a 03 Ácidos

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL

FACULTAD REGIONAL MENDOZA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

ASIGNATURA: BiotecnologíaTEMA: ÁCIDOS ORGÁNICOSINTEGRANTES: Pérez, Johanna Passardi, Paula Morales, Mariela Fratti, Fernando

INDICE

Primera parte: ACIDO CÍTRICO:

Introducción………………………………………………………………………………………………………..5

Propiedades ………………………………………………………………………………………………………..5

Usos y aplicaciones………………………………………………………………………………………………6

Biosíntesis……………………………………………………………………………………………………………6

ÁCIDO CÍTRICOY

ACIDO

2 Ácido Cítrico y Ácido Láctico.

Cepas utilizadas………………………………………………………………………………..………9

Sistemas de fermentación…………………………………………………………………..……9

Medio nutritivo………………………………………………………………………………………10

Proceso Industrial mediante Aspergillus niger……………………………………….11

Proceso Industrial mediante Levaduras…………………………………………………13

Segunda parte: ÁCIDO LÁCTICO

Introducción………………………………………………………………………………………………………17

Propiedades ………………………………………………………………………………………………………17

Usos y aplicaciones ……………………………………………………………………………………………18

Producción industrial…………………………………………………………………………………………19

Recuperación y purificación. ……………………………………………………………………………22

Conclusión……………………………………………………………………………………………………………………24

Diseño de experimentos………………………………………………………………………………………………25

Bibliografía……………………………………………………………………………………………………………………26

Ácidos Orgánicos. Introducción

Los ácidos orgánicos son un grupo de sustancias generalmente no se disuelven en agua, sino en cloroformo, éter o benceno. Tienen un sabor agrio, colorean de rojo el tornasol y reaccionan con ciertos metales desprendiendo hidrógeno.

Las propiedades químicas específicas de las moléculas orgánicas obedecen en particular a unos grupos de átomos conocidos con el nombre de grupo funcional, el grupo funcional que caracteriza a los ácidos es el grupo llamado carboxilo que se encuentra siempre sobre un carbono primario (primer carbono) que está unidos a la cadena de carbonos.

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Los ácidos orgánicos encuentran amplio uso como aditivos en la industria de alimentos y también como aditivos químicos en piensos. Los procesos de fermentación juegan un papel importante en la producción de la mayor parte de los ácidos orgánicos.

Por su solubilidad, sabor y baja toxicidad los ácidos orgánicos de cadena corta, como el acético, benzoico, cítrico, propiónico y sórbico son muy utilizados como conservadores o acidificantes.

Al considerar la posible utilización como conservadores de otros ácidos orgánicos conviene recordar que la actividad antimicrobiana de estos compuestos suele ser superior a medida que se alarga la longitud de su cadena molecular. Sin embargo, los ácidos alifáticos de más de diez u once átomos de carbono poseen muy poca aplicación potencial debido a su muy baja solubilidad en agua.

La actividad antimicrobiana de un ácido orgánico se debe a las moléculas no disociadas del compuesto. Algunos ácidos orgánicos en su estado no disociado son muy solubles en las membranas celulares. Únicamente los ácidos orgánicos lipófilos muestran actividad antimicrobiana.

Todos los ácidos del ciclo de los ácidos tricarboxilicos pueden ser producidos microbiológicamente con alto rendimiento. Algunos ácidos que derivan indirectamente del ciclo de Krebs, como el ácido itacónica pueden producirse similarmente Otros ácidos orgánicos derivan directamente de la glucosa (por ejemplo el ácido glucónico) o se forman como productos finales a partir del piruvato o del etanol (por ejemplo, el ácido láctico y el ácido acético).

Excepto por la producción del ácido cítrico, que se produce enteramente por fermentación, existe frecuentemente una gran competición entre los procesos químicos y los biológicos. Para algunos ácidos (ácido láctico, ácido acético) se utilizan simultáneamente métodos químicos y microbiológicos para su preparación, para otros (ácidos cetoglutárico, ácido málico) se han desarrollado procesos de fermentación que no se utilizan comercialmente. bien debido a la insuficiente demanda del ácido, o por razones económicas.

ÁCIDO CÍTRICO

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IntroducciónEl 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.

El ácido cítrico es muy apreciado por su sabor amargo, la calidad de conservación y la capacidad de actuar como un amortiguador del pH. Por estas razones, el ácido cítrico se encuentra en la lista de ingredientes de muchos productos alimenticios de hoy en día.

