Ácidos orgánicos Fermentaciones Industriales por Hector Massaguer

Los ácidos orgánicos se usan frecuentemente como aditivos en la industria alimentaria, así como aditivos químicos en piensos. Todos los ácidos del ciclo de los ácidos tricarboxílicos pueden ser producidos microbiológicamente con un elevado rendimiento. Otros ácidos orgánicos derivan directamente de la glucosa como es el caso del glucónico, o ser forman como productos finales de fermentaciones a partir de piruvato o de etanol, como el ácido láctico y el acético.

Excluyendo al ácido cítrico, producido exclusivamente por fermentación, existe normalmente competencia entre los métodos químicos y los biológicos.

Ácido cítrico
La producción de ácido cítrico es de aproximadamente 750000 toneladas al año, de las cuales actualmente el 99% se producen por medios biológicos. Los procesos de fermentación se hacen sobre la superficie de los cultivos o en fermentadores de hasta 220 metros cúbicos. El rendimiento de la fermentación es de entre 60 y el 70% del rendimiento máximo, y el 40% de las materias primas pasan a ser ácido cítrico.

El ácido cítrico se consume por:

• Industria alimentaria: aproximadamente 65%. Se usa como potenciador o preservador del sabor de zumos, caramelos, helados...
• Industria farmacológica: 10 – 15%. Preserva la sangre. Se usa en pomadas, pastillas y cosméticos.
• Industria química: aproximadamente 25%. Se usa como agente antiespumante, ablandador, y para el tratamiento de tejidos. En la industria metalúrgica los metales puros se producen a en forma de citratos metálicos.

Las cepas productoras son cepas de Aspergillus niger y A. wentii, altamente modificados. Muchas cepas de hongos excretan ácido cítrico, pero para la producción industrial se usan cepas especialmente mutadas que no produzcan productos laterales como ácido oxálico, isocítrico,... de manera que entre el 30 y el 40% del producto final sea cítrico.

Producción de ácido cítrico
El ácido cítrico es un producto del metabolismo primario, formado en el TCA. En la trofofase, parte de la glucosa del sustrato se usa para la producción de medio y pasa a ser CO2. En la idiofase la glucosa restante pasa a ser ácido orgánico, excepto una pequeña parte que pasa a CO2 por la respiración.

El sustrato para la producción de ácido cítrico suelen ser sustratos azucarados. Antes se usaban muchas melazas, pero la crisis de la industria azucarera, provocada por el hecho de que cada vez se consuma menos azúcar, y que cada vez se aprovechan más los residuos, ha hecho que aumenten los posibles sustratos. Ahora se usan aguas sulfhídricas de papeleras, que es un residuo muy contaminante, o sustratos más raros, procedentes de la industria alimentaria. Los medios usados han sido muy perfeccionados a lo largo de los años de la producción de ácido cítrico.

El ácido cítrico se produce tanto en procesos en superficie como sumergidos.

1. En superficie: Los procesos en superficie puede ser divididos en función del estado del medio de cultivo usado:

• Medio sólido: Plantas de baja producción, muy limitadas, unas 500 toneladas al año. Se usa sustrato sólido, como mollas de pan o pulpa de almidón. El pH del medio se reduce hasta 4 o 5 antes de la esterilización. Después se inocula con esporas, extendiéndolo sobre bandejas en capas de 3 a 5 centímetros de grosor y se incuba a 28º C. El proceso dura unas 90 horas, al final de las cuales la solución entera se extrae con agua caliente para aislar el ácido cítrico.
• Medio líquido: Es el método más antiguo de producción. Actualmente se produce el 20% del total con este método. Permanece en uso todavía debido a la baja inversión que requiere para su funcionamiento, ya que la tecnología es sencilla, el coste en energía para los sistemas de refrigerado es bajo. El mayor coste viene por la mano de obra, más grande que en los reactores sumergidos, pero es mano de obra no especializada. En reactores sumergidos se requiere menos mano de obra, pero más especializada. En los sistemas modernos, el medio se esteriliza en continuo. La solución nutritiva estéril fluye automáticamente por un sistema de distribución sobre las bandeas. La inoculación se hace en cámaras de inoculación a 30 – 40º C, diseminando esporas secas o pulverizando una suspensión de esporas. La temperatura se mantiene constante mediante un sistema de corriente de aira. La ventilación es muy importante, también para el flujo de gases. La velocidad de producción de ácido cítrico baja si la concentración de CO2 pasa del 10%. Al cabo de 24 horas de la inoculación, las esporas germinan y forman una fina capa de micelio sobre la superficie de la solución. Al cabo de 30 horas empieza la idiofase. La fermentación se detiene al cabo de 8 a 14 días.Si hay demasiado hierro se producirá ácido oxálico, produciéndose una sustancia amarillenta que dificulta el proceso de recuperación. Durante la recuperación se separa el micelio de los nutrientes por filtración. En algunos casos se usan prensas metálicas para obtener más cítrico a partir de las células. En los procesos en sólidos se hace así.
  

2. Sumergidos: el 80% de la producción mundial de ácido cítrico se hace mediante procesos sumergidos. Aunque dura más días que los otros métodos presenta varias ventajas.

• Menor inversión en la construcción y menor inversión total.
• Es necesaria menos mano de obra.

También presenta algunas desventajas con los anteriores métodos.

• Mayor coste de energía
• La tecnología de control es más sofisticada, con lo que se requiere un personal más cualificado.

Pero en resumen, sale mucho más a cuenta, el rendimiento es mayor en la producción sumergida.

Existen 3 factores especialmente importantes para la producción en sumergido:

• La calidad del material para construir el fermentador. El fermentador ha de estar protegido de la acción de los ácidos o bien ser de acero inoxidable, porque de no ser así, cuando se alcancen valores de pH de 1 o 2, se liberarán metales de las paredes del fermentador, que podrán inhibir la formación de ácido cítrico.
• La estructura del micelio. Si el micelio es largo y filamentoso, la producción de ácido cítrico en la idiofase desciende. Para conseguir una velocidad óptima de producción el micelio debe estar formado por bolas sólidas muy pequeñas. La relación Cu/Fe determina la estructura del micelio.
• Suministro de O2. Aunque Aspergillus niger requiere poco oxígeno, es sensible a su ausencia. Es necesaria la presencia de oxígeno a una concentración solo del 20 – 25% de su valor de saturación.

La formación de espuma es un problema al que nos enfrentamos también en la producción de ácido cítrico, pero se soluciona por la adición de antiespumantes.