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Ácido cítrico
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¿Qué es el ácido cítrico?

Sistemática
Nomenclatura IUPAC ácido 3-Hidroxi-1,3,5-pentanotricarboxílico.
Fórmula molecular C6H8O7
Número CAS 77-92-9
Características físicas
Estado de agregación sólido, polvo cristalino
Masa molar 192,13 g/mol
Solubilidad en agua 133 g/100 ml (22 °C)
Punto de ebullición 153ºC
Punto de fusión 448 K (175 °C)
Densidad 1,665 g/cm3
Características químicas
Acidez 1=3,15; 2=4,77; 3=6,40 pKa

El ácido cítrico es un ácido orgánico tricarboxílico que está presente en la mayoría de las frutas, sobre todo en cítricos como el limón y la naranja.

En bioquímica aparece como una molécula intermediaria en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, proceso realizado por la mayoría de los seres vivos.

Es una sustancia orgánica producto del metabolismo de la mayoría de los seres vivos. Industrialmente se obtiene por fermentación de distintas materia primas, especialmente la melaza de caña.

Es un buen conservante y antioxidante natural que se añade industrialmente como aditivo en el envasado de muchos alimentos como las conservas vegetales enlatadas.

El ácido cítrico es un producto normal del metabolismo de prácticamente todos los organismos aerobios, ocupando un lugar clave en uno de los mecanismos de producción de energía, al que da nombre, el ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs. Es también abundante en ciertas frutas, especialmente en los cítricos, de los que toma el nombre y a los que confiere su característica acidez.

Con estos antecedentes resulta curioso que en el panfleto sobre aditivos alimentarios denominado "lista de Villejuif" se considere al ácido cítrico como cancerígeno, y además como el más peligroso de todos los aditivos. El ácido cítrico y sus sales se pueden emplear en prácticamente cualquier tipo de producto alimentario elaborado.

El ácido cítrico es uno de los aditivos más utilizados por la industria alimentaria. Se obtiene también por fermentación de distintas materia primas, especialmente la melaza de caña de azúcar.

En el mercado mundial, cerca del 90% del producto es elaborado por la Unión Europea, Estados Unidos y China.

Características

El ácido cítrico, es un sólido translucido o blanco. se ofrece en forma granular; es inodoro, sabor ácido fuerte, fluorescente al aire seco; Cristaliza a partir de soluciones acuosas concentradas calientes en forma de grandes prismas rómbicos, con una molécula de agua, la cual pierde cuando se caliente a 100ºC, fundiéndose al mismo tiempo.

El ácido cítrico tiene un fuerte sabor ácido no desagradable. Este ácido se obtiene por un proceso de fermentación. El ácido cítrico se obtenía originalmente por extracción física del ácido del zumo de limón. Hoy en día la producción comercial de ácido cítrico se realiza sobre todo por procesos de fermentación que utilizan dextrosa o melaza de caña de azúcar como materia prima y Aspergillus niger como organismo de fermentación. La fermentación puede llevarse a cabo en tanques profundos (fermentación sumergida, que es el método más común) o en tanques no profundos (fermentación de superficie). La fermentación produce ácido cítrico líquido que luego se purifica, concentra y cristaliza.

La acidez del ácido cítrico es debida a los tres grupos carboxilos -COOH que pueden perder un protón en las soluciones. Si sucede esto, se produce un ion citrato. Los citratos son unos buenos controladores del pH de soluciones ácidas.

Los iones citrato forman sales llamadas citratos con muchos iones metálicos. El citrato de calcio o sal amarga es un importante citrato que se utiliza comúnmente en la preservación y condimentación de los alimentos. Además, los citratos pueden quelar iones metálicos, y utilizarse como conservantes y suavizadores de agua.

A temperatura ambiente, el ácido cítrico es un polvo cristalino blanco. Puede existir en una forma anhidra (sin agua), o como monohidrato que contenga una molécula de agua por cada molécula de ácido cítrico. La forma anhidra se cristaliza en el agua caliente, mientras que la forma monohidrato cuando el ácido cítrico se cristaliza en el la agua fría. El monohidrato se puede convertir a la forma anhidra calentándolo sobre 74°C.

