ACIDOS ORGANICOS

“AÑO DEL CENTENARIO DE MACHU PICCHU PARA EL MUNDO”

UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

Escuela Profesional de Ingeniería Agroindustrial e Industrias Alimentarias

SEMINARIO N°10 “PRODUCCION

DE ÁCIDOS ORGÁNICOS Y ALCOHOL”

CURSO

:

Biotecnología.

DOCENTE

:

Mcbg. Cesar Torres Díaz.

ALUMNA

:

Facundo Meza Lilian Cirila.

CICLO

:

II – 2011.

PIURA - PERÚ

INTRODUCCIÓN

La producción de ácidos orgánicos mediante el uso de microorganismos constituye una fuerza de gran importancia para el desarrollo de la biotecnología en especial para la industria de alimentos. En el presente trabajo se pondrá énfasis en los ácidos de mayor importancia, tal es así como por ejemplo el acido cítrico, el acido láctico, el acido málico, el acido glucónico, entre otros, de los cuales se estudiara las rutas bioquímicas, el proceso de producción, y sus aplicaciones en la industria alimentaria. Por otro lado con lo respecto a los procesos de producción de alcohol pueden ser realizados por síntesis química o biológica, dentro de los principales microorganismos productores de etanol tenemos los del género Sacharomyces y Kluyveromyces; pero en la actualidad el microorganismo que

más está siendo objeto de numerosos estudios para la producción de alcohol es la bacteria zymomonas mobilis la cual ha despertado un alto interés en la biotecnología por su alta velocidad de fermentación, la cual será la prioridad de estudio en este trabajo.

Ácidos orgánicos y alcohol Página 2

ÁCIDOS ORGÁNICOS Son ampliamente usados en alimentación, como acidulantes, saborizantes o ingredientes químicos. Así también, pueden producirse por vía microbiológica, síntesis química o extracción de productos naturales. La mayoría de son obtenidos microbiológicamente proceden del ciclo de Krebs, por lo que, en teoría, son muchísimos los microorganismos capaces de sintetizarlos, aunque sólo unos pocos en cantidades adecuadas para la aplicación industrial. Así también, sólo unos pocos de estos ácidos son más rentables producidos por vía microbiológica que por vía química. Los más importantes son:

Acido orgánico

Características y usos

Ácido cítrico.

El más importante, ya que se obtiene únicamente por vía microbiológica . uso Alimentos (acidulante y saborizante), industria farmacéutica y productos de limpieza. Son los segundos en importancia. Se pueden obtener tanto microbiológica como químicamente. Uso alimentos (acidulante), plásticos biodegradables, lacas, barnices, industria farmacéutica Son de escasa demanda e importancia. Se prefiere la síntesis química, más sencilla y económica, ya que es más fácil obtener de los microorganismos las enzimas que catalizan su formación que el producto en sí. Uso Alimentos (regulador de la acidez), productos de limpieza (removedor de depósitos calcáreos y óxidos), industria

Ácidos acético y láctico.

Ácidos málico y fumárico Ácidos itacónico y glucónico


textil y papel. Se obtiene en la fermentación del vino. Actualmente, está en desarrollo la producción a partir de Aspergillus o la bacteria Alcaligenes. Uso Bebidas, antioxidante, industria farmacéutica.

Ácido tartárico

Propiedades de los ácidos orgánicos 1. Poder acidulante. 2. Capacidad amortiguadora o reguladora de PH. 3. Agente quelante de iones metálicos. 4. Emulsificante. 5. Efectos organolépticos.

Ácido cítrico

OH

CH2

COOH

C

COOH

CH2

COOH

Es el más importante, ya que sólo se obtiene por vía microbiológica y además es el más utilizado. Su sabor agradable y elevada solubilidad hacen que tenga diversidad de usos: • Alimentación: como acidulante, aromatizante, antioxidante y saborizante para

productos dulces, como caramelos, helados, zumos. • Farmacia: Como preservante de la sangre, debido a sus propiedades antioxidantes. • Cosmética: Como integrante de diferentes preparados. • Metalurgia: Ya que muchos metales se extraen más fácilmente como citratos.


•Detergentes: Como sustituto de los polifosfatos. Esto es importante porque los

polifosfatos son causantes de la eutrofización de las aguas dulces. La abundancia de N y/o P favorece un altísimo desarrollo de las algas, lo que causa una disminución enorme de oxígeno en el agua y, por tanto, la muerte de los organismos de dichas aguas. Al producirse la descomposición anaerobia de toda esa materia orgánica, los ríos y lagos se acaban convirtiendo en pantanos. Por ello, se prefiere el ácido c ítrico (aunque más caro). • Química: como antiespumante y en la industria textil.

