UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID

Facultad de Ciencias Qumicas

Departamento de Ingeniera Qumica

OBTENCIN DE CIDO CTRICO

Asignatura de Ingeniera de Bioprocesos

Grado en Ingeniera Qumica

Molt Marn, Jos Luis

53716719N

Madrid, enero 2014

Se ha descrito los distintos procesos downstream para la obtencin del cido ctrico

por medio de las etapas de separacin, concentracin y purificacin ms comunes y

utilizadas y las que estn en pleno desarrollo y aplicacin a nivel de laboratorio y planta

piloto.

El desarrollo y uso de un proceso de los que se describen viene en funcin de un

estudio de la pureza del producto obtenido, el costo de produccin en relacin con el

rendimiento, la escalabilidad, la reproducibilidad y facilidad de implementacin y por

ltimo la robustez con respecto a las variables de proceso de flujo

I

NDICE

1. INTRODUCCIN Y OBJETIVOS ...................................................................... 1

2. CIDOS ORGNICOS ........................................................................................ 2

3. CIDO CTRICO .................................................................................................. 2

4. DOWNSTREAM PROCESSING DEL CIDO CTRICO ............................... 4

4.1 PRETRATAMIENTO DEL CALDO DE FERMETACIN ......................... 4

4.2 PRECIPITACIN .............................................................................................. 5

4.3 EXTRACCIN ................................................................................................ 11

4.4 ADSORCIN, ABSORCIN E INTERCAMBIO INICO ....................... 14

4.5 MEMBRANAS LQUIDAS ........................................................................... 16

4.6 ELECTRODILISIS ....................................................................................... 17

4.7 LA ULTRAFILTRACIN .............................................................................. 19

4.8 INMOVILIZACIN DE MICROORGANISMOS ....................................... 20

1

1. INTRODUCCIN Y OBJETIVOS

El objetivo de las etapas del downstream processing es obtener un compuesto en

concreto que puede estar mezclado con millones de otros componentes, lo que puede

llevar a errores de clculo, dar palos de ciego y hacer esfuerzos intiles hasta superar los

problemas que se pueden dar para cumplir con los requisitos que garanticen la

purificacin eficaz y eficiente con un rendimiento y pureza ptimos.

Para ello es necesario adoptar ciertas estrategias: reducir procedimientos

innecesarios manteniendo una purificacin simple; cuando las tcnicas ms econmicas

estn disponibles, se deben mantener y evitar las ms costosas; optimizar cada paso a

medida que avanza el proceso; reemplazar o actualizar equipos lentos para acelerar el

proceso y utilizar siempre tcnicas y aparatos fiables, adems de artculos necesarios

ms pequeos como tubos de ensayo, pipetas, etc, lo cual es muy importante.

Tambin, se tienen que seguir las buenas prcticas de manufactura (BPM),

procedimientos operativos estndar (SOP), procedimiento operativo estndar de

saneamiento (SSOP) y las buenas prcticas de laboratorio (BPL) que deben ser

especficos de nuestro proceso y la prctica; se tiene que controlar el procedimiento en

todos los pasos necesarios y registrar las desviaciones de las normas establecidas;

asegurarse de que los ensayos se han desarrollado y estandarizado para monitorear la

purificacin, la actividad de produccin, el costo unitario y la pureza de la produccin

en cada etapa necesaria. Siempre es necesario recordar que los objetivos son el

rendimiento, la pureza, el cambio de escala, la reproducibilidad y el uso econmico de

los reactivos o aparatos.

No se pueden generalizar los problemas que se pueden encontrar durante la

recuperacin de los bioproductos, y la exigencia de los diferentes mtodos de

procesamiento y tcnicas de ensayo, pero tienen que ser entendidos mediante la

individualizacin de productos o procesos, ya que los problemas que se pueden generar

durante una etapa en particular puede variar de un producto a otro, e incluso los

requisitos pueden variar para el mtodo en particular o el instrumento. Se entienden los

problemas que se pueden producir en cada etapa y los requisitos de superacin de stos,

para lograr una recuperacin ptima, en este caso de la produccin de cidos orgnicos.

2

2. CIDOS ORGNICOS

Los cidos orgnicos son principalmente el ctrico, glucnico y itnico que son

recuperados por eliminacin de la biomasa que la produce a partir de, principalmente,

una filtracin seguida de una precipitacin (citrato clcico, gluconato de calcio o de

sodio, cido itnico). En la Tabla 2.1 se recoge el cido orgnico, el sustrato, el

microorganismo productor y los usos que tiene.

Tabla 2.1. Ejemplos de cidos orgnicos comerciales producidos por

microorganismos.

3. CIDO CTRICO

El cido ctrico es un cido orgnico tricarboxlico que est presente en la mayora de

las frutas, sobre todo en ctricos como el limn y la naranja. Su frmula qumica es

C6H8O7. El nombre IUPAC del cido ctrico es cido 2-hidroxi-1,2,3-

propanotricarboxlico. Est representado en la Figura 3.1.

Figura 3.1. Formulacin orgnica del cido ctrico.

Es un buen conservante y antioxidante natural que se aade industrialmente como

aditivo en el envasado de muchos alimentos como las conservas de vegetales enlatadas.

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Aparece como un metabolito intermediario en el ciclo de los cidos tricarboxlicos,

proceso realizado por la mayora de los seres vivos.

Las propiedades fsicas del cido ctrico se resumen en la Tabla 3.1.

Tabla 3.1. Principales propiedades del cido ctrico.

Nmero CAS 77-92-91

Densidad 1665 kg/m3

Masa molar 192,13 g/mol

Punto de fusin 175 C

Acidez 1=3,15; 2=4,77; 3=6,40 pKa

Solubilidad en agua 133 g/100 ml (22 C)

Riesgos Irrita piel y ojos.

