیر ناخالصی‌های آن حذف شوند.

برای جداسازی سیترات سدیم محلول تغلیظ شده صاف می شود، سپس با آب شسته شده، در خشک کن هوای گرم خشک شده، دانه‌بندی شده و به صورت‌های مختلف بسته‌بندی می‌ شود.

نمکهای آمونیوم اسید سیتریک با اضافه کردن آمونیاک محلول یا گاز به محلول آبی اسید سیتریک بدست می آید.

این نمکها ترجیحاً به صورت مایع استفاده می‌شوند.

1-7-2) استرها استرهای مهم اسید سیتریک عبارتند از تری متیل سیترات، تری اتیل و تری بوتیل سیترات استیله شده.

استرهای زیاد دیگری نیز وجود دارند که هنوز در مقیاس، استفاده نشده‌اند.

برای تولید استرهای اسید سیتریک تحت شرایط آزئوتروپیک با یک حلال، یک کاتالیست و الکل مناسب واکنش صورت می گیرد.

معمولاً کاتالیست هایی مثل ، اسید پاراتولوئن سولفونیک، رزین‌های تبادل یونی، اسید سولفوریک و .

استفاده می شوند.

هنگامی که شرایط آزئوتروپیک حاکم است برای جلوگیری از تجمع بیشتر آب، تشکیل شده بطور مداوم آب حاصل از واکنش استری شدن برداشت می‌شود.

معمولاً در این حالت واکنش کامل است و حلال و الکل اضافی تحت خلاء معمولی تقطیر می شود.

با استفاده از کربنات یا هیدروکسید سدیم کاتالیست خنثی شده و محصول خام باقی می‌ماند.

اگر محصول خالص مورد نظر باشد، تقطیر در خلاء بالا انجام می‌گیرد.

خواص استرهای اسید سیتریک در جدول (1-9) آمده است.

استرهای اسید سیتریک به عنوان نرم کننده در پلاستیک‌هایی مثل پلی وینیل کلراید، پلی وینلیدین کلراید، پلی وینیل استات، پلی وینیل بوتیرات، پلی پروپلین، لاستیک کلرینه شده، اتیلن سلولز و نیترات سلولز استفاده می‌شود.

بیشتر استرها غیر سمی بوده و در بسته‌بندی های مواد غذایی بکار می رود.

جدول (1-9): استرهای اسید سیتریک 2-1) نقش فیزیولوژیکی اسید سیتریک اسید سیتریک متابولیت چرخه کربس است.

در طی این چرخه کربوهیدراتها، چربیها، پروتئین‌ها به دی اکسید کربن و آب تبدیل می‌شوند.

ضمناً این چرخه انرژی لازم برای رشد، تولید مثل، حرکت، تولید شیمیایی مواد و .

میکروارگانیسمها را فراهم می‌کند.

چرخه کربس را می توان طوری هدایت کرد که در آن تولید اسید سیتریک به بیشترین مقدار خودش برسد.

این موضوع اساس فرآیندهای تخمیری تولید اسید سیتریک را تشکیل می دهد.

2-2) بیوشیمی تخمیر شکل (2-1) یک روند ساده شده از انواع واکنشهای آنزیمی متناسب با سنتز و شکستن اسید سیتریک را نشان می‌دهد.

اسید سیتریک در محیطهای کشت با PH=1.8-2 دفع و تولید می شود.

یعنی در شرایط اسیدی که اکثر موجودات زنده قادر به تحمل آن نیستند.

در مورد PH درون میتوکندری یا حتی سلول میکروارگانیسمهایی که در این محیط زندگی می کنند، اطلاع زیادی در دست نیست ولی برای رفع این تناقض تفاسیری وجود دارد.

Blumenthal در سال 1965 مسیرهای متابولیک مختلف قارچها را توضیح داده است.

در آسپرژیلوس نایجر %78 از قند مصرفی در مسیر (EMP) Embden- Meyerhof- Parans مصرف می‌شود.

در محیط تخمیر اسید ستیریک ، این درصد تغییر می نماید.

تحت این شرایط گلیکولیزهم از مسیر EMP و هم از مسیر هگز و منوفسفات (HMP) به طور مداوم فعال است.