Químicamente, el ácido cítrico comparte las características de otros ácidos carboxílicos. Cuando se calienta a más de 175°C, se descompone produciendo dióxido de carbono y agua.

El producto también se presenta como solución acuosa con distintas concentraciones, siendo la más común del 50% en peso. Las graduaciones disponibles varían en apariencia, pureza y color. La solución de ácido cítrico debe ser mantenida a una temperatura superior a 0ºC para evitar la cristalización.

Los derivados del ácido cítrico más comunes son los citratos solubles: citrato de potasio y citrato de sodio. Otros, también importantes, son los ésteres: citratos de metilo, etilo, propilo, ésteres de glicerol y otros. Los ésteres son producto de la combinación química del ácido con algún alcohol y se emplean como antioxidantes en la industria de aceites y grasas, y como plastificantes no tóxicos en la elaboración de embalajes plásticos para alimentos.

Historia

El descubrimiento del ácido cítrico se atribuye al alquimista islámico Jabir Ibn Hayyan en el siglo octavo después de Cristo. Los eruditos medievales en Europa conocían la naturaleza ácida de los zumos de limón y de lima; tal conocimiento se registra en la decimotercera enciclopedia Speculum Majus del siglo, recopilado por Vincent de Beauvais.

El ácido cítrico fue el primer ácido aislado en 1784 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele, que lo cristalizó a partir del jugo del limón. A partir del jugo de limón, Scheele logró aislar por primera vez en 1784 el ácido cítrico usando el proceso de cal-sulfúrico para separar el micelio del caldo que contiene ácido cítrico en el proceso fermentativo.

La producción de ácido cítrico a nivel industrial comenzó en 1860, basado en la industria italiana de los cítricos mediante el uso de sales de calcio. Este proceso tenía un rendimiento muy bajo. Eran necesarias de 30 a 40 toneladas de limones para obtener una tonelada de ácido cítrico. Tres décadas después se observó que algunos hongos producen ácido cítrico cuando crecen en un medio azucarado.

En 1880 la compañía Pfizer fundada por los hermanos alemanes Charles Pfizer, Charles Erhart, comenzaron a fabricar ácido cítrico, utilizado por varias industrias, de ese tiempo, volviéndose de esta forman su producto más importante.

En 1893 fue producido sintéticamente por Wehmer a partir de la fermentación de la glicerina. además, C. Wehmer descubrió que cultivos de penicillium podían producir ácido cítrico a partir del azúcar. Sin embargo, la producción microbiana del ácido cítrico no llegó a ser industrialmente importante hasta la Primera Guerra Mundial que interrumpió las exportaciones italianas de limones. En 1917, el químico americano James Currie descubrió que ciertos cultivos de Aspergillus niger podían ser productores eficientes de ácido cítrico, y Pfizer comenzó la producción a escala industrial usando esta técnica dos años más tarde.

Antes de que se desarrollaran los procesos microbianos la principal fuente de ácido cítrico eran los cítricos provenientes de Italia, limones con un contenido entre 6 y 7 %, y el citrato de lima. En 1917 debido a la imposibilidad de comprar limones italianos y citrato de lima, comienzan a experimentar otros métodos para obtenerlo.

Desde 1920 en adelante fueron desarrollados con éxito procesos de fermentación, en donde se utiliza generalmente cepas del hongo Aspergillus Níger, aunque también han sido empleadas ciertas cepas de levaduras. En 1923, los hermanos Pfizer logran obtener ácido cítrico a partir de Aspergillus Níger y la fermentación del azúcar. Como sustrato se utilizó melazas de remolacha y se está diversificando en sustratos como sacarosa, melazas de caña o jarabe de glucosa.

Los primeros estudios que se hicieron para la producción de ácido cítrico por fermentación demostraron que es un proceso extremadamente complejo.

