background image

M

IKROBIOLOGIA 

T

ECHNICZNA 

– studia zaoczne 

Ćwiczenie 4 

 

część teoretyczna 

___________________________________________________________________________ 

 

Ć

WICZENIE 

4: N

ADPRODUKCJA KWASU CYTRYNOWEGO 

W KULTURACH 

A

SPERGILLUS NIGER

 

 
 
Wstęp – kwas cytrynowy 

 
Kwas cytrynowy (2-hydroksy-1,2,3-propanotrikarboksylowy) o M

cz

 = 192 

i temperaturze topnienia 153ºC po raz pierwszy został wyizolowany z soku cytryn. W postaci 
krystalicznej kwas ten występuje w postaci bezwodnej lub jednowodnej. Jednowodna forma 
jest otrzymywana przez krystalizację w temperaturze poniżej 36,6ºC, powyżej tej temperatury 
powstaje forma bezwodna.  

Kwas cytrynowy występuje w przyrodzie w  owocach cytrusowych i ananasach. 

Owoce te do niedawna były głównym  źródłem tego kwasu. Światowa produkcja kwasu 
cytrynowego przekracza 300 00 ton rocznie, co jest podyktowane bardzo dużym 
zapotrzebowaniem na ten kwas ze strony przemysłu spożywczego, farmaceutycznego, 
chemicznego oraz metalurgicznego. Jego wykorzystanie wynika m.in. z działania 
konserwującego na skutek obniżania wartości pH środowiska. Jednocześnie jest związkiem 
nietoksycznym, o dobrych walorach smakowych i zapachowych.  
 
Zastosowanie kwasu cytrynowego i jego pochodnych 

•  W produkcji i przetwórstwie żywności jest stosowany (za zgodą FAO/WHO) jako 

inhibitor enzymów, głównie oksydaz powodujących utlenianie polifenoli, co objawia 
się ciemnieniem owoców i warzyw.  

•  Wykorzystywany jest do produkcji napojów, słodyczy, owoców kandyzowanych i 

win, jako środek zakwaszający i stabilizujący.  

•  Tworzenie połączeń kompleksowych z jonami metali (Fe, Cu, Zn) zadecydowało o 

zastosowaniu jako stabilizatora olejów. Wiążąc metale katalizujące proces jełczenia 
tłuszczów, kwas cytrynowy przerywa reakcję tworzenia nadtlenków i innych 
produktów powstałych w wyniku utleniania nienasyconych kwasów tłuszczowych w 
procesie autooksydacji olejów.  

•  Zdolność do wiązania metali ciężkich umożliwiła wykorzystanie kwasu cytrynowego 

do oczyszczania powierzchni metali przed spawaniem lub pokrywaniem powłokami 
ochronnymi. 

•  W mleczarstwie wodne roztwory kwasu cytrynowego są stosowane do usuwania z 

aparatury kamienia mlecznego (osad z białka, tłuszczu i soli mineralnych mleka). 

•  W przemyśle farmaceutycznym stosowany jest jako środek dodawany do tabletek 

powodujący efekt musujący. 

•  W stacjach krwiodawstwa pochodne kwasu cytrynowego są stosowane jako środki 

zapobiegające krzepnięciu krwi. 

•  W chemii gospodarczej sole kwasu cytrynowego wypierają trudno biodegradowane 

fosforany ze składu detergentów. 

•  Estry kwasy cytrynowego znalazły zastosowanie jako nietoksyczne plastyfikatory w 

cienkich powłokach ochraniających żywność. 

 

__________________________________________________________________________________________ 

K

ATEDRA 

T

ECHNOLOGII 

F

ERMENTACJI I 

M

IKROBIOLOGII 

T

ECHNICZNEJ

 

http://www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt/

 

1

 

background image

M

IKROBIOLOGIA 

T

ECHNICZNA 

– studia zaoczne 

Ćwiczenie 4 

 

część teoretyczna 

___________________________________________________________________________ 

W 1893 roku Wehmer po raz pierwszy wykrył kwas cytrynowy w kulturach 

pędzlaków i nazwał je Citromyces pfefferianus, a Curie w 1917 roku stworzył przemysłowe 
podstawy produkcji tego kwasu dzięki odkryciu, że Aspergillus niger rośnie dobrze i wydziela 
duże ilości kwasu cytrynowego w pożywkach płynnych o pH 2,5-3,5. Wzrost pH powoduje 
przestawienie produkcji na kwas glukonowy, a dalej na szczawiowy. Niska wartość pH chroni 
pożywkę przed zakażeniami, głównie bakteryjnymi. 
 