بطوریکه حداکثر فعالیت مسیر EMP در مرحله رویشی و حداکثر فعالیت HMP در مرحله تولید کونیدی رخ می دهد.

در خلال رشد مقدار اسید سیتریک در محیط کشت کم است، در حالیکه بیشترین مقدار اسید سیتریک توسط سلولهایی تولید می شود که در فاز تکثیر نیستند.

بنابراین کشتهایی که در آنها اسپورگذاری رخ می‌دهد، تقریباً فاقد اسید سیتریک هستند.

بنابراین تصور می‌شود که مسیر EMP نقش اصلی را در گلیکولیز تخمیر اسید سیتریک دارد.

Verhoff و Spradin در 1976 موازنه جرمی برای سیستمی که ورودی آن پیرووات و محصولاتش اسید سیتریک، اسید اگزالیک و دی اکسید کربن می باشند، برقرار نمود.

تجزیه نتایج به ارائه دو شماتیک متابولیک منجر گردید.

یکی از این شماتیکها با کار cleland و johnson در 1954 یکی بود و دیگری شامل کربوکسیلاسیون دو ملکول پیروات و تولید دو ملکول از اگزالواستات بود.

یکی از اینها توسط اگزالواستیک هیدرولاز به اسید اگزالیک و استات هیدرولیز می شد.

بخش استات در تراکم با مولکول دیگر اگزالواستات، اسید سیتریک تولید می کند.

مطابق با این طرح،اگزالات به گلایوکسیلاتی که با سوکسینات، توسط عمل ایزوسیترات لیاز در جهت مخالف ایزوسیترات متراکم شده، احیاء می گردد.

دو مولکول دی اکسید کربن روی مسیری که برای کربوکسیلات دو ملکول پیروات در شروع شماتیک استفاده شده، کم می‌شود.

مسیر EMP: وجود آنزیمهای این مسیر در آسپرژیلوس نایجر محرز است.

آلدولاز آسپرژیلوس – نایجر برای فعالیت به روی نیاز دارد.

سیترات یک باز دارنده بازخور شناخته شده فسفو فروکتو کیناز (PEK) است و آشکارا تعدیل این بازداری برای تجمع خوب اسید سیتریک نیاز دارد.

چند تن از محققین نشان دادند که در اثر کمبود منگنز، تجمع یونهای در سلول (طی تولید اسیدیته) رخ می دهد که این شرایط، روی حذف بازداری PEK توسط سیترات مؤثر است.

2-2-1) تشکیل اسید سیتریک از پیروات ابتدا اگزالواستات به واحد بزرگتر متصل شده و در نتیجه باعث چرخش این واحد به مقدار 15 درجه آنگستروم نسبت به واحد با جرم بزرگتر چرخش پیدا کرده و برای اتصال با استیل کوآنزیم A آماده می‌شود.

این چرخش باعث پلاریزه کردن بعضی پیوندهای مشخص شده و نیز گروه هیستیدین آنزیم با اکسیژن گروه کربونیل اگزالواستات واکنش داده و کربن اگزالواستات را برای اتصال به استیل کوانزیم A آماده و مهیا می کند.

از طرفی یک هیستیدین دیگر با گرفتن پروتون از گروه متیل، استیل کوآنزیم را به فرم انولات تبدیل نموده، بنابراین استیل کوآنزیم A را به اگزالواستات نزدیک می نماید و به این ترتیب پیوند کربن – کربن ایجاد شده و ساخت سیتریل کوانزیم A را باعث می شود.

تا این زمان جایگاه فعال آنزیم که تا بحال کاملاً پوشیده بود با یک چرخش ایجاد مکانی را می کند که دارای آسپارتات می باشد.

آسپارتات با گرفتن یک مولکول آب باعث هیدرولیز تیواستری و در نهایت، آزاد شدن کوانزیم A می شود.

پس از این حالت آنزیم به حالت اولیه خود برگشته و سیترات را آزاد می‌کند.

از نکات مورد توجه در چرخه کربن سرعت تولید سیترات است که کاملاً به ATP وابسته است.