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En bioquímica aparece como un metabolito intermediario en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, proceso realizado por la mayoría de los seres vivos.

El nombre IUPAC del ácido cítrico es ácido 2-hidroxi-1,2,3-propanotricarboxílico.

Propiedades

Formula C6H8O7

Peso molecular 92.13 g/mol

Ensayo de pureza 99.5% mínimo

Humedad 0.5 % máximo

Metales pesados Menos de 10 ppm

Arsénico Menos de 3 ppm

Ceniza Menos de 0.05%

Punto de ebullición (4) 153 °C

Constante de Ionización(4)

8.2 x 10-4

Calor de disolución(5) 6,4 cal

Calor de combustión(5) 474,6 cal

Usos y aplicacionesLos usos aplicaciones que se le dan al ácido cítrico en la industria son muchos y variados, a continuación se presentan algunos de los más comunes e importantes.

Se utiliza como saborizante y regulador de pH en bebidas.

Acidulante y regulador de pH en dulces, conservas y caramelos.

Previene la oxidación de verduras procesadas, en combinación con ácido ascórbico.

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En alimentos congelados detiene el proceso de deterioro del sabor y el color y ayuda a la acción de antioxidantes.

Previene la oxidación enzimática de frutas y hortalizas enlatadas, resalta su sabor y disminuye el pH.

Previene la oxidación de aceites y grasas.

Resalta sabores y se usa como acidulante en confitería y repostería.

Emulsifica y texturiza quesos pasteurizados y procesados cuando se utiliza en forma de sal.

Disminuye el pH en productos de pesca en presencia de otros antioxidantes o conservantes.

Modifica la textura de la carne.

Suele utilizarse como estabilizante en cremas batidas.

BiosíntesisEl ácido cítrico (ácido 2 hidroxipropano-1,2,3 tricarboxílico) es un producto metabólico primario que está presente en la mayoría de las frutas, sobre todo en cítricos como el limón y la naranja, y se forma en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos. El ciclo consta de ocho reacciones enzimáticas, en la que se oxidan fragmentos de 2C (acetilo) hasta CO2 y H2O con un alto rendimiento energético; por esta razón, a esta ruta se le denomina turbina metabólica. Se produce totalmente en el interior mitocondrial.

La glucosa es la principal fuente de carbono utilizada para la producción de este ácido. En muchos microorganismos el 80% de la glucosa utilizada para esta biosíntesis se metaboliza por reacciones de la vía de Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) y 20 % por reacciones del ciclo de la pentosa fosfato. Durante la fase de crecimiento la relación entre estas dos vías es de 2:1.

Cuando el piruvato es descarboxilado con formación de acetil-CoA, el residuo de acetato se canaliza hacia el ciclo de los ácidos tricarboxílicos.

La actividad de la citrato sintasa (enzima condensante) aumenta por un factor 10 durante la producción del ácido cítrico, mientras las actividades de las enzimas que catabolizan ácido cítrico, como la aconitasa y la isocitrato deshidrogenasa, se reducen drásticamente en comparación con su actividad durante la trofofase.

El citrato sintasa no puede ser solamente responsable del mantenimiento de la actividad del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, ya que el ciclo se detendría si el ácido cítrico fuera removido.

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Por lo tanto deben existir durante la fase de producción distintas secuencias que rellenan los intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos (secuencias anapleróticas).

Reacciones:

1.- El oxalacetato se condensa con el acetil-CoA para formar citrato.

2a y 2b.- El citrato se isomeriza a isocitrato en dos fases (+H2O, -H2O).

3.- El isocitrato se descarboxila y se oxida hasta a-cetoglutarato.

4.- El α -cetogutarato se descarboxila y se oxida a succinil-CoA.

5.- El succinil-CoA genera un enlace -P de alta energía (GTP). (fosforilación a nivel de sustrato)

6.- El succinato se oxida a fumarato (trans).

7.- La adición de H2O produce malato.

8.- El malato se oxida a oxalacetato.

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Balance global:

Balance Energético

La energía de las oxidaciones del ciclo se conserva con eficiencia en coenzimas reducidas y 1 GTP. Cada vuelta del ciclo, según el balance:

1 NADH en la mitocondria produce 3 ATP x 3 en el ciclo = 9 ATP

1 FADH2 en la mitocondria produce 2 ATP x 1 en el ciclo = 2 ATP

1 GTP es análogo a 1 ATP x 1 en el ciclo = 1 ATP

TOTAL por cada vuelta del ciclo= 12 ATP

Cepas utilizadas.

