Aspergillus (Asp.) niger, Asp. clavarus, Penicillium luteum, Penicillium citrinum, Mucor piriformis và những loài Mucor khác. Những chủng của Asp. niger cho kết quả cao nhất.

Phương trình chung của quá trình chuyển hóa đường thành axit xitric là:

2C 6 H 12 O 6 + 3O 2 → 2C 6 H 8 O 7 + 4H 2 O 2C 6 H 12 O 6 + 3O 2 → 2C 6 H 8 O 7 + 4H 2 O size 12{2C rSub { size 8{6} } H rSub { size 8{"12"} } O rSub { size 8{6} } +3O rSub { size 8{2} } rightarrow 2C rSub { size 8{6} } H rSub { size 8{8} } O rSub { size 8{7} } +4H rSub { size 8{2} } O} {}

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

­­Đường C6H12O6 thủy phân thành axit pyruvic (CH3COCOOH)

CH 3 C OCOOH + CO 2 → HOOCCH 2 COCOOH CH 3 C OCOOH + CO 2 → HOOCCH 2 COCOOH size 12{ ital "CH" rSub { size 8{3} } C ital "OCOOH"+ ital "CO" rSub { size 8{2} } rightarrow ital "HOOCCH" rSub { size 8{2} } ital "COCOOH"} {}

(axit oxaloaxetic)

HOOCCH 2 COCOOH + CH 3 COOH → CH 2 COOHCOHCOOHCH 2 COOH HOOCCH 2 COCOOH + CH 3 COOH → CH 2 COOHCOHCOOHCH 2 COOH size 12{ ital "HOOCCH" rSub { size 8{2} } ital "COCOOH"+ ital "CH" rSub { size 8{3} } ital "COOH" rightarrow ital "CH" rSub { size 8{2} } ital "COOHCOHCOOHCH" rSub { size 8{2} } ital "COOH"} {}

(axit axetic) (axit xitric)

- Môi trường thức ăn: Bao gồm đường, các hợp chất hữu cơ, vô cơ. Để nuôi cấy Asp. Niger sử dụng môi trường có thành phần (g/l):

Saccaroza ­­140; NH4NO3 2,23; KH2PO4 1; MgSO47H2O  0,23.

- Môi trường lên men:

Nước 1000 ml + đường 150 g + NH4Cl 1,9 g và bổ sung ZnSO4 là̀m tăng khả năng tích lũy axit xitric.

- pH của môi trường:

* Để nấm mốc phát triển tốt giữ pH = 6.

* Để lên men tốt giữ pH = 3,4  3,5.

* Để điều chỉnh pH thường dùng HCl.

Vì điều kiện môi trường để nấm phát triển và để thu axit xitric là khác nhau nên trong sản xuất phải chuẩn bị môi trường cho nấm phát triển đầy đủ, sau đó điều chỉnh môi trường thích hợp để lên men xitric.

- Sự thoáng khí: Tất cả mixen của nấm mốc là loại hiếu khí điể̃n hình, rất cần oxy tự do. Trong sản xuất có thể thực hiện được bằng quạt gió vô trùng vào phòng lên men hoặc thổi khí vô trùng vào dịch lên men.

- Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ thích hợp khoảng 31  37oC. Sinh khối nấm mốc phát triển mạnh ở 34  37oC. Để tạo ra nhiều axit cần duy trì nhiệt độ 31  32oC. Nhiệt độ thấp hơn thì tích lũy nhiều axit gluconic. Nhiệt độ cao hơn thì việc tạo axit xitric bị kìm hãm.

- Thời gian nuôi cấy từ 7 đến 10 ngày.

Sản xuất axit xitric có thể thực hiện theo phương pháp bề 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 nuôi cấy chủ yếu bằng phương pháp chìm vì các công đoạn đều được thanh trùng, tạo được chế độ công nghệ bền vững, rút ngắn được thời gian lên men, dễ tự động hóa, giảm được lao động nặng nhọc.

