Herstellung Zitronensäure aus Zitronen

Zitronensäure ist in vielen Früchten enthalten, insbesondere in Citrusfrüchten wie Zitronen oder Limetten. Doch warum wird eigentlich keine Zitronensäure aus Zitronen gewonnen? Früher wurde tatsächlich oft Zitronensäure direkt aus Zitronen gewonnen, da die Herstellung vergleichsweise einfach war und der Geschmack der Früchte auf den Gehalt an Zitronensäure hinwies. Allerdings ergab sich bei der Gewinnung von Zitronensäure aus Zitronen eine Säure mit eher geringer und oft 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. Wenn man den Saft aus frischen Zitronen presst, darauf achten, dass keine Kerne hineinfallen. Der pH-Wert des Safts liegt derzeit bei etwa 2-3.

Schritt 2:

Langsam kleine Mengen der 10%igen Ätznatronlösung in den Zitronensaft tropfen lassen und regelmäßig umrühren. Diesen Schritt wiederholen, bis der pH-Wert ungefähr 8-9 erreicht. Anfangs ist kaum ein Unterschied zu erkennen, aber bei einem pH-Wert von etwa 8 verfärbt sich die Flüssigkeit deutlich orange.

In diesem Schritt wird hauptsächlich die Zitronensäure neutralisiert. Dabei reagiert 1 Molekül Zitronensäure mit 3 Molekülen Ätznatron und bildet 1 Molekül Trinatriumcitrat und 3 Moleküle Wasser. Trinatriumcitrat ist ebenso wie Zitronensäure gut in Wasser löslich und bleibt deshalb gelöst.

Da Zitronensäure aus 3 Carboxygruppen besteht, werden 3 Moleküle Ätznatron benötigt. Jede dieser Gruppen reagiert jedoch erst bei einem anderen pH-Wert mit dem Ätznatron, abhängig vom pKa-Wert (Säurestärke) der jeweiligen Gruppe. Die Carboxygruppen der Zitronensäure haben pKa-Werte zwischen 3,13 und 6,40. Um eine Säure vollständig zu neutralisieren, bringt man sie auf einen pH-Wert, der etwa 2 über dem höchsten pKa-Wert liegt, in diesem Fall also bei 8-9.

Während der pH-Wert ansteigt, nimmt gleichzeitig die Löslichkeit anderer unerwünschter Substanzen ab. Dabei handelt es sich hauptsächlich um verschiedene Proteine.

Schritt 3:

Die nun leicht orange Lösung sollte einen pH-Wert von etwa 9 haben und wasserunlösliche Verunreinigungen enthalten. Diese lassen sich relativ einfach mit einem Kaffeefilter herausfiltern. Der Filter wird sich schnell zusetzen und muss häufig gewechselt werden. Das ist in diesem Schritt normal, da die Moleküle teilweise sehr klein sind. Um die Qualität zu verbessern, wird die gefilterte Flüssigkeit noch einmal gefiltert. Das Endergebnis kommt in einen Glasbehälter mit einem Fassungsvermögen von mindestens 1 Liter.

Schritt 4:

28,5 g Calciumchlorid mit 70 ml destilliertem Wasser mischen und umrühren, bis es sich vollständig gelöst hat. Je besser die Qualität des Calciumchlorids ist, desto klarer wird die entstehende Flüssigkeit sein. Anschließend das Calciumchlorid zum großen Glasbehälter hinzufügen und gründlich umrühren. Bei Raumtemperatur passiert noch nicht viel. Um die Reaktion in Gang zu setzen, muss die gesamte Flüssigkeit erhitzt werden, bis sie kocht.

Achtung: Hierfür am besten temperaturbeständiges Glas oder einen Kochtopf verwenden.

Während die Mischung erhitzt wird, reagieren 2 Moleküle Trinatriumcitrat mit 3 Molekülen Calciumchlorid zu Tricalciumdicitrat und 6 Molekülen Natriumchlorid (Kochsalz). Tricalciumdicitrat ist nur schwer in Wasser löslich und bildet als weiße Feststoffe, die sich am Boden ansammeln, ab. Das Kochsalz hingegen ist sehr gut in Wasser löslich und bleibt gebunden.

Sobald die Mischung zu kochen beginnt, wird sie mehrmals umgerührt, bevor die Hitze komplett 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. Am besten verwendet man dazu einen Vakuumfilter, aber theoretisch funktioniert es auch mit einem Kaffeefilter. In diesem Schritt kann die Qualität der Zitronensäure ebenfalls verbessert werden, indem das Calciumcitrat mehrmals mit heißem destilliertem Wasser gewaschen wird. Am Ende sollte weißes, sehr feuchtes Pulver übrigbleiben.

Das herausgefilterte Wasser ist zwar intensiv gelb gefärbt, hat jedoch einen relativ neutralen pH-Wert und enthält weder giftige noch gefährliche Rückstände. Es kann einfach über den Abfluss entsorgt werden.

Schritt 6:

Das übrig gebliebene Calciumcitrat wird wieder in einen Glasbehälter gegeben. Die hochkonzentrierte Schwefelsäure wird in 200 ml Wasser gelöst und anschließend zur Calciumcitrat-Mischung gegeben. Die neue Mischung wird kräftig mit einem Rührstäbchen (ideal aus Glas, Achtung: Metall rostet schnell!) umgerührt.

In dieser Reaktion reagieren Tricalciumdicitrat und 3 Moleküle Schwefelsäure miteinander. 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 nicht die ideale Menge an Schwefelsäure, da sich diese nur sehr schwer aus der Zitronensäure lösen würde. Am Ende bleibt ein kleiner Rest an Tricalciumdicitrat und Gips ungelöst.

Auch wenn keine offensichtlichen Veränderungen sichtbar sind, sollte die Mischung mehrere Minuten lang kräftig umgerührt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die gesamte Schwefelsäure reagiert hat und nichts mehr übrig bleibt.

Schritt 7:

Die entstandene Mischung wird erneut gefiltert. Auch hier ist ein Vakuumfilter empfehlenswert, aber ein Kaffeefilter funktioniert ebenfalls. Nicht wundern, die Filtration verläuft dieses Mal sehr langsam, und es dauert eine Weile, bis die gesamte Flüssigkeit durch den Filter tropft.

In der aufgefangenen Flüssigkeit ist die gewünschte Zitronensäure gelöst. Um sie zu gewinnen, muss das Wasser nun verdampfen, sodass möglichst reine Zitronensäure zurückbleibt. Dies geschieht viel schneller, wenn die Flüssigkeit auf etwa 70 °C erhitzt wird.

Schritt 8:

Die Flüssigkeit wird auf etwa 80 ml reduziert (verdampft) und anschließend erneut mit einem Kaffeefilter gefiltert, um die Qualität weiter zu verbessern. Dieser Schritt ist jedoch optional. Die Flüssigkeit kann weiter verdampfen, bis sich kleine Kristalle bilden. Diese Kristalle sind die gewünschte Zitronensäure und können vorsichtig mit einem Löffel entnommen werden. Nach einigen Wochen bleiben nur noch eine braune Flüssigkeit und einige Kristalle übrig. Die Kristalle können mit einem Löffel entnommen werden, und die braune Flüssigkeit kann entsorgt werden.