Muchas cepas excretan trazas de ácido cítrico como producto del metabolismo primario. Como ejemplos están Aspergillus niger, A. wentii, A. clavatus, Penicillium luteum, P. citrinum, Mucor piriformis, Paecelomyces divaricatum, Candida guillermondii, Saccharomycopsis lipolytica, Trichoderma viridae, etc.

Sin embargo, para la producción comercial sólo se utilizan mutantes de A. niger. Comparado con las cepas de Penicillium, los Aspergillus producen más ácido cítrico por unidad de tiempo. Además la formación de productos laterales no deseados, como ácido oxálico, ácido isocítrico y ácido glucónico puede ser más fácilmente suprimida en estos mutantes.

Sistemas de fermentación

El ácido cítrico puede ser producido tanto en procesos de superficie como sumergidos. Varios factores afectan la elección del tipo de proceso: la existencia de capital de


inversión, la abundancia de energía, el costo, el entrenamiento de la mano de obra, la existencia de técnicas para la medida y la regulación.

En los procesos de superficie se utilizan bandejas de acero inoxidable, o aluminio de alta pureza, de 1-2 m2 de superficie y 5-10 cm de altura, que se cargan con el medio de cultivo y se siembran con conidios de Aspergillus. Al cabo de 2-5 días la superficie está cubierta con una capa de micelio. Con esto, se verifica una adecuada velocidad de producción de ácido cítrico, y la fermentación se completa en 7 a 8 días.

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 respecto de los métodos anteriores: mayor costo de energía, la tecnología de control es más sofisticada, con lo que se requiere un personal más especializado, la formación de espuma también es un problema en la producción de ácido cítrico, pero se soluciona por la adición de antiespumantes. En resumen, el rendimiento es mayor en la producción sumergida. Existen 3 factores especialmente importantes para los procesos sumergidos: La calidad del material para construir el fermentador: El fermentador debe 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 ó 2, se liberarán metales de las paredes del fermentador, que podrán inhibir la formación de ácido cítrico.

Medio nutritivo

Los medios utilizados para la producción de ácido cítrico han sido muy perfeccionados a lo largo de los muchos años que se lleva a cabo el proceso comercial.

A- Fuente de carbohidratos

Una solución de 15-25% de azúcar es utilizada durante la fermentación. Como fuente de carbohidratos pueden ser utilizados una serie de materias primas: almidón de patata, hidrolizados de almidón, jarabe de glucosa de almidón sacanficado, sacarosa de diferentes

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niveles de pureza, jarabe de caña de azúcar con dos tercios de la sacarosa convertida en azúcar invertido, melaza de caña de azúcar, melazas de azúcar de remolacha.

B- Elementos trazo

El cobre, manganeso, magnesio, hierro, zinc y molibdeno son necesarios para el crecimiento óptimo en el rango de ppm. Sin embargo, un exceso respecto de las concentraciones óptimas puede tener un efecto tóxico.

Mientras el crecimiento óptimo requiere concentraciones más altas de hierro, sólo 0,05-0,5 ppm son necesarias para la producción máxima de ácido cítrico. La concentración óptima de hierro depende del material de partida que se utilice. Por ejemplo, con sacarosa pura, 2ppm de hierro son óptimas para el crecimiento, mientras que cuando se utilizan materias primas como azúcar invertido o hidrolizados almidón, se obtienen crecimiento sin producción de ácido añadiendo 0.2ppm de hierro, debido a hecho de que el contenido en hierro de la solución de la materia prima es muy alta. La sensibilidad de las cepas a metales pesados como zinc, hierro manganeso y cobre desciende al descender la temperatura. Además, el cobre revierte el efecto inhibitorio del hierro.

Proceso Industrial mediante Aspergillus niger Fermentación

A nivel Industrial, la preparación del ácido cítrico consiste, en términos generales, en una fermentación aeróbica de la sacarosa, utilizando Aspergillus níger, que lo produce como metabolito secundario; luego la posterior purificación, mediante el proceso cal-sulfúrico y la recuperación final del producto.