Los procesos de fermentación se llevan a cabo con cepas modificadas genéticamente para aumentar la producción y disminución de compuestos colaterales, como el ácidos oxálico y glucónico. Microbiología del acido cítrico.

Las especies usadas son: • Aspergillus niger usando como sustrato sacarosa o melazas,

hidrolizados de almidón, sueros lácteos, etc. Las condiciones de este sustrato son: •

Limitación del fosfato.

•

Ausencia de cationes metálicos, ya que éstos pueden limitar la producción al superar los niveles traza. Esto se consigue por adición de ferrocianatos (con lo que los cationes precipitan como complejos) o usando resinas de intercambio iónico.

• Candida lipolytica con parafina como sustrato, aunque está poco implantado.

Levaduras como bacterias, pueden acumular cítrico a partir de glucosa. Su potencial es el menor tiempo de fermentación.

Bioquímica del ácido cítrico: El ácido cítrico es un intermediario en el ciclo TCA, se produce como un producto en exceso debido a una operación defectuosa del mismo. Las enzimas claves en la fermentación del cítrico son la Aconitasa y la Isocitrato Deshidrogenasa. El catabolismo de hexosas ocurre fundamentalmente por la ruta de la glicólisis. Ácidos orgánicos y alcohol Página 5

Factores ambientales 1. Aspectos nutricionales. • La fuente de carbono ha de tener una concentración de azúcare s del 15-25%. Para ello,

se usa almidón de patata o hidrolizados de almidón (ambos requieren hidrólisis enzimática), jarabe de caña de azúcar, melazas o sacarosa. • Minerales en las concentraciones adecuadas, sobre todo hierro, requiriendo unas

condiciones diferentes para la fase de crecimiento y la de producción. Si no se dan las concentraciones adecuadas, la morfología del hongo no será la óptima y la producción se verá afectada.


• Los requerimientos de pH varían de la fase de crecimiento (trofofase, pH de 5) a la

idiofase (de producción, pH inferior a 3). • Debido a las diferentes condiciones para idiofase y trofofase es difícil establecer un

proceso de producción en continuo.

2. Aspectos fisicoquímicos. La fermentación debe controlarse entre 25-30 0C. El pH al inicio se ajusta a 3.5-4.5 y se mantiene en 2 durante la etapa productiva. Es importante la aireación del medio. El uso del aire enriquecido en oxigeno permite lograr una producción adecuada.

Procesos de Industriales.

1. Procesos en superficie (o koji, del japonés). Son más sencillos, pero requieren más mano de obra. Como sustrato sólido: • Trigo u otro cereal • Se dispone en capas delgadas (3-5 cm) donde se colocan las esporas • Se mantiene a pH entre 4 y 5 y 28 oC durante 90 horas. • Se procede a la extracción del ácido cítrico mediante 5 volúmenes de agua caliente.

Como sustrato líquido: • Se usan sacarosa o melazas, complementadas con H2KPO4, MgSO4 y ZnSO4. • Se inoculan las bandejas con esporas (2-5 ·107 esporas / m2) • Se procede a incubación a 30 oC con pH entre 4 y 5. • Es necesario aportar suficiente oxígeno como para desplazar al CO2 producido, ya que

éste inhibe la producción por encima del 10% de concentración. • Se mantiene la etapa de crecimiento durante 30 horas, y la de producción entre 8 y 14

días.


2. Procesos sumergidos o en profundidad. Es más complejo, pero permite una mayor mecanización. Se opera en discontinuo o semicontinuo con alimentación fraccionada. Se usan fermentadores pequeños (menos de 250 m3), agitados o de columna de aire, construidos en materiales capaces de resistir pH’s ácidos sin liberar cationes metálicos (por lo general, se construyen en acero inoxidable). Dos factores importantes a tener en cuenta son: • La relación Fe/Cu ha de ser más controlada que en procesos koji para que el micelio

adopte la forma adecuada. • Los niveles adecuados de oxígeno son menores (0.2-1 vvm).

Purificación Se efectúa en pasos: • Se retira el micelio del hongo. Como el ácido cítrico estará atrapado en el micelio

(debido a la alta densidad de éste), se efectúa un lavado previo a la precipitación o filtración para retirar dicho micelio. • Adición de cationes calcio a pH 3, lo que hace que precipite oxalato cálcico. • Extracción del ácido cítrico a pH neutro con temperaturas entre 70 y 90 oC, lo que hace

que se pierdan los componentes volátiles interferentes. • Al adicionar ahora calcio, precipita citrato cálcico. • El citrato se purifica mediante resinas de intercambio iónico, lo que permite obtener el

ácido cítrico.


Ácido acético CH3---COOH Es el principal componente del vinagre. Es sintetizado por dos géneros de bacterias: Acetobacter aceti Acetobacter Pasteureanus Acetobacter peroxidans

Son cepas superoxidantes, capaces de oxidar el producto hasta CO2 y agua. Gluconobacter oxydans

Finalizan el proceso con la obtención del ácido acético, sin una oxidación mayor.


