procesos de obtencion del vinagre estado del arte
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Obtención de VinagreTRANSCRIPT
PROCESOS DE OBTENCION DE ACIDO ACETICO
WILLIAMFLECHAS
DAVID OCAMPO
ANGIE VANESSA VARON
JORGEVILLAMARIN
SERVICIO NACIONAL DE APRENDIZAJE (SENA) CENTRO DE GESTIONINDUSTRIAL
QUIMICA APLICADA A LA INDUSTRIA
ASEGURAR VARIABLES
FICHA 750878
GRUPO 4
BOGOTA DC 2015
PROCESOS DE OBTENCION DE ACIDO ACETICO
WILLIAMFLECHAS
DAVID OCAMPO
ANGIE VANESSAVARON
JORGEVILLAMARIN
TRABAJO SOPORTE DEL PROYECTO DE FORMACIÓN–CGI
LAURA AVENDAÑO GONZALEZ
SERVICIO NACIONAL DE APRENDIZAJE (SENA)
CENTRO DE GESTION INDUSTRIAL
QUIMICA APLICADA A LA INDUSTRIA
ASEGURAR VARIABLES
FICHA 750878
GRUPO 4
BOGOTA DC 2015
2
CONTENIDO
RESUMEN 4
INTRODUCCION 4
1. PROCESOS DE OBTENCION DEL VINAGRE 5
1.1 METODO ORLEANS 5
1.2 METODO PASTEUR 6
1.3 METODOS RAPIDOS 6
1.4 METODO ALEMAN 8
1.5 METODO SUMERGIDO 9
1.5.1 DESCRPCION DEL PROCESO 10
1.5.1.1 PREPARACION DE LA FRUTA 11
1.5.1.2 TRATAMIENTO TERMICO 11
1.5.1.3 INOCULACION 11
1.5.1.4 FERMENTACION ALCOHOLICA 11
1.5.1.5 ELIMINACION DE LA LEVADURA 12
1.5.1.6 FERMENTACION ACETICA 13
1.5.1.7 PASTEURIZACION 15
2. METODOS QUIMICOS 16
2.1 CARBONILACION DE METANOL 16
2.2 OXIDACION CATALITICA DE ALCANOS 18
2.3 OXIDACION CATALITICA DE ACETALDEHIDO 18
3. COMPARION METOSO DE OBTENCION ACIDO ACETICO 19
4. CONCLUSION 20
5. BIBLIOGRAFIA 20
3
4
RESUMEN
Este trabajo expone los diferentes métodos de producción de acido acético, desde
los primeros procesos de producción hasta los métodos modernos por vía
química y por fermentación de materias primas ricas en carbohidratos; mostrando
las características de cada uno de los procesos así como la comparación entre los
métodos mencionados.
ABSTRACT
This work show the different production methods of acetic acid; from first
production process to modern methods by the chemical way and fermentation of
rich carbohydrates materials; showing the characteristics of the process, as well as
the comparison between the mentioned methods.
INTRODUCCION
Con el pasar de los años la obtención de vinagre por fermentación ha
evolucionado progresivamente desde los métodos clásicos con macerados en
reposo o en movimiento caracterizados por su bajo rendimiento y lentitud hasta las
técnicas actuales de cultivo sumergido que proporcionan mayores rendimientos
en acido pero necesitan el aporte de aire suficiente para mantener la flora
bacteriana responsable de dicha transformación, dicho aporte de aire provoca el
arrastre de componentes volátiles por esta corriente lo cual trae como
consecuencia perdidas por evaporación, problemas que la ruta química de
obtención de acido acético no presenta debido a que emplea procesos eficientes
pero que como desventaja frente al proceso fermentativo es que no son de para
consumo humano.
5
1. PROCESOS DE OBTENCION DEL VINAGRE
1.1 Método Orleans
El sistema conocido como superficial o estacionario, consistía en favorecer la
transformación del vino en vinagre: el contacto con el aire de una fina capa
grasienta (velo) que se mantenía en la superficie del vino, procurando que no
cayera al fondo del barril al renovar parcialmente el contenido. Por tanto, se
disponían barriles medio llenos de vino que se dejaban acetificar o se mezclaban
con vinagre turbio para acelerar el proceso.
