OBTENCIÓN DE ÁCIDOS ORGÁNICOS

OBTENCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO

Acido cítrico El ácido cítrico CH2COOH-COHCOOH-CH2COOH es un ácido

tricarboxílico que se cristaliza de soluciones acuosas con una molécula de agua en forma de cristales rómbicos, incoloros y transparentes.La forma monohidratada del ácido cítrico tiene : masa molecular 210, densidad 1,54 , temperatura de fusión 70-75°C. Durante su conservación y principalmente cuando se calienta rápidamente a 40-50°C, pierde el agua cristalizada, y a la temperatura de 100°C el agua cristalizada se pierde totalmente.

• A la temperatura de cristalización 36,6°C y más se libera el ácido cítrico no hidratado con masa molecular 192 (temperatura de fusión 153°C). A la temperatura de 175°C el ácido se descompone.

• El ácido cítrico está ampliamente difundido en frutos. Se le utiliza en varios campos de la industria alimentaria (en la industria de la confitería y bebidas), en la industria química y textil ( tinción de telas) , en fotografía, en medicina, etc.

• La producción mundial de ácido cítrico en la actualidad es de 130 mil toneladas al año. En cultivos de carbohidratos en calidad de productores de ácido cítrico se utilizan cepas mutantes de Asp. niger, en cultivos de n-alcanos , levaduras Candida lipolítica, Candida guilliermondii, Candida oleophila y cepas bacterianas del género Corinebacterium,Arthrobacter.

• La producción de ácido cítrico incluye las siguientes etapas tecnológicas principales: obtención del material de siembra, preparación de la melaza para la fermentación , fermentación de las soluciones de melaza en ácido cítrico con la siguiente separación de los micelios, la separación del ácido cítrico y obtención de éste en forma cristalizada.

Biosíntesis del ácido cítrico

• La síntesis de ácido cítrico está relacionada con el ciclo de los ácidos tricarboxílicos y ocurre como resultado de la condensación de cualquier ácido que contenga cuatro átomos de carbono y dos grupos carboxílicos, con un ácido que tenga dos átomos de carbono y un grupo carboxílico. La formación química del ácido cítrico está representada en el dibujo . Como resultado de la glucolisis de la glucosa se forma el ácido pirúvico. En la siguiente etapa ocurre la unión fermentativa del ácido pirúvico con el dióxido de carbono. El ácido oxaloacético formado entra en reacción con el ácido acético y se forma el ácido cítrico. De esta manera , la formación química del ácido cítrico incluye las reacciones de glucolisis y todas las reacciones del ciclo de Krebs. Por cada vuelta de este ciclo la molécula del ácido oxaloacético reacciona con la molécula de ácido acético, formando ácido cítrico.

Ciclo de Krebs

PROCESO DE FERMENTACIÓN

Preparación del material de siembra

• Para la producción de ácido cítrico mediante el método de cultivo en superficie o sumergido se utiliza cepas de Asp. niger . Los cultivos iniciales se conservan en forma de esporas, conidios en mezclas con carbón activado . Frecuentemente se controla la pureza microbiológica, y la actividad bioquímica del cultivo conservado, éste se utiliza para la obtención del material de siembra. El material de siembra se desarrolla en tubos de ensayo con agar ( mosto, nutritivo, etc), y luego en matraces. La duración de cada etapa es de 2 a 7 días, la temperatura óptima de desarrollo es de 32°C . En el proceso de desarrollo en superficie en medio sólido se reproduce una capa de micelios densa la cual luego se recubre con conidios. En la última etapa (de las cubetas) los conidios maduros se recogen con un instrumento especial al vacío. Para alargar el tiempo de conservación de los conidios se deshidratan a 32°C, adicionando carbón activo estéril en la relación 1:2. De esta forma, los conidios se pueden conservar 1 a 2 años. De 10 dm2 de la superficie de las cubetas se obtienen 3 a 4 gramos de conidios deshidratados El material de siembra preparado se envasa en matraces de vidrio o en envases de capacidad de 0,5 hasta 1 litro. El material de siembra se conserva a temperatura ambiente y con 70% de humedad. Tiempo de duración hasta 6 meses.

