سیتریک ماده کلیدی در اقتصاد زیستی

اسید سیتریک با توجه به واحدهای تولید بیوتکنولوژیکی جدید که عمدتاً در چین واقع شده اند. عرضه جهانی در دو دهه گذشته از کمتر از 0.5 به بیش از 2 میلیون تن افزایش یافته است. و به بزرگترین ماده شیمیایی بدست آمده از طریق تخمیر زیست توده و پرکاربردترین ماده آلی تبدیل شده است. با بررسی انتقادی دستاوردهای تحقیقاتی انتخاب شده و روند تولید، دلایلی را شناسایی می کنیم که این اسید پلی کربوکسیلیک به یک ماده شیمیایی کلیدی در اقتصاد زیستی در حال ظهور تبدیل می شود.

اسید سیتریک (2-هیدروکسی-1،2،3-پروپانتری کربوکسیلیک اسید، C6H8O7) یک اسید کننده، نگهدارنده، امولسیفایر، طعم دهنده، جدا کننده و عامل بافر است. که به طور گسترده در بسیاری از صنایع به ویژه در صنایع غذایی، نوشیدنی، دارویی، مواد غذایی و محصولات آرایشی استفاده می شود. اسید سیتریک برای اولین بار از آب لیمو متبلور شد و در سال 1784 توسط Scheele در سوئد نامگذاری شد.

به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی قابل توجه و طبیعت بی خطر زیست محیطی، استفاده از اسید سیتریک در چندین بخش صنعتی به سرعت در طول قرن نوزدهم افزایش یافت. زمانی که اسید به طور مستقیم از آب لیمو غلیظ، عمدتاً در سیسیل استخراج شد. (پالرمو در سال 1930 میزبان بزرگترین سیتریک بود. کارخانه اسید در اروپا، Palermo’s Fabbrica Chimica Italiana Goldenberg)، با افزودن آهک برای رسوب سیترات کلسیم، و سپس بازیابی اسید با استفاده از اسید سولفوریک رقیق شده.

تاریخچه

به طور خلاصه، تولید اسید سیتریک از آب لیمو در سال‌های 1915-1916 با 17500 تن به اوج خود رسید. پس از آن به دلیل معرفی تولید تجاری از طریق تخمیر شکر شروع به کاهش کرد. اولین بار در سال 1919 توسط Cytromices (اکنون به نام Penicillium شناخته می‌شود. ) . و سپس، در سال 1923، در نیویورک به دنبال کشف کوری که سویه‌های آسپرژیلوس نایجر (کپک سیاه، یک آلاینده رایج غذاهای متعلق به همان خانواده با پنی‌سیلین‌ها) در محلول اسیدی حاوی مقادیر کمی نمک معدنی، بازدهی بی‌سابقه‌ای را به همراه داشت. فرآیند تخمیر که به سرعت توسط بسیاری از تولیدکنندگان دیگر پذیرفته شده است.

امروزه در سراسر جهان و به ویژه در چین برای پاسخگویی به تقاضای جهانی برای اسید، عمدتاً از ملاس کم هزینه به عنوان مواد خام استفاده می شود. جالب توجه است، همانطور یک کارتل جهانی اسید سیتریک قیمت ها را برای چندین دهه ثابت کرد. در این مطالعه، با اشاره به تولید، بازار و دستاوردهای تحقیقاتی اخیر، ما استدلال هایی را ارائه می دهیم که از دیدگاه ما حمایت می کند که اسید سیتریک به یک ماده شیمیایی کلیدی در اقتصاد زیستی در حال ظهور تبدیل می شود . با کاربردهایی فراتر از استفاده متعارف در صنایع غذایی، دارویی و آرایشی.

ساختار، خواص و عملکرد بیوشیمیایی

ساختار کریستالی اسید سیتریک بی آب، که با خنک کردن محلول غلیظ داغ شکل مونوهیدرات به دست می آید، برای اولین بار توسط یویل و بنت در سال 1934 توسط پراش اشعه ایکس روشن شد . در سال 1960 نوردمن و همکارانش پیشنهاد کردند که در فرم بی آب، دو مولکول اسید از طریق پیوندهای هیدروژنی بین دو گروه COOH از هر مونومر به هم متصل می شوند.