گزارشات حاکی از آن است که ATP یک مهار کننده آلوستریکی برای سیترات سنتتاز است و با کاهش درجه اشباعیت آنزیم در نهایت باعث کاهش تولید سیترات می شود.

میکروارگانیسمها در مراحل اولیه تولید اسید و در هنگام ساخت کونیدی از مسیر هگزوز مونوفسفات استفاده می‌کنند و چنانچه پیشتر ذکرشد، در اکثر مواقع از طریق مسیر EMP عمل می‌کنند که در واقع 80% کل متابولیسم نیز از این طریق صورت می‌گیرد.

با کاربرد کربن رادیواکتیو، دانشمندان ثابت کردند که در تولید اسید سیتریک، 40% توسط استیل کوآنزیم A و 60% توسط ترکیب اگزالواستات به اشتراک گذاشته می‌شود.

این فرآیند هنگامی که تولید اسید صورت نمی‌گیرد، با استفاده از آنزیم گلی اگزالواستات هیدرولاز بدست آمده از آسپرژیلوس نایجر مورد تأیید قرار گرفت.

اسید سیتریک در چرخه کربس توسط آنزیم اکونیتاز به ایزوسیترات مبدل می‌شود.

(این آنزیم یک کاتابولیزکننده در چرخه کربس است).

در طی تولید و تجمع اسید سیتریک، اکونیتاز هیچگونه فعالیتی را نشان نمی‌دهد.

همچنین با اندازه‌گیری اکونیتاز در میتوکندری به تعادل بین سیترات و ایزوسیترات پی می‌بریم و به این نتیجه می رسیم که مهار آنزیم اکونیتاز، تولید اسید را تا 95% افزایش می دهد.

اکونیتاز دارای یک اتم آهنی است که به چهار گوگرد در سیتئین پیوند برقرار نموده است.

به این ساختار کمپکس گروههای پروتئینی آهن- گوگرد نیز می گویند.

اکونیتاز ابتدا با هیدراته و سپس دهیدراته کردن سیترات باعث تعویض H و OH بین کربن‌های 2 و 3 شده و سیترات را نهایتاً به ایزوسیترات تبدیل می کند و در نتیجه باعث کاهش سیترات کل می شود.

مقادیر بسیار کم پراکسید هیدروژن، آهن و مس، آنزیم اکونیتاز را مهار و باعث افزایش تولید می‌شوند.

از اثرات مستقیم بر روی تولید اسید ستیریک، عمل آنزیمهای ایزوسیترات دهیدروژ ناز و ایزوسیترات لیاز است که باعث شکسته شدن ایزوسیرات شده و تعادل آنرا از سمت سیترات به ایزوسیترات پیش می برند و در واقع اکونیتاز را تقویت و فعالت می کنند.

مطالعات نشان می دهند که فروسیانید، اسید ستیریک، ATP و NADH باعث مهار آنزیمهای فوق شده و در نهایت باعث افزایش تولید اسید می‌شوند ولی NADP و NAD و ADP باعث تحریک این آنزیمها شده و باعث کاهش تولید می شوند.

از اثرات غیر مستقیم آنزیمهای دیگر فعالیت پیرووات کربوکسیلاز است که پیروات را به اگزالواستات، یعنی ترکیب اصلی در تولید اسید تبدیل می‌کند.

این آنزیم بسیار مهم بوده و معلوم شده است که آسپارتات باعث مهار این آنزیم و در نهایت باعث کاهش تولید اسید می ‌شود.

دی اکسید کربن آزاد شده، توسط پیروات کربوکسیلاز گرفته شده و پیروات را به اگزالواستات مبدل می‌کند.

بنابراین دی اکسید کربن آزاد نمی‌شود.

گلوکز می تواند از طریق چرخه پنتوزفسفات نیز کاتابولیزه و تجزیه شود.

آنزیمهای این سیکل در A.niger مشخص شده‌اند.

از آنجایی که اسید سیتریک از طریق ترکیب استیل کوانزیم A و اگزالواستیک اسید تحت تأثیر سیترات سنتتاز ساخته می‌شود و اگزالواستات در چرخه اسید سیتریک (کربس) ساخته می‌شود، هنگامی که اسید سیتریک تجمع یافته و غلظتش زیاد می شود، این چرخه با شدتهای متفاوتی محدود یا بسته می‌شود.