Dentro de la etapa de fermentación del proceso se encuentra la preparación del sustrato. Lo primero que se realiza 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 105°C durante tres minutos y bajarla nuevamente hasta 37°C. La pasteurización se lleva a cabo primero en un

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calentador de evaporación instantánea, después se utiliza un circuito de acumulación y un enfriador de jarabe.

Una vez pasteurizado el sustrato, es bombeado al fermentador el cual es una columna de burbujeo (figura 1), en donde se lleva a cabo la transformación de la sacarosa en ácido cítrico por medio de Aspergillus Níger. Este es inoculado en el fermentador, por medio de la transferencia de biomasa proveniente del germinador de esporas. Una vez el microorganismo se encuentra en el fermentador se inicia la producción de ácido cítrico.

Las columnas de burbujas consisten en recipientes cilíndricos, con altura superior al doble del diámetro. Aparte del difusor para la inyección del aire comprimido, los reactores de columna de burbujas no presentan estructuras internas. Las ventajas de las columnas de

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burbujas incluyen los bajos costos de capital, ausencia de parte móviles, y un adecuado rendimiento de transferencia de materia y de la transmisión de calor.

Purificación

El ácido cítrico debe ser separado del micelio, 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. Finalmente pasa por celdas de carbón activado.

Recuperación del ácido cítrico

Una vez purificado el ácido cítrico, este prosigue a una un proceso de cristalización y secado. En el tanque de la cristalización la mayoría del agua es evaporada, entonces la solución es enfriada y el ácido cítrico se cristaliza. El agua evaporada se condensa y los cristales de ácido cítrico son separados y lavados en el filtro rotatorio de vacío; el licor madre es reciclado al tanque de cristalización para aumentar el rendimiento de la recuperación. Una parte del licor madre se purga para evitar la acumulación de substancias indeseables como glucosa, acido grasos, sodio, cloruros, el ácido cítrico tiene que ser evaporado para obtener un rendimiento alto de la concentración deseada para el producto. En el secado se recupera ácido cítrico monohidratado, que ha sido pasado por el secador, usando aire precalentado. Finalmente el producto obtenido es empacado.

Proceso mediante LevadurasLa propagación de las levaduras (Sacharomyces cerevisiae y Candida glabrata) es un proceso mediante el cual se convierte el oxígeno y el azúcar en biomasa y energía a través del ciclo de Krebs y la ruta de la glucolisis, este proceso es conocido como metabolismo oxidativo.

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Dentro de las reacciones aerobias para la degradación de los azúcares se encuentra el ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs, el cual se constituye en la ruta oxidativa central de la respiración, pues a través de esta, se catabolizan todos los combustibles metabólicos (carbohidratos, lípidos y proteínas) en los organismos y tejidos aerobios. La reacción global de glucólisis es la siguiente:

Glucosa+2 ADP+2 Piruvato+2NAD→2Piruvato+2 ATP+2NADH+2H+¿+2H 2O ¿

Esta importante vía metabólica para la degradación de hexosas es realizada por la levadura tanto en la etapa de reproducción como en la etapa de fermentación para la producción de etanol a partir de sustratos azucarados. En condiciones de aireación (presencia de oxígeno en el medio), después de la generación del piruvato a través de glucólisis al interior de la mitocondria de la levadura, el microorganismo inicia su proceso de respiración, la cual se realiza en tres etapas:

1) El piruvato, por acción del complejo piruvato deshidrogenada, es oxidado a Acetil-coA.

2) en el ciclo del ácido cítrico, la oxidación del carbono produce CO2, transportadores electrónicos reducidos y una pequeña cantidad de ATP.

3) los transportadores electrónicos reducidos se reoxidan, aportando energía para la síntesis de mas ATP.

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ACIDO LÁCTICO

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Introducción

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El ácido láctico fue descubierto en 1780 por el químico sueco Scheele, quien lo aisló de leche agria, fue reconocido como producto de fermentación por Blonodeaur en 1847 y tan solo en 1881, Littlelon inicia la fermentación a escala industrial. Es un compuesto muy versátil utilizado en la industria química, farmacéutica, de alimentos y de plásticos

Existen dos isómeros ópticos, el D (-), láctico y el L (+) láctico y una forma racémica constituida por fracciones equimolares de las formas D (-) y L (+). A diferencia del isómero D (-), la configuración L (+) es metabolizada por el organismo humano.

Ambas formas isoméricas del ácido láctico pueden ser polimerizadas y se pueden producir polímeros con diferentes propiedades dependiendo de la composición.