En 1925 Italia rompe el monopolio que ejercía sobre la materia prima y Pfizer logra expandirse.

En 1950, la producción de ácido cítrico alcanzaba las 50.000 toneladas/año. Posteriormente, se registró una importante expansión debido al desarrollo del proceso de fermentación sumergida, mucho más económico.

En la década del 80 Pfizer descontinúa este producto con el cual han sido líderes del mercado mundial durante más de 70 años y que marco definitivamente el futuro de la empresa.

En los procesos de fermentación la materia prima más conveniente es la melaza de caña, dado que por su composición permite un perfecto desarrollo de los microorganismos, aunque también se utiliza azúcar, hidrolizado de almidón, melaza de remolacha y caldo de caña.

Obtención del ácido cítrico

El ácido cítrico es obtenido principalmente en la industria gracias a la fermentación de la sacarosa realizada por un microorganismo llamado Aspergillus niger. El proceso de obtención tiene varias fases como la preparación del sustrato de melaza, la fermentación aeróbica de la sacarosa por el aspergillus, la separación del ácido cítrico del sustrato por precipitación al añadir hidróxido de calcio o cal apagada para formar citrato de calcio. Después se añade ácido sulfúrico para descomponer el citrato de calcio. La eliminación de impurezas se realiza con carbón activado o resinas de intercambio iónico, se continúa con la la cristalización del ácido cítrico, el secado o deshidratación y el empaquetado del producto

La producción industrial

Tres décadas después se observó que algunos hongos producen ácido cítrico cuando crecen en un medio azucarado. Esto resultó de fundamental importancia para la actual industria del ácido cítrico. En 1919, comenzó a utilizarse el método de fermentación superficial, por medio del hongo Aspergillus niger, que representó un enorme salto en la productividad. En la década de 1950, comenzó a utilizarse la fermentación sumergida con el mismo microorganismo, lográndose un incremento aún mayor de los rendimientos.

En los procesos de fermentación la materia prima más conveniente es la melaza de caña, dado que por su composición permite un perfecto desarrollo de los microorganismos, aunque también se utiliza azúcar, hidrolizado de almidón, melaza de remolacha y caldo de caña.

Obtención del ácido cítrico a partir de limones

Materias Primas

Limones
Cal apagada (Ca(OH)2)
Ácido sulfúrico al 35%
Carborafina o Carbón de madera.
Sulfuro de Bario

Acondicionamiento del jugo.

Extracción del zumo: Los limones son exprimidos y desmenuzados en cilindros estrujadores. El jugo obtenido se pasa por una prensa para eliminar los residuos como semillas, cáscara y mucílago.

Fermentación: El zumo contiene azúcar , sustancias gomosas (mucílago) y albuminoides así que se deja en reposo 3 días para que el azúcar se fermente. Las otras sustancias se separan Y el jugo se clarifica.

Destilación: Una vez clarificado, el jugo se destila para separar el alcohol producido por la fermentación.

Concentración: El jugo libre de alcohol pasa a los evaporadores donde se concentra al vacío hasta llevarlo a una concentración del 50% de ácido cítrico.

Preparación del Citrato de Calcio

Formación del Citrato de Calcio: El zumo concentrado es llevado a una temperatura cercana al punto de ebullición y se mezcla agitando poco a poco con lechada de cal o cal apagada (Ca(OH)2), haciendo que el ácido cítrico sea precipitado al estado de citrato cálcico.

Descomposición del citrato: El citrato cálcico se descompone con ácido sulfúrico al 35%. La temperatura se mantiene sobre 70–80ºC. Esta operación permite que el ácido cítrico quede libre y se forma el sulfato de calcio insoluble. Posteriormente el flujo es pasado por el filtroprensa para separar el sulfato cálcico precipitado en forma de yeso, de lo cual se obtiene un licor madre con una concentración de 10–12ºBé pasando luego por un recipiente para ser decolorado. Este liquido todavía tiene yeso disuelto para lo cual se pasa a evaporador de vacío; posteriormente se deja el liquido en una caja clarificadora para que el yeso que estaba disuelto se precipite. Una vez clarificado, se deja en un evaporador de vacío durante 24 horas hasta llevarlo a 38 – 40ºBé.