Producentami kwasu cytrynowego są wyselekcjonowane szczepy Aspergillus nigerA. 

wentii,  A. clavatus oraz liczne drożdże z rodzaju Candida (C. lipolytica,  C. tropicalis,  C. 
intermedia
), które syntezują kwas cytrynowy w środowisku zawierającym n-alkany. 
Wśród szczepów z gatunku C. lipolytica został wyselekcjonowany szczep, u którego 
stwierdzono cykl płciowy (został nazwany na cześć odkrywcy Yarrowia lipolytica) i który 
może wytwarzać kwas cytrynowy z n-parafin, dzięki czemu znalazł szybko zastosowanie w 
przemyśle. Kwas cytrynowy wytwarzają także  Penicillium citrinum, Mucor piriformis
Jednak w praktyce przemysłowej największe znaczenie mają szczepy Aspergillus niger.  
 
Proces produkcyjny 

Produkcję kwasu cytrynowego prowadzi się kilkoma metodami. Na początku 

najczęściej stosowano metodę powierzchniową, potem wgłębną, a ostatnio – szczególnie w 
Japonii – stosuje się hodowlę na pożywkach stałych. 
 
Metoda powierzchniowa (LSF – liquid surface fermentation) 
Oczyszczony melas rozcieńcza się wodą do zawartości 15 – 17% cukru, zakwasza kwasem 
siarkowym do pH 6,3, dodaje pewną ilość żelazocyjanku potasowego, sterylizuje, ochładza do 
temp. 40ºC i przetłacza do komór fermentacyjnych, odkażonych dwutlenkiem siarki lub 
formaliną. 
Komory fermentacyjne zawierają ok. 80 płytkich tac fermentacyjnych, które napełnia się 
roztworem melasy buraczanej i szczepi zarodnikami kultury A. Niger, wyhodowanymi na 
podłożu z ziemniaczanym w probówkach i przeniesionymi następnie do kolb z wodą 
wodociągową. Wodna zawiesina grzyba jest pistoletem natryskowym równomiernie 
rozprowadzana na powierzchnię tac. Po około dwóch dniach powierzchnia pożywki pokrywa 
się białą grzybnią kiełkujących zarodników. W czasie fermentacji tworzy się duża ilość 
dwutlenku węgla, który usuwa się poprzez nawiew jałowego powietrza. Nadmierne 
przewietrzanie wzmacnia jednak procesy oddechowe pleśni i zmniejsza wydajność 
fermentacji. Ponadto przyczynia się do nadmiernego parowania pożywki. 
Proces fermentacji trwa 9 – 11 dni w temp. 30 – 34ºC. Po zakończeniu procesu można spuścić 
melasę a pozostałą warstwę kożucha grzybni podwarstwić świeżą pożywką.  
Wydajność fermentacji wynosi 70 – 80% w stosunku do użytego cukru, przy czym obok 
cytrynianu do podłoża wydzielany jest kwas szczawiowy i glukonowy oraz w śladowych 
ilościach kwasy z cyklu Krebsa.  
W zebranym płynie pohodowlanym strąca się kwas szczawiowy (jako szczawian wapnia) i 
oddziela przez sączenie. Kwas cytrynowy jest wytrącany za pomocą węglanu wapnia (dając 
cytrynian wapnia [Ca

3

(C

6

H

5

O

7

)

2

]), potem krystalizuje się go i uwalnia przy użyciu kwasu 

siarkowego. Od wytrąconego gipsu oddziela się przez filtrację. Otrzymany produkt to 
jednowodny kwas cytrynowy.  
Taka metoda oczyszczania kwasu cytrynowego z podłoża hodowlanego, jak również sama 
hodowla metodą powierzchniową jest bardzo uciążliwa dla środowiska: duże zużycie kwasu 
siarkowego, wodorotlenku wapnia, wytworzenie dużych ilości gipsu, wytworzenie ścieków o 
wysokim wskaźniku BZT

