PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
Un número de ácidos orgánicos se producen a través de la fermentación. De éstos, el ácido cítrico
es el de mayor producción (más de 400 000 toneladas por año). La mayoría de ácido cítrico (más
de 60%) se utiliza en las industrias de alimentos y bebidas para preservar y mejorar el sabor. En
las industrias químicas (25-30% del total), ácido cítrico se utiliza para el tratamiento de textiles,
como un suavizante, como un agente antiespumante, etc. En la industria farmacéutica (10% del
total), citrato de hierro se utiliza como una fuente de hierro y ácido cítrico se usa como un
conservador para la sangre almacenada, tabletas, ungüentos, y en preparaciones cosméticas. El
ácido cítrico se está utilizando cada vez más en la industria de detergentes como un reemplazo
para los polifosfatos.
El ácido cítrico se recuperó por primera vez en 1869 en Inglaterra de citrato de calcio, que se
obtuvo a partir de zumo de limón. Su producción de hongos filamentosos se conoce desde 1893.
Se inició su producción a través de la fermentación en cultivo de superficie en 1923. La
producción utilizando fermentadores de tanque agitado se inició en la década de 1930 y es
actualmente el método preferido para la fabricación a gran escala. La planta que se analiza en este
ejemplo produce 10 millones kg de ácido cítrico cristalizado por año, lo que representa
aproximadamente el 2.5% de la demanda mundial actual.
Descripción del proceso.
Fermentación. En la figura 11.10 se muestra el diagrama de flujo de producción del ácido cítrico
que se propone.
Melaza, fuente de carbono de la fermentación, con un contenido de 34% peso/peso de azúcares
expresados como sacarosa se diluye con agua para quedar con un contenido de azúcares
fermentables al 20% en el tanque de mezcla (V-101). La densidad de la melaza es de 1.18 g/mL.
El material insoluble se separa por filtración (PFF-101). Los iones metálicos, en particular de
hierro, se eliminan mediante una columna de cromatografía de intercambio iónico (C-101). La
solución purificada se esterilizada por calor (ST-101). Considere que de las melazas se eliminan
10% peso/peso de impurezas sólidas por filtración. La densidad de la melaza diluida es de 1.1
g/mL. El agua retenida por las impurezas de la melaza representa el 70% del peso de estas.
Considere una pérdida del 1% p/p de azúcares hasta el proceso de esterilización. Dicha pérdida
ya está dentro del porcentaje de impurezas de la melaza.
Nutrientes (fuentes de amonio, potasio, fósforo, magnesio, cobre y zinc) se disolvió en agua (V102) y se ha esterilizado por calor (ST-102). La relación respecto al mosto es de 0.015% p/p.
El ciclo de fermentación es de 7 días. Cada fermentador de producción (V-103) está precedido
por dos fermentadores semillas, que no se muestran en el diagrama de flujo. Un cultivo puro de
Aspergillus niger se utiliza para inocular el fermentador semilla. Cuando se alcanza el
crecimiento óptimo del micelio se transfiere a la siguiente etapa, que implica un aumento de diez
veces en tamaño. La operación se repite con el fermentador semilla para inocular el fermentador
de producción, con una relación de inóculo del 1% p/p de caldo de micelio en crecimiento activo.
El aire es suministrado por un compresor (G-101) a una velocidad que aumenta gradualmente
desde 0.15 hasta 1 VVM. El agua de refrigeración elimina el calor producido por el proceso
exotérmico (2990 kcal / kg de ácido cítrico formado) y mantiene la temperatura a 28 C. El caldo
fermentado se descarga en el tanque de retención (V-104), que actúa como un depósito de
regulación para trabajar en continuo con la etapa de separación. la densidad del caldo fermentado
es 1.079 g/mL. Se tiene una pérdida de masa por formación de bióxido de carbono del 6.85% p/p
respecto a la masa al inicio de la fermentación. Los azúcares residuales son el 10% p/p respecto a
la concentración inicial de azúcares. El rendimiento de biomasa en base a sacarosa es de 0.1436
g/g y el rendimiento de ácido cítrico en base a sacarosa es de 0.5165 g/g.