PropiedadesFórmula C3H6O3

Peso molecular 90,08

Índice de refracción 1,4414

Punto de fusión L(+) y D(-) 52,8 a 54 ºC

Punto de ebullición 125-140 ºC

Gravedad específica 1206

Calor de combustión 3616 cal/g

Viscosidad 40,33 mNsm-2

Densidad 1,249

Constante dieléctrica 22ε

Usos y especificaciones.

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El ácido láctico y sus derivados como sales y ésteres son ampliamente utilizados en la industria alimenticia, química, farmacéuticas, del plástico, textil, la agricultura, alimentación animal entre otros.

En la industria alimenticia se usa como acidulante y conservante. Las industrias químicas lo utilizan como solubilizador y como agente controlador de pH. En la producción de pinturas y resinas, puede ser utilizado como solvente biodegradable. En la industria de plásticos es utilizado como precursor del ácido poliláctico (PLA), un polímero biodegradable con interesantes usos en la industria y la medicina; se considera ésta la principal aplicación del ácido y la causa por la cual a aumentado considerablemente su demanda.

Compuestos químicos derivados. Por su volumen de producción, el principal derivado del ácido láctico es el polímero biodegradable PLA, que es sintetizado mediante un proceso de polimerización por apertura de anillo del dímero del ácido (denominado lactida). Un segundo derivado de importancia creciente es el lactato de etilo, que posee unas excelentes propiedades como disolvente. Se sintetiza mediante esterificación del ácido o de su dímero (lactida) con etanol y, dado el origen biológico de sus dos precursores, su carácter biodegradable y su reducida toxicidad, se le suele encuadrar dentro del apelativo de “disolvente verde”. Finalmente habría otros dos derivados de especial interés: el ácido acrílico y el propilénglicol. El ácido acrílico se puede obtener mediante deshidratación catalítica del ácido láctico, y el propilénglicol a través de una reacción de hidrogenación del derivado esterificado del ácido.

Potencial de sustitución. El principal interés del ácido láctico viene de su utilización en la síntesis del polímero biodegradable PLA, que por sus propiedades es un buen sustituto en determinadas aplicaciones de los polímeros polietilén tereftalato (PET), poliestireno (PS) o polipropileno (PP), obtenidos a partir de recursos fósiles. También hay que mencionar el gran potencial de sustitución del lactato de etilo hacia numerosos disolventes derivados del petróleo, incluyendo la mayoría de los disolventes halogenados, metiletilcetona y tolueno. En cuanto a la sustitución de ácido acrílico y propilénglicol obtenidos de materias primas fósiles por sus equivalentes derivados del ácido láctico, indicar que se trata de una posibilidad interesante, pero que aún necesita de un desarrollo más importante para mejorar los procesos de conversión

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Producción industrialEl ácido láctico puede ser obtenido por vía química o biotecnológica. La producción química, está basada en la reacción de acetaldehído con ácido cianhídrico (HCN) para dar lactonitrilo, el cual puede ser hidrolizado a ácido láctico; otro tipo de reacción se basa en la reacción a alta presión de acetaldehído con monóxido de carbono y agua en presencia de ácido sulfúrico como catalizador. La síntesis química tiene la desventaja que el ácido láctico producido es una mezcla de D y L ácido láctico ópticamente inactivo, por lo cual el 90% del ácido láctico producido en el mundo es elaborado por vía biotecnológica.

La producción biotecnológica está basada en la fermentación de sustratos ricos en carbohidratos por bacterias u hongos y tiene la ventaja de formar enantiómeros D (-) o L (+), ópticamente activos. La producción biotecnológica depende del tipo de microorganismo utilizado, la inmovilización o recirculación del microorganismo, el pH, la temperatura, la fuente de carbono, la fuente de nitrógeno, el modo de fermentación empleado y la formación de subproductos.

Las bacterias que pueden utilizarse para la producción de ácido láctico son Cocos y Bacilos Gram positivos, anaerobios facultativos, no esporulados, inmóviles y catalasa negativo, pertenecientes a los géneros Lactobacillus, Carnobacterium, Leuconostc, Tetragenococus, etc.

