Herstellung Zitronensäure aus Zitronen

Zitronensäure ist in vielen Früchten enthalten. Die Höchste Konzentration jedoch lässt sich in Citrus Früchten wie Zitronen oder Limetten finden. Doch warum wird dann eigentlich keine Zitronensäure aus Zitronen gewonnen? Früher wurde tatsächlich oft Zitronensäure direkt aus Zitronen gewonnen. Die Herstellung war vergleichsweise einfach und man wusste ja schließlich dank dem Geschmack, dass Zitronensäure enthalten ist. Jedoch entsteht bei der Gewinnung von Zitronensäure aus Zitronen eine Säure mit eher geringer, oftmals schwankender Qualität.

Was wird nun gebraucht um aus ca. 450ml Zitronensaft die gewünschte Zitronensäure zu gewinnen?

450ml Zitronensaft (ca. 8 Zitronen)

20,9ml 98% Schwefelsäure

28,5g Calcium Chlorid

Ätznatron (10% Lösung)

Ausreichend Große Glasbehälter

pH Teststreifen

Rührstäbchen, idealerweise aus Glas

Pipetten

Kaffee Filter

destilliertes Wasser

 

Im Youtube-Video von NileRed seht ihr den Vorgang der Extraktion von Zitronensäure aus Zitronen.

 

Extraktion von Zitronensäure aus Zitronen

Schritt 1:

Den Zitronensaft in einen Glasbehälter füllen. Falls man den Zitronensaft aus frischen Zitronen presst darauf achten, dass keine Kerne mit reinfallen. Der pH Wert liegt aktuell bei ca. 2-3.

 

Schritt 2:

Langsam kleine Mengen Ätznatronlösung in den Zitronensaft tropfen lassen und regelmäßig umrühren. Diesen Schritt wiederholen bis der pH Wert bei ungefähr 8 bis 9 ankommt. Anfangs ist zwar kaum ein Unterschied zu sehen, aber bei einem pH Wert von ca. 8 verfärbt sich die Flüssigkeit in ein deutliches Orange.

Hauptsächlich wird in diesem Schritt die Zitronensäure neutralisiert. Dabei reagiert 1 Zitronensäure Molekül mit 3 Ätznatron Molekülen und bildet 1 Molekül Trinatrium Citrat und 3 Moleküle Wasser. Genauso wie Zitronensäure ist auch Trinatrium Citrat gut in Wasser löslich und bleibt deswegen aufgelöst.

Zitronensäure besteht aus 3 Carboxy Gruppen, deswegen benötigt sie 3 Moleküle Ätznatron. Jede dieser Gruppen verbindet sich jedoch erst bei einem anderen pH Wert mit dem Ätznatron. Dies liegt am pKa Wert der jeweiligen Carboxygruppen (dem Säurestärke der jeweiligen Gruppe). Ein niedriger pKa Wert steht für eine stärkere Säure, ein höherer für eine schwächere. Die Carboxygruppen der Zitronensäure bewegen sich zwischen 3.13 und 6.40. Zur Vollständigen Neutralisierung einer Säure bringt man diese auf einen pH Wert, der ungefähr 2 über dem höchsten pKa Wert liegt, in diesem Fall 2+6.40 ~ 8 – 9

Während der pH Wert sich erhöht senkt sich gleichzeitig die Löslichkeit von anderen, für die Reaktion unerwünschten Sachen. Bei diesen handelt es sich wahrscheinlich hauptsächlich um verschiedene Proteine

Schritt 3:

Die jetzt leicht orange Lösung sollte einen pH Wert von ungefähr 9 haben und enthält eine Menge wasserunlösliche Beistoffe. Diese lassen sich durch einen Kaffeefilter relativ leicht herausfiltern. Der Kaffeefilter wird relativ schnell verstopfen und muss öfter getauscht werden. Das ist völlig normal in diesem Schritt, da die einzelnen Moleküle teilweise sehr klein sind.
Zur Verbesserung der Qualität wird die fertig gefilterte Flüssigkeit ein weiteres mal gefiltert. Das Endergebnis kommt in einen mindestens 1 Liter großen Glasbehälter

Schritt 4:

28,5g Calciumchlorid mit 70ml destilliertem Wasser vermischen und umrühren, bis es sich vollständig gelöst hat. Je besser die Qualität des Calciumchlorids, desto klarer ist die Flüssigkeit, die entsteht.
Anschließend das Calciumchlorid mit in den großen Glasbehälter gießen und kräftig umrühren. Bei Raumtemperatur passiert jedoch noch nicht viel. Um die Reaktion in Gang zu setzen muss die komplette Flüssigkeit erhitzt werden bis sie kocht.

