تولید اسیدها به روش بیوشیمیایی
تولید اسید ها به روش بیوشیمیاییReviewed by 02177641136 on May 13Rating: 4.5

تولید اسید ها به روش بیوشیمیایی : امروزه نقش مهمی را در تولید محصولات مختلف از مواد غذایی گرفته تا تجهیزات پیچیده صنعتی ایفا می کنند. اسید فسفریک، اسید کلریدریک ، سیتریک و استیک از جمله اسیدهای پرکاربردی هستند که روزانه به صورت مستقیم و یا غیر مستقیم با آنها سروکار داریم. به عنوان مثال اسید فسفریک را در نوشابه های کولا و استیک اسید را در سرکه می توان اشاره نمود.

با روند رو به رشد صنعتی شدن دنیا ، افزایش جمعیت و مشکلات زیست محیطی موجود، استفاده از منابع تجدیدپذیر و فرآیندهای پاک ناگزیر باید جایگزین روش قبلی شوند. در این مقاله قصد داریم به روش تولید بیوشیمیایی دو اسید خوراکی مهم یعنی اسید استیک و اسید سیتریک بپردازیم:

تولید ترکیبات شیمیایی از بیومس:

بیومس یا توده زیستی را می توان به عنوان منبعی تجدید پذیر شناخت که امروزه در سراسر دنیا طرفداران بسیاری پیدا کرده است. برخی مزایای استفاده از این منبع انرژی عبارتند از:

  • تبدیل پساب ها و دورریزهای مختلف (خصوصا کشاورزی) به ترکیبات مفید
  • عدم ایجاد آلودگی در محیط زیست
  • عدم استفاده از سوخت های فسیلی
  • تجدید پذیر بودن

به دلیل کاهش منابع نفتی و مشکلات موجود در مورد گرمایش جهانی، تبدیل زیست توده های تجدید پذیر به سوخت و ترکیبات شیمیایی دیگر رو به افزایش است. در این میان بیو اتانول یکی از بحث برانگیز ترین مواد است که می تواند راه های جایگزینی را برای تولید مواد شیمیایی مانند استالدئید، استیک اسید، اتیلن اکساید و اتیل استات معرفی کند، موادی که به صورت معمول از اتان، اتن و یا متانول تولید می شوند.

یکی از امیدوار کننده ترین رویکردها در این زمینه اکسیداسیون کاتالیستی اتانول به استیک اسید است که به صورت گسترده در دهه های اخیر مورد مطالعه قرار گرفته است.

تولید بیوشیمیایی اسید استیک

این را می توان به دو مرحله تقسیم نمود : 1- تولید اتانول از بیومس 2- تبدیل اتانول به اسید استیک

تولید اتانول از بیومس

گیاهان از بهترین منابع موجود تجدید پذیر برای تولید اتانول هستند. گیاهان با استفاده از نور خورشید و عمل فوتوسنتز ترکیباتی مانند سلولز، نشاسته و گلوکز تولید می کنند که پتانسیل تبدیل شدن به محصولات شیمیایی مفیدی مانند اتانول را دارند، این اتانول می تواند برای تولید مواد شیمیایی مهمی مانند استیک اسید به کار برده شود.

فرآیند هیدرولیز برای تولید بیواتانول

هیدرولیز اسیدی بیومس سلولزی مانند تفاله نیشکر یک تکنیک باستانی برای تبدیل بیومس به قند و سپس اتانول است. bracormet اولین فردی بود که در 1819 میلادی به هیدرولیز اسیدی مواد سلولزی مانند تفاله نیشکر به قند اشاره کرد.

در صنت قند تفاله نیشکر به صورت کامل به انرژی تبدیل نمی شود و تنها به عنوان خوارک و یا منبع سوخت مورد استفاده قرار می گیرد. تبدیل کاملی انجام نمی شود و از نظر اقتصادی نیز استفاده قابل توجهی از آن نمی شود.

اعمال فرآیندهای هیدرولیز می تواند مشکلات موجود در این زمینه را تا حد مطلوبی از بین ببرد. در این روش ابتدا بیومس ها به ترکیبات قندی تبدیل شده و سپس با استفاده از تخمیر به اتانول تبدیل می شوند.

ساکاریفیکیشن و تخمیر

بیواتانول تولیدی از منابع مختلف معمولا قبل از ساکاریفیکیشن نیاز به یک پیش تصفیه و سپس ورود به مرحله تخمیر دارد. تخمیر با استفاده از انواع مختلف مخمر و باکتری انجام می شود. در اکثر فرآیندهای تخمیر از S. Cerevisiae استفاده می کنند. این مخمر به دلیل مقاومت بالا در برابر اتانول، محدوده pH بهینه پایین و شرایط بی هوازی یک انتخاب کاملا مناسب به نظر می اید.