* Công nghệ sản xuất cụ thể bao gồm các công đoạn sau:

1. Nuôi cấy nấm mốc (nuôi cấy trong phòng thí nghiệm và nhân giống trong sản xuất)

Chuẩn bị dung dịch rỉ đường 3  4% trong thùng nuôi cấy ở nhiệt độ 35  38oC. Bổ sung dung dịch các chất dinh dưỡng vào thùng nuôi cấy. Chuyển men giống từ phòng thí nghiệm vào theo tỷ lệ 3 gam bào tử khô /2  3 lít dung dịch rỉ đường. Sau đó mở cánh khuấy và cung cấp không khí vô trùng (nạp không khí và đảo trộn suốt quá trình nhân giống). Duy trì áp suất trong thùng 0,1  0,2 at, to = 34  35oC và thời gian 28  36 h. Thời kỳ đầu cho oxy vào với lượng 9 10 m3/h, thời kỳ cuối (24  30 h) là 90 100 m3/h.

2. Chuẩn bị dịch lên men

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

Rỉ đường được pha thành hai loại nồng độ: nồng độ 3  4% để nuôi cấy mốc giống và lên men ban đầu. Nồng độ 25  28% để bổ sung trong 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.

Môi 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.

3. 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 gián đoạn vào thiết bị lên men.

Thời kỳ đầu giữ ở 33  34oC, khi tạo axit mạnh thì giữ ở nhiệt độ 31  32oC.

Thời kỳ đầu cung cấp 100 m3/h (thể tích thiết bị 50 m3). Thời kỳ cuối 800 1000 m3/h.

4. Tách nấm mốc

Kết thúc quá trình lên men bằng cách kiểm tra mẫu. Nếu hai mẫu kiểm tra cách nhau 4  6 h mà có độ axit như nhau thì coi như kết thúc quá trình lên men.

Thời gian lên men có thể kéo dài 5  10 ngày, phụ thuộc vào hoạt lực của nấm mốc. Khi kết thúc quá trình lên men thì đun nóng dịch lên men 60  65oC và chuyển vào thùng trung gian để tách nấm mốc. Nấm mốc được tách trên máy lọc chân không.

5. Tạo canxi xitrat

Dung dịch đã lên men là hỗn hợp gồm: axit xitric, axit gluconic, axit oxalic, đường không lên men và các hợp chất khoáng.

Tách axit xitric bằng cách cho liên kết với cation canxi để tạo muối ít tan canxi xitrat. Dung dịch đã lên men cho vào thiết bị trung hòa và đun sôi. Sau đó mở cánh khuấy và cho sữa vôi vào để trung hòa. Quá trình trung hòa được kết thúc khi pH = 6,8  7,5.

Khi trung hòa tạo thành:

C 6 H 8 O 7 + 3 Ca ( OH ) 2 = Ca 3 ( C 6 H 5 O 7 ) 2 ↓ + 6H 2 O C 6 H 8 O 7 + 3 Ca ( OH ) 2 = Ca 3 ( C 6 H 5 O 7 ) 2 ↓ + 6H 2 O size 12{C rSub { size 8{6} } H rSub { size 8{8} } O rSub { size 8{7} } +3 ital "Ca" \( ital "OH" \) rSub { size 8{2} } = ital "Ca" rSub { size 8{3} } \( C rSub { size 8{6} } H rSub { size 8{5} } O rSub { size 8{7} } \) rSub { size 8{2} } downarrow +6H rSub { size 8{2} } O} {}

axit xitric canxi xitrat

2C 6 H 12 O 7 + Ca ( OH ) 2 = Ca ( C 6 H 11 O 7 ) 2 + 2H 2 O 2C 6 H 12 O 7 + Ca ( OH ) 2 = Ca ( C 6 H 11 O 7 ) 2 + 2H 2 O size 12{2C rSub { size 8{6} } H rSub { size 8{"12"} } O rSub { size 8{7} } + ital "Ca" \( ital "OH" \) rSub { size 8{2} } = ital "Ca" \( C rSub { size 8{6} } H rSub { size 8{"11"} } O rSub { size 8{7} } \) rSub { size 8{2} } +2H rSub { size 8{2} } O} {}