Achtung: Hierfür am besten Temperatur beständiges Glas nutzen oder einen Kochtopf

Während sich die Mischung erhitzt reagieren 2 Moleküle Trinatrium Citrat mit 3 Molekülen Calciumchlorid zu Tricalcium Dicitrat und 6 Molekülen Natriumchlorid (Kochsalz). Tricalcium Dicitrat ist nur schlecht wasserlöslich und macht sich als weiße Feststoffe, die sich am Boden sammeln bemerkbar. Das Kochsalz hingegen ist sehr gut wasserlöslich und bleibt gebunden.

Sobald die Mischung anfängt zu kochen wird diese einige Male umgerührt bevor die komplette Hitze entfernt wird. Das Calciumcitrat sammelt sich nun relativ schnell am Boden des Gefäßes.

Schritt 5:

Solange die gesamte Mischung noch heiß ist wird das Calciumcitrat herausgefiltert. Dies funktioniert zwar am besten mit einem Vakuumfilter, geht theoretisch aber auch mit einem Kaffeefilter. In diesem Schritt lässt sich die Qualität der Zitronensäure ebenfalls verbessern, in dem das Calciumcitrat mit heißem, destilliertem Wasser mehrfach gewaschen wird. Es sollte am Ende als weißes, sehr feuchtes Pulver zurückbleiben.

Das herausgefilterte Wasser ist zwar kräftig gelblich gefärbt, sein pH Wert ist jedoch relativ neutral und es enthält weder giftige noch gefährliche Rückstände. Es kann sehr einfach über den Abfluss entsorgt werden

 

Schritt 6:

Das übrige Calciumcitrat wird zurück in einen Glasbehälter gegeben. Die hochkonzentrierte Schwefelsäure wird in 200ml Wasser aufgelöst und anschließend zum Calciumcitrat gegeben. Die neue Mischung kräftig mit einem Rührstäbchen (Idealerweise aus Glas, Achtung: Metall fängt schnell an zu rosten!) umrühren.

In dieser Reaktion reagiert Tricalcium Dicitrat mit je 3 Molekülen Schwefelsäure. Dabei entstehen 2 Moleküle Zitronensäure und 3 Moleküle Calciumsulfat (Auch als Gips bekannt). Zitronensäure ist wieder leicht in Wasser löslich, während Gips nur sehr schwer löslich ist. Aus diesem Grund verwenden wir auch nicht eine ideale Menge von Schwefelsäure, da sich die Schwefelsäure nur sehr sehr schwer aus der Zitronensäure herauslösen würde. Es bleibt also am Ende ungelöst ein kleiner Rest an Tricalcium Dicitrat und Gips.

Auch wenn keine wirklichen Veränderungen zu sehen sind, sollte die Mischung mehrere Minuten lang kräftig umgerührt werden. Dadurch ist sichergestellt, dass sämtliche Schwefelsäure reagiert hat und nichts mehr übrig ist.

 

Schritt 7:

Die jetzt entstandene Mischung wird abermals gefiltert. Auch hier ist zwar ein Vakuumfilter zu empfehlen, ein Kaffeefilter ist aber auch geeignet.
Nicht wundern, die Filterung läuft dieses mal sehr langsam ab und es dauert eine Weile, bis sämtliche Flüssigkeit durch den Filter hindurch getropft ist.

In der aufgefangenen Flüssigkeit ist die gewünschte Zitronensäure gelöst. Um sie zu gewinnen muss nun nur noch das Wasser verdampfen und es bleibt möglichst reine Zitronensäure zurück. Dies geht deutlich schneller, indem das Wasser auf ca. 70°C erhitzt wird.

 

Schritt 8:

Die Flüssigkeit wird auf ca. 80ml reduziert (verdampft) und anschließend nochmals mit einem Kaffeefilter gefiltert um die Qualität nochmals zu erhöhen. Dieser Schritt ist jedoch optional.
Die Flüssigkeit kann nun weiter verdampfen bis sich kleine Kristalle bilden. Diese Kristalle sind die gewünschte Zitronensäure und können vorsichtig mit einem Löffel herausgeholt werden.
Nach ein paar Wochen sind nur noch eine braune Flüssigkeit und ein paar Kristalle übrig. Die Kristalle wieder mit einem Löffel herausholen und die braune Flüssigkeit kann entsorgt werden.