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¿QUÉ ES ES ÁCIDO CÍTRICO?
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. Su fórmula química es C6H8O7. 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 nombre IUPAC del ácido cítrico es
ácido 3-Hidroxi-1,3,5-pentanotricarboxílico.
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.
ÍNDICE
Características
Historia
Obtención del ácido cítrico
La producción industrial
Aplicaciones
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.
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Características
físicas |
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Formula |
C6H8O7 |
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Peso molecular |
92.13 g/mol |
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Ensayo de pureza |
99.5% mínimo |
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Humedad |
0.5 % máximo |
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Metales pesados |
Menos de 10 ppm |
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Arsénico |
Menos de 3 ppm |
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Ceniza |
Menos de 0.05% |
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Punto de ebullición |
153 oC |
|
Constante de Ionización |
8.2 x 10-4 |
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Calor de disolución |
6,4 cal |
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Calor de combustión |
474,6 cal |
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 mas 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 lideres del mercado mundial por mas 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
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.
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.
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 lachada 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.
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.
Se realiza en un equipo de lecho
fluidizado, que permite retirar humedad hasta cumplir con las especificaciones.
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.
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Uso del ácido cítrico en distintas industrias |
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Sector |
Uso |
|
Bebidas |
Saborizante y
regulador del pH; incrementa la efectividad de los conservantes antimicrobianos |
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Dulces y Conservas |
Acidulante y
regulador del pH para lograr una óptima gelificación |
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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 |
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Frutas y Hortalizas
Enlatadas |
Disminuye el pH; al
actuar como quelante; previene la oxidación enzimática y la degradación del color,
resalta el sabor. |
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Aceites y Grasas |
Previene la
oxidación |
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Confitería y
Repostería |
Se utiliza como
acidulante, resaltador de sabores y para optimizar las características de los geles |
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Quesos Pasteurizados
y Procesados |
En forma de sal, como
emulsificante y texturizante |
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Lácteos |
Estabilizante en
cremas batidas |
|
Productos de la Pesca |
Para bajar el pH en
presencia de otros conservantes o
antioxidantes |
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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.
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.
Referencias:
Alcohol, almidón, azúcar,
caña de azúcar, conservas,
encurtidos, glicerina, harina, leche,
lima, limón, melaza
de caña, naranja, remolacha, sacarosa
DOCUMENTACIÓN
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