Las instalaciones consisten en baterías de barricas de 200-250 litros de
capacidad, colocados tumbados en filas superpuestas. Las barricas, provistas de 2
agujeros de aproximadamente 5 cm en cada extremo de los fondos del barril y por
encima del centro del mismo, que se rellenan con estopa para evitar la entrada de
las moscas del vinagre pero dejando pasar aire. Un tubo que penetra casi hasta el
fondo del líquido permitiría renovar el sustrato sin alterar el velo bacteriano.
El líquido a acetificar es una mezcla de vino de bajo grado alcohólico con un 20 %
de vinagre turbio. Colocado un tercio de la capacidad del barril de esta mezcla o
de buen vinagre nuevo, se añade después 10 a 15 litros de vino cada semana,
durante un mes. A la semana siguiente se saca el mismo volumen (10-15 litros) de
vinagre y se reemplaza por vino nuevo. Se repite la operación semanal de manera
continua.
En vez de dejar estos barriles al aire libre se almacenaban en recintos o bodegas
cuya temperatura se mantenía alta en invierno, al comprobar que a mayor
temperatura ambiente la acetificación se producía con más rapidez.
6
Los rendimientos de la transformación de etanol a acético eran bajos y el proceso
lento. Entre los inconvenientes de este sistema, se cuenta la proliferación de
bacterias productoras de celulosa o consumidoras de ácido acético (1).
1.2 MÉTODO PASTEUR
A raíz de sus estudios y comprendiendo que la transformación del alcohol requiere
gran cantidad de oxígeno y es en consecuencia un “fenómeno de superficie”,
Pasteur propuso una patente en la que revela «el secreto de una buena
fabricación» que consistió en una mejora del proceso de elaboración.
Describe una instalación modelo, construida por una cuba o tina con un metro
cuadrado de superficie en la que pone una capa de vino, cerveza o sidra de
aproximadamente 20 cm de espesor o sea 50-100 litros de líquido. En la superficie
se siembran las bacterias y se tapa dejando algunas aberturas para la entrada del
aire. Por debajo de la película de bacterias una tapa flotante a la que se adhieren
los microorganismos, impide que se sumerjan en el líquido durante las
operaciones de extraer y agregar líquido (1).
1.3 MÉTODOS “RÁPIDOS”
Usando virutas de haya como relleno en un recipiente cilíndrico (figura 1), con un
falso fondo y, provisto de agujeros por debajo de éste, para la aireación necesaria
para el proceso. El falso fondo permitía recoger el líquido y volverlo a echar por la
parte superior todas las veces necesarias hasta alcanzar el grado acético
deseado.
La mezcla de vino y vinagre cae recorriendo los intersticios de las virutas, mientras
que el aire que penetra por los orificios del recipiente tiende a subir, al calentarse
por la energía que se desprende en el proceso de acetificación. Este proceso, era
más rápido que el de Orleans y se usaba, sobre todo, para hacer vinagre de
alcohol.
7
Se procuró la mejor distribución del líquido cayendo sobre la parte superior, así
como variando el tipo de relleno (carbón, trozos de cerámica, distintas clases de
madera y de otros materiales) con objeto de abaratar la construcción o mejorar la
distribución de aire. En general, las virutas de haya fueron las más usadas como
relleno y se han mantenido en uso ininterrumpidamente, en generadores de
vinagre incluso sin renovarlas durante más de 30 años.
Uno de los principales inconvenientes de este sistema de fabricación, era la
acumulación sobre las virutas de bacterias muertas, por falta de aireación o
bruscos aumentos de temperatura, en algunas zonas del generador, así como el
desarrollo de bacterias productores de celulosa, que impedían la buena circulación
del aire reduciendo de hecho la capacidad del generador, alargando por ello el
proceso al aumentar el número de veces que era preciso pasar el líquido a
acetificar a través del relleno, etc. Por otra parte la infección de anguílulas era
imposible de combatir una vez que se habían desarrollado en el interior de un
generador de relleno.
