Universidad de Buenos AiresFacultad de Ingeniería

Trabajo Práctico de Industrias II (72.18)

Anteproyecto

Acido Cítrico

Grupo 5

1.1 Introducción

El nombre del ácido cítrico proviene del latín citrus que significa limón. Es un ácido tricarboxílico con 6 átomos de carbono (ácido 2-hidroxi-1,2,3 propanotricarboxílico, ácido -hidroxitricarbalílico, HOOCCH2C(OH)(COOH)CH2COOH). Se presenta en forma de cristales incoloros, translúcidos, o polvo fino o granular, blanco, inodoro y con un sabor ácido agradable.

El ácido cítrico se utiliza sobre todo en la industria de los alimentos y bebidas, y en la industria farmacéutica. Su buen sabor y la facilidad con que es asimilado favorecen su utilización como ingrediente ácido para mantener el pH o para obtener un pH conveniente y hacer resaltar el sabor de una extensa variedad de productos en esas industrias. Últimamente se observa un incremento en su producción debido a sus aplicaciones industriales como reemplazante del fosfato en detergentes por su biodegradabilidad, en la limpieza y pulido del hierro y del acero, para la remoción de azufre de los gases de chimenea en estaciones de energía, etc.

En la actualidad, no existe otro método de producción más eficaz para este ácido que las fermentaciones fúngicas.

Si bien el ácido cítrico es una materia prima ampliamente utilizada en nuestro país, aún ninguna empresa local o extranjera ha decidido su inversión para la producción de este ácido dentro de nuestro territorio. La totalidad de ácido cítrico se importa. Tal vez en un futuro cercano sea posible la implementación de una planta para la obtención de este producto.

1.2 Aplicaciones de los productos, principales y secundarios

Aproximadamente el 70% del ácido cítrico producido se usa en la industria de los alimentos y bebidas, y un 12% en productos farmacéuticos. Como se ha expresado en la Introducción, la razón de estas aplicaciones se debe a su buen sabor, la facilidad con que es asimilado por el organismo y su capacidad para mantener el pH o para proveerlo. Se utiliza principalmente como acidulante debido a su alta solubilidad, su extremadamente baja toxicidad y su sabor agrio agradable.

El 18% restante de la producción de ácido cítrico se utiliza como materia prima de una extensa variedad de productos para diversos usos industriales. Por su fácil biodegradabilidad ha reemplazado al fosfato en la industria de detergentes, y en la remoción de azufre de los gases de chimenea en estaciones de energía. Se emplea además en la limpieza y el pulimento del hierro y del acero, como componente en ciertas soluciones no ferrosas para galvanoplastia, y en el

tratamiento y el acondicionamiento de aguas industriales. El ácido cítrico se usa para preparar resinas alquídicas, pinturas y lacas, y en el estampado de telas. Varios compuestos, especialmente el citrato sódico neutro, se emplean mucho en los productos alimenticios y farmacéutico. Los ésteres del ácido cítrico se emplean como plastificadores para materiales adhesivos y de revestimiento y en otros plásticos.

Industria Área Usos

De bebidas

Alimentaria

Farmacéutica

De cosméticos

Otras

General

Vino

Bebidas Carbonatadas

Preparación

Alimentos congelados

Productos lácteos

SaborizanteConservadorEliminador de turbidezPreviene el deterioro

Previene la turbidezInhibe la oxidación

Sabor frescoAyuda a la carbonatación

Saborizante

Antioxidante

Mejoramiento del colorRegulador del pHInactiva trazas de metales Emulsionador

Disolvente y saborizanteEfervescente con H2CO3

Antioxidante y sinergístico

Recubrimiento electrolítico de metales, tratamiento de agua de calderasEn detergentesCurtidoTextiles

1.3 Reseña histórica y estadística (del país y extranjera). Proyecciones estadísticas del INDEC

En 1784, Scheedle aisló por primera vez el ácido cítrico en forma cristalina del jugo de limones. El alquimista Vicentius Bellovacensis, hacia el año 1200, observó que el jugo de limón y el de la lima contenían una sustancia ácida especial y aludió al uso del jugo de limón como disolvente ácido. Liebig lo reconoció en 1838 como un ácido tribásico. En 1880 fue preparado sintéticamente por Grimoux y Adam partiendo de la glicerina. Wehmer indicó en 1893 que algunos hongos

(especies de Penicillium) podían producir ácido cítrico cuando se desarrollaban en soluciones azucaradas y sales inorgánicas. Más tarde, en 1917, Currie reportó la producción de ácido cítrico por A. niger desarrollado en medios con azúcares a pH bajo. A pH alto, A. niger produce ácido oxálico.