Producción del ácido acético. Método Orleans Es el más tradicional. Son los más costosos, y su producción es baja. Método alemán Basado en procesos tradicionales, su producción e s poco satisfactoria. Generadores por goteo o reactor Frigs Se usan capas de virutas de haya sobre las que se adhieren las bacterias (en cierto modo, es precursor de los sistemas de células inmovilizadas). Sobre dichas capas de virutas se gotea el sustrato El sustrato usado es: • Un líquido de alto contenido alcohólico (vino, malta o sidra de baja calidad). • Hidrolizados de patatas o cereales, o bien alcohol técnico, que dado que son deficitarios

en otros nutrientes, necesitan suplementos: •

fosfato amónico

•

sulfato magnésico

•

citrato y pantotenato cálcicos

•

hidrolizado de cereal

Es de reducido coste y ocupamiento del espacio. Aporta un buen rendimiento (14%). Procesos sumergidos En este caso, son menos interesantes que para el ácido cítrico. Requiere unos fuertes niveles de oxigenación, lo que constituye su principal problema, ya que el proceso se detiene si el nivel de oxígeno es inferior al 5%. Presenta la ventaja de que con un coste mínimo obtiene una elevada eficacia. Las células se eliminan por filtración. Posteriormente, se añade ferrocianuro potásico, lo que permite sustraer los subproductos responsables de colorear el ácido acético.


Acido fumárico CH2

COOH

CH2

COOH

Este ácido tiene una producción estimada mundial superior a las 60000 toneladas anuales. Presenta una baja solubilidad en agua y es usado por como acidulante en los alimentos, así como en la producción de resinas y materiales plásticos. Recientemente se ha empleado como materia prima en la producción de ácido aspártico a través de la enzima aspartasa y de ácido málico con la enzima fumarasa. Actualmente se produce por vía química sustituyendo al método fermentativo empleado en la década de los 60. Debido a su baja higroscopicidad (tendencia a captar agua), se usa en bebidas deshidratadas y revestimientos de golosinas (evita la entrada de agua a alimentos), como colorante (fija el color de la carne), emulsificante, suavizante, acidulante y saborizante. Paralelamente, su baja solubilidad limita otras aplicaciones (lo que se evita por adición de compuestos que aumentan su solubilidad). Se

obtiene a partir de hongos filamentosos los cuales

acumulan ácido fumárico,

principalmente del hongo Rhyzopus oryzae usando como sustratos derivados de soja o arroz.

Ácido Málico HO

CH

COOH

CH2

COOH

La producción estimada de Ácido málico es de 25 000 t/año. Prácticamente es usado en su totalidad como agente acidulante en bebidas carbonatas. Este ácido tiene un sabor acido suave que se retiene en las papilas gustativas durante mayor tiempo que el citrico. Esto promueve un aumento en la duración del sabor. Recientemente se ha reportado que el ácido málico presenta un efecto sinérgico cuando se mescla con edulcorantes como Ácidos orgánicos y alcohol Página 11

aspartamo. De esa manera se reduce el contenido final de aspartamo hasta en 10% con ahorros importaciones en costos. El ácido málico puede producirse por fermentación con variedades de Aspergillus y Rhizopus. Sin embargo, el método de uso actual se lleva a cabo por trasformación enzimática de fumárico mediante la enzima fumarasa.

Ácido tartárico. HO

CH

COOH

HO

CH

COOH

Se encuentra presentes en frutas. Su producción anual alcanza las 40-50 000 t/año y es usado ampliamente en bebidas carbonatadas especialmente en bebidas carbonatadas especialmente en aquellos con sabor a uva .su alto costo , en comparación con critico , limita el uso en productos con otros sabores .otras industrias consumen en menor medida este acido. Las formas de mayor demanda comercial son el crémor tártaro y la sal de Rochelle. Existen formas enantioméricas L (+) y D (-) y la forma meso ópticamente inactiva. Su producción ocurre como subproducto de la industria vitivinícola precipitado en forma de tartrato de potasio en las tinas de fermentación. Esta fuente satisface la demanda existente volviendo incosteable el uso de métodos biotecnológicos. Sus rendimientos, sin embargo, son bajos y no competitivos. El método fermentativo emplea Acetobacter

con glucosa como sustrato. El método enzimático convierte

cisepoxisuccinato obtenido por síntesis química en tartárico.