در سال 1994، Tarakeshwar و Manogaran نتایج محاسبات شیمیایی کوانتومی اولیه اسید سیتریک غنی از الکترون (و تریانیون سیترات) را که در سطح Hartree-Fock تقریبی شده بود، منتشر شد. این تیم دریافتند که اسید سیتریک و تریانیون سیترات دارای ویژگی های منحصر به فردی هستند که آنها را از سایر اسیدهای آلفا کربوکسیلیک متمایز می کند. تفاوت اصلی بین گروه کربوکسیل مرکزی و گروه های کربوکسیل انتهایی است. که توسط فرکانس های ν(C=O) مشخص شده است. و به پیوند هیدروژنی درون مولکولی بین هیدروژن هیدروکسیل مرکزی و یکی از گروه های کربوکسیل انتهایی، با ν(C) نسبت داده شد. فرکانس کشش با فرکانس کمتری نسبت به کشش ν(C=O) کربوکسیل انتهایی دیگر ظاهر می شود.

در سال 2011، Bichara و همکارانش نتایج مطالعه نظری ساختاری و ارتعاشی را برای دایمر اسید سیتریک منتشر کردند. مقادیر به‌دست‌آمده از طریق اوربیتال‌های پیوند طبیعی و اتم‌ها در محاسبات مولکول‌ها، به وضوح تشکیل دایمر را از طریق پیوند هیدروژنی بین دو گروه COOH از هر مونومر نشان می‌دهد. باندهای متعددی با شدت‌های مختلف مشاهده شده در طیف‌های ارتعاشی که قبلاً تعیین نشده بودند، اکنون می‌توانند به دایمر اسید سیتریک اختصاص داده شوند.

تولید، خواص و کاربردها

به دلیل نقش برجسته بیوشیمیایی آن، شاید تعجب آور نباشد که اسید سیتریک به طور گسترده در گونه های جانوری، گیاهان و میوه ها توزیع شده است.

با این حال، از اواخر دهه 1920، مسیر تخمیر کربوهیدرات جایگزین استخراج از آب لیمو شده است. فرآیند جدید به قدری کارآمد و مقرون به صرفه بود که در اوایل سال 1934 هزینه تولید اسید با استفاده از ارزش های ارزی امروزی 0.2 یورو به ازای هر کیلوگرم بود در مقابل 1.0 یورو در کیلوگرم در سال 1920 که اسید هنوز از آب لیمو به دست می آمد . امروزه اسید سیتریک در کارخانه های تخمیر شیمیایی بزرگ تولید می شود و در نهایت به دو شکل بی آب و مونوهیدرات جدا می شود.

یک بیوراکتور معمولی شامل یک تخمیر دسته ای (100 متر مکعب) است . که با ملاس رقیق شده و مقادیر جزئی مواد مغذی معدنی شارژ می شود. (در 50-100 دور در دقیقه برای جلوگیری از آسیب برشی در قالب). هوادهی به وسیله پارگی هوا به تخمیر می شود. در حالی که دما توسط کویل های خنک کننده در 25-27 درجه سانتیگراد نگه داشته می شود. چرخه تولید بسته به گیاه بین 5 تا 8 روز طول می کشد. و به طور کلی بازده حجمی 130 کیلوگرم بر متر مکعب را می دهد.

اسید سیتریک چگونه به فروش می رسد

برای بازیابی اسید از آبگوشت تخمیر، اولین رسوب با آهک با اسیدی شدن با H2SO4 و تبادل یونی، رنگ‌زدایی و تبلور دنبال می‌شود. اسید به طور کلی به صورت پودر سفید متشکل از هر نوع آب یا مونوهیدرات به فروش می رسد .که معمولاً در کیسه های کاغذی 25 کیلوگرمی یا کیسه های بزرگ (500 تا 1000 کیلوگرم) موجود است.