1.4 Análisis del mercado (interno y externo). Gráfico de Importaciones. Extrapolación hasta el año 2050.

La producción de ácido cítrico es inexistente en el país. La totalidad de este ácido se importa. Como se observa de los datos recogidos del INDEC, los principales países proveedores son Brasil, Alemania, China y Bélgica. Las productoras más cercanas se encuentran en Brasil y Colombia. En Brasil se encuentra la planta Haarmann & Reimes (con centro de distribución en Castelar) y la planta de Sucromiles en Colombia.

Por otro lado, existen en nuestro país diferentes compañías abocadas a la distribución de ácido cítrico. Ellas son:

PRODUCTOS ROCHE . Con plantas en Europa provee productos granulados y finos.

I.C.I ARGENTINA. Comercializa los productos importados por Roche.

I.M.A.S.A. (Industria de Maíz S.A.). Que importa su producción de Brasil (Haarmann & Reimes).

CARSA (Compañía Argentina de Sales Acidulantes). Comercializa productos CARGIL que importa de Estados Unidos y tiene en mente la instalación de una planta en Brasil.

AVEBE ARGENTINA. Provee ácido cítrico Jum-Bus-Lower. Tiene sus plantas en Europa.

ABM INTERNACIONAL. Se dedica a la importación de ácido cítrico de China a precios muy económicos pero de no tan buena calidad.

Importaciones

Año Dólares Kilos

1995

1996

1997

1998

1999

17791106

22114893

23141033

16761479

18868201

11598538

14676138

16250210

12750466

15000708

Gráficos

Valores de Importación en pesos de Ácido Cítrico en los últimos 5 años.

Cantidad en Kilos de Importación de Ácido Cítrico en los últimos 5 años.

Extrapolación hasta el año 2050

1.5 Precio del producto. Costo de la materia prima, actuales.Potenciales proveedores.

Forma de entrega, lugar de despacho de los proveedores.

Precio del Producto

En cuanto al precio del ácido cítrico, de acuerdo a la información adquirida de los compradores de este producto, se dice que es un valor que depende de la cantidad, calidad y forma y tiempo de entrega. Haciendo referencia al uso que se le dará al ácido cítrico como materia prima, el precio varía ya sea que se utilice en industrias farmacéuticas y cosméticas (mayores valores) o para industrias alimenticias (valores inferiores).

En líneas generales, se podría decir que el precio promedio del ácido cítrico es de $ 1,60 el kilo de ácido.

Por otro lado, pueden conocerse los precios de importación que varían de acuerdo a la calidad según el país de origen:

Ácido Cítrico para productos farmacéuticos y Cosméticos:

País Precio Medio (pesos)

País Precio Medio

SuizaPaíses BajosMéxico

21,4813,479,28

EspañaJapón

7,153,12

Ácido Cítrico para productos farmacéuticos y Cosméticos:

País Precio Medio (pesos)

País Precio Medio

BrasilEstados UnidosRepública de CoreaChinaHong-Kong

1,391,230,991,031,02

BélgicaIrlandaItaliaAlemania

1,221,661,611,26

1.6 Situación actual de la industria en el país.

Perceptivas. Conveniencia o no de su implantación.

Como se ha expuesto en otras partes, en la actualidad, nuestro país no cuenta con plantas productoras de ácido cítrico sino que en su totalidad se importa.

No obstante esta situación, no se observa interés alguno por parte de inversores locales ni extranjeros para la implementación de una planta de este tipo. Tal vez, las políticas fiscales y la localización hacen más atrayente el mercado brasileño como centro de producción y distribución para el abastecimiento latinoamericano de ácido cítrico. Esto se ve evidenciado en la reciente colocación de la planta IMASA en Brasil.

1.7 Especificaciones sobre composición.Características y propiedades del producto a elaborar, puro y comercial.

Propiedades físicas y químicas

Constantes. El ácido cítrico cristaliza de soluciones acuosas frías en forma de monohidrato. Los cristales son incoloros y translúcidos: pertenecen al sistema ortorrómbico. Su densidad en 1,542. El monohidrato del ácido cítrico es estable en el aire de humedad normal, pero en aire seco o en vacío sobre ácido sulfúrico pierde agua. Calentando poco a poco los cristales monohidratos se ablandan a la temperatura aproximada de 70-75 ºC, con pérdida de agua y por último se funden completamente entre 135y 152 ºC. Calentando rápidamente los cristales, se funden a 100 ºC, se solidifican al convertirse en anhidros y se funden a 153 ºC.

El ácido cítrico anhidro cristaliza de soluciones acuosas concentradas y calientes; la temperatura de transición media de monohidrato a la forma anhidra es 36,3 0,15 ºC. Los cristales anhidros son translúcidos e incoloros: pertenecen a la clase holoédrica del sistema monoclínico. La temperatura de fusión de la forma anhidra es 153 ºC; la densidad es 1,665. El ácido cítrico es ópticamente inactivo y no manifiesta piezoelectricidad.