Luego de ser concentrado, pasa a ser agitado en frío durante 2 días. A partir de aquí se empiezan a formar cristales granulados que luego son separados del licor madre por centrifugación.

Los cristales de ácido cítrico formados se vuelven a disolver para añadirles carborafina o carbón de madera la cual sirve para quitar los metales pesados disueltos los cuales son precipitados con una solución de Sulfuro de Bario.

Esta solución libre de metales es llevada al filtroprensa para retirar el carbón y este es lavado para recircularlo al recipiente de carbón o a descomposición.

La solución es llevada a un cristalizador de vacío donde se forman costras cristalinas las cuales van a la centrífuga para retirar todo el liquido posible adherido a los mismos. De aquí se vierten sobre bandas de papel y se desecan algunos días a 22ºC (Temperatura ambiente) y luego se envasan en recipientes, para ser almacenados en lugar fresco.

Obtención del ácido cítrico por medio del Aspergillus niger

La preparación del ácido cítrico consiste, en términos generales, en una fermentación aeróbica del azúcar, utilizando un cultivo de Aspergillus Níger que es un hongo que produce como metabolito primario ácido cítrico, por eso en este proceso se usa como agente fermentador. Luego la posterior purificación, mediante el proceso cal-sulfúrico y la recuperación final del producto.

Materias Primas

Melaza o jarabe de Caña de Azucar.
Ácido sulfúrico
Cal viva, Oxido de Calcio, (CaO)
Resinas de Intercambio Iónico.
Amoniaco
Carbón activado.

Preparación del sustrato de melaza

El objetivo de esta primera etapa del proceso es la purificación del jarabe. Se inicia mezclando el jarabe con agua para diluirlo; una vez diluido se pasa por un filtro de vacío para eliminar los sólidos suspendidos y las impurezas de la melaza. Luego el jarabe es pasado por una celda de intercambio iónico para retirar los iones del flujo. Después el jarabe es sometido a un proceso de pasteurización que consiste en elevar la temperatura a 105ºC durante tres minutos y bajarla nuevamente hasta 37ºC. La pasteurización se lleva a cabo primero en un calentador de evaporación instantánea, después se utiliza un circuito de acumulación y un enfriador de jarabe.

Fermentación

Una vez pasteurizado, es bombeado al fermentador el cual es un recipiente rígido de 150 m3 en donde se lleva a cabo la transformación de la sacarosa en ácido cítrico por medio del Aspergillus Níger. El Aspergillus Níger es inoculado en este fermentador. Se hace el ajuste del pH y se añaden nutrientes (amoniaco, sales de fermentación). El aire estéril se burbujea dentro del fermentador. Luego de la fermentación, el flujo es pasado por un filtro rotatorio al vacío para separar el micelio. La masa conformada por el micelio y el microorganismo muerto se denomina biomasa o torta y constituye un subproducto o un efluente del proceso.

Purificación del ácido cítrico

El ácido cítrico debe ser separado del micelio, el microorganismo muerto, el azúcar residual, las proteínas producidas por la fermentación y otras impurezas solubles. Para lo cual se lleva a cabo el proceso denominado cal-sulfúrico: se basa en tratar el licor madre con una lechada de la cal (Ca(OH)2 cal apagada)de lo cual se forma citrato de calcio. Este citrato resultante es lavado y el micelio es filtrado. Posteriormente se añade ácido sulfúrico para descomponer el citrato de calcio. Por lo tanto en esta etapa se forma sulfato de calcio el cual es retirado de la solución por medio de un filtro rotatorio al vacío y se constituye como un desperdicio o como un subproducto del proceso.