A estos inconvenientes hay que sumar los aumentos de temperatura difícilmente
controlables, las pérdidas de alcohol por evaporación en la corriente ascendente
de aire caliente, que sobre todo en zonas cálidas, rebajaban notablemente los
rendimientos (hasta valores del 60 %) en la fabricación industrial de vinagre (1).
8
Figura 1: acetificador de relleno.
1.4 MÉTODO ALEMÁN (EN CIRCULACIÓN O DE GOTEO)
Los equipos se construían en madera disponiendo de sistemas de refrigeración
para regular la temperatura interna del depósito por debajo de 35º C y
suministrando aire continuamente a través de las entradas distribuidas un poco
por encima, del falso fondo. Finalmente un dispositivo de aspersión lanzaba
circularmente desde lo alto del generador el líquido en fase de acetificación cuya
temperatura se había reducido convenientemente por medio de un cambiador de
calor (figura 2)
Estas mejoras condujeron a los primitivos modelos Frings, con aire forzado en
contracorriente y control de la temperatura. El proceso semicontinuo aumentaba la
rapidez y los rendimientos, logrando vinagre de mayor concentración en ácido
acético. El relleno se normalizó y en vez de materiales como sarmientos, trozos
pequeños de carbón o cerámica, se utilizaron virutas de haya de determinado
tamaño.
En la fabricación se establecieron tres factores a controlar: velocidad de paso del
vino a través del relleno, velocidad de circulación del agua de refrigeración, así
como cantidad de aire insuflada al interior, lo que unido al análisis del consumo de
etanol, para no prolongar la operación cuando restan de 0,3 a 0,5 grados
alcohólicos, era cuanto se necesitaba para un buen funcionamiento.
El ciclo completo exige un tiempo de 7-9 días, un generador de 500 Hl de
capacidad produce 90-100 Hl de vinagre de 7-8º a la semana. Construidos en
9
madera son grandes barricas de cerca de 700 Hl de volumen total, apoyados
sobre un basamento de hormigón de 50-60 cm de altura.
Las desventajas de la obtención de vinagre por este método son:
Bajos rendimiento, no mayores al 80% con relación al etanol de
alimentación al proceso.
La película bacteriana no se repartía homogéneamente sobre el relleno del
acetificador impidiendo el control sobre el proceso de acetificación.
Figura 2: acetificador proceso alemán o de goteo.
Es de anotar que actualmente estos métodos están en desuso y solo se usan de
forma artesanal (1).
1.5 MÉTODO SUMERGIDO
El uso del método de la acetificación sumergida para producir vinagre, se inicio en
los años cuarentas del siglo XX; el primer equipo comercial fue descrito en 1952.
La fermentación se lleva a cabo en un tanque con un agitador que gira a alta
velocidad, un compresor que suministra oxigeno y un serpentín de enfriamiento. El
éxito de este método de producción de vinagre depende de la disponibilidad de
oxigeno que tengan las bacterias; por eso, deben existir unos sistemas adecuados
10
de suministro de aire al tanque y de su distribución posterior (agitación).
Con esta técnica el proceso es muy rápido, y se logra rendimientos del 95 al 98%
respecto del valor teórico. Además, se obtiene un producto de una calidad
uniforme. Sin embargo, se consume gran cantidad de electricidad en comparación
con otros métodos (por ejemplo, el de Orleans) y requiere una alta inversión inicial
en la adquisición del equipo.
Para llevar a cabo la acetificación sumergida, existen dos configuraciones
mecánicas del fermentador, según el sistema de aireación usando: el
acetificador y el cavitador.
Las ventajas de la obtención de vinagre en acetificadores sin relleno, en cultivo
sumergido, son muchas. Son más altos los rendimientos de la transformación del
alcohol en acético (hasta el 94 %), mayor la velocidad a que se desarrolla el
proceso (25-30 horas) así como la uniformidad del producto y sobre todo, se
puede lograr la acetificación de iguales volúmenes de alcohol en mucho menor
volumen de instalación, con el consiguiente ahorro de espacio, pudiendo trabajar
con dispositivos automáticos que no sólo regulen el control de la temperatura y de
la aireación, sino también los ciclos de carga y descarga. Con el método
sumergido la fermentación se puede realizar de forma semicontinua y continua;
obteniendo vinagres con una concentración de acido acético hasta de 12 a 15 %.