El ácido cítrico es un ácido orgánico fuerte, como lo indica la constante de disociación del primer átomo de hidrógeno, que es 8,2x10-4 a 18 ºC.

El poder refractivo molecular del cristal de monohidrato es 67,11. El calor de combustión a 20 ºC es 417,4 kcal/mol para el monohidrato y 474,5 ºC kcal/mol para el ácido cítrico anhidro. La tensión superficial en contacto con el aire es 69,51 dinas/cm a 30 ºC. El coeficiente de conductividad eléctrica es 8,0x10-4 a 25 ºC. El ácido cítrico es bastante soluble en agua, medianamente en alcohol y poco en el

éter. El ácido cítrico anhidro es insoluble en cloroformo, benceno, sulfuro de carbono, tetracloruro y tolueno.

Reacciones. Cuando se calienta el ácido cítrico a 175 ºC, es convertido parcialmente en ácido aconítico por eliminación de agua, y en ácido acetondicarboxílico por pérdida de dióxido de carbono. Calentado rápidamente a una temperatura más elevada, el ácido aconítico pierde agua para dar su anhídrido, el cual se cambia en anhídrido itacónico por eliminación de dióxido de carbono: una parte del anhídrido itacónico se convierte en anhídrido citracónico. Por encima de 175 ºC el ácido cítrico da un destilado aceitoso que cristaliza como ácido itacónico, y si se sigue calentando se obtiene un aceite incristalizable, que es anhídrido citracónico. El ácido citracónico se forma por adición de agua a su anhídrido y también por reagrupación molecular del ácido itacónico. El ácido mesacónico puede formarse también por reagrupación molecular del ácido itacónico o calentando el ácido citracónico en una pequeña cantidad de agua a 200 ºC. La hidrogenación de ácido cítrico o del ácido aconítico da ácido tricarbalílico. La reducción de los ácidos itacónicos, citracónico o mesacónico da ácido metilsuccínico.

La digestión del ácido cítrico con ácido sulfúrico fumante o la oxidación con solución de permanganato potásico da ácido acetondicarboxílico. Por encima de 35 ºC, la oxidación con permanganato potásico produce ácido oxálico. El ácido cítrico se descompone en ácido oxálico y ácido acético cuando se funde con gidróxido de potasio o se oxida con ácido nítrico. El ácido acetondicarboxílico, formado por la descomposición del ácido cítrico con ácido sulfúrico concentrado, es útil en diversas síntesis, ya que los dos grupos metilenos entre los grupos carbonilos poseen bastante reactividad, parecida a la del éster acetoacítico o el éster malónico, y participa en reacciones de condensación similares.

El ácido cítrico es tribásico y manifiesta las propiedades usuales de un ácido polibásico. Forma sales neutras, dos sales diferentes monoalcalinas y dos sales diferentes dialcalinas. Las diferentes sales de los metales alcalinos son bastante solubles, pero las sales neutras de los metales alcalinotérreos son poco solubles. El ácido cítrico forma sales complejas solubles con muchos iones metálicos, por lo cual muchos hidróxidos metálicos no son precipitados por los álcalis en presencia del ácido cítrico.

El ácido cítrico forma ésteres normales y ésteres ácidos, tres series de amidas ácidas, cloruros de ácidos, etc, y son posibles compuestos mixtos, como las sales de los ésteres ácidos. El grupo hidroxilo puede ser sustituido para formar derivados acílicos, éteres, etc. El anhídrido no puede formarse en sí mismo, pero pueden deshidratarse derivados acílicos del ácido para formar anhídridos acilocítricos. Es posible una gran variedad de compuestos mixtos y se han preparado y estudiado muchos de ellos.

Mercado Comprador

El ácido cítrico es un ácido de uso indispensable para las industrias ya especificadas. Por tal motivo, no puede atribuirse a un país o región específico el consumo de este producto. Sin embargo, podemos observar que aquellos estados

que requieren más ácido cítrico para el desarrollo de sus actividades industriales son Estados Unidos, Canadá, Japón y la República Popular China.

1.8 Esquemas o diagramas de fabricación de los procesos industriales. Descripción. Evaluación de la variante preferida. Justificación. Los esquemas (a partir de la materia prima de composición media).

Producción Fúngica de Ácido Cítrico

La producción de ácido cítrico se consigue preferiblemente por A. niger desarrollado en medios con azúcares a pH bajo. A pH alto, A. niger produce ácido oxálico.