Preparación de la melaza para el proceso de fermentación• Muchas sustancias orgánicas, principalmente el azúcar se fermentan con la formación de

ácido cítrico . Frecuentemente , un buen rendimiento se obtiene si se utiliza en calidad de fuente de carbono, glucosa, fructosa , sacarosa , maltosa. Para la producción industrial de ácido cítrico en calidad de substrato frecuentemente se utiliza melaza – residuos de la industria azucarera.La melaza es una materia no estandarizada, su composición química depende de la calidad del azúcar de remolacha, de la tecnología de elaboración y de las condiciones de conservación. Las buenas condiciones de la melaza para la producción del ácido cítrico se determinan en base a la experimentación y análisis bioquímico. Las soluciones de melaza se fermentan por el método de cultivo en superficie y el sumergido con cepas del hongo Asp. niger. La melaza se considera apta para la producción del ácido cítrico mediante el método de superficie , si el producto de ácido cítrico durante el control de la fermentación es no menor 1,25 kg/(m2.día) ,y mediante el método sumergido 10-12 kg/(m3. día). Una buena melaza para fermentación contiene no más de 1% de azúcar invertido, 1% de CaO, 0,06% de SO2 con un contenido de materia seca total no menor de 75% ,azúcar con más de 46%. Dependiendo del método de fermentación la melaza se disuelve y se preparan soluciones con distinta concentración de azúcar : para el desarrollo en superficie Asp. niger hasta 13-15%, para cultivo sumergido 3-4-% y 25-28%. En las soluciones preparadas , con ácido sulfúrico se establece un pH hasta 6,8-7,5. La melaza no bien preparada , se asimila mal y se fermenta mal con el microorganismo productor, ya que junto con las sustancias necesarias para el normal crecimiento del hongo y la actividad para la formación de ácido ,en ella se encuentran sustancias minerales y orgánicas que retardan el crecimiento del hongo y disminuyen el proceso de formación del ácido cítrico ,la melaza, como se dijo anteriormente, no es el único substrato para la obtención de ácido cítrico. En los últimos años en distintos países se han patentado métodos de obtención del ácido cítrico mediante el cultivo principalmente de levaduras del género Candida, en substratos, que contienen en calidad de fuentes de Carbono alcanos, glicerina, etanol, ácidos acético, butírico, y grasas animales y vegetales.

Proceso de Fermentación de la Melaza• METODO POR CULTIVO SUMERGIDO• Mediante este método la fermentación de las soluciones de melaza se realizan en

biorreactores de capacidad de 50 m3 el volumen utilizado es de 38 m3 (esquema). Los conidios se desarrollan en fermentadores de capacidad de 5 m3 con un volumen de trabajo de 3 m3 . Todos los biorreactores deben ser construídos de acero inoxidable.

• La solución de melaza que contiene 30-40% de azúcar para los biorreactores de fermentación se prepara en un tanque de ebullición . La melaza se disuelve con agua hervida, y se le establece un pH=7,0-7,2. Las soluciones de cloruro de amonio y sulfato de magnesio se le agregan en las cantidades reglamentarias. La solución preparada se esteriliza a 128-130 °C durante 12-15 minutos. A la solución de melaza enfriada en el biorreactor de siembra hasta 35-36 °C se le agrega soluciones estériles de K2HPO4 y MgSO4.7H2O. Para el biorreactor de producción la melaza se prepara en la misma secuencia. Las soluciones de las sales alimenticias , se preparan por separado y se esterilizan a la temperatura de 123-125°C. El agua se esteriliza a 128-130°C.

• El líquido de cultivo para la fermentación debe tener 25-28% de azúcar y la temperatura de 34-36°C, en el material de siembra y en el de producción. El líquido de cultivo se lleva a un colector. El biorreactor para el material de siembra se inocula con una suspensión de conidios (3 g de conidios deshidratados se colocan en 2-3 l de solución estéril de melaza o de medio nutritivo). El líquido de fermentación se cultiva a 34-35 °C con agitación constante, aireación y a una presión en el biorreactor de 10-20 kPa.

Régimen de aireación del biorreactor para el material de siembra: Crecimiento , horas Aire incorporado m3/hora 0-6 10 7-12 18 12-16 36 16-20 45 (20-24)-(24-30) 70-72(24-30)-hasta el final de la fermentación 90-100

En el período de formación intensiva de espuma (12-24 horas) en pequeñas porciones se agrega el antiespumante ( ácido oleico). El proceso de desarrollo de los micelios termina en 30-36 horas. La acidez titulable del líquido de cultivo es de 1,0-2,0 % . Este material de siembra se inocula al líquido de cultivo del biorreactor de producción.