La acidez del cido ctrico es debida a los tres grupos carboxilos -COOH que pueden

perder un protn en las soluciones. Si sucede esto, se produce un ion citrato. Los

citratos son unos buenos controladores del pH de soluciones cidas y forman sales con

muchos iones metlicos. El cido ctrico es un polvo cristalino blanco que puede existir

en una forma anhidra (sin agua), o como monohidrato. La forma anhidra se cristaliza en

el agua caliente, mientras que la forma monohidrato se cristaliza en fra. El monohidrato

se puede convertir a la forma anhidra calentndose sobre 74 C.

Qumicamente, el cido ctrico comparte las caractersticas de otros cidos

carboxlicos. Cuando se calienta a ms de 175 C, se descompone produciendo dixido

de carbono y agua.

El descubrimiento del cido ctrico se atribuye al alquimista islmico Jabir Ibn

Hayyan en el siglo VIII d.c. y fue el primer cido aislado en 1784 por el qumico sueco

Carl Wilhelm Scheele, que lo cristaliz a partir del jugo de limn. La produccin de

cido ctrico a nivel industrial comenz en 1860, basado en la industria italiana de los

ctricos.

En 1893, C. Wehmer descubri que cultivos de penicillium podan producir cido

ctrico a partir de la sacarosa molecular. Sin embargo, la produccin microbiana del

cido ctrico no lleg a ser industrialmente importante hasta la Primera Guerra Mundial

que interrumpi las exportaciones italianas de limones. En 1917, el qumico americano

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James Currie y Claudio Coln descubri que ciertos cultivos de Aspergillus niger

podan ser productores eficientes de cido ctrico, y Pfizer comenz la produccin a

escala industrial usando esta tcnica dos aos ms tarde.

El cido ctrico es obtenido principalmente en la industria gracias a la fermentacin

de azcares como la sacarosa o la glucosa, realizada por un microhongo llamado

Aspergillus niger. El proceso de obtencin tiene varias fases como la preparacin del

sustrato de melaza, la fermentacin aerbica de la sacarosa por el aspergillus, la

separacin del cido ctrico del sustrato por precipitacin al aadir hidrxido de calcio o

cal apagada para formar citrato de calcio. Despus, se aade cido sulfrico para

recuperar la molcula de cido ctrico y retirar el calcio como sulfato de calcio. La

eliminacin de impurezas se realiza con carbn activado y resina de intercambio

catinico y aninico, se contina con la cristalizacin del cido ctrico, el secado o

deshidratacin, luego se separa por tamao de partcula y finalmente se empaca el

producto. El producto anhidro es muy higroscpico por tal razn debe guardarse a baja

temperatura y humedad relativa, de lo contrario se forman terrones del cido.

Cerca del 92 % de la produccin de cido ctrico mundial es elaborado por la Unin

Europea, Estados Unidos, China, Brasil y Colombia.

4. DOWNSTREAM PROCESSING DEL CIDO CTRICO

4.1 PRETRATAMIENTO DEL CALDO DE FERMETACIN

Al trmino de la fermentacin de cido ctrico la solucin obtenida contiene, adems

del producto deseado, micelios y cantidades variables de otras impurezas, como por

ejemplo, sales minerales, otros cidos orgnicos, protenas, etc. El mtodo de

recuperacin de cido ctrico a partir del caldo de fermentacin puede variar

dependiendo de la tecnologa y de las materias primas utilizadas para la produccin. En

el proceso de recuperacin del lquido de la fermentacin, ste se drena y se introduce

agua caliente para lavar la cantidad restante de cido ctrico de las esteras de micelio. Es

necesario un exhaustivo lavado en esta etapa, porque el micelio es alrededor del 15 %

del producto formado en la fermentacin. Despus de 1-1,5 horas, cantidades limitadas

de agua de lavado que se drena, se aade al licor de fermentacin y las esteras de

micelios, y, entonces, stos se retiran desintegrados del recipiente de lavado. En este

recipiente, el micelio se calienta a aproximadamente 100 C mediante vapor de agua. La

pulpa caliente posteriormente se deshidrata por filtrado a presin. La solucin que

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contiene 2-4 % de cido ctrico se aade al lquido de la fermentacin, mientras que la

torta de filtracin, que no contiene ms de un 0,2 % de cido ctrico, se seca para

producir una alimentacin de material rico en protenas.

En la fermentacin sumergida, el micelio es mucho ms difcil de separar del caldo

de fermentacin. Despus de que el proceso de fermentacin se completa, el micelio

que contiene el caldo se calienta a una temperatura de 70 C durante aproximadamente

15 minutos, para obtener la coagulacin parcial de protenas, y despus se filtra,

generalmente por medio de los filtros continuos (por ejemplo, un filtro g centrfugo de

tambor vaco o un filtro de descarga de la correa). Debido a la consistencia viscosa del

micelio formando en el proceso sumergido, se pueden requerir filtraciones auxiliares. Si

el micelio se va a utilizar como alimento, el coadyuvante de filtracin tambin debe ser

digerible, como por ejemplo, hecho a partir de materiales celulsicos.

Si durante el proceso de fermentacin, se forma cido oxlico como producto

secundario debido al mal control del proceso, tiene que ser eliminado del caldo. Esto

generalmente se logra por el aumento del pH del fluido de fermentacin con el

hidrxido de calcio a pH =2,7 hasta 2,9 a una temperatura de 70-75 C. El oxalato de

calcio precipitado se puede retirar de la solucin por filtracin o centrifugacin, y el

cido ctrico permanece en disolucin como el citrato de monocalcio. La separacin del

oxalato aumenta la tasa de filtracin del citrato de calcio y de yeso en los pasos

siguientes aguas abajo del proceso y reduce el matiz amarillo de la solucin de cido

ctrico.

La recuperacin de cido ctrico a partir de caldo de fermentacin pretratado puede

llevarse a cabo por varios procedimientos, mediante: el mtodo clsico de precipitacin,

la extraccin con disolventes, la adsorcin/absorcin en resinas de intercambio inico y

los mtodos ms sofisticados desarrollados recientemente tales como: la electrodilisis,

ultra y nanofiltracin o la aplicacin de membranas lquidas.

4.2 PRECIPITACIN

El mtodo estndar de recuperacin de cido ctrico involucra a la precipitacin del

citrato triclcico insoluble por la adicin de una cantidad equivalente de la cal a la

disolucin de cido ctrico.

El xito de la precipitacin depende de la concentracin de cido ctrico, la

temperatura, el pH y de la velocidad de adicin de cal. Para obtener grandes cristales de

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alta pureza, se aade la lechada de cal, que contiene xido de calcio (180-250 kg/m3),

gradualmente a una temperatura de 90 C o por encima y a un pH por debajo, pero

cerca, de 7. La concentracin de cido ctrico en la solucin debe estar por encima del

15 %. El proceso de neutralizacin suele durar unos 120-150 minutos. Las prdidas

mnimas de cido ctrico, debido a la solubilidad del citrato de calcio, son del 4-5 %.

Si la precipitacin se realiza correctamente, la mayora de las impurezas permanecen

en la solucin y pueden ser eliminadas por el lavado del citrato clcico filtrado. ste

lavado se realiza con la menor cantidad posible de agua caliente (aprox. 10 m3 de agua

por tonelada de cido a 90 C) hasta que los sacridos, cloruros o sustancias coloreadas

se dejen de detectar en el efluente. El citrato clcico se filtra y posteriormente se trata

con cido sulfrico concentrado (60-70 %) para obtener el cido ctrico y el precipitado

de sulfato de calcio (yeso). Despus de filtrar el yeso se obtiene una disolucin del 25-

30 % de cido ctrico. El filtrado se trata con carbn activo para eliminar las impurezas

residuales o se purifica en columnas de intercambio inico. La disolucin purificada se

concentra a continuacin en los evaporadores de vaco a temperaturas por debajo de 40

C (para evitar la caramelizacin), una vez cristalizado, se centrifuga y se seca para

obtener los cristales de cido ctrico. Si la cristalizacin se lleva a cabo a temperaturas

por debajo de 36,5 C, se forma el cido ctrico mono-hidrato y por encima de esta

temperatura de transicin se pueden obtener el anhidrato cido ctrico.

La desventaja de esta tecnologa es la gran cantidad de cal requerida para la

neutralizacin del cido ctrico y de cido sulfrico para la descomposicin del citrato

de calcio. Por otra parte, se forman grandes cantidades de desechos lquidos y slidos

(en la disolucin formada de la filtracin del citrato de calcio y yeso). Por una tonelada

de cido ctrico se consumen 579 kg de hidrxido de calcio, 765 kg de cido sulfrico y

18m3 de agua y se produce, aproximadamente, una tonelada de residuos de yeso.

Con el fin de disminuir la cantidad de cal y cido sulfrico en un tercio, se propuso la

recuperacin de cido ctrico por precipitacin del citrato de cido di-clcico.

Una ventaja adicional de este mtodo es que el citrato de cido di-clcico tiene una

definida estructura cristalina y el lavado es ms limpio que el citrato tri-clcico amorfo.

Por otra parte, precipitan menos impurezas del fluido de fermentacin con la sal de di-

calcio que con la sal normal, si la mezcla de reaccin se neutraliza por completo.

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Figura 4.2. Diagrama de bloques de la separacin y purificacin del cido ctrico por

el mtodo de precipitacin estndar.

FERMENTACIN

COAGUL. PARCIAL DE PROTENAS

SEPARACIN DEL MICELIO

PRECIPITACIN DE OXALATO

PRECIPITACIN DE CITRATO CLCICO

SEPARACIN

TRATAMIENTO CON CIDO SULFRICO

SEPARACIN

PURIF. CON C ACTIV. O INT. INICO

EVAPORACIN

coadyudante

cal, 70 C

pH= 2,7-2,9

agua de lavado

cido sulfrico

micelio

Oxalato cclcico

condensado

SEPARACIN

SECADOEMPAQUETADO

agua

CRISTALIZACIN

SEPARACIN

residuo de filtrado

cal, 95 C

pH= 7

residuo de yeso

licor madre recirculado

calentar a 90 C

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El citrato cido di-clcico precipita a partir de una solucin de cido ctrico que ha

sido parcialmente neutralizado por la adicin de hidrxido de calcio, xido de calcio o

carbonato de calcio en una temperatura elevada. Se cree que existe un equilibrio entre el

citrato tri-clcico y el cido ctrico, por un lado, y el cido citrato di-clcico en el otro.

A temperatura ambiente la velocidad de formacin del hidrurocitrato de calcio es

insignificante, pero si la temperatura se eleva por encima de 40 C la conversin

completa del citrato tri-clcico en una solucin acuosa de cido ctrico se produce

dentro de un perodo razonable de tiempo (alrededor de 24 horas). De acuerdo con este

principio, se ha desarrollado un nuevo mtodo de recuperacin de cido ctrico.