Las razones del dominio de A niger sobre otros organismos son:

1. Facilidad de manejo

2. El uso de materia prima, batrata como substrato

3. Rendimientos altos y consistentes

4. Económicamente conveniente

Otras cepas (Hongos productores de ácido cítrico)

A. nigerA. awamoriA. fonsecaeusA. luchensisA. urentiiA. saitoiA. usamiA. fumaricusA. phoenicusA. lanosusA. flavus

Penicillium janthinellumP. restrictumTrichodema virideMucor piriformisUstulina vulgarisBotrytis sp.Ascochyta sp.Absidia sp.Talaromyces sp.Acrmonium sp.Eupenicillium sp.

Tipos de fermentación

1. cultivo de Penicillium y Aspergilus estacionario o de superficie2. cultivo sumergido; A. niger;3. cultivo en estado sólido, cultivo continuo, en etapas múltiples.

1. Cultivo de superficie

Se permite que un medio estéril fluya en recipientes de acero inoxidable o de aluminio, arreglados en fila en cámaras de fermentación estériles. La mayoría de las cámaras controlan la temperatura, la humedad relativo y la circulación del aire. El medio se inocula con esporas de A. niger a una temperatura constante de 28-30 ºC con una humedad relativa de 40-60% durante 8-12 días. El organismo crece y se extiende sobre la superficie acidificando el medio. Al final dd la fermentación, seguida mediante la medición del p<H del medio, el licor se drena y el ácido cítrico se cristaliza. El micelio puede reutilizarse adicionando medio nuevo.

El proceso de superficie es el método más antiguo y, aunque aún se utiliza, ha sido reemplazado en gran medida por los procesos sumergidos.

Medio de nutrientes Aire

Corteza Micelial

azucarados

2. Proceso sumergido

Éste es el principal proceso en uso en el que se inocula el medio seguido por la agitación y aeración vigorosas y controladas en grandes fermentadores (STRs). El período de fermentación se reduce bastante (3-5 días) a 25-30 ºC.

Aire estéril

Licor

Purificación

Ácido Cítrico

CÁMARA DE FERMENTACIÓN

28-30 ºC RH 40-60 %

Recipientes de acero

Después, el licor se drena para la extracción del ácido cítrico y el micelio se puede reutilizar.

Una modificación de ese método tiene un proceso en dos etapas en los cuales inicialmente el medio se inocula primero con esporas y, después de 3 o 4 días, el micelio se separa y adiciona al medio de producción. Después de 3 o 4 días más a 25-30 ºC con oxigenación, se extrae el ácido cítrico.

pH NaOH

3. Fermentación en estado sólido

AireMedio con nutrientes azucarados

25-30 ºC

Filtración

Aire estéril

Licor

Purificación

Ácido Cítrico

Micelio

Este proceso fue descrito inicialmente por Cahn en 1935, pero a pesar de su potencial no se ha empleado industrialmente a ningún grado importante debido a su laboriosidad.

El medio de fermentación se impregna en materiales porosos cono el bagazo de caña de azúcar, pulpa de papa o de remolacha, pulpa de piña, etc. La masa se incuba en recipientes a 25-30 ºC durante 6-7 días y luego se concentra y se extrae el ácido cítrico.

Recientemente se han patentado procesos semicontinuos, continuos y de etapas múltiples, pero no se dispone de datos completos.

En un proceso continuo de etapas múltiples (Zhuravski, 1974) el medio fluye hacia el primer recipiente a una rasa de dilución de 0.042 h-1 (m = 24 h). La salida de la primera etapa entra a la segunda, en la cual el medio es aereado gradualmente desde 20 a 30 m3xh-1. Se añade soda cáustica para neutralizar un tercio del ácido cítrico.

Los procesos semicontinuos son en su mayoría métodos de reemplazamiento en los cuales parte del medio es retirado después de la fermentación y reemplazado con medio estéril, haciendo uso, por tanto, del hecho de que la producción de ácido cítrico ocurre en las células que no están creciendo activamente. Aunque son económicos, los rendimientos no son tan altos como con los procesos continuos.

Los procesos sumergidos y de superficie son los más usados para la producción en gran escala y se tendrán que crear las condiciones apropiadas para la cepa fungal en particular empleada.

Producción de ácido cítrico

Medio con nutrientesque contienen glucosa

PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO POR LEVADURAS

Hasta hace poco toda la producción de ácido cítrico incluía el uso de hongos. Sin embargo, se sabe que varias clases de levaduras acumulan ácido cítrico en el medio de crecimiento.

Candida sp. Rhodotorula sp

Hansenula sp. Sporobolomyces sp.

Pichia sp. Endomyces sp.

Debaromyces sp. Nocardia sp.

Torulopsis sp. Saccharomyces sp.

Kloeckera sp. Zygosaccharomyces s.p

Trichosporon s.p.

Las especies de Candida son las más comúnmente usadas que crecen en una amplia variedad de substratos que incluyen glucosa, acetato, hidrocarburos, melazas, alcoholes, ácidos grasos y aceites naturales.

Generalmente la fermentación es de tipo sumergido con aeración agitación altas a 22-30°C, pH 4.5 y un período de fermentación de 3-6 días. Una característica interesante de ciertas levaduras es su capacidad para usar una amplia variedad de substratos de crecimiento para la producción de ácido cítrico, incluyendo n-parafinas, n-alcanos y alquenos (C. Lipolytica).

Al igual que con A. Niger, la concentración de Fe2+ en el medio afecta la producción del ácido cítrico. Las levaduras generalmente producen una mezcla de ácido cítrico y ácido isocítrico, y las proporciones relativas formadas se pueden controlar en cierto grado al ajustar la concentración de Fe2+.

Las ventajas principales del uso de levaduras comparado con el uso de hongos filamentosos, son:

1. velocidades de crecimiento mayores

2. facilidad de manejo

3. amplia variedad de substratos de crecimientos

4. potencial para la realización de procesos continuos

PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO POR BACTERIAS

Aunque se conoce una amplia variedad de bacterias que producen ácido cítrico a partir de varios substratos, se ha enfocado muy poca atención hacia su uso

industrial. Tales bacterias incluyen Bacillus licheniformis, Bacillus subtilis, Brevibacterium sp. Y Cornyebacterium sp.

1.10 Servicios especiales de planta. Estimación de consumo de vapor ( kg, presión ), aire comprimido ( caudal, presión ). Potencia eléctrica ( HP totales ). Infraestructura, mantenimiento.

En la producción de ácido cítrico, no se requiere de servicios adicionales complejos. No se requiere de vapor para su funcionamiento. Por otro lado, sí se requiere de aire estéril para la oxigenación.

La potencia eléctrica consumida, está dada por el agitador mezclador que puede ser utilizado en algunos de los procesos dependiendo esta potencia del tipo de equipo utilizado. Para un agitador rotatorio pequeño se puede oscilar entre los 1.8 y 5 HP llegando para grandes equipos hasta los 50 HP.

La infraestructura cuenta principalmente de recipientes de acero aislados o conectados entre sí y como se ha dicho, se cuenta en algunos casos con mezcladores. Se requieren también depósitos tanto para la materia prima como para el producto terminado. Estos depósitos deben proteger los materiales de la humedad y de la acción oxidante del medio ambiente.

1.11 Determinación de la magnitud preferible para la industria, asumiendo una saturación del 100% para la demanda insatisfecha del año 2050 expresadas en ton/año a abastecer. Régimen de trabajo adoptado, definido en horas/turno f = (insalubridad), estableciendo la cantidad de personas necesarias por turno a partir del rol por equipo de producción.

1.12 Localización. Cuadro de evaluación con 4 alternativas con posibles localizaciones geográficas y distintos factores en ordenadas como Costo de Fletes de MP y PT, Costo de Mano de Obra, Costo de Servicios, etc. Justificando cada asunción hecha.

1.13 Fuentes bibliográficas consultadas, anexos sobre revistas, folletos de empresas locales o en el extranjero que hagan el proceso elegido.

2.1 Para la alternativa elegida

Parte B: Dimensionado

A) Descripción de los procesos parciales

Qué se pretende hacer en cada caso. Justificar su inclusión y el camino elegidoAparatos utilizados acompañando esquemas Estudio de las reacciones y condiciones óptimas paara su realización

Condiciones de cultivo

Macrocomponentes

Las condiciones de cultivo varían de cepa a cepa y es importante determinar el mejor substrato puestos que las cepas que crecen eficientemente sobre una fuente de carbono con buena producción de ácido cítrico, a menudo no lo harán en otra. Además, las cepas con alta producción de ácido durante el cultivo en superficie con frecuencia no lo harán bajo condiciones sumergidas.En las primeras fermentaciones de Penicillium a menudo se usaba 10-20% de glucosa con tiempos de incubación de 4 a 6 semanas entre 15 y 20 C. Aproximadamente 50% de la glucosa era convertida en ácido cítrico.

La producción eficiente de ácido cítrico ocurre entre medios sintéticos simples. En medios complejos, a menudo, los rendimientos son bajos debido a la influencia de los metales y otros componentes.

Actualmente se usan distintas fuentes de carbono que influyen glucosa, sucrosa, melazas cítricas, jugo de caña, almidón, y melaza de caña y de remolacha, siendo la sucrosa y las melazas los substratos preferidos.

La concentración final de azúcar es importante para determinar el rendimiento de ácido cítrico y de otros ácidos orgánicos formados por A. niger. Usualmente, A. niger requiere concentraciones iniciales altas (15-18%). A bajas concentraciones se acumula ácido oxálico y los rendimientos de ácido cítrico son bajos, mientras que a altas concentraciones queda azúcar residual y el proceso es menos económico.

Las melazas constituyen el licor residual que queda después de la cristalización de la sucroza a partir del jarabe de caña concentrado y contiene 50-60% de sucrosa. Hay varios tipos de melaza, residuales refinadas, etc., pero una

desventaja que todas ellas poseen es su alto contenido de cenizas que inhibe la producción de ácido cítrico.

B) Cálculo de los procesos parciales

b.1 Determinación de las cantidades de agua, vapor, energía eléctrica, etc. necesarias para cada etapa.b.2 Balance de materiales térmicos, etc.b.3 Cálculo y dimensionamiento en función de 1.11 de los aparatos correspondientes a una de las operaciones elegida. Esquema.

RECUPERACIÓN DEL ÁCIDO CÍTRICO

Los métodos usados no han cambiado por más de 25 años. Se requiere extraer el licor crudo seguido por filtración para eliminar el micelio, células y otras impurezas. El ácido oxálico se precipita al calentar a 80-90°C en presencia de pequeñas cantidades de cal. Así, el ácido cítrico precipita como citrato de calcio usando 1 parte de cal hidratada por cada 2 partes de licor añadido durante un período de 1 hora con un aumento gradual de temperatura hasta 95°C.

El citrato de calcio precipitado se filtra, se lava y se acidifica con H2SO4; luego se filtra para eliminar el CaSO4. Este licor, que contiene ácido cítrico, se decolora con carbón vegetal y se pasa a través de columnas con resinas de intercambio iónico, en seguida se concentra bajo vacío y se pasa a cristalizadores con baja temperatura donde se obtienen cristales de ácido cítrico monohidratado.

PROCESOS BIOQUIMICOS DE LA FERMENTACIÓN DEL ÁCIDO CÍTRICO

El ácido cítrico es un intermediario estándar del ciclo TCA y se produce como un producto de exceso debido a una operación incorrecta del mismo.

Gustavo:Dejá este espacio para que te lleve un diagrama que no puedo hacer en la PC (directamente lo pegamos)

Dos enzimas claves son importantes en la fermentación del ácido cítrico, la aconitasa y la isocitrato deshidrogenasa. Las actividades de estas enzimas disminuyen a niveles muy bajos durante la etapa de producción, en tanto que aumenta la actividad de la citrato sintasa.

Puesto que para la síntesis del ácido cítrico se necesita la condensación de una unidad con acetilo con oxalacetato, es necesario generar acptro suficiente (oxalacetato) para que la producción continúe. Esto incluye cuatro mecanismos.

1. la carboxilación directa del piruvato catalizada por la enzima málica; esta reacción produce malato, el cual se oxida fácilmente a oxalacetato

2. la carboxilación del piruvato catalizada por la piruvato carboxilasa3.

iruvato + CO2 + H2O + ATP oxalacetato + ADP + P

4. la carboxilación del fosfoenolpiruvato (PEP) catalizada por la PEP carboxinasa:

PDP + ADP +CO2 + E oxalacetato + ATP

5. la vía del glioxalato que utiliza las enzimas clave isocitrato liasa y malato sintasa

La aconitasa es una de las dos enzimas clave, ya que es sensible a altas concentraciones de iones metálicos como el Fe2+; la restricción de la actividad de esta enzima es la clave para tener éxito en la fermentación del ácido cítrico. Sin embargo, la producción de ácido cítrico y su excreción por las células son dos problemas completamente separados. Así, es importante no solamente regular la actividad de las enzimas clave del ciclo TCA por medio de los elementos traza, sino también hacer permeables a las membranas para que la concentración intracelular de ácido cítrico permanezca baja, previniendo así la retroinhibición de su síntesis, y facilitar la extracción del producto.

En levaduras, la actividad de la aconitasa se puede reducir disminuyendo la concentración de Fe2+, o añadiendo inhibidores para la conitasa como el fluoracetato. Puesto que las levaduras producen cantidades significativas de ácido isocítrico además de ácido cítrico, la síntesis del isocitrato se puede reducir adicionando inhibidores de la isocitrato deshidrogenasa como el ferrocianuro de potasio o por deficiencia de tiamina.

MEJORAMIENTO GENETICO

Se han informado de muy pocas mejoras relacionadas con el uso de la genética para aumentar la producción de ácido cítrico por las cepas productoras.

La técnica principal ha sido la mutación de esporas y la selección de mutantes con mayor rendimiento. Desafortunadamente el difícil idear un sistema para seleccionar los mejores productores que sea específico para el citrato.

Un área importante ha sido la selección de mutantes que son menos sensibles a la presencia de elementos traza, como el Fe2+. Esto ayudaría a

Mg2+

obtener la capacidad de usar medios complejos baratos en los que la concentración de estos metales no pueda ser controlada fácilmente.