تبدیل بیو اتانول به اسید استیک

تعدادی از کاتالیست ها برای انجام این واکنش در فاز گاز معرفی شده اند که عبارتند از:

Mo0.61V0.31Nb0.08Ox/TiO2

MoV0.3Nb0.12Te0.23Ox,

V2O5/TiO2

Mo–CeOx/SnO2

از سویی در اکسیداسیون فاز مایع ، کاتالیزورها به صورت عمده از ترکیبات فلزی نجیب تشکیل شده اند.

Au/MgAl2O4

Au/Ni0.95Cu0.05- Ox

RuOx/CeO2

Ru(OH)x/CeO2

بسیاری از این کاتالیست ها از از O2 به عنوان اکسیدانت بهره می برند، که می تواند به صورت خالص و یا از هوا تامین شود.

همانطور که در شکل زیر می توان مشاهده نمود اسیداسیون اتانول به استیک اسید عموما در دو مرحله انجام می شود. در مرحله اول اتانول با اکسید شدن به استالدهید تبدیل شده و در مرحله بعدی استالدئید به استیک اسید تبدیل می شود.

اسیداسیون اتانول با استیک اسید

هر دو مرحله اکسیداسیون هستند.

این واکنش به عنوان یک فرایند کاتالیزوری سبز در نظر گرفته می شود که تنها ماده تولیدی کاهشی در آن آب است. با این حال ایمنی یکی از موارد مهم در رابطه با فرآیندهای اکسیداسیون بر پایه o2 است، زیرا قابلیت اشتعال و انفجار بالایی دارد.

در حقیقت غیر از اکسیژن، آب نیز می تواند در فرایند تبدیل اتانول به استیک اسید نقش ایفا کند. MEDERIOS و همکارانش در مطالعه ای که در این زمینه داشته اند به این نتیجه رسیدند که وجود آب (در حضور کاتالیست SnO2 ) میزان تبدیل اتانول را کم می کند اما انتخاب پذیری تبدیل به استیک اسید را افزایش می دهد.

تولید اسید سیتریک

در سال 1916 James Currie توانست به روشی دست پیدا کند که با استفاده از قارچ آسپرژیلوس نایجر بتوان سیتریک اسید را در مقیاس تجاری تولید کند. او کشف کرد که با استفاده از گونه های مختلف A. niger می توان مقدار قابل توجهی اسید سیتریک تولید کرد.

مهمترین یافته این روش پیدا نمودن pH مناسب (2.5 تا 3.5) بود جایی که در آن میزان تولید گلوکونیک و اگزالیک اسید به حداقل رسیده و منجر به تولید بیشتر اسید سیتریک و غلظت قند می شد. این روش همان روشی است که امروزه نیز برای تولید این اسید مورد استفاده قرار می گیرد.

با گذشت سال ها تعداد زیادی از میکروارگانیسم ها از قارچ ها و باکتری ها گرفته تاد مخمرها مورد استفاده قرار گرفتند. با این حال تبدیل میکروبی مواد آلی به اسید سیتریک یک واکنش بیوشیمیایی پیچیده است که نیازمند کنترل و شرایط عملیاتی خاص است.

پارامترهایی که بر روی فرآیند تخمیر اثر می گذارند شامل غلظت و نوع منبع کربن، pH محیط تخمیر، محدودیت های نیتروژن و فسفات، هوادهی، مورفولوژی میکروارگانیسم و غلظت عناصر کمیاب هستند.

برخی از مواد مانند فلزات کمیاب (مانند منگنز)، فسفات و منگنز باید کمتر از میزان تعریف شده باشند. با این حال سایر مواد مانند اکسیژن و قند باید در مقادیر اضافی موجود باشند.

مطالب مفید: خرید و فروش اسید سیتریک

فرآیند تولید

بیوشیمی تولید اسید سیتریک بسیار پیچیده است. این فرایند تحت تاثیر شرایط بهم پیوسته مواد موجود در محیط تخمیر هستند. این شرایط عبارتند از :

  • غلظت منابع کربن
  • اکسیژن نامحلول
  • یون های هیدروژن
  • غلظت های فسفات و فلزات کمیاب (باید زیر مقدار مجاز باشند)

برخی منابع گزارش کرده اند که محدودیت منابع نیتروژن و کمبود منگنز یا فسفات در محیط تخمیر از آنابولیسم A. niger جلوگیری نموده و منجر به تخریب پروتئین می شود که خود باعث غلظت بیشتر یون های آمونیوم می گردد.

در شکل زیر فرآیند تولید سیتریک اسید از گلوکز با استفاده از آسپرژیلوس نایجر نشان داده شده است:

تولید اسید سیتریک

مقایسه روش تولید اسید ها به روش بیوشیمیایی با واکنش شیمیایی

در سال 1880 گرماکس و آدام توانستند از طریق واکنش های شیمیایی و استفاده از گلیسرول این ماده را تولید کنند. اما این روش به اندازه کافی با سایر روش ها مانند استفاده از مخمر قابل رقابت نبود، زیرا هزینه آن به مراتب بالاتر بوده و بازدهی مناسبی نداشت.

منابع

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/ra/c7ra05922a

http://www.tandfonline.com/loi/tfls20

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *