ácido acético

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INFORME PRÁCTICA DE LABORATORIO DE PROCESOS PRODUCCION DE ACIDO ACETICO Ingrid Camargo, Fabián Badillo, Paola Morales, Mayra Téllez

1. INTRODUCCIÓN Los libros sagrados de la antigüedad mencionan por primera vez en la historia el vinagre como conservante, lo que hace de la producción del ácido acético (C 2H4O2) por acción del hombre tan antigua como la humanidad misma. Los romanos y los griegos solían usar el vinagre como bebida refrescante y lo obtenían exponiendo el vino al medio ambiente por un tiempo prolongado. Sus campos de acción van desde la industria alimentaria hasta la de plásticos pasando por curtiembres, textiles, solventes entre otras. Los principales productores mundiales del mismo son: Estados Unidos, Europa Occidental Japón y Canadá. Es de interés para la química orgánica como reactivo, para la inorgánica como ligando y para la bioquímica como metabolito. Biológicamente se produce mediante fermentación acética de alcohol etílico por acción de Acetobacter en presencia de oxígeno. Sin embargo también existen procesos como la destilación seca de la madera (ácido piroleñoso) de donde se obtiene por extracción liquido-liquido. Otros procesos como la oxidación de acetaldehído con aire o la de butano (o hexano) en fase líquida, sin embargo estas generan subproductos considerables lo que permite

que la conversión global de los procesos sea baja. El ácido acético se usa como conservante, previniendo el crecimiento bacteriano o fúngico. aplicaciones muy comunes se dan muy ligadas a sus sales aniónicas como lo son el acetato de vinilo y el acetato de celulosa, ambos de interés industrial. Sin embargo la combinación catalítica de metanol y monóxido de carbono es hoy en día el procedimiento mayormente manejado en la producción de este acido orgánico.

2. OBJETIVOS General 

Producir ácido acético mediante la fermentación de alcohol etílico, que se obtiene previamente a partir de productos agrícolas que contienen azucares fermentables.

Específicos 



Estudiar la acción y comportamiento del microorganismo que interviene en el proceso de fermentación. Observar las variables que intervienen en el proceso y los efectos que produce la alteración de las mismas en la fermentación de alcohol etílico en ácido acético.

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

Analizar y caracterizar el producto final obtenido en términos de calidad y rendimiento del proceso, elaborando los balances pertinentes que permitan valorar el provecho de la metodología usada.

3. MARCO TEORICO 3.1 ÁCIDO ACÉTICO Éste es un ácido que se encuentra en el vinagre, siendo el principal responsable de su sabor y olor agrios. Su fórmula es CH3COOH (C2H4O2). Tabla 1. Propiedades fisicoquímicas del ácido acético 3.2 MÉTODOS DE OBTENCIÓN DEL ÁCIDO ACÉTICO 3.2.1 CARBONILACIÓN DEL METANOL

Grafica 1. Molécula de Ácido acético. Es producido por síntesis y por fermentación bacteriana. Hoy en día, la ruta biológica proporciona cerca del 10% de la producción mundial, pero sigue siendo importante en la producción del vinagre, dado que las leyes mundiales de pureza de alimentos estipulan que el vinagre para uso en alimentos debe ser de origen biológico. Cerca del 75% del ácido acético hecho en la industria química es preparada por carbonilación del metanol.

La carbonilación de metanol es un proceso exotérmico (DH = -138 kJ mol-1) Las condiciones típicas para una planta de carbonilación de metanol catalizada por [Rh(CO)2I2]- y CH3I son P = 30 bar, T= 180°C. En estas condiciones, la selectividad de la reacción, basada en el metanol, alcanza valores del 99% en Ácido acético. El medio de reacción es el ácido y el agua, esta última a una concentración aproximadamente 10 M. El agua es necesaria para mantener la estabilidad del sistema catalítico y también para producir velocidades de reacción aceptables.

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3.2.3 PROCESO DE ELABORACIÓN MÉTODO ORLEANS Gráfica 2. Reacción de Carbonilación en el proceso Monsato (con catalizadores de [Rh(CO)2I2]- y CH3I)

3.2.2 FERMENTACIÓN ACÉTICA En la forma de Vinagre, ha sido preparado por bacterias del género Acetobacter. En presencia de suficiente oxígeno, estas bacterias pueden producir vinagre a partir de una amplia variedad de alimentos alcohólicos. Algunos insumos comunes son la sidra, el vino, cereal fermentado, malta, arroz, o patatas. La reacción química general facilitada por estas bacterias es: 2 5  + 2  ⟶ 3  + 2 

Una solución diluida de alcohol, inoculada con Acetobacter y mantenida en un lugar cálido y aireado se hará vinagre en el transcurso de algunos meses. Los métodos industriales de preparación de vinagre aceleran este proceso al mejorar el suministro de oxígeno a las bacterias. Este tipo de fermentación se conoce como fermentación acética.

El método de Orleans es de los más antiguos. Se introduce vino de baja concentración de etanol al 20% de ácido acético. Este bioreactor es llenado en 2/3 y tiene tres orificios, el primero es para la observación de mosto, el segundo es una entrada de aire que se encuentra tapado con algodón para evitar la entrada de insectos. El tercer orificio contiene un embudo conectado a un tubo que llega casi hasta el fondo permitiendo renovar el sustrato sin alterar el velo bacteriano situado en la superficie. 3.2.4 OXIDACIÓN DEL ACETALDEHÍDO Previo a la comercialización del proceso Monsanto, la mayor parte de ácido acético era producido por oxidación del acetaldehído. Este permanece como el segundo método más importante de fabricación, aunque no es competitivo con la carbonilación del metanol. El acetaldehído puede ser producido por oxidación del butano o nafta ligera, o por hidratación del etileno. Cuando el butano o la nafta ligera son calentados con aire en la presencia de varios iones metálicos, incluyendo los de manganeso, cobalto y cromo; se forma el peróxido y luego se descompone para producir ácido acético según la ecuación química:

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Generalmente, la reacción se lleva a cabo en una combinación de temperatura y presión diseñadas para ser lo más caliente posibles mientras se mantiene al butano en fase líquida. Unas condiciones de reacción típicas son 150 °C and 55 atm. Se pueden formar subproductos, que incluyen a la butanona, acetato de etilo, ácido fórmico y ácido propiónico.  Estos subproductos también son de valor comercial, y las condiciones de reacción pueden ser modificadas para producir más de ellos si son económicamente útiles. Sin embargo, la separación de ácido acético de los subproductos agrega costo al proceso. Bajo condiciones similares, y usando catalizadores similares a los usados para la oxidación del butano, el acetaldehído puede ser oxidado por el oxígeno en el aire para producir ácido acético

Usando catalizadores modernos, esta reacción puede tener un rendimiento de ácido acético superior al 95%. Los principales subproductos son el acetato de etilo, ácido fórmico y formaldehído, todos ellos con un punto de ebullición menor que el del ácido acético, y se pueden separar fácilmente por destilación. 3.2.5 OXIDACIÓN DEL ETILENO El acetaldehído puede ser preparado a partir del etileno por medio del proceso Wacker, y

lala pero no se puede oxidar nunca el etileno tengalo en cuenta. Más recientemente se ha comercializado una conversión del etileno a ácido acético más barata y en una sola etapa por la compañía química Showa Denko,  que abrió una planta de oxidación de etileno en Ōita, Japón, en 1997.8 El proceso está catalizado por un catalizador metálico de paladio en un soporte de heteropoliácido, tal como el ácido tungstosilícico. Se cree que este método es competitivo con la carbonilación del metanol en plantas pequeñas (100 –250 kt/a), dependiendo del precio local del etileno. 3.2.6 MODELOS FRINGS En 1878, Heinrich Frings fundó en Aquisgrán una sociedad productora de vinagre, que más tarde, en 1950, incorpora las patentes de invención resultantes de la investigación del proceso de fermentación sumergida, alcanzando un alto grado de desarrollo. Nació así el Acetator Frings (Ver Ilustración), base de la biotecnología vinagrera actual. A partir de las investigaciones de Hromatka y Ebner (1949), en los años 40 fue construido el ACETATOR FRINGS que se mantiene funcionando, con algunas modificaciones, en gran parte de las industrias vinagreras actuales y en el que se elabora la mayor parte de la producción. En estos bioreactores se realizan procesos de acetificación en donde la bacteria acética es viable entre 2833ºC, pero la velocidad de fermentación varía en función de la temperatura.