Con levaduras se ha intentado aislar mutantes con bajas actividades de aconitasa y de sicitrato deshidrogenasa para reducir la síntesis de isocitrato y aumentar la producción de ácido cítrico.

2.2 Materias Primas y auxiliares. Estimación del costo del equipo diseñado.

Examen de las materias primas a utilizar, detalles de los consumos específicos.

Elementos traza

Aunque A. niger requiere varios cationes bivalentes para el crecimiento y la producción de ácido cítrico (Fe2+, Cu2+, Zn2+, Mn2+ y Mg2+), la concentración relativa de estos iones metálicos es probablemente el único factor más importante que determina la producción de ácido cítrico.

El Mg2+ se requiere para varias reacciones enzimáticas, por ejemplo, las cinasas que intervienen tanto en el crecimiento micelial como en la producción de ácido cítrico. La concentración óptima para obtener la máxima producción es de 0.02-0.025%.

El Fe2+ y el Zn2+ tienen una función crítica en la determinación de la eficiencia de la fermentación. Las concentraciones óptimas varían de una cepa a otra, pero en general las concentraciones deben ser bajas, puesto que, a concentraciones altas, el crecimiento vegetativo es estimulado a expensas de la producción de ácido cítrico. La producción de ácido cítrico durante el cultivo de Aspergillus niger sobre melazas en cultivo sumergido era iniciado con concentraciones de Fe2+ tan bajas como 0.2ppm. Sin embargo, se encontró que la adición de Cu2+ a 0.1-500ppm al momento de la inoculación o durante las primeras 50 horas de la fermentación, contrarresta el efecto inhibitorio del Fe2+.

El efecto del Zn2+ también es crítico con una concentración de 1-2 microM que estimula la fase de crecimiento, en tanto que menso de 1 microM restringe el crecimiento y estimula la formación de ácido cítrico. La adición del Zn2+ durante la fase de producción inhibe la formación de ácido cítrico y recomienza el crecimiento. Por lo tanto, se ha postulado que el Zn2+ tiene una función importante en la regulación del crecimiento y la producción, con la deficiencia de Zn2+ que señala la transición de la fase de crecimiento a la fase de producción. Este efecto se puede deber al papel del Zn26+ en el funcionamiento del AMP cíclico (AMPc), puesto que la adición del AMPc mejora la producción mientras que la retarda la adición del

Zn2+. También otros elementos traza como el Ba2+, Al3+, etc. Juegan un papel importante pero no se entiende aún la naturaleza de sus efectos.

Pretratamiento de materia prima

Debido a la sensibilidad de la producción de ácido cítrico a la presencia de iones metálicos, esta última debe ser controlada cuidadosamente, en particular cuando se usan substratos complejos de composición variable mal definidos como las melazas. La eliminación completa de estos elementos es prácticamente imposible, sin embargo, es común usar dos aproximaciones:

1. el pretratamiento del medio con productos químicos o resinas de intercambio iónico para reducir la concentración de los elementos traza

2. el desarrollo de cepas micliales capaces de producir ácido cítrico en presencia de altas concentraciones de iones metálicos.

El ferricianuro de potasio se usa frecuentemente para reducir el contenido de Fe2+ en melaza, etc. En una de dos formas:

1. por adición directa al medio de fermentación a concentraciones poco inhibitorias o,

2. por tratamiento del medio antes de la inoculación con altas concentraciones de ferricianuro de potasio.

La concentración de ferricianuro de potasio requerida para la clarificación de melazas depende del tipo de melaza y varía entre 0.04 a 0.6% a pH de 2.2. Sin embargo, mientras que las concentraciones más altas son tóxicas para los hongos, dan como resultado la precipitación de Fe2+ y Zn2+, conduciendo a una deficiencia que estimula la producción de ácido cítrico.

La concentración de ferricianuro tolerada por A. Niger depende de la etapa de crecimiento. Así, durante la etapa de crecimiento inicial tolera de 10 a 200mg x ml-1, en tanto que durante la fase de producción la concentración debe ser menor que 20mgxml-1. El ferricianuro no afecta el contenido de carbono, nitrógeno o fósforo del medio. También se han usado otros agentes quelantes como el EDTA, polietilinamina y compuestos de amonio cuaternario, para reducir la concentración de elementos traza en las melazas.

Es claro que se debe tener cuidado en el uso de agentes químicos puesto que después de la precipitación o la quelación, se debe eliminar el ferricianuro o los complejos antes de la inoculación. En consecuencia, las resinas de intercambio iónico se han usado comúnmente para eliminar elementos traza aunque no produzcan clarificación.