Acido glucónico OH

CH

OH

CH CH

OH

CH

COOH

OH CH2

OH

La producción industrial de este acido

alcanza las 40 000 toneladas anuales. Es

sumamente soluble en agua y se comercializada en forma de soluciones acuosas al 50%. Se utiliza en la industria láctea para retardar la sedimentación en la leche. En la forma de α- gluconolactosa

se aplica como acidulante de efecto retardado en panificación y

embutidos y, en Japón, como coagulante de proteínas de soya durante la manufactura de tofi. Sin embargo el mayor uso de acido glucónico en forma de sales. Gluconatos de calcio y fierro usados para tratar pacientes anémicos y con deficiencias de calcio mediante inyecciones intravenosas o consumo oral.


PRODUCCION DE ALCOHOL Taxonomía de Z. Mobilis Esta bacteria a sido clasificada dentro de la familia de las Pseudomonadaceae y dentro de las especies de Zymomonas. Tienen la siguiente descripción fenotípica: 

Bastón gramnegativo de 1 a 5 µm de ancho y 2 a 6 µm de largo.



Inmóvil o móvil debido a la presencia de 1 a 4 flagelos lofótricos.



Arreglo celular pleomórfico.



Catalasa (+) y Oxidasa (-).



Anaerobico y microaerofilico.



La utilización de sacarosa es inducible y puede ir acompañada de formación de levanas.



Las únicas fuentes de carbono que metabolizan son: glucosa, fructosa y sacarosa.

Necesidades nutritivas Las Zymomonas mobilis es una bacteria quimiorganótrofa.

Para el crecimiento necesitan el N. en forma de sales minerales, aminoácidos o péptidos. El S, Mg y K son proporcionados en forma de sales también necesita trazas de oligoelementos (Fe, Zn, Mn, etc.)

Catabolismo Se inicia con la utilización simultánea de glucosa y fructosa con la conversión elevada de sustrato en etanol y CO2. Las enzimas que intervienen en la vía catabólica se dividen en 3 partes:




Formación de 6-P-gluconato a partir de sacarosa, glucosa o fructosa.



Formación de Piruvato a partir de 6-P-gluconato.



Formación de etanol y d CO2 a partir de Piruvato.

Aspectos Genéticos. Con el fin de aumentar el número de azúcares fermentados por la bacteria, numerosas investigaciones han buscado vectores de clonación. Se ha demostrado que la presencia de 3 a 6 plásmidos contiene el gen que codifica una de las dos alcoholdeshidrogenasas. Parámetros Fisicoquímicos sobre el crecimiento y la producción de etanol por Z. mobilis •

Efecto del sustrato: El aumento de la concentración inicial de azucares tiene un efecto mas importante sobre los parámetros relacionados con el crecimiento que sobre la producción de alcohol.

•

Efecto de la temperatura. La temperatura optima de creci miento de Z. mobilis es de 30 a 350C. Tiene un efecto muy importante sobre la composición y la fluidez de la membrana celular. A altas temperaturas la concentración de fosfolípidos disminuye ocasionando pérdida de la integridad de la membrana.

•

Efecto del etanol. Un aumento de la permeabilidad de la membrana en presencia de altas concentraciones de etanol provoca la fuga de cofactores necesarios a ciertas

actividades enzimáticos. •

Efecto del pH. Valores de pH de 5 a 6.5 se han usado para estudiar el metabolismo de Z. mobilis, pero el hecho de que la bacteria pueda crecer a pH inferiores a 5 la

hace interesante desde el punto de vista biotecnológico. •

Efecto del oxigeno. Tienen efecto negativo sobre la producción de alcohol, induce a la formación de subproductos de la fermentación (Acetato, Acetaldehído y Ácidos orgánicos y alcohol Página 15

lactato).Aparentemente el efecto inhibidor del oxigeno esta ligado a la concentración de sustratos.

Aspectos Tecnológicos de la producción de Etanol por Z. Mobilis La producción de alcohol a gran escala requiere de microorganismos con ciertas características: 

Capacidad de metabolizar varios sustratos.



Tasas de crecimiento y de producción de etanol elevadas.



Máxima eficiencia para la conversión de sustrato.



Tolerancia a altas concentraciones de sustrato y etanol.



Tolerancia a altas temperaturas.

Es difícil encontrar microorganismos que reúnan todas estas características, por lo q se deberá tratar de mejorar genéticamente, o bien desarrollar etapas claves del proceso tales como: utilización de células inmovilizadas, recuperación de etanol simultáneamente a su producción, sistemas con recirculación de biomasa, etc


Bibliografía. •

LÓPEZ Agustín, GARCÍA Garibay, RAMÍREZ Agustín. “ Biotecnología

Alimentaria ”. Editorial limusa. PAG.553- 632. •

PRODUCCION DE ACIDOS ORGANICOS.(EN LINEA ) Consulta el (28/0772011)dispuesto en:

(http://es.scribd.com/doc/49907738/39/PRODUCCION-DE-ACIDOS-ORGANICOS)


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