بنابراین برای فراهم کردن اگزالواستات به یک سری واکنش نیازمندیم که به نام واکنشهای آناپلروتیک معروفند.

اولین و کلیدی‌ترین آنزیم در این چرخه، آنزیم پیروات کربوکسیلاز است و همانگونه که قبلاً ذکر شد، پیروات و را به اگزالواستات ، فسفات معدنی و ADP تبدیل می کند.

این واکنش بستگی به یونهای Mg و k داشته و استیل کوآنزیم A برای واکنش مورد نیاز است.

آسپارتات از فعالیت پیروات کربوکسیلاز جلوگیری می کند، اما از آنجایی که کتوگلوتارات دهیدروژناز در مدت تجمع اسید سیتریک حضور نداشته، لذا غلظت آسپارتات باید کم بوده و بازدارند گیش حداقل باشد.

دومین قسمت واکنش آناپلروتیک، تبدیل فسفوانل پیرووات و به اگزالواستات و ATP در حضور ADP توسط آنزیم فسفوانول پیروات کربوکسی کیناز است که سیستم به Mg و Mn یا k و آمونیوم محتاج است.

البته اگر استات و یا ترکیبات آلیفاتیکی نظیر آلکانهای خطی به عنوان منبع کربن بکار روند، سومین مرحله واکنش آناپلروتیک رخ می دهد.

در غیاب گلوکز چرخه گلی اگزالات رخ می دهد که ایزوسیترات لیاز و مالات سنتتاز حضور دارند.

در حضور گلوکز چرخه گلی اگزالات انجام نمی گیرد، اگر چه ایزوسیترات لیاز هنوز به طور جزئی فعال است.

3-1) M.O های مولد اسید سیتریک اسید سیتریک به میزان فراوانی توسط A.niger، برخی از مخمرها و باکتریها تولید می‌شود.

این یک پدیده طبیعی در این موجودات نیست، بلکه تحت برخی از فشارهای متابولیکی در طی رشد میکروب، این اسید بدست می‌آید و البته انتخاب سویه‌های مناسب و بدست آوردن موتانهایی که متابولیسم آنها مستعد برای تولید اسید سیتریک می باشد، به این مسأله کمک می‌کند.

بیشتر آزمایشات و تحقیقات انجام شده در تولید اسید بر روی محیطهای مناسب رشد و نمو A.niger انجام شده است.

این آزمایشات با استفاده از بررسی نیازهای غذایی M.O و روشهای مؤثر در بهبود فعالیتهای آنزیمهای حیاتی آن در مراحل متعدد تخمیر انجام گرفته است.

برای تولید صنعتی از موتانهای A.niger و سویه‌های نزدیک به آن مثل A.vantali استفاده می‌کنند.

آسپرژیلوس‌ها در مقایسه با سویه‌های پنی سیلیوم در زمان یکسان مقادیر بیشتری اسید تولید می کند.

در ضمن محصولات نامطلوب فرعی مثل اسید اگزالیک، ایزوسیتریک و گلوکونیک در این موتانها کمتر تولید می شوند.

تریکودرماها از نقطه نظر کاربردی و به دلیل تجزیه مطلوب سلولزی پس از آسپرژیلوس‌ها و مخمرها قرار دارند.

تولید اسید سیتریک با مخمرها نسبت به A.niger دارای تفاوتهای ذیل می باشد: 1- مخمرها به مقادیر Mn حساس نیستند.

(برخلاف A.niger) 2- مخمرها به جای تولید اسید در PH پایین در PH=5 تولید اسید می کنند.

3- برای شروع کار، آنزیم سیترات سنتتاز مخمرها برخلاف A.niger به محدودیت نیتروژن نیاز ندارد.

4- مخمرها به فاکتورهای رشد مثل تیامین، بیوتین، اینوزیتول و .

احتیاج دارند.

3-1-1) مخمرها این M.O ها قادرند از منابع قندی و آلکانی استفاده کرده و اسید سیتریک تولید نمایند.