به طور کلی، فرآیند تخمیر دو برابر حجم محصولات جانبی تولید می کند .که هم از مواد خام کربوهیدراتی و هم از فرآیند پایین دستی به شکل لجن جامد (گچ و ناخالصی های آلی) منشأ می گیرند. تمام محصولات مشترک برای کاربردهای فنی، کشاورزی و خوراک فروخته می شود. بخش آلی ملاس پس از تغلیظ به عنوان ماده اتصال دهنده برای خوراک فروخته می شود. میسلیوم غنی از پروتئین حاصل به عنوان خوراک دام فروخته می شود. در حالی که گچ به عنوان پرکننده در سیمان یا در کاربردهای پزشکی به بازار عرضه می شود.

دلیل محبوبیت سیتریک در اقتصاد زیستی

اسید سیتریک بی بو و بی رنگ بسیار محلول در آب و کمی رطوبت گیر است. از دیدگاه زیست محیطی، اسید به سرعت در آب های سطحی تجزیه می شود و هیچ خطری برای محیط زیست یا سلامت انسان ندارد . پس از حل شدن در آب، اسیدیته ضعیفی را نشان می دهد اما طعم شدید اسیدی دارد. که بر شیرینی تأثیر می گذارد و ترشی میوه ای ایجاد می کند. به همین دلیل برای تکمیل طعم میوه ها در صنایع غذایی و نوشیدنی به طور گسترده استفاده می شود. در ترکیب با سیترات، اسید ظرفیت بافری عالی از خود نشان می‌دهد. در حالی که خواص عالی کیلاسیون یون‌های فلزی آن به خواص فیزیکی و شیمیایی می‌افزاید. که آن را برای کاربردهای غذایی، آرایشی، غذایی و دارویی مناسب می‌سازد.

تطبیق پذیری عالی این اسید دارای کد مواد غذایی در اتحادیه اروپا (به ترتیب E331 و E332 برای سیترات سدیم و پتاسیم) است که نشان دهنده یک افزودنی غذایی است. که ممکن است از کوانتوم ساتیس استفاده شود. به طور مشابه، وضعیت GRAS (به طور کلی به عنوان ایمن شناخته می شود) در ایالات متحده است. به نوعی طعنه آمیز است که اسید سیتریک، که زمانی از آب لیمو استخراج می شد، امروزه به اکثر نوشابه های لیمو، لیموترش یا مرکبات در سطوح دوز 0.1 تا 0.4 درصد اضافه می شود. اسید در واقع به دلیل خواص جداسازی یون های فلزی که به جلوگیری از اکسیداسیون که باعث از بین رفتن طعم و رنگ می شود کمک می کند. تا طعم تند را تقویت کرده و کیفیت را حفظ کند.

کاربردهای نوظهور

تحقیقات در مورد کاربردها و کاربردهای جدید اسید سیتریک در حال حاضر در حال شکوفایی است. اولین استفاده جدید قابل توجه در شوینده های خانگی و پاک کننده های ظرفشویی (تقریباً 13 درصد از بازار جهانی اسید سیتریک) به عنوان سازنده مشترک با زئولیت ها، عمدتاً در شوینده های مایع غلیظ است. اسید سیتریک به عنوان سازنده، کیلیت کننده یون های Ca2+ و Mg2+ سختی آب عمل می کند. اما بر خلاف سازندگان فسفات، به اوتروفیکاسیون سیستم های آبی کمک نمی کند. از سال 2017، علاوه بر این، فسفات موجود در مواد شوینده ماشین ظرفشویی که قبلاً در ایالات متحده ممنوع شده بود (از سال 2010) در اتحادیه اروپا نیز ممنوع خواهد شد .که منجر به افزایش مصرف اسید سیتریک می شود که به افزایش استفاده از سیترات در پاک کننده های خانگی می افزاید. برنامه های متعدد دیگری نیز به دنبال خواهد داشت. منبع

مقالات مرتبط