Efectos del pH

En general, el pH del medio inicial se ajusta entre 1.4 y 3.0 con A. Niger que crece sobre melazas con el fin de reducir la contaminación y suprimir la formación de ácido oxálico, aunque el pH exacto depende del tipo de melaza usada. La etapa

de crecimiento requiere un pH ligeramente mayor que la etapa de producción. Durante ésta, a menudo se permite que el pH disminuya puesto que los hongos pueden tolerar acidez considerable. Sin embargo, para mantener la productividad es común añadir CaCO3 o NaOH para mantener un pH constante de alrededor de 2.0.

Inóculo

El inóculo para la fermentación puede ser ya sea esporas o micelio. Si se usan esporas, se prepara una suspensión nueva de esporas adicionando 0.1% de Tween 80 a un cultivo esporulante y se añade suficiente cantidad de estas suspensión al fermentador para dar una concentración inicial de 10 5 – 10 7 esporas x ml –1. Después de terminada la fermentación, el micelio se puede reutilizar en lugar de reinocular con esporas. Se usan paquetes miceliales como inóculo en el fermentador, se permite que las esporas crezcan sobre medio nuevo durante 2-3 días antes de inocular el fermentador de producción mayor. La edad de las esporas es importante puesto que las de más de 7-8 días de edad con frecuencia germinan pobremente, causando bajos rendimientos de ácido cítrico.

Aeración y agitación

La fermentación del ácido cítrico es esencialmente un proceso aerobio, y por lo tanto, necesita una oxigenación apropiada. El grado de agitación y aeración depende del organismo, el tamaño del fermentador y el medio. En general se acepta que la demanda de oxígeno del cultivo es mayor que la rapidez de transferencia de masa del oxígeno hacia el medio de cultivo a partir de la fase gaseosa.

Hay tres formas mediante las cuales se puede asegurar la aeración:1. por cultivo de superficie, en el cual el oxígeno se difunde a través de la superficie

del cultivo estático

2. por aeración sumergida, con aire o aire estéril enriquecido con oxígeno

3. por cultivo agitado (no usado a escala industrial), el cual es una mezcla de aeración sumergida y de difusión en la superficie

En la aeración de la superficie la rapidez de difusión limita la rapidez de formación de ácido cítrico, sin embargo, la agitación suave de los recipientes produce una producción menor. La aplicación de aire o de aire enriquecido con oxígeno sobre la superficie de cultivo puede mejorar la productividad.

En los cultivos sumergidos se usa ya sea aire comprimido o aire enriquecido con oxígeno junto con la agitación. Sin embargo, especialmente en el caso del oxígeno, el aumento en los costos obliga a reciclar el gas.

El oxígeno se necesita no sólo para el crecimiento sino también para la excreción adecuada del ácido cítrico. Así, en régimen aeración-agitación ayuda a que la difusión del ácido cítrico se aleje de las paredes meceliales, donde la

acumulación daría por resultado la inhibición de la producción. Además, si el parote de oxígeno se vuelve limitante durante la fase de producción, el ácido cítrico es tomado del medio por el organismo y es metabolizado.

La temperatura óptima para la producción del ácido cítrico está entre 25 y 30°C. Temperaturas mayores que éstas retardan el crecimiento y estimulan la producción de ácido oxálico.

El período óptimo de la fermentación varía de 7 – 10 días para cultivos de superficie a 4-5 días para cultivos sumergidos. Este período es necesario para permitir tanto la etapa de crecimiento como la de producción; está limitado por el crecimiento relativamente lento de los hongos.

Aditivos

Se ha mostrado que algunos compuestos estimulan la producción de ácido cítrico mediante A. Niger en cultivos de superficie, sumergidos o estáticos. El más importante de éstos es el metanol y, en menor grado, el etanol. Cuando se añade metanol al medio de cultivo a una concentración de 3-4% antes de la inoculación, ocasiona un retardo del crecimiento, retrasa la esporulación y aumenta el rendimiento del ácido cítrico. Se piensa que el metanol aumenta la tolerancia de los hongos al Fe2+, Zn2+ y Mn2+ y aumenta la permeabilidad del micelio para permitir la excreción del ácido cítrico.

Además. Se ha mostrado que varios de los compuestos no metabolizables como el CaF, NaF y Kf, a una concentración de 10-4 estimulan la producción de ácido cítrico al inhibir el metabolismo de crecimiento.

Recientemente, el AMP cíclico ha sido de gran interés para la estimulación de la producción de ácido cítrico. Así, el A. Niger muestra mayor productividad cuando la concentración de AMPc en el medio es mayor de 10-6M. El ATP, el GTP y la guanosina, no tienen efecto o bien inhiben muy poco la productividad.

2.3 Distribución de las instalaciones en planta.

2.4 Higiene, Seguridad Industrial y protección del medio ambiente.

2.5 Fuentes consultadas.