Elproceso de formación de acidez dura 5-7 días a la temperatura de 31-32°C, con agitación constante y aireación periódica.

Regimen de aireación en el biorreactor de producciónCrecimiento, horas Aire incorporado, m3/hora0-3 1003-6 100-4007-12 400-60013-16 600-70017-24 700-80024-hasta el final del proceso 800-1000

• Empezando desde el 2do día después de la siembra según la disminución de la concentración de azúcar en la solución se realizan 2-3 adiciones de substrato. La adición periódica de la solución de melaza de 25-28 % se realiza según el cálculo de la concentración final de azúcar en la solución fermentada hasta 12-15 %. El control del aumento de la acidez titulable y la disminución de azúcar, permite en el tiempo correcto determinar el final del proceso y obtener el mayor rendimiento de ácido cítrico por m3 en el biorreactor por día ( no menor de 7,5 kg/ m3 ). Después de la finalización del proceso , el líquido de cultivo fermentado se calienta con vapor saturado hasta 60-65°C y se conduce a un tanque colector, de donde se traslada hacia un filtro al vacío para la separación y limpieza de micelios con agua caliente. Los micelios separados luego se destinan para la alimentación de ganado. La solución principal de ácido cítrico junto con las aguas de lavado se conduce al sector de tratamiento químico de producción.

• Por el método de cultivo sumergido las principales soluciones , contienen de 5 a 12 % ácidos orgánicos, 0,2-1,5 % de azúcar, y el ácido cítrico viene a ser el 80-98 % de la suma de todos los ácidos orgánicos.

• La obtención de ácido cítrico en las soluciones fermentadas está representada en el siguiente esquema:

Obtención de ácido cítrico . Proceso de Fermentación

1. Tanque con melaza.2. Colector.3. Balanzas.4. Tanque para hervir la melaza.5. Bomba centrífuga.6. Tanque de recepción.7. Columna de esterilización.8. Tanque de mantenimiento de la temperatura.9. Refrigerante.10. Biorreactor para el material de siembra.11. Biorreactor de producción.12. Filtros antibacterianos.13. Tanque de recepción.14. Tanque para la conservación de melaza.

15. Filtro rotatorio al vacío.16. Receptor de micelios.17. Tanque para micelios.18. Tanque al vacío para recepcionar el líquido de cultivo fermentado y filtrado.

TRATAMIENTO QUÍMICO DE PRODUCCIÓN

Obtención de citrato de calcio• Las soluciones fermentadas son una mezcla de ácido cítrico , ácido glucónico y ácido oxálico ,

azúcar no fermentada y sustancias minerales. El ácido cítrico de la solución se separa mediante la unión de éste con cationes de calcio formando sales poco solubles de citrato de calcio.

• La neutralización se realiza en neutralizadores, que poseen agitadores con difusores de vapor. La solución fermentada se calienta en un neutralizador hasta la ebullición, después de lo cual en ella durante un mezcla contínua se obtiene como una miel de leche brillante. La completa neutralización se determina con un indicador. Esta se dice que terminó a un pH=6,8-7,5. Durante la neutralización de la solución fermentada se forma sales de calcio de los ácidos cítrico, glucónico y oxálico.

• 2C6H8O7 + 3Ca(OH)2 = Ca3(C6H5O7)2 + 6H2O• Citrato de calcio• 2C6H12O7 + Ca(OH)2 = Ca(C6H11O7)2 + 2H2O• Gluconato de calcio• C2H2O4 + Ca(OH)2 = CaC2O4 + 2H2O• Oxalato de calcio• Las sales de los ácidos cítrico y oxálico caen según esto como precipitado, y la sal de calcio del

ácido glucónico y la parte principal de las sustancias minerales y orgánicas de la melaza se quedan en la solución. Para la separación del precipitado obtenido se realiza una reacción de masa en caliente en filtros al vacío. Después de la separación de la solución del agua madre , el precipitado en el filtro se lava con agua caliente (95°C). Al final del lavado se entiende que en las aguas de lavado no existe azúcares. Para secar el precipitado se utiliza aire durante un tiempo.