Celdas primarias de carbón activado

En estas celdas son removidas las impurezas solubles que producen color a la solución de Ácido Cítrico y en general sustancias orgánicas contenidas en el licor. Debido que a lo largo del proceso se añaden sustancias que aumentan la cantidad de iones contenidos en la solución de acido Cítrico, antes de cristalizarlo hay que retirar estos iones (Ca++ y SO4=) para estos se usan celdas de resinas de intercambio iónico.

La corriente alimenta los evaporadores de doble o de triple efecto donde se busca retirar la mayor cantidad de agua para pasar al cristalizador.

Cristalización

En este proceso se separan los cristales formados del liquido saturado que se denomina licor madre. Este licor se recircula a la etapa de intercambio iónico (celdas de carbón) o al tanque de tratamiento por cal. Los cristales de ácido cítrico húmedos se redisuelven y se recristalizan al vacío. Luego pasan a la centrifuga en donde es eliminado el licor madre de los cristales formados.

Secado

Se realiza en un equipo de lecho fluidizado, que permite retirar humedad hasta cumplir con las especificaciones.

Clasificación

Estos cristales son alimentados a un clasificador con 4 mallas en el interior. Aquí se separan en tres presentaciones (cristal, granular y granular fino). Es rechazado cualquier material fuera de los tamaños estándares, es decir, los terrones y el polvillo.

Aplicaciones

En el código alimentario europeo se le identifica con el E-330.

La expansión de la demanda mundial de ácido cítrico se debe, fundamentalmente, a su utilización como aditivo en la industria de alimentos y bebidas. Por ejemplo, en Estados Unidos este sector acapara el 72% del total.

A principios de la década del 90´, el producto se destinaba a distintas industrias. El consumo de ácido cítrico en el mundo crece a razón de 5-8% anual y la tendencia parece mantenerse estable.

Uso del ácido cítrico en distintas industrias
Sector

Uso

Bebidas

Saborizante y regulador del pH; incrementa la efectividad de los conservantes antimicrobianos

Dulces y Conservas Acidulante y regulador del pH para lograr una óptima gelificación
Caramelos Acidulante y regulador del pH con el objetivo de alcanzar la máxima dureza de los geles
Verduras Procesadas En combinación con ácido ascórbico, previene la oxidación
Alimentos Congelados Ayuda a la acción de los antioxidantes; inactiva enzimas previniendo pardeamientos indeseables; inhibe el deterioro del flavor y el color
Frutas y Hortalizas Enlatadas Disminuye el pH; al actuar como quelante; previene la oxidación enzimática y la degradación del color, resalta el sabor.
Aceites y Grasas Previene la oxidación
Confitería y Repostería Se utiliza como acidulante, resaltador de sabores y para optimizar las características de los geles
Quesos Pasteurizados y Procesados En forma de sal, como emulsificante y texturizante
Lácteos Estabilizante en cremas batidas
Productos de la Pesca Para bajar el pH en presencia de otros conservantes o antioxidantes

Carnes

Se utiliza como auxiliar del procesado y modificador de textura

El ácido cítrico es un componente esencial de la mayoría de las bebidas refrescantes, (excepto las de cola, que contienen acido fosforico) a las que confiere su acidez, del mismo modo que el que se encuentra presente en muchas frutas produce la acidez de sus zumos, potenciando también el sabor a fruta. Con el mismo fin se utiliza en los caramelos, en pastelería, helados, etc. Es también un aditivo especialmente eficaz para evitar el oscurecimiento que se produce rápidamente en las superficies cortadas de algunas frutas y otros vegetales.

También se utiliza en la elaboración de encurtidos, pan, conservas de pescado y crustáceos frescos y congelados entre otros alimentos. Los citratos sódico o potásico se utilizan como estabilizantes de la leche .

En el organismo humano el ácido cítrico ingerido se incorpora al metabolismo normal, degradándose totalmente y produciendo energía en una proporción comparable a los azúcares. Es perfectamente inocuo a cualquier dosis concebiblemente presente en un alimento.