Las bacterias del ácido láctico (LAB) tienen requerimientos nutricionales complejos debido a su limitada habilidad para sintetizar aminoácidos y vitamina B. La mayoría de LAB producen únicamente una forma isomérica de ácido láctico. Las especies de los géneros Aerococcus, Carnobacterium, producen únicamente isómeros L, mientras las especies del género Leuconostc producen únicamente isómeros D. Sin embargo, algunas LAB producen formas racémicas donde el isómero predominante depende de cambios en la aireación, cantidad de NaCl, tipo de fermentación, incrementos en el pH y concentración de sustrato.

Acorde con los productos finales de la fermentación de los hidratos de carbono las LAB se dividen en homofermentativas y heterofermentativas. En el metabolismo homofermentativo, se produce predominantemente ácido láctico y las bacterias usan la hexosa. Algunas de las bacterias que tienen este metabolismo son delbruekii, helveticus, etc. La estequiometría clásica de la fermentación homoláctica es la siguiente:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi 2CH3-CHOH-COOH + 2 ATP

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En la fermentación heteroláctica hay formación de xilulosa-5 fosfato por el sistema de la glucosa-6 fosfato deshidrogenada. La estequimetría heteroláctica a partir de glucosa es la siguiente:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi CH3-CHOH-COOH + CH3CH2OH+CO2+ 2ATP

Existen dos tipos de fermentación ácido láctica: homoláctica y heteroláctica. La fermentación homoláctica produce predominantemente ácido láctico, mientras que la fermentación heteroláctica produce, además de este compuesto, también grandes cantidades de otros productos, tales como ácido acético, etanol, ácido fórmico y dióxido de carbono. El que se produzca un tipo u otro de fermentación viene determinado por diferentes factores, entre los que se incluyen el microorganismo seleccionado y las condiciones de cultivo (pH, presencia de O2, nutrientes).

El ácido láctico es producido en condiciones de limitación de oxígeno a partir del ácido pirúvico generado durante el metabolismo de los carbohidratos mediante reacción catalizada por la enzima lactato deshidrogenasa

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El ácido láctico además puede ser producido en mayor o menor proporción por bacterias que no suelen incluirse en el grupo láctico, tal es el caso de Bifidobacterium, algunas especies de Bacillus, Clostridium, etc.

De las LAB, Lactobacillus delbrueckii es el microorganismo más utilizado en la producción a gran escala de ácido láctico, ya que tiene la ventaja de producir únicamente isómeros L (+), consumir eficientemente glucosa y ser un microorganismo termófilo con temperatura óptima de crecimiento 41.5ºC, lo que reduce costes de enfriamiento y esterilización, así como riesgos de contaminación microbiológica en el fermentador. Este microorganismo crece bien a un pH entre 5,5 y 6,5 por lo que el ácido producido debe ser continuamente neutralizado.

Los hongos utilizados en la producción de ácido láctico son mohos y levaduras que pertenecen a los géneros Rhizopus, Zymomonas, Saccharomyces. Desde finales de los años 80, se ha venido estudiando ampliamente Rhizopus oryzae para la producción biotecnológica de ácido láctico ya que presenta la ventaja de que no requiere fuente de nitrógeno orgánico para su crecimiento, tiene la habilidad de producir directamente grandes cantidades de L (+) ácido láctico de almidón y es fácilmente separado del medio de fermentación en el proceso de recuperación y purificación. Sin embargo la dificultad que presenta la producción de ácido láctico con moho es su forma física ya que el gran tamaño de los micelios o sus agregados puede provocar un aumento en la viscosidad del medio de fermentación lo que causa un alto incremento en la demanda de oxígeno y resistencia a la transferencia de masa en el proceso fermentativo, lo que a su vez aumenta los tiempos de fermentación, aumenta los subproductos formados especialmente etanol, y disminuye los rendimientos en conversión.

En la producción biotecnológica de ácido láctico con bacterias o con hongos, se utilizan como sustratos, sacarosa proveniente de la caña de azúcar y de la remolacha azucarera, pero debido a que el azúcar puro es de alto coste se han venido investigando otros sustratos (desechos agrícolas) para disminuir los costes de producción. Sin embargo la producción de ácido láctico de estas fuentes renovables requiere de los siguientes pasos:

1) Hidrólisis del sustrato hasta azúcares fermentables.

2) Fermentación de azúcares a ácido láctico.

3) Separación de biomasa y partículas sólidas del medio de fermentación.

4) Purificación del ácido láctico obtenido.