5

. W tej chwili opracowywane są metody wykorzystania filtratu (po 

__________________________________________________________________________________________ 

K

ATEDRA 

T

ECHNOLOGII 

F

ERMENTACJI I 

M

IKROBIOLOGII 

T

ECHNICZNEJ

 

http://www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt/

 

2

 

background image

M

IKROBIOLOGIA 

T

ECHNICZNA 

– studia zaoczne 

Ćwiczenie 4 

 

część teoretyczna 

___________________________________________________________________________ 

oddzieleniu cytrynianu wapnia) jako dodatku do pasz lub do produkcji drożdży paszowych. 
Gips nadaje się na materiał budowlany dopiero po oczysczeniu. Po oddzieleniu grzybni w 
roztworze hodowlanym obok kwasu cytrynowego znajdują się także liczne cenne enzymy 
pektynolityczne, proteolityczne, glukanazy, co stwarza możliwości ich przemysłowego 
pozyskiwania. 
Materiał odpadowy jakim jest grzybnia pleśni (ok. 10 kg/1 m

2

 tac) może być wykorzystana 

jako  źródło mikroelementów, białka (nawet 20% białka w suchej masie) i enzymów 
(proteinazy, amylazy, pektynazy, oksydaza glukozowa). 
 
Metoda wgłębna (SmF – submerged fermentation) 
W chwili obecnej główny sposób produkcji kwasu cytrynowego. Standardowo fermentacja 
przebiega w kadziach o pojemności 50 – 100 m

3

 zaopatrzonych w mieszadła i systemy 

napowietrzające, w temp. 30 – 32ºC w ciągu około 7 dni.  Jako surowca używa się cukru 
handlowego, soków cukrowniczych, mączek cukrowych, hydrolizatów skrobiowych. Rzadziej 
stosowana jest melasa buraczana. Wydajność tej metody liczona na kwas w stosunku do 
użytego cukru może przekraczać nawet 90%.  
Pożywkę szczepi się zawiesiną konidiów, po czym w ciągu 48 godzin grzybnia rozwija się w 
całej objętości pożywki i rozpoczyna się produkcja kwasu cytrynowego. Zaletą tej metody 
jest krótszy czas trwania procesu, mniejsze zagrożenie zakażeniami mikroflorą (niskie pH) 
oraz możliwość wydzielania kwasu cytrynowego z pożywki na drodze krystalizacji i mniejsze 
obciążenie ściekami.  
Dość duże trudności napotkało przestawienie używanych szczepów z rozwoju na powierzchni 
na rozwój wewnątrz cieczy z zachowaniem wydajności wytwarzania kwasu cytrynowego. 
Obecnie nadal trwają badania nad dopracowaniem optymalnego składu pożywki i warunków 
fermentacji. Do głównych problemów należą wysoka lepkość mieszaniny reakcyjnej, 
spowodowana ciągłym mieszaniem i napowietrzaniem, powodującym występowanie grzybni 
w formie kłębków lub rozgałęzionych strzępek. To z kolei powoduje że  środowisko 
hodowlane osiąga bardzo dużą lepkość, co utrudnia wymianę masy i dyfuzję tlenu. Powstałe 
zawiesiny charakteryzują się    właściwościami nienewtonowskimi i wymagają stosowania 
specjalnie projektowanych bioreaktorów. 
  
Metoda na pożywkach stałych (SSF – solid state fermentation) 
Najpowszechniej rozwinięta w Japonii, gdzie 20% ilości produkowanego kwasu cytrynowego 
pochodzi z hodowli na podłożu stałym. Surowcem w tej metodzie mogą być otręby, wytłoki z 
trzciny cukrowej, wadliwa melasa buraczana lub trzcinowa i inne odpadowe surowce 
roślinne. Technologia ta budzi też duże nadzieje ze względu na znacznie niższe obciążenie 
produkcji  ściekami oraz wyższą tolerancję  A. niger na obecność jonów metali i 
mikroelementów. 
 