La disolucin de cido ctrico, obtenida a partir del caldo de fermentacin, se divide

en dos partes. La primera parte, unos dos tercios del volumen total, se neutraliza

completamente con una lechada de cal, el citrato de tri-clcico se separa por filtracin y

se aade a la parte restante de la solucin de cido ctrico original. Si la mezcla obtenida

se calienta por encima de 40 C se produce la precipitacin del cido citrato de di-

calcio. Como mtodo alternativo, se puede aadir directamente una cantidad de

hidrxido de calcio de no ms de dos tercios de la requerida para la neutralizacin

completa de la solucin de cido ctrico. Esta mezcla de citrato de tri-clcico y cido

ctrico se convierte a cido citrato di- clcico por calentamiento por encima de los 40

C, preferiblemente a 80-95 C (dependiendo del punto de ebullicin de la solucin).

Los resultados del proceso se pueden mejorar, tanto acortando el tiempo como

aumentando la produccin, si la mezcla se siembra con cristales de citrato cido di-

calcio (el rendimiento mejora alrededor del 10 a 25 % del esperado).

Como una alternativa a los mtodos clsicos de la precipitacin, separacin y

purificacin de cido ctrico a partir de soluciones de fermentacin, Schultz (1963) ha

sugerido el aislamiento del cido ctrico a partir de una disolucin de fermentacin en la

que forme sales con un metal alcalino y se recupere directamente en una sola operacin.

Este proceso se basa en el hecho de que ciertas sales de un metal alcalino con cido

ctrico cristalizan a partir de una disolucin de fermentacin despus de la

neutralizacin del cido mediante la adicin de compuestos de metales alcalinos

(hidrxidos , bicarbonatos o carbonatos) de una manera se obtienen el mono- , di-

citratos del metal o tri-lcali.

Las impurezas contenidas en la fermentacin del caldo influyen o incluso inhiben la

cristalizacin de las sales, lo que hace que, tericamente, no todas las sales de metales

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alcalinos de cido ctrico posibles se pueden producir en forma cristalina de acuerdo con

el proceso. Sin embargo, si se de sodio, las tres sales pueden ser recuperadas en forma

de cristales.

Antes de la neutralizacin de la disolucin de fermentacin, sta puede ser

concentrada mediante la evaporacin a vaco hasta una concentracin de, al menos, un

40 %. Despus de la neutralizacin de las sales de metales alcalinos, cristaliza al dejarlo

en reposo o en agitacin lenta; para mejorar la velocidad del proceso se pueden aadir

cristales de siembra. La cristalizacin normalmente finaliza en el plazo de 24 horas. La

separacin de los cristales de la disolucin se lleva a cabo por los mtodos habituales

(filtracin, centrifugacin). Despus de lavar los cristales con una pequea cantidad de

agua, se obtiene un precipitado casi blanco o ligeramente amarillento-marrn,

dependiendo el tipo de citrato del metal alcalino recuperado. La purificacin posterior

de cido ctrico se puede realizar por intercambio inico en resinas de intercambio

catinico o por electrodilisis.

El rendimiento de cido ctrico de la recuperacin en forma de sales de metales

alcalinos es entre el 50 % y 80 % dependiendo de la sal que se usa. El cido ctrico

restante del caldo de fermentacin se puede recuperar mediante el mtodo "clsico" de

precipitacin en forma de citrato de calcio y, despus, el tratamiento con el cido

sulfrico. De acuerdo con este proceso, se consigue un ahorro considerable en los

productos qumicos y se reduce la cantidad de yeso gastado producido. Por otra parte, el

yeso obtenido filtra ms rpidamente, debido a la presencia de iones de metales

alcalinos, que el yeso de la tecnologa "clsica", producido en ausencia de estos iones.

El uso de materias primas ms puras de la melaza (por ejemplo, sacarosa o glucosa)

en la produccin de cido ctrico conduce a mtodos simplificados para su recuperacin

y purificacin. Tanto el azcar cristalino como crudo son las mejores materias primas en

vista del alto rendimiento de cido y de la fermentacin relativamente corta. El azcar

cristalino tambin se ve favorecida por la reduccin del riesgo de infeccin con micro-

organismos externos debido al valor bajo del pH inicial del medio nutriente (2,5 a 3), y

por la considerable reduccin de la cantidad total de residuos y efluentes.

La fermentacin a base de azcar cristalina hace que sea posible el uso de citrato de

un mtodo de recuperacin libre del cido ctrico modificado aplicado industrialmente

en varias plantas de fabricacin de cido ctrico en Polonia y la Repblica Eslovaca.

Esta tecnologa consiste en la eliminacin directa de las impurezas de las aguas despus

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de la fermentacin formado sobre todo por protenas coloidales, sustancias derivadas de

micelio, sustancias coloreadas formadas en el calentamiento del caldo de fermentacin,

y sales minerales introducidos con el medio nutriente, el sustrato y el agua. Estas

impurezas deben ser eliminadas, ya que interfieren en el proceso de cristalizacin

posterior.

La primera etapa de purificacin de la disolucin se consigue utilizando un agente

coagulante seleccionado adecuadamente y con carbn activado y, a continuacin,

separar por filtracin los precipitados.

El tratamiento posterior implica la eliminacin de las impurezas restantes mediante

ultrafiltracin y la retencin de las sales minerales utilizando resinas de intercambio

inico. La disolucin de cido ctrico es purificada, concentrada, cristalizada,

centrifugada y secada de acuerdo con el proceso de produccin clsico.

Despus de la separacin de cristales de cido ctrico, el lquido sobrenadante de la

centrifugacin es reciclado de nuevo a la seccin de concentracin, donde a partir del

llamado segundo cultivo se obtiene la tercera cosecha de cristales. El lquido

sobrenadante, obtenido despus de la eliminacin de la tercera cosecha cristales por

centrifugacin, contiene una gran cantidad de impurezas y debe ser purificado por el

mtodo clsico, que implica la precipitacin del citrato de calcio. Este mtodo se puede

utilizar para purificar slo hasta el 80 % de toda la cantidad de cido ctrico. Esto hace

necesario la construccin de una lnea de proceso independiente, con el fin de evitar que

las plantas utilicen una tecnologa superior para la fabricacin de una solucin de slo el

50 % de cido ctrico, lo que convierte necesario purificar una parte del cido ctrico por

el mtodo de citrato de calcio.