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En la obtención comercial con bacterias lácticas, al sustrato puro se le adiciona una fuente de vitaminas y de cofactores, se utiliza una mezcla de 10 a 15% de glucosa, cantidades menores de fosfato de amonio, extracto de levadura y 10% neutralizante. El medio se inocula y se agita sin aireación para optimizar la neutralización del ácido formado. La fermentación dura entre 2 a 4 días y se termina cuando todo el azúcar es consumido, con el fin de facilitar la purificación. Al final de la fermentación el medio es ajustado a pH 10 y si se utiliza carbonato de calcio, el medio es calentado para solubilizar el lactato de calcio y coagular proteínas presentes. Posteriormente el medio se filtra para eliminar sustancias insolubles, así como biomasa. El ácido libre se obtiene por adición de ácido sulfúrico seguido de filtración para eliminar el sulfato de calcio formado. El ácido láctico es entonces concentrado por evaporación.

Debido a que el tipo de fermentación descrito ( en discontinuo) está limitado por el daño que sufren las células por la acumulación en el medio de fermentación de la forma no disociada del ácido, se han investigado otros modos de fermentación como son la fermentación en discontinuo con alimentación intermitente y la fermentación en continuo y se han desarrollado una serie de procesos basados en la eliminación del producto por filtración y concentración de las células usando una unidad de retención. La fermentación en discontinuo con alimentación intermitente es un proceso en el cual el birreactor es alimentado de continua o secuencialmente con sustrato, sin la eliminación del medio de fermentación, mientras que la fermentación en continuo la corriente de producto posee la misma composición que el líquido presente en el reactor. La fermentación en continuo da en la mayoría de los casos mayores concentraciones y mayores rendimientos, comparado con la fermentación en discontinuo.

Recuperación y purificaciónLa separación, purificación y preconcentración del ácido láctico obtenido de los medios de fermentación es difícil debido a la alta afinidad del ácido por el agua y a su baja volatilidad. En la mayoría de los procesos, el ácido láctico es recuperado bajo la forma de lactato de calcio, y los tratamientos posteriores van a depender de la pureza deseada e incluyen: tratamiento con carbón activo, purificación con resinas de intercambio iónico, extracción con solventes o esterificación con metanol seguido por destilación e hidrólisis.

Sin embargo, con el fin de limpiar los residuos generados en el proceso, se han desarrollado otros métodos de recuperación y purificación que incluyen clarificación de medios de fermentación por microfiltración con flujo cruzado, tratamientos con resinas, entre otras.

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Comparado con técnicas de adsorción, precipitación o filtración por membranas, el método de extracción por solventes con componentes organofosforados, aminas terciarias o amonios cuaternarios, es más selectivo y favorece la eficacia del proceso y la pureza del producto obtenido. Sin embargo los solventes orgánicos plantean dos problemas: son tóxicos para los microorganismos y el pH óptimo de la extracción y de la fermentación no coinciden, por lo que se ha propuesto el uso de membranas poliméricas de Triacetato de celulosa con sales de amonio cuaternario como fase móvil y o-nitrofeniloctil éter como plastificante, para la separación in situ de ácido láctico.

En cuanto a la electrodiálisis, es un proceso que ha sido diseñado para separar, purificar y concentrar sales de ácidos de medios de fermentación. El método permite separar el ácido a medida que se produce, eliminando la necesidad de agregar agentes neutralizantes. La concentración de ácido en el medio de cultivo por este sistema permanece en niveles muy bajos, por lo cual se ha evaluado una modificación al mismo que emplea la electodiálisis periódica acoplada a un sistema de control de pH, lo que hace que se aumente la concentración de lactato en el medio y se disminuyan los tiempos de fermentación. Con este método de fermentación se aumenta la productividad 1,5 veces respecto a la electrodiálisis convencional.

La electrodiálisis puede además utilizarse después de la fermentación tipo batch y más recientemente se han propuestos sistemas en continuo que tienen la ventaja de mantener constante el volumen del medio de fermentación y de disminuir las pérdidas de glucosa en la solución recuperada, por este método se logra obtener 19,5 veces más ácido láctico que con la electrodiálisis convencional y 9,7 veces más ácido láctico comparado con la electrodiálisis intermitente.

A pesar de todos estos avances la mayoría de industrias productoras de ácido láctico emplean aún los procesos de precipitación para la purificación de ácido láctico, lo cual genera una tonelada de yeso por cada tonelada de ácido láctico producido que se desecha al ambiente como residuo.