axit gluconic canxi gluconat

C 2 H 2 O 4 + Ca ( OH ) 2 = CaC 2 O 4 ↓ + 2H 2 O C 2 H 2 O 4 + Ca ( OH ) 2 = CaC 2 O 4 ↓ + 2H 2 O size 12{C rSub { size 8{2} } H rSub { size 8{2} } O rSub { size 8{4} } + ital "Ca" \( ital "OH" \) rSub { size 8{2} } = ital "CaC" rSub { size 8{2} } O rSub { size 8{4} } downarrow +2H rSub { size 8{2} } O} {}

axit oxalic canxi oxalat

Dùng thiết bị lọc chân không tách các chất kết tủa canxi xitrat và canxi oxalat rồi đem sấy khô.

6. Tách canxi xitrat

Dùng H2SO4 để tách canxi xitrat (trong thiết bị tách có cánh khuấy, ống phun hơi và thoát hơi). Đầu tiên cho nước vào thiết bị 0,25  0,5 m3/ 1 tấn axit xitric chứa trong xitrat, mở cánh khuấy và cho chất kết tủa vào. Để làm trong axit xitric dùng than hoạt tính với lượng 2% so với lượng axit xitric trong xitrat. Sau đó đem đun nóng lên 60oC và cho H2SO4 có tỷ trọng 1,8 1,84 vào (0,425 lít H2SO4/ 1kg axit xitric có trong xitrat). Khuấy đều rồi đun sôi 10  15 phút.

Ca 3 ( C 6 H 5 O 7 ) 2 + 3H 2 SO 4 = 2C 6 H 8 O 7 + 3 CaSO 4 Ca 3 ( C 6 H 5 O 7 ) 2 + 3H 2 SO 4 = 2C 6 H 8 O 7 + 3 CaSO 4 size 12{ ital "Ca" rSub { size 8{3} } \( C rSub { size 8{6} } H rSub { size 8{5} } O rSub { size 8{7} } \) rSub { size 8{2} } +3H rSub { size 8{2} } ital "SO" rSub { size 8{4} } =2C rSub { size 8{6} } H rSub { size 8{8} } O rSub { size 8{7} } +3 ital "CaSO" rSub { size 8{4} } } {}

Để tách canxi oxalat khi có mặt axit xitric, sử dụng 1 lượng dư axit sunfuric, khi đó canxi oxalat sẽ kết tủa cùng với thạch cao được tạo thành và lúc đó trong dung dịch chỉ còn axit xitric. Để tách dung dịch axit xitric khỏi kết tủa có chứa thạch cao, canxi oxalat, than, các hợp chất sunfua của kim loại nặng. Chuyển hỗn hợp vào lọc chân không, dung dịch sau khi lọc đem sấy.

7. Sấy dung dịch axit xitric trong thiết bị sấy chân không

Giai đoạn đầu sấy đến tỷ trọng 1,24  1,26

Giai đoạn hai sấy đến tỷ trọng 1,32  1,36 tương ứng với nồng độ 80 %.

8. Kết tinh và sấy khô axit xitric

Khi nhiệt độ của dung dịch 35  37oC thì cho mầm kết tinh (tinh thể axit xitric) vào để kết tinh và tiếp tục làm nguội 8 10oC và cho khuấy liên tục trong 30 phút. Sau đó cho qua thiết bị ly tâm để tách tinh thể rồi đưa đi sấy khô (dùng thiết bị sấy kiểu băng tải, tác nhân sấy là không khí với nhiệt độ không quá 35oC).

Toàn bộ quy trình công nghệ bao gồm các công đoạn cơ bản và thiết bị ứng dụng tương ứng được trình bày trong bảng sau 2.1.

Bảng 2.1

Hình 1

Bảng thu nhận axit xitric từ chất lọc

Hình 2

Các sơ đồ dưới đây cho phép thu nhận được các sản phẩm quan trọng nhất bằng phương pháp tổng hợp vi sinh học.