1.5.1 DESCRIPCION DEL PROCESO
La elaboración del vinagre se puede dividir en dos etapas esenciales (figura 4):
Fermentación alcohólica donde la materia prima rica en azucares se
transforman en alcohol etílico.
La fermentación acética donde el alcohol producido durante la fermentación
alcohólica se transforma en acido acético.
11
1.5.1.1 PREPARACION DE LA FRUTA
La fruta se lava para eliminar la mayor cantidad de materia extraña y disminuir la
carga microbiana inicial. Luego, si es necesario, se pela, se trocea y se despulpa
(en esta operación se separan las fibras y semillas de las frutas) para aumentar la
superficie de contacto entre los microorganismos y la fuente de nutrimentos (1).
1.5.1.2 TRATAMIENTO TERMICO
Es importante someter el jugo de la fruta a un tratamiento térmico que disminuya
tanto parte de la carga inicial de microorganismos, que no se eliminaron con el
lavado, como la carga que ha ido adquiriendo durante el manejo de la fruta. Un
tratamiento térmico recomendado, es calentar a una temperatura entre los 85 y
90°C durante 8 minutos. La mezcla se deja enfriar a temperatura ambiente antes
de inocularla con microorganismos (1).
1.5.1.3 INOCULACION
La inoculación se lleva a cabo a temperatura ambiente con una solución de
levaduras, de concentración 0,1% p/v. La levadura más utilizada
es Saccharomyces cerevisiae, aunque también se emplean Torulopsis,
Kloeckera y Candida (1).
1.5.1.4 FERMENTACION ALCOHOLICA
La presencia de aire al inicio del proceso es fundamental para que las levaduras
inoculadas se reproduzcan, utilizando el azúcar como fuente de energía y
carbono. Una vez alcanzada la cantidad deseada de levaduras, se debe disminuir
el contenido de oxigeno presente para que las levaduras obtenidas, a partir del
12
azúcar, produzcan la energía y las sustancias que su metabolismo requiere; entre
las sustancias que sintetizan, se encuentra el alcohol etílico.
Si el suministro de aire es excesivo, al final del proceso se tendría una gran
cantidad de levaduras, pero muy poco etanol.
En la práctica, la operación se lleva a cabo en recipientes cerrados que se llenan,
hasta dos terceras partes de su volumen, con el material por fermentar. De esta
forma, las levaduras utilizan el aire de la tercera parte del recipiente para su
reproducción, y luego, en condiciones anaerobias, convierten el azúcar en etanol y
dióxido de carbono.
Una vez iniciada la fermentación alcohólica y hasta que las levaduras hayan
convertido el azúcar en la cantidad de etanol esperada, es necesario prevenir,
mediante la restricción de aire, la producción de ácido acético, ya que ese
compuesto es perjudicial para las levaduras: si se acidifica el medio, gran cantidad
de ellas morirían y el rendimiento final del proceso seria bajo.
Al final de esta etapa, la concentración de etanol en el jugo alcohólico debe ser,
aproximadamente, del 10 al 13% v/v. Si es mayor, se pueden presentar problemas
en la fermentación acética, porque la cantidad de alcohol presente se oxidaría en
forma incompleta y, entonces, el vinagre tendría una cantidad de etanol mayor a la
permitida. Si la concentración de etanol es menor, existe la posibilidad de sobre
oxidación, es decir, la conversión del ácido acético en dióxido de carbono y agua.
Además del etanol, durante la fermentación alcohólica se producen otras
sustancias, tales como: la glicerina, el ácido succínico, algunos ácidos volátiles, el
acetaldehído, el ácido láctico y varios esteres, Todas ellas contribuyen al aroma y
el sabor típicos del vinagre (1).