Hodowla ciągła i stosowanie immobilizowanych komórek grzybni  A. niger – są metodami 
przyszłości  w fazie opracowywania. 
 
W Polsce produkcję kwasu cytrynowego prowadzą fabryki w Raciborzu, Zgierzu, Pelpinie, 
Luboniu, Janikowie. 
 
 
Szczepy Aspergillus niger stosowane do produkcji kwasu cytrynowego 

Szczepy  A. niger stosowane w przemysłowej produkcji kwasu cytrynowego 

otrzymane zostały w wyniku mutagenizacji oraz skriningowych selekcji szczepów 

__________________________________________________________________________________________ 

K

ATEDRA 

T

ECHNOLOGII 

F

ERMENTACJI I 

M

IKROBIOLOGII 

T

ECHNICZNEJ

 

http://www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt/

 

3

 

background image

M

IKROBIOLOGIA 

T

ECHNICZNA 

– studia zaoczne 

Ćwiczenie 4 

 

część teoretyczna 

___________________________________________________________________________ 

naturalnych. Jako mutageny stosowane są czynniki fizyczne (promieniowanie UV o dł. 

λ=260 

nm), chemiczne lub kombinacje obu. Wykorzystuje się także techniki rekombinacji 
genetycznej. Selekcja szczepów o cennych właściwościach technologicznych prowadzona jest 
pod kątem dalszego zastosowania w ściśle określonych warunkach produkcyjnych. Uzyskane 
mutanty należy zabezpieczyć przed degradacją cech materiału biologicznego, np. poprzez 
liofilizację, przechowywanie konidiów z jałowym piaskiem, węglem aktywnym lub 
cytrynianem wapnia. Jednak mimo takich metod zabezpieczenia często dotychczasowy 
metabolizm ukierunkowany na syntezę kwasu cytrynowego zmienia się na oksydacyjny, w 
wyniku czego powstaje biomasa. Stąd konieczna jest ciągła selekcja odmian o pożądanych 
cechach. 
 
 
Biochemiczne uwarunkowania nadprodukcji kwasu cytrynowego u Aspergillus niger 

Nadprodukcja kwasu cytrynowego u niektórych odmian Aspergillus niger jest 

wynikiem zakłócenia cyklu Krebsa na skutek braku lub niskiej aktywności enzymów 
odpowiedzialnych za jego dalszą konwersję. Efekt ten jest warunkowany genetycznie, ale 
poprzez odpowiednie warunki hodowli można zintensyfikować aktywność produkcyjną 
szczepów, zapewniając wysoką wydajność kwasu cytrynowego. Kwas cytrynowy jest jednym 
z etapów cyklu Krebsa, którego głównym zadaniem jest utlenianie związków organicznych, a 
nie wydzielanie ich do podłoża. Fermentacja cytrynowa, polega na gromadzeniu się 
znacznych ilości kwasu cytrynowego wskutek zablokowania enzymu biorącego udział w 
tlenowym rozkładzie cukrów. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że niektóre metale (cynk, mangan, 
żelazo) są aktywatorami pewnych enzymów, to ich brak w pożywce powoduje blokowanie i 
powstają warunki, w których wytworzony kwas cytrynowy nie może być zmetabolizowany i 
jest gromadzony w podłożu. Jest to korzystne z punktu widzenia mikrobiologii technicznej i 
znalazło praktyczne wykorzystanie w przemyśle.  
Produkcja kwasu cytrynowego jest w wysokim stopniu uzależniona od składu pożywki. 
Korzystne warunki procesu: 

•  wysokie stężenie cukru (ok. 10%  w hodowli wgłębnej i 16% w powierzchniowej) 
•  niedobór jonów metali: Mn

+2

, Zn

+2

, Fe

+2

 (< 0,1 mg/ 100 cm3) 

•  ograniczona ilość związków azotu i fosforu (limitacja wzrostu grzybni) 

•  niska wartość pH (ok. 2,4-2,6)  
•  dobre natlenienie środowiska (dot. procesu wgłębnego na pożywkach syntetycznych). 