• Para obtener el ácido cítrico en estado libre y separarlo de el oxalato de calcio el precipitado se trata con ácido sulfúrico y luego se filtra. La descomposición del citrato de calcio se realiza en un reactor, que posee un agitador y un difusor de vapor. En el reactor se entrega agua según el cálculo de 0,25-0,5 m3 por una tonelada de ácido cítrico y se añade citrato de calcio de tal manera que después de la descomposición la concentración de ácido cítrico es no menor de 25%. En calidad de clarificador al reactor se añade carbón activado ( 2% de la masa del ácido cítrico), el contenido del reactor se calienta hasta 60°C y agitando se dosifica el ácido sulfúrico ( densidad = 1,8-1,84) , según el cálculo de 0,425 litros para 1 kg de ácido cítrico en el citrato. La mezcla se hierve durante 10-20 min.

• La descomposición del citrato de calcio mediante el ácido sulfúrico se da por la siguiente ecuación:

• Ca3(C6H5O7)2 + 3H2SO4 = 2C6H8O7 + 3CaSO4• Después de la total descomposición del citrato de calcio ( se controla por la inexistencia

en el medio de citrato de calcio y el ácido sulfúrico) en el reactor se añade sulfuro de bario granulado ( según el cálculo de 0,1-0,15 kg para 100 kg de ácido cítrico) para precipitar metales pesados. Para separar la solución de ácido cítrico del precipitado,que contiene sulfato de calcio, oxalato de calcio, carbón, sulfuros de metales pesados; la mezcla reactiva caliente se pasa del reactor hacia el filtro al vacío. La solución filtrada se somete a un proceso de evaporación previo y el residuo del filtro se lava con agua caliente(90°). El lavado del precipitado se termina cuando la concentración de ácido cítrico en el agua de lavado es de 0,1%.La concentración media de la solución de ácido cítrico debe ser no menor de 16%.

Evaporación de la solución de ácido cítrico

• La evaporación se realiza en evaporadores al vacío y se desarrolla en dos etapas ,con un proceso intermedio de liberación de sulfato de calcio del precipitado . En el primer evaporador la solución se evapora hasta la densidad de 1,24-1,26 ( bajo una presión de 0,021 MPa) , el precipitado se separa en un filtro-prensa.

• En el segundo evaporador la solución transparente se evapora (a la presión de 0,021 MPa ) hasta una densidad 1,35-1,36 , la cual corresponde a la concentración de 80% de ácido cítrico (casi 1070 g monohidratado en un litro).

Cristalización y secado del ácido cítrico• Del segundo evaporador , la solución concentrada a la temperatura de 70°C se

envía al proceso de cristalización.Régimen de cristalización del ácido cítrico.• Temperatura °C Velocidad de enfriamiento, °C/h• 70-37 20• 37-27 10• 27-22 5• 22-8 3• • Después del llenado del cristalizador la solución es enfriada a 35-37°C y aparecen

los primeros cristales de ácido cítrico. La cristalización se desarrolla en una agitación contínua y un enfriamiento lento hasta la temperatura de 8-10°C. A la temperatura final de cristalización la solución se mantiene no menos de 30-45°C. Los cristales se separan en una centrífuga, se lavan con un poco de agua, luego los cristales con una humedad de 2-3 % se envían al secado.

• El secado se realiza en secadores de fajas o tambores neumáticos a la temperatura del aire de 35°C. A temperaturas más elevadas ocurre la destrucción de cristales ya que pierden el agua de cristalización. El producto debe contener no menos de 99,5 de ácido cítrico ( en el monohidratado) , la salinidad no mayor de 0,1 para la calidad alta y 0,35% para la primera clase.

Obtención de ácido cítrico. Tratamiento químico.

1. Receptor de las soluciones fermentadas.2. Bomba.3. Tanque para el hidróxido de calcio.4. Neutralizador.5. Filtro para la separación del citrato de calcio.6. Reactor.7. Dosificador medidor de ácido sulfúrico.8. Tanque de recepción.9. Filtro al vacío para la separación de sulfato de calcio.10. Tanque de recepción.11. Bomba al vacío.12. Bomba.13. Tanque para recepcionar la solución de ácido cítrico.14. Condensador barométrico.15. Evaporador al vacío , primera etapa.16. Compresor de vapor.17. Caja barométrica.18. Bomba al vacío.19. Tanque de recepción.20. Filtro-prensa.21. Cristalizador.22. Evaporador al vacío , segunda etapa.23. Tanque de recepción.24. Centrífuga.25. Tanque para la recepción de la solución proveniente de la centrífuga.26. Secadora tipo tambor.27. Recepción de cristales de ácido cítrico.28. Envasadora de ácido cítrico.