1.5.1.5 ELIMINACION DE LA LEVADURA
Una vez llevado a cabo la fermentación alcohólica se eliminan las levaduras ya
sea por sedimentación o llevando a cabo filtración o centrifugación (1).
13
1.5.1.6 FERMENTACION ACETICA
La fermentación se lleva a cabo en un tanque con un agitador que gira a alta
velocidad, un compresor que suministra oxigeno y un serpentín de enfriamiento. El
éxito de este método de producción de vinagre depende de la disponibilidad de
oxigeno que tengan las bacterias; por eso, deben existir unos sistemas adecuados
de suministro de aire al tanque y de su distribución posterior (agitación).
Con esta técnica el proceso es muy rápido, y se logra rendimientos del 95 al 98%
respecto del valor teórico. Además, se obtiene un producto de una calidad
uniforme. Sin embargo, se consume gran cantidad de electricidad en comparación
con otros métodos (por ejemplo, el de Orleans) y requiere una alta inversión inicial
en la adquisición del equipo (1).
Para llevar a cabo la acetificación sumergida, existen dos configuraciones
mecánicas del fermentador, según el sistema de aireación usando: el
acetificador y el cavitador (que se encuentra actualmente en desuso).
El acetificador es un tanque que consta de los siguientes sistemas (figura 3):
bomba de alimentación.
bomba de descarga.
sistema de agitación.
sistema de enfriamiento (serpentín).
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Las bombas hacen ingresar el mosto dentro del tanque y descargan el vinagre. El
agitador gira a altas velocidades cerca de la boquilla del sistema de aireación para
dispensar las pequeñas burbujas de aire, con lo que se logra una buena
distribución de oxigeno. Por el serpentín circula agua fría para eliminar el calor
generado por la reacción de oxidación.
El acetificador en la actualidad, está totalmente automatizado: tiene controles de
aireación y medidores de ácido y alcohol, por medio de los cuales se determina si
se debe descargar el vinagre y alimentar el tanque con mosto fresco. El grado de
automatización del proceso hace que sea clasificado como semicontinuo (1).
Figura 3: acetificador moderno.
Dentro del método sumergido podemos encontrar dos variantes:
PROCESO EN DOS ETAPAS
Esta variación produce vinagres con una concentración de alta acidez, en una
primera etapa se alcanza una concentración de acido acético de al menos el 15%
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el alcohol es adicionado lentamente hasta alcanzar esta concentración, una vez
alcanzada esta acidez el vinagre es llevado a una segunda etapa de fermentación,
donde se completa la fermentación hasta el total consumo de alcohol. Por medio
de este método se alcanzan concentraciones de acido acético mayores al 20%, la
primera etapa de fermentación se lleva a una temperatura de 27 – 32 OC,
mientras la segunda etapa de fermentación se lleva a cabo a una temperatura de
18 – 24 OC (1).
ACETATOR FRINGS
Es un proceso de una sola etapa de fermentación acética, es el fermentador de
uso más común, se llevan a cabo fermentaciones con un rendimiento de 98% del
valor teórico y concentraciones de vinagre hasta de 10%, es un equipo totalmente
automatizado provisto de un alcohografo que descarga automáticamente el
fermentador una vez se haya consumido en su totalidad el alcohol, el ciclo de
fermentación es llevado a cabo en un tiempo de 24 – 48 horas (1).
1.5.1.7 PASTEURIZACION
Por último el vinagre obtenido en el proceso de fermentación acética se
pasteuriza ya que es para consumo humano (1).
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Figura 4: obtención de vinagre por fermentación
2. METODO QUIMICO DE PRODUCCION DE ACIDO ACETICO
Los métodos químicos de obtención de acido acético producen materias de alta
pureza que no son aptas para el consumo humano ya que estos métodos usan
materias primas que son en cierto grado toxicas y se encuentran en cierta
concentración en los productos obtenidos.
El acido acético obtenido se usa para producir otros derivados tal como el acetato
de etilo (disolvente), acetato de polivinilo (plásticos) entre otros.