Tambin, es posible producir la mitad de la cantidad de cido en forma cristalina y el

resto en forma lquida. En este caso, la solucin de cido ctrico purificada por el

mtodo de citrato libre se espesa, se cristaliza y se centrifuga para obtener la primera

cosecha. El lquido sobrenadante de la centrifugacin (concentracin de cido ctrico de

aproximadamente es del 50 %) se purifica por el mtodo descrito a fin de cumplir con

los requisitos de la norma de calidad en forma lquida. La ventaja de esta tecnologa

radica en el hecho de que alrededor de la mitad del producto se obtiene en forma

cristalina y se elimina el uso de cal y cido sulfrico, as como la formacin de grandes

cantidades de efluentes y residuos slidos.

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4.3 EXTRACCIN

Un mtodo alternativo de recuperacin libre de citrato del cido ctrico a partir de un

caldo de fermentacin es la extraccin por medio de un disolvente selectivo que es

insoluble o slo escasamente soluble en el medio acuoso. El disolvente debe ser elegido

con el fin de extraer la mxima cantidad de cido ctrico y la mnima cantidad de

impurezas. El cido ctrico puede ser entonces recuperado a partir del extracto, ya sea

por destilacin del disolvente o lavando el extracto con agua. A partir de la solucin

acuosa purificada, el cido ctrico se cristaliza posteriormente por concentracin.

En la primera patente sobre el cido ctrico de extraccin por disolventes, se propuso

aplicar n-butanol y a continuacin, a lavar la disolucin de cido ctrico en n-butanol

con agua. Desde el primer informe de una serie de combinaciones de disolventes, se han

sugerido una gran cantidad de informacin y se han publicado las patentes. En general,

los mtodos de extraccin pueden ser divididos en tres grupos bsicos:

La extraccin con disolventes orgnicos que sean total o parcialmente

inmiscibles con agua, tales como ciertos alcoholes alifticos, cetonas, teres o

steres.

La extraccin con compuestos organofosforados, tales como tri-n-butilfosfato

(TBP) y alcalisufxidos, por ejemplo, el xido trioctilfosfina (TOPO).

La extraccin con aminas insolubles en agua o una mezcla de dos o ms de stas

aminas, disueltas en un disolvente orgnico sustancialmente inmiscible en agua, y la

extraccin con sales de aminas.

Cada disolvente utilizado para la extraccin se caracteriza por su coeficiente de

distribucin de equilibrio, que se define como la relacin de la concentracin de cido

del extracto y la concentracin de cido de la fase acuosa. Para bajas concentraciones de

cido ctrico en el fluido, el coeficiente de distribucin depende en gran medida del tipo

de disolvente; en mayores concentraciones de cido, estas diferencias entre disolventes

se reducen en gran medida.

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FERMENTACIN

SEPARACIN DEL MICELIO

PRECIPITACIN DE LA PROTENA

FILTRACIN I

CONCENTRACIN I

CLARIFICACIN

FILTRACIN II

PURIFICACIN INTERC. INICO

CONCENTRACIN II

CRISTRALIZACINDISTRIBUCIN

SEPARACIN DEL CRISTAL

SECADOEMPAQUETADO

coadyudante

agua

coagulante

vapor

vaco

coagulante

carbn activado

agua

vapor

vaco

micelio

Protena precipitada

condensado

precipitado

condensado

cido ctrico cristalino

Disolucin al 50 % de cido ctrico lquido

tierra de diatomeas

tierra de diatomeas

Figura 4.2. Diagrama de bloques de la separacin y purificacin del cido ctrico por el

mtodo libre de citrato.

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La extraccin con disolventes orgnicos (en la prctica se utilizan cetonas y

alcoholes) puede ser til en los casos en que el cido tiene una concentracin

relativamente alta en el sistema acuoso del que se va a extraer. Estos disolventes tienen

coeficientes de distribucin bastante bajos (0,02-0,36), por lo tanto el extracto est ms

diluido que el licor crudo y como norma, son necesarias mltiples etapas de extraccin.

Por otra parte, los disolventes con coeficientes de distribucin relativamente altos (tales

como butanoles) son demasiados miscibles en agua, por lo que requieren etapas de

recuperacin de disolvente que consumen mayor energa. Por lo tanto, estos sistemas de

extraccin son relativamente ineficientes para la recuperacin de cido a partir de las

disoluciones acuosas diluidas que se encuentran en la mayora de los caldos

fermentacin.

Los extractantes organofosforados tienen una relacin de distribucin

significativamente mayor que los disolventes carbonados bajo las mismas condiciones,

por ejemplo, utilizando el TPB sin diluir para la extraccin del cido ctrico en un cido

inicial con una concentracin 0,1 mol a 25 C, puede obtenerse una relacin de

distribucin de, aproximadamente 2. Los alcalisufxidos son capaces de extraer cidos

carboxlicos con una relacin de distribucin incluso mayor que la de TBP (Nikitin y

Egutkin, 1974). El valor del coeficiente de distribucin est influenciado no slo por

concentracin de cido, sino tambin por la temperatura. En el TBP la relacin de

distribucin del cido ctrico disminuye en un factor de 4 en el intervalo de 0-80 C.