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ConclusiónEn el presente trabajo se presentó un proceso de alto grado de importancia tanto por su aplicación en la polimerización como en la industria conservera y alimenticia ya que el ciclo de Krebs es un ciclo metabólico de importancia fundamental en todas las células que utilizan oxígeno durante el proceso de respiración celular.

Este ciclo proporciona muchos precursores para la producción de algunos aminoácidos, así como otras moléculas fundamentales para la célula.

También se observó la gran importancia de microorganismos en la industria por ser una fuente de alto rendimiento si se tienen las condiciones adecuadas.

Debe contemplarse la posibilidad de manipulación genética para la optimización de los procesos industriales y así mejorar la productividad sustentable.

En cuanto a la información, se han consultado fuentes actuales, el proceso se ha descripto de manera simple, pero podría ser extendido para actualizarlo.

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Diseño de experimentos.

Para optimizar la composición de los medios de cultivo para las cepas utilizadas en la producción del ácido cítrico y ácido láctico, aplicamos la metodología de Taguchi.

Para ello elegimos 4 ingredientes principales y dos niveles de agregados para cada uno de ellos.

1. Ácido cítrico (Aspergillus niger).

Composición de referencia Valor mínimo Valor máximoSacarosa 190 [g/l] 190 190Dihidrogeno fosfato potasico 1 [g/l] 0,8 1,2Sulfato de manganeso 0,3 [g/l] 0,24 0,36nitrato de amonio 2,3 [g/l] 1,84 2,76PH 2 - 1,6 2,4Temperatura 121 °C 121 121

2. Ácido Láctico (Lactobacillus plantarum)

Composición de referencia Valor mínimo Valor máximoGlucosa 70 [g/l] 70 70Extracto de levadura 12,1 [g/l] 9,68 14,52dihidrógenofosfato de potasio 1,2 [g/l] 0,96 1,44Fosfato diamonico 1,2 [g/l] 0,96 1,44Citrato de amonio 3 [g/l] 2,4 3,6Sulfato de magnesio heptahidratado 0,3 [g/l] 0,3 0,3Sulfato de manganeso tetrahidratado 0,03 [g/l] 0,03 0,03PH 5,8 - 5,8 5,8Temperatura 35 °C 35 35

Bibliografía

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Lehninger, cap. 14; Mathews.- cap. 14; Stryer.- cap. 17; Voet.-cap. 16. http://www.eis.uva.es/~biopolimeros/alberto/acido_lactico.htm (Austin, G. 1983, Carvajal, F. y Rojas, C. 1993). CITRIC ACID BIOTECHNOLOGY B.IORN KRISTIANSEN-MICHAEL MATTEY-JOAN

LINDEN.2002 W. Crueger and A. Crueger, (1984). Biotechnology: A textbook of industrial

microbiology. Soccol, C. R., Vandenberghe L. P. S., Rodrigues C y Pandey A. New Perspectives for

Citric Acid Production and Apllication. 2006. • Jagnow G. y Dawid W. Biotecnología. Introducción con experimentos modelo. 1991. • Bulock J. y Kristiansen B. Biotecnología Básica. 1991.

Production of citric acid whit Aspergillus niger NRRL 2270 from milk whey. Magnuson,J.K. y Lasure, L.L. Organic acid production by filamentous fungi.2004. •

Tracz, J.S., Lange, L. Advances in fungal biotechnology for industry, agriculture and medicine.

wwwteere.energy.gov/biomass/pdfs/35523.pdf http://www.quimicatecnica.com.co/documentos/ACIDO_C1TRICO.pdf http://www.comercialfox.com/Fichas%20Tecnicas/Acido%20Citrico/Ficha_Tecnica_Aci do_Citrico.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Krebs http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Citric_acid_cycle_with_aconitate_2-

es.svg http://www.ciclodekrebs.com/ http://www2.uah.es/tejedor_bio/bioquimica_Farmacia/R-T20-ciclokrebs-11.pdf

26

http://www2.uah.es/tejedor_bio/bioquimica_Farmacia/R-T20-ciclokrebs-11.pdf

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Citric_acid_cycle_with_aconitate_2-es.svg

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Citric_acid_cycle_with_aconitate_2-es.svg

http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Krebs

http://www.eis.uva.es/~biopolimeros/alberto/acido_lactico.htm

a 03 Ácidos

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