Industria de Refrescos y Bebidas

El ácido cítrico ha llegado a ser el acidulante preferido por la industria de las bebidas, debido a que es el único que otorga a las bebidas gaseosas, en polvo o liquidas, propiedades refrescantes, de sabor y acidez naturales. El ácido cítrico y sus sales de sodio y potasio, actúan como preservativos en las bebidas y jarabes, contribuyendo al logro del gusto deseado mediante la modificación de los sabores dulces. Se aprovecha también su capacidad para remover metales extraños que causan turbiedad, deterioran el color, el sabor y la vitamina C. El ácido cítrico supone casi las tres cuartas partes del consumo acidulante total.

Industria de frutas y vegetales

En esta industria también encuentran aplicación el ácido cítrico y sus sales de sodio y potasio como mejoradores del sabor y preservativos, contribuyendo a asegurar el sabor original, la apariencia natural y la consistencia normal de los productos.

Otras Industrias de alimentos

Se encuentra un amplio y seguro uso del ácido cítrico y sus sales en industrias tales como las de caramelos, postres, jaleas, dulces, compotas, conservas de carnes, salsas para ensaladas, productos derivados del huevo y pescados. También se usa para mejorar el sabor del helado, relleno de tortas y cremas de fruta. También tiene ciertas aplicaciones en los sectores de la carne y el pan (tratamiento de harina y aditivo en la cocción).

Sector de Cosméticos y productos de tocador

En general, el ácido cítrico y sus sales, se usan como constituyentes de formulaciones, contribuyendo a mejorar la vida, la eficiencia y la apariencia del producto final. Fácilmente se observa su uso en productos para el cuidado del cabello, perfumes, cremas, lociones desodorantes, quita-esmaltes y jabones...\..\J\JA\Jabon.htm

Sector farmacéutico

Cuando el ácido cítrico se combina con bicarbonato de sodio y otras sales, al agregarse agua se produce una bebida salina gaseosa, efervescente y refrescante. Esta combinación es especialmente efectiva en productos donde se desea una disolución rápida, buena apariencia visual y sabores singulares. Uno de los principales usos del ácido cítrico es en la producción de Alka Seltzer.

El ácido cítrico provee además en las formulas farmacéuticas la necesaria estabilización de los ingredientes activos por su acción antimicrobial y antioxidante. En muchas oportunidades se usan mezclas del ácido cítrico y sus sales de sodio y potasio para estos fines.

En el sector farmacéutico también tiene demanda el citrato de sodio, además de usarse en jarabes, es anticoagulante especial para bancos de sangre.

Sector agroindustrial

En el tratamiento de terrenos se usan el ácido cítrico y el sulfato de calcio. El ácido cítrico para mejorar la asimilación de los micronutrientes por parte de las plantas y el sulfato para el control de la alcalinidad de los suelos. Se conoce también el uso del ácido cítrico como dispersante en la aplicación de pesticidas y herbicidas.

Sector industrial

El ácido cítrico y sus sales están diversificando su aplicación, sustituyendo materias primas importadas, y es así como hoy en día ve su uso en renglones industriales tan importantes como la industria de detergentes biodegradables. Las ventajas principales de los citratos en las formulaciones de detergentes son su biodegradabilidad y la facilidad de tratamiento, particularmente en formulaciones que contienen zeolita.

Para contener los costos las grandes empresas de detergentes generalmente compran ácido cítrico y lo convierten en el citrato requerido. La industria textil en el área de teñido, la industria de cueros y marroquinería, la industria del papel. Algunos ejemplos específicos de utilización de ácido cítrico en el sector industrial:

Acabado de metales, separación de herrumbre y desincrustación, remoción por electrolisis, galvanización de cobre; textiles; curtiembre; compuestos lavadores botellas; evaporadores de agua salada, imprenta; bloques de construcción; intercambio de iones; separación de bióxido sulfuroso del gas de chimenea.

DOCUMENTACIÓN


Documentación

http://www.alimentosargentinos.gov.ar
http://bioaplicaciones.galeon.com/Quelantes_1.html
http://www.monografias.com/trabajos17/acido-citrico/acido-citrico.shtml
http://es.wikipedia.org/