Esta propiedad permite un perfecto control del proceso de: la extraccin a baja

temperatura (10-30 C) y de la re-extraccin con agua a mayor temperatura (70-95 C).

Para la extraccin por medio de aminas, aminas alifticas, aralifticos o aromticos,

o mezclas, se utiliza preferiblemente los que tienen el nmero medio de tomos totales

de carbono de, al menos, 20 para cada grupo amino. Estos reactivos tienen la ventaja de

proporcionar un coeficiente de distribucin favorable del cido ctrico entre las fases

acuosa y de aminas de manera que el cido puede ser extrado incluso a partir de

disoluciones altamente diluidas. Por otro lado, est el problema de descomposicin de la

sal de amina y de recuperacin del cido y la amina por separado, ya que las aminas son

demasiado caras para eliminarlas. Por lo general, la amina se libera por el tratamiento de

la sal con una base inorgnica (por ejemplo hidrxido de calcio) o con un cido

inorgnico, y la sal es obtenida de esta manera en lugar del cido ctrico libre. Adems,

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de los gastos por los productos qumicos usados, este proceso tiene la desventaja de

requerir un alto nmero de pasos de procesamiento.

La extraccin con sales de amina puede ser considerada como una variante de la

extraccin con aminas. En algunos casos la cantidad de cido que se puede extraer con

la amina inmiscible en agua es considerablemente mayor que la estequiomtrica de la

amina presente en la disolucin.

La cantidad en exceso posible de cido extrada depende de varios parmetros, por

ejemplo, de la concentracin del cido en el lquido crudo, de la naturaleza de la amina

y de su disolvente. En algunos casos, este fenmeno se puede aplicar para extraer el

cido a partir de su disolucin acuosa concentrada por medio de sales de aminas con el

mismo cido. A partir del extracto, el exceso de cido puede recuperarse mediante el

lavado con agua.

Los organofosforados y agentes de extraccin de aminas alifticas se desarrollaron

inicialmente por las necesidades de tecnologas de separacin extractivas inorgnicas.

Cuando se utilizan estos disolventes para la recuperacin de cido ctrico destinado a la

industria alimentaria, la pregunta sobre su toxicidad debera de resolverse. Se sabe que

algunos de estos compuestos muestran efectos teratognicos. Por otro lado, el disolvente

de amina patentado por Baniel et al. (1981) y Baniel (1982) tiene la aprobacin de la

Food and Drug Administration de EE.UU. para el uso en alimentos y medicamentos. De

la gran cantidad de patentes relativas a la recuperacin de cido ctrico del caldo de

fermentacin mediante extraccin slo ste se ha aplicado en la produccin a gran

escala.

4.4 ADSORCIN, ABSORCIN E INTERCAMBIO INICO

Como el azcar cristalino o de otras materias primas puras se utiliza con ms

frecuencia en la produccin de cido ctrico, estn ganando inters los mtodos de

recuperacin y purificacin por adsorcin y por intercambio inico en resinas

polimricas. Uno de estos mtodos, que se utiliza a veces como paso en otra tecnologa

de recuperacin libre de citrato mencionado anteriormente, implica la adsorcin de los

contaminantes en un resina no inica basada en poliestireno o poliacrilato y recoleccin

del cido ctrico rechazado. Las patentes sugieren mtodos de adsorcin/absorcin ms

eficientes que hacen que sea posible separar el cido ctrico a partir de caldo de

fermentacin en un solo paso, se han propuesto varios mtodos basados en un principio

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similar, que implican adsorbentes polimricos de diferente tipos. Un grupo de estos

adsorbentes puede ser polmeros neutros, no iongenos, macro-reticulares, insolubles en

agua, a base de estireno reticulado con di-vinilbenceno. Se puede conseguir mejor

selectividad y mayor capacidad del adsorbente usando intercambio aninico con resinas

dbilmente bsicas impregnadas con amina terciaria o piridina, o resinas de intercambio

aninico fuertemente bsicas que contienen grupos funcionales de amonio cuaternario.

En el caso ms simple, el adsorbente se puede aplicar en forma de un lecho fijo

denso y compacto, que se pone en contacto, alternativamente, con la mezcla de

alimentacin y desorbente. Para el proceso en semicontinuo puede usarse cualquiera de

los equipos convencionales empleados en un lecho fijo con contacto fluido-slido. El

cido ctrico se recupera a partir del adsorbente por desorcin con agua o dilucin del

cido inorgnico (preferiblemente cido sulfrico de una concentracin de 0,1-0,2 N).

De acuerdo con las patentes mencionadas, la separacin completa del cido ctrico a

partir de sales e hidratos de carbono se consigue ajustando el pH de la disolucin

alimentada por debajo de la primera constante de ionizacin de cido ctrico. El valor de

pH requerido para mantener la selectividad adecuada es inversamente proporcional a la

concentracin de cido ctrico en la mezcla de alimentacin. Las resinas polimricas

propuestas para su uso en la recuperacin de cido ctrico son fabricadas por varias

empresas qumicas y se venden bajo diferentes nombres comerciales, por lo que son

comercialmente disponibles. Estas empresas pueden diferir en propiedades fsicas tales

como la porosidad, densidad, superficie especfica y momento dipolar. Los adsorbentes

preferidos deben tener una superficie de 100-1000 m2/g. Los diversos tipos de

adsorbentes polimricos originalmente eran diseados para diferentes tecnologas

qumicas, por ejemplo, para decolorar tintes de desechos y en la fabricacin de pasta,

blanqueador de efluentes o eliminar los pesticidas de los efluentes residuales. Su

eficacia en la separacin de cido ctrico a partir de caldo de fermentacin de A. niger

fue bastante inesperada.