Separación.
La purificación comienza con la eliminación de la biomasa por un filtro rotatorio al vacío (FVR101). para lo cual se requiere utilizar un 5% p/p de agua respecto a la masa de mosto fermentado.
La torta representa el 3.4% p/p de la masa de mosto fermentado.
El licor de fermentación clarificado fluye a un tanque agitado (V-105). Se utiliza 1 parte de cal
hidratada, Ca(OH)2, por cada 2 partes de licor para precipitar citrato de calcio. La solución de cal
debe ser muy bajo en contenido de magnesio, ya que la sal de magnesio es relativamente soluble.
La densidad de la disolución es de 1.221 g/mL. Durante la precipitación existe una pérdida de
ácido cítrico del 2% p/p de lo producido por fermentación.
El citrato de calcio se separa por un segundo filtro rotatorio al vacío (RVF-102) donde se utiliza
8.5% p/p respecto a la disolución filtrada de agua para lavado. La torta de citrato de calcio retiene
65% p/p de agua, que se envía a otro tanque agitado (V-106) donde se acidifica con ácido
sulfúrico diluido para formar un precipitado de sulfato de calcio (yeso). La relación de ácido
sulfúrico diluido utilizada es de 5.3 kg/kg ácido cítrico. El control cuidadoso del pH y la
temperatura de las etapas de precipitación es importante para maximizar el rendimiento de ácido
cítrico.
Un tercer filtro (FVR-103) elimina el yeso precipitado, el yeso junto con otras impurezas
representa 0.78 kg/kg ácido cítrico, y se obtiene una solución de ácido cítrico impuro. El agua
utilizada en la filtración es 5.6% p/p respecto a la disolución de ácido cítrico filtrada. Durante la
dilución y el filtrado se pierde el 5% p/p del ácido cítrico, ya considerado en los sólidos de las
impurezas.
La solución resultante se concentra y se cristaliza usando un evaporador / cristalizador continuo
(CR-101), donde se elimina el 80.5% p/p del agua. La solubilidad en el licor madre del ácido
cítrico es de 1 g/g agua. Los cristales contienen 5% de humedad. Considere una densidad de 1.15
g/mL.
Los cristales formados se separan por filtración (FVR-104) y se secaron en un secador rotatorio
(RDR-101), donde se elimina prácticamente toda la humedad. Si se requiere el producto final con
alta pureza, el tratamiento con carbón activado puede preceder a la cristalización para eliminar
colorantes. El intercambio iónico se utiliza a veces para eliminar los iones metálicos y otras
especies iónicas.
INSTRUCCIONES:
1) Calcular el balance de materia para:
Caso I. 5000 toneladas anuales de ácido cítrico en polvo. Tamaño de biorreactor máximo
nominal industrial 110 m 3.
Caso II. 8000 toneladas anuales de ácido cítrico en polvo. Tamaño de biorreactor máximo
nominal industrial 120 m3.
Caso III. 11000 toneladas anuales de ácido cítrico en polvo. Tamaño de biorreactor máximo
nominal industrial 125 m3.
Caso IV. 15000 toneladas anuales de ácido cítrico en polvo. Tamaño de biorreactor máximo
nominal industrial 150 m3.
2) Formar equipos de tres estudiantes para resolver uno de los casos.
3) Enviar correo para solicitar caso indicando los integrantes del equipo.
4) Entregar un diagrama de flujo indicando los valores en cada corriente por lote,
justificando las consideraciones que se realicen para el cálculo. Archivo en formato de
WORD.
5) Entregar una memoria de cálculo, donde sea posible realizar cambios de condiciones o de
flujos, de tal manera que realice los cambios en los flujos y cantidades en el momento.
Archivo en formato de EXCEL.
6) La entrega realizarla en la plataforma de Mis Cursos CU en la carpeta de Primer avance
del proyecto.
Fecha límite: 4 de octubre de 2021.