Dentro de estos métodos podemos mencionar:
2.1 CARBONILACION DE METANOL
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El método químico de producción de acido acético se basa en la reacción de
carbonilacion de metanol:
CH3OH + CO → CH3COOH
Basf en el año de 1913 demostró la eficiencia de los metales del grupo VII como
catalizadores para la reacción de carbonilacion de metanol a una presión de 700
bar y 250 OC, usando como catalizador el ioduro de cobalto, la ventaja de este
método es que no depende de las fuentes basadas en el petróleo además de sus
bajos costos energéticos, las plantas más grandes de producción de acido acético
de este tipo tienen una capacidad de 45000 a 64000 ton/año (figura 5).
Además del proceso Basf encontramos el proceso desarrollado por Monsanto
(figura 6) a baja presión que utiliza catalizador de ioduro de rodio, que demostró
mas actividad y selectividad que el proceso que usa como catalizador cobalto, la
reacción se lleva acabo a 3 MPa y 180 OC obteniendo rendimientos del 99% con
respecto al metanol, las plantas de producción de este tipo en la actualidad tienen
una capacidad de 270000 ton/año (2).
Figura 5: proceso de producción BASF.
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Figura 6: proceso de producción Monsanto.
2.2 OXIDACION CATALÍTICA DE ALCANOS
La oxidación en fase liquida de alcanos (figura 7) es el principal competidor de la
tecnología de carbonilacion de metanol, las materias primas más usadas son el n
– butano y naftas ligeras además de aire y oxigeno, como catalizadores se usan
diversos metales como lo son el cromo, el manganeso, el cobalto y níquel, la
reacción se desarrolla entre 150 – 200 OC y a una presión de 5,6 MPa, plantas de
este tipo se encuentran en capacidades de 75000 a 250000 ton/año (2).
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Figura 7: oxidación catalítica de hidrocarburos saturados.
2.3 OXIDACION CATALÍTICA DE ACETALDEHIDO.
Otra de las rutas químicas que podemos encontrar es la oxidación de acetaldehído
(figura 8), la reacción se desarrolla a una temperatura entre 60 – 80 OC y una
presión de 0,3 – 1,0 MPa, obteniendo rendimientos del 90% (2).
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Figura 8: oxidación catalítica de acetaldehído a acido acético.
3. COMPARACION DE LOS METODOS DE OBTENCION DE ACIDO ACETICO
Los métodos de obtención de acido acético tanto por ruta química y fermentativa
difieren en varios aspectos entre los cuales podemos mencionar:
Materia prima: en los procesos de vía fermentativa la materia prima es de
origen biológico con alto contenido de carbohidratos, mientras que la ruta
química usa materias primas de origen no biológico.
Pureza del producto: los procesos químicos para la obtención de acido
acético están optimizados para obtener productos de una concentración
superior a la que se obtiene en el proceso vía fermentativa y con un
rendimiento del proceso superior.
Destino del producto: la diferencia principal entre la ruta química y la
fermentativa radica en que primera no es apta para el consumo humano en
ninguna de sus concentraciones; mientras que la segunda debido al origen
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de sus materias primas es apta para el consumo humano si no para su uso
posterior en otros procesos químicos.
4. CONCLUSION
Según la investigación realizada de los diferentes métodos de obtención de acido
acético podemos concluir que el método de obtención de acido acético por
fermentación de materias primas ricas en carbohidratos es el mejor para la
obtención de productos aptos para consumo humano; ya que las materias primas
usadas son de origen natural, mientras que la ruta química usa sustancias que
pueden resultar toxicas así como contener trazas de otras sustancias indeseables
haciéndolo no apto para consumo humano.
5. BIBLIOGRAFÍA
1. Hernández Peñaranda Alicia; Microbiología Industrial; La producción de
vinagres y vegetales fermentados; Costa Rica; Ed. Euned; pag158 – 163.
2. Ullmans enciclopedia of industrial chemistry; Ullman Fritz; Acetic Acid; 5th
ed.; california; ed. VCH; pág. 1-26.
3. Gómez; procesos industriales de acetificación; información tecnológica;
Cádiz - España (1996) pág. 109.
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