La eficiencia del proceso de separacin por intercambio inico se puede mejorar en

gran medida mediante la aplicacin del llamado sistema de flujo en contracorriente de

lecho mvil simulado. En este caso, el aparato consiste en, al menos, dos lechos

estticos, conectados con las vlvulas apropiadas para que la mezcla de alimentacin se

haga pasar a travs de un lecho adsorbente, mientras que el material desorbente se hace

pasar travs del otro. Los cambios progresivos en la funcin de cada lecho simulan el

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movimiento en contra-corriente del adsorbente en relacin con el flujo de lquido. En

este sistema, las operaciones de adsorcin y desorcin que tienen lugar, permiten tanto

la produccin continua del extracto y del refinado como la entrada en continuo de las

corrientes de alimentacin y de desorbente. El sistema de lecho mvil simulado

aplicado para la recuperacin de cido ctrico en un escala piloto, se propuso por

Edlauer et al. (1990).

La desventaja del mtodo de intercambio de iones es el hecho de que la elucin de

cido ctrico del lecho de adsorcin puede requerir una gran cantidad de desorbente,

provocando una dilucin considerable del ctrico resultante. Es necesaria la

regeneracin peridica de las resinas de intercambio inico de bases inorgnicas

Tambin es una fuente de desechos efluentes no deseados.

4.5 MEMBRANAS LQUIDAS

Recientemente se estn desarrollando mtodos ms sofisticados para la separacin de

cido ctrico con la aplicacin de membranas lquidas. Las membranas lquidas

contienen operadores mviles que consisten en un material inerte, micro- poroso con un

soporte impregnado, con un agente de intercambio inico mvil inmiscible en agua. El

portador mvil que se impregna en los poros de la membrana soporte por capilaridad,

acta como un servicio de transporte, recogiendo los iones de la disolucin acuosa en un

lado de la membrana, llevndolas a travs de la membrana y la liberndolas a la

disolucin del lado opuesto de la membrana. El flujo del ion complejo est unido al

flujo del segundo ion (por ejemplo, el ion de hidrgeno). Este proceso se clasifica como

"un transporte combinado, y las membranas en las que se tiene lugar se llaman

membranas de transporte acopladas. El acoplamiento de los flujos de los dos iones

permite a uno de los iones ser bombeado 'cuesta arriba ' de la disolucin en la que se

diluye a una disolucin que est ms concentrada.

Para la separacin del cido ctrico por membranas lquidas, tambin se pueden

utilizar las aminas terciarias que dan mejores resultados en la extraccin de disolvente.

En la etapa de extraccin, la amina bsica reacciona con iones de hidrgeno en la

disolucin de alimentacin para formar el catin alquilamonio terciario. Este catin se

asocia con un par de aniones citrato para formar una sal de alquilamonio, que se

transporta a travs de la membrana y saca de la disolucin. Esta reaccin regenera la

amina terciaria, que luego se difunde de nuevo al lado de alimentacin de la membrana,

donde se recompleja con hidrgeno y iones citrato.

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Las membranas lquidas soportadas no se han adoptado para la escala industrial,

debido principalmente a la falta de estabilidad a largo plazo como resultado de la

prdida de la membrana por su solubilidad, el flujo osmtico de agua a travs de la

membrana, la obstruccin progresiva de los poros del soporte, y la presin diferencial

travs de la membrana. Para eliminar estos problemas se han empleado fibras huecas

microporosas. En este caso, el permeabilizador consiste en dos conjuntos de fibras

huecas microporosas hidrfobas idnticas. Un conjunto lleva la disolucin de

alimentacin de cido ctrico y la otra disolucin fluye en el lumen. La membrana

lquida orgnica est contenida en el lado de la carcasa entre estos dos conjuntos de

fibras huecas. Esta tcnica ha demostrado ser prometedora para la separacin del cido

ctrico incluso a gran escala, ya que el grado de recuperacin del cido ctrico es de

hasta el 99 %.

El uso de membranas lquidas para la recuperacin de cido ctrico a partir de caldos

de fermentacin ofrece ventajas nicas con respecto las tcnicas convencionales: menor

consumo de energa, el aumento de la separacin en una sola etapa, la capacidad de

concentracin de cido ctrico durante la separacin y el tamao ms pequeo del

aparato de separacin. Estas ventajas pueden producen una reduccin de los costes

generales de recuperacin y de la cantidad de desechos.

4.6 ELECTRODILISIS

Otra alternativa ecolgica a los mtodos convencionales para la recuperacin de

cido ctrico puede ser la electrodilisis. Este proceso permite la separacin de las sales

de una disolucin y su conversin simultnea en los cidos y bases correspondientes

usando potenciales elctricos y membranas mono o bipolares. Las membranas bipolares

son membranas de intercambio inico que, en un campo elctrico, permiten que la

divisin de agua en iones H+ y OH

-. Mediante la integracin de membranas bipolares

con tensioactivos aninicos y catinicos se dispone de membranas intercambio de una

clula de tres o cuatro compartimentos, en el que se lleva a cabo la separacin

electrodialtica de iones de la sal y su conversin en la base y el cido. La completa

transformacin del tri-citrato de sodio en cido ctrico en una clula de cuatro

compartimientos se puede lograr un poco ms rpido, pero la tensin en los electrodos

es mayor que en una celda de tres cmaras.

El consumo energa elctrica especfica de la celda de cuatro compartimientos fue de

un 40 % mayor que la de un aparato de tres cmaras.

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En la conversin de sales orgnicas se puede conseguir altas concentraciones finales

de cido, en contraposicin con sales minerales. Esto hace que el proceso sea

especialmente ventajoso para la recuperacin de cido ctrico, omitindose la etapa de

evaporacin requerida normalmente. Por otra parte, las sales orgnicas tales como

citrato de sodio tiene un peso molecular relativamente grande y la disolucin muestra

una baja conductividad. Estas propiedades hacen que la separacin sea ms difcil y

llevan a un mayor el consumo de energa, como en el caso de compuestos inorgnicos.