 

Kwas cytrynowy powstaje w początkowych przemianach cyklu Krebsa, w wyniku 

kondensacji acetylo-CoA i szczawiooctanu, katalizowanej przez syntazę cytrynianową (rys. 
1.). W procesie rozwoju grzybni (trofofaza), a następnie produkcji kwasu cytrynowego 
(idiofaza) heksozy asymilowane są w dwóch szlakach metabolicznych EMP (glikoliza) i 
penztozofosforanowym (HMP). Ten ostatni szlak uaktywnia się w fazie intensywnego 
rozwoju grzybni, po czym ustępuje glikolizie w fazie produkcji kwasu cytrynowego (4:1 na 
korzyść glikolizy). Zatem głównym szlakiem dostarczającym prekursorów do syntezy kwasu 
cytrynowego jest glikoliza. Regulatorem szybkości glikolizy jest fosfofruktokinaza, która 
staje się jednocześnie regulatorem biosyntezy kwasy cytrynowego. Enzym ten jest wrażliwy 
na obecność cytrynianu w środowisku, ale u szczepów A. niger w procesie produkcji kwasu 
cytrynowego represja ta znoszona jest nadmiarem jonów NH

4

+

 w komórkach, w wyniku 

zakłóconych przemian białkowych spowodowanych niedoborem w podłożu jonów Mn

+2

__________________________________________________________________________________________ 

K

ATEDRA 

T

ECHNOLOGII 

F

ERMENTACJI I 

M

IKROBIOLOGII 

T

ECHNICZNEJ

 

http://www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt/

 

4

 

Mechanizmem regulującym biosyntezę kwasu cytrynowego jest także  ograniczenie 

syntezy ATP, który jest inhibitorem fosfofruktokinazy. Dowodzi to istnienia w grzybni 
alternatywnej drogi oddechowej (rys. 2.), jałowej energetycznie, a więc nie blokującej 

background image

M

IKROBIOLOGIA 

T

ECHNICZNA 

– studia zaoczne 

Ćwiczenie 4 

 

część teoretyczna 

___________________________________________________________________________ 

glikolizy. Ten typ oddychania tlenowego, często występujący u roślin, nie został jeszcze 
zbadany u Aspegillus niger. Wykazano natomiast jego istnienie w grzybni Neurospora crasa 
oraz drożdży Candida i Rhodotorula

__________________________________________________________________________________________ 

K

ATEDRA 

T

ECHNOLOGII 

F

ERMENTACJI I 

M

IKROBIOLOGII 

T

ECHNICZNEJ

 

http://www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt/

 

5

 

background image

M

IKROBIOLOGIA 

T

ECHNICZNA 

– studia zaoczne 

Ćwiczenie 4 

 

część teoretyczna 

___________________________________________________________________________ 

 

  
 

Rysunek 1. Szlaki metaboliczne przemiany glukozy do kwasu cytrynowego u Aspergillus niger: 1 – syntaza 

cytrynianowa, 2, 3 – hydrataza akonitanowa, 4 – dehydrogenaza izocytrynianowa, 5 – dehydrogenaza 2-

ketoglutaranowa, 6 – liaza izocytrynianowa. 

 
 
 

Alternatywna droga oddechowa ujawnia się w momencie osłabienia oddychania z 

udziałem oksydazy cytochromowej, wtedy indukowana jest synteza oksydazy alternatywnej, 
układu enzymatycznego katalizującego przenoszenie elektronów na tlen. Indukcję tej 
oksydazy w komórkach grzybni może wywołać: 

•  nagromadzenie NADH 

•  zmniejszenie zapotrzebowania na ATP 
•  niedobór ADP w mitochondriach 

•  niedobór jonów Cu

+2

 niezbędnych do funkcjonowania oksydazy cytochromowej. 