مخمرها علاوه بر تولید اسید سیتریک در PH=5 قادرند اسید ایزوسیتریک نیز تولید کنند که در PH=7-9.5 قادر به تبدیل آن به اسید ایزوسیتریک می‌باشند.

همچنین افزودن موادی مثل فلوئوراستات، فلوئورو استامید و استات سرب به محیط کشت، تولید اسید سیتریک را زیاد می‌کند.

3-1-2) آسپرژیلوس نایجر: این M.o از رده آسکومیستها بوده، تولید مثل معمولاً غیرجنسی است و میسلیوم آن به مقدار زیادی منشعب شده و دیواره عرضی بیرنگی را ایجاد می کند.

سلولهای این M.o چند هسته‌ای می باشند.

میسلیوم هوایی آن در انتهای خود برجسته بوده و منتهی به وزیکول با استریگماهای متعدد می شود و از انتهای این استریگماها، کنیدیها به صورت دانه‌های تسبیح به دنبال هم قرار گرفته‌اند.

به این M.o کپک سیاه هم می گویند که به دلیل منظره سیاه‌رنگی است که در محیط کشت مناسب بعد از اسپورزایی پدید می ‌آورد.

اصولاً رنگ کلونیهای این کپک ارتباط مستقیم با عناصر کمیاب محیط کشت دارد.

حتی در بسیاری از موارد که به طریق شیمیایی یا فیزیکی نمی‌توانند وجود یا عدم بعضی از عناصر کمیاب را مشخص کنند، با کاربرد A.niger کمیت و کیفیت آنرا تعیین و اندازه‌گیری می کنند.

در سال 1952 دو دانشمند به نامهای مارتین و واترز تأثیر مورفولوژیکی A.niger را در تولید اسید سیتریک از ملاس قند بررسی کردند.

در سال 1982 B revic و Cimerman تجمع میسلیوم به شکل کروی پایدار منشعب و در هم پیچیدگی جزئی شبکه هیف را به نام Pellete مطرح کردند.

سپس در سال 1986 Brevic ، پلت‌ها را با چند mlit قطر تعریف نمود و نشان داد که سوسپانسیون پلت‌ها نسبت به حالت شاخه دار و منشعب دارای ویسکوزیته کمتری می باشد.

این کپک را به صورت طبیعی می‌توان از خاک آبمیوه‌های کپک زده و .

و با کمک محیطهای اختصاصی رشد کپک نظیر PDA و SAD جدا نمود.

3-1-2-1) روش جداسازی سویه آسپرژیلوس نایجر مولد اسید سیتریک سویه‌ای که قادر به تولید اسید سیتریک باشد از محیط‌هایی که خود به طور طبیعی در این جهت غنی‌سازی شده‌اند، آزمایش و استفاده می‌شود.

بدین منظور از خاک اطراف درختان مرکبات و .

نمونه‌برداری انجام می‌شود.

روش جداسازی عمومی A.niger از نمونه خاک بدین ترتیب است که ابتدا از خاک توسط آب مقطر سوسپانسیونی تهیه می‌شود که پس از رسوب ذرات خاک و مواد معلق آن از مایع رویی شفاف برای ادامه کشت استفاده می شود.

سپس توسط پی پت ، 0.1 میلی لیتر از مایع رویی برداشته و به تدریج حدود 7 تا 8 قطره روی محیطهای انتخابی (MEA, PDA, SDA) کشت داده می‌شود.

این سه محیط به دلیل دارا بودن PH اسیدی به عنوان محیط انتخابی برای رشد کپکها بکار می‌روند.

پس از ریختن این محیطها در پلیت با کشت قطره‌ای یا زیگزاک M.oها را در سطح محیطها پخش می کنند و در دمای 30 ، به مدت 4 تا 6 روز گرمخانه گذاری می‌نمایند.

در این شرایط M.o شروع به تولید اسپور می‌کند.

نخست جداسازی A.niger به روش شناسایی مورفولوژیکی و تشخیص کنیدیهای قهوه‌ای یا سیاهرنگ انجام می‌شود.

از این کنیدیها در شرایط استریل برداشته و برای کشت اختصاصی روی محیطهای کشت مذکور، کشت داده می‌شوند.