El consumo de energa (con exclusin del bombeo) para la separacin de 1 kg de cido

ctrico utilizando membranas bipolares es del intervalo de 6,1103 a 7,210

3 kWs.

Debido a la baja transferencia de masa en valores de pH bajo es ventajoso ajustar el pH

de la corriente de cido de alimentacin a 7,5.

Antes de que la disolucin de fermentacin llegue a la electrodilisis son

normalmente necesarias algunas etapas de pretratamiento: filtracin del caldo,

eliminacin de sustancias iongenos (especialmente Ca2+

y Mg2+

) y de los iones de

neutralizacin por medio de hidrxido de sodio. En el siguiente paso, la disolucin de

citrato de sodio se convierte en la base y el cido ctrico, el cual se concentra

simultneamente y se purifica en su mayor parte. El NaOH producido puede ser

reutilizado para la neutralizacin.

Aunque hay varias patentes publicadas relativas a la recuperacin y purificacin de

cidos orgnicos por electrodilisis, todava este mtodo esta aplicado slo a escala de

laboratorio y requiere su optimizacin. La economa est principalmente influenciada

por el relativo alto consumo de energa, los costos de la membrana y el tiempo de vida

de la membrana. Sin embargo, debido una disponibilidad comercial ms amplia de las

membranas bipolares en los ltimos aos y las diversas ventajas de la tcnica de

electrodilisis se espera que esta tecnologa pronto sea competitiva con los dems

procesos. Adems de la eliminacin de los problemas ambientales, el uso de la

electrodilisis permite la separacin continua del cido ctrico del caldo durante la

fermentacin, lo que lleva a la disminucin de la influencia en la inhibicin del

producto. Tambin, es posible aplicar esta tcnica para la recuperacin de cido ctrico

en procesos continuos de fermentacin. El esquema del mtodo propuesto para la

separacin de cido ctrico por medio de electrodilisis con las membranas bipolares se

muestra en la Figura 4.3.

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Figura 4.3. Separacin del cido ctrico por electrodilisis con membranas bipolares.

4.7 LA ULTRAFILTRACIN

La separacin continua y concentracin del cido ctrico se pueden conseguir

tambin por ultra y/o nanofiltracin. Visacky (1996) verific, a escala de laboratorio, un

proceso de membrana de dos etapas para la recuperacin de cido ctrico a partir del

caldo de cultivo obtenido en A. niger en sacarosa.

La membrana de polisulfona con corte de 10.000 utilizada en la primera etapa

permite que el producto pase con la corriente de permeado, mientras que la corriente de

retenido contiene la mayora de los pptidos y protenas del caldo. El coeficiente de

rechazo para el producto en esta etapa fue de 3 %, para la reduccin de azcares 14 % y

para las protenas del 100 %. En la segunda etapa, la membrana de nanofiltracin con

corte 200 rechaz aproximadamente un 90 % de cido ctrico y un 60 % de azcares

reductores (monosacridos). La concentracin del producto en la corriente de retenido

se aumenta tres veces en comparacin con la alimentacin. Una tcnica similar de

membrana de dos etapas fue adaptada por Bohdziewicz y Bodzek (1994) para la

separacin simultnea y la concentracin de enzimas pectinolticas y cido ctrico del

caldo de fermentacin. La disolucin del cido ctrico diluido obtenido como permeado

en la primera etapa de la ultrafiltracin de despus de la fermentacin se concentra hasta

un 20 % mediante el uso de smosis inversa. Tales procesos de membrana pueden dar

importantes beneficios en la industria del cido ctrico mediante las ventajas: el

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consumo de energa baja, no hay residuos en comparacin con los mtodos qumicos

convencionales, existe la posibilidad de su uso en procesos continuos. Sin embargo,

necesita una verificacin prctica y optimizacin en una planta piloto y a escala

industrial.

4.8 INMOVILIZACIN DE MICROORGANISMOS

Vale la pena sealar que algunos de los problemas que surgen en el procesamiento

downstream del cido ctrico producido por fermentacin, se producen especialmente

en el proceso continuo y se pueden minimizar mediante la inmovilizacin de los

microorganismos en el biorreactor. En los ltimos aos, el inters en la inmovilizacin

de clulas microbianas ha ido en aumento. La aplicacin exitosa de microorganismos

inmovilizados como biocatalizadores, implicando un manejo ms cuidadoso, a menudo

tiene mayores tasas de produccin que los microorganismos libres, lo que ha llevado a

un rpido desarrollo de esta tcnica. La produccin de cido ctrico por A. niger

inmovilizado ha sido realizado a escala de laboratorio con el uso de gel de alginato de

calcio (Eikmeier y Rehm, 1984; Tsay y A, 1987), gel de poliacrilamida (Gary y Sharma,

1992; Mittal et al, 1993), espuma de poliuretano (Lee et al, 1989; Sanroman et al, 1994,

Pallares et al, 1996) y acrilamida criopolimerizada (Wang y Liu, 1996). El efecto

rentable de la inmovilizacin del micelio de A. niger desde el punto de vista de la

recuperacin de cido ctrico a partir de la fermentacin caldo depende del tipo del

material de soporte y condiciones de proceso. Se requiere una investigacin adicional

para sacar el mximo provecho a esta tecnologa, pero parece ser prometedor, sobre

todo en combinacin con otras tcnicas de recuperacin recientemente en desarrollo,

tales como la ultrafiltracin o de intercambio inico.

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BIBLIOGRAFA

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