 
 

__________________________________________________________________________________________ 

K

ATEDRA 

T

ECHNOLOGII 

F

ERMENTACJI I 

M

IKROBIOLOGII 

T

ECHNICZNEJ

 

http://www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt/

 

6

 

background image

M

IKROBIOLOGIA 

T

ECHNICZNA 

– studia zaoczne 

Ćwiczenie 4 

 

część teoretyczna 

___________________________________________________________________________ 

 

 

Rys. 2. Schemat przemian oddechowych u Aspergillus niger, drogi klasyczna i alternatywna 

 

Wymienione czynniki sprawiają,  że koenzym NADH jest utleniany z udziałem 

oksydazy alternatywnej szlakiem, w którym energia wydziela się w postaci ciepła, a nie ATP 
(oksydaza ma niskie powinowactwo do tlenu i następuje rozkojarzenie fosforylacji 
oksydatywnej). Oznacza to, że działalność oksydazy alternatywnej wymaga znacznie 
wyższego stężenia tlenu w środowisku niż droga cytochromowa. Potwierdzają to badania, 
które wskazują,  że dopiero powyżej 21% tlenu powoduje wzrost aktywności oddychania 
alternatywnego.  W hodowlach metodą wgłębną, przy intensywnym napowietrzaniu jest 
więc wzbudzana droga alternatywna.
 Awaria systemu napowietrzania powoduje 
przywrócenie aktywności oksydazy cytochromowej i zahamowanie syntezy kwasu 
cytrynowego na korzyść biomasy. 
 

Inne mechanizmy regulujące syntezę kwasu cytrynowego to osłabienie reakcji 

prowadzących do degradacji (dalszych przekształceń) kwasu cytrynowego, np. zahamowanie 
przemian enzymatycznych cyklu Krebsa na etapach: 

•  hydratazy akonitanowej (hamowanej brakiem Mn

+2

 i Fe

+2

) – ogranicza dalsze 

przekształcenia kwasu cytrynowego 

•  mitochondrialnej dehydrogenazy izocytrynianowej zależnej od NADP (hamowanej 

cytrynianem) 

•  dehydrogenazy 2-ketoglutaranowej (hamowanej wysokim stężeniem cukru i jonami 

NH

4

+

). 

 

Cykl kwasu cytrynowego związany jest także z cyklem glioksalowym, który dostarcza 

kwasu szczawiooctowego – prekursora kwasu cytrynowego (rys. 1.).  
 
Bilans fermentacji ma postać: 
 

C

6

H

12

O

6

 + 1 ½ O

2

 Æ C

6

H

8

O

7

 + 2 H

2

O + 804 kJ 

 
 
 

Melasa buraczana jako surowiec do produkcji kwasu cytrynowego 

__________________________________________________________________________________________ 

K

ATEDRA 

T

ECHNOLOGII 

F

ERMENTACJI I 

M

IKROBIOLOGII 

T

ECHNICZNEJ

 

http://www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt/

 

7

 

Melasa buraczana to uboczny produkty przemysłu cukrowniczego, zawierający około 

75-80% suchej masy. Przeważającą część (46-50%) stanowią cukry, natomiast do grupy 
niecukrów (30% zawartości suchej masy) należą związki, zarówno korzystne (aminokwasy, 
biotyna, kwas pantotenowy), jak i niekorzystne (kationy i aniony, białka, kwasy organiczne, 
barwniki) dla rozwoju Aspergillus niger.  

background image

M

IKROBIOLOGIA 

T

ECHNICZNA 

– studia zaoczne 

Ćwiczenie 4 

 

część teoretyczna 

___________________________________________________________________________ 

Substancje szkodliwe dla drobnoustrojów w melasie pochodzą z: 

•  procesów gnicia buraków w trakcie przechowywania  

•  środków chemicznych stosowanych w celu zapobiegania gniciu 
•  preparatów używanych podczas upraw (nawozy, preparaty chwasto – i owadobójcze) 

•  procesów przerobu buraka na sok i dalej na cukier, kiedy to stosuje się flokulanty, 

emulgatory, dezynfektanty, środki do gaszenia piany (kwasy lotne, azotany (V), 
związki barwne) 

Wszystkie te substancje zakłócają rozwój grzybni, albo powodują jej nieprawidłowy rozwój i 
np. „zatopienie”.  
Nadmiar jonów ciężkich (głównie  żelaza) usuwa się poprzez dodanie do podłoża 
żelazocyjanku potasu. Stosuje się też odsalanie melasy na wymiennikach jonowych. 
 
 
 
 
 
 

__________________________________________________________________________________________ 

K

ATEDRA 

T

ECHNOLOGII 

F

ERMENTACJI I 

M

IKROBIOLOGII 

T

ECHNICZNEJ

 

http://www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt/

 

8