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que las bacterias acéticas son sensibles a los contaminantes de este . 3.3 PURIFICACIÓN DEL MOSTO

Grafica 3. Acetator Frings La temperatura de la fermentación debe estar comprendida dentro del intervalo entre 30-31ºC (Ormaechea, 1991) que es la temperatura óptima para obtener un mayor rendimiento. Es obvio que la oxidación de etanol a ácido acético es una reacción exotérmica que puede producir alrededor de 8.4 MJ por cada litro de etanol que se oxida (Adams, 1985) elevando la temperatura del depósito. Por otra parte, cuando la temperatura es elevada aumentan las pérdidas de alcohol y productos volátiles y, en menor cuantía, de ácido acético, pero quizás lo más importante, es que puede ocurrir la parada del proceso por la muerte de bacterias. Un elevado suministro de aire puede causar el fenómeno de sobre oxidación y arrastre de los componentes volátiles y, por otro lado, su carencia puede paralizar la acetificación dado el carácter aerobio de las bacterias acéticas. Además de la cantidad de aire, se ha de tener en cuenta su calidad y pureza, ya

Para purificar el ácido acético se le realiza un proceso de filtración del mosto de fermentación. Con el tubo que se introduce el en tanque solo puede obtener el vinagre que se encuentra en la superficie sin interrumpir el ecosistema microbiano, haciendo que este se pueda reutilizar en un nuevo proceso fermentativo. También existen procesos de purificación con destilación, donde se puede concentrar el ácido acético. Los fenómenos de equilibrio liq-vapor hacen que muchos de los compuestos volátiles que se encuentran en la fermentación puedan estar en el destilado.

3.4 PROCESOS DE CUANTIFICACIÓN DEL ÁCIDO EN SOLUCIÓN Muchos de los Vinagres comerciales tienen un pH aproximadamente de 2.9, esto es debido al ácido acético. Para que una solución sea un vinagre tiene que provenir de una producción netamente biológica, esto quiere decir que el vinagre que se produce para la industria alimenticia proviene de un proceso de fermentación acética. La titulación es un método de cuantificación de la concentración de moles ácidas o básicas de una solución. Esta se puede calcular con la siguiente ecuación:

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 ∗   = 2  ∗ 2

La solución a medir contiene una concentración   y la concentración 2  es la concentración de la base que se utilice. Al ocurrir la reacción entre el hidróxido de sodio y el ácido acético, se produce, acetato de sodio y agua. Como indicador para corroborar si la reacción se ha llevado a cabo completamente, es decir se han neutralizado el ácido y la base, se utiliza comúnmente la fenolftaleína.







 + 3 2  ⟶ 3 2 + 2 

4. VARIABLES QUE INFLUYEN EN EL PROCESO 

 

 

5.

Temperatura y tiempo de la destilación. Tiempo de fermentación de las uvas. Tiempo de aireación para la fermentación acética. Cepa de uva empleada. pH del cultivo.







APLICACIONES   

 

Como condimento Se emplea en la fabricación de ésteres o esencias. Fijador de colores Disolvente





Materia prima en la obtención de acetona, acetatos, aspirina y otros derivados. En apicultura es utilizado para el control de las larvas y huevos de las polillas de la cera. En el revelado de fotografías en blanco y negro, era utilizado en una solución muy débil como baño de paro al sumergirse en él el material revelado, se neutralizaba la alcalinidad del baño revelador y se detenía el proceso; posteriormente el baño fijador eliminaba el resto de material no revelado. En la medicina es como tinte en las colposcopias para detectar la infección por virus de papiloma humano. Producción de acetato de sodio y como agente de extracción de antibióticos en industria medicinal. Por su acción desincrustante, el ácido acético es utilizado en el lavado químico de Equipos de Diálisis (en diluciones que van del 2,5% al 5% dependiendo de la recomendación del fabricante del Equipo). Como bactericida. Neutralizante y vehículo en los procesos de teñido en industria textil. Vehículo de tinción en industria del cuero. Como agente neutralizante y para la formación de perácidos en industria química.

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

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 





Como agente acidulante y para la preparación de ésteres frutales en la industria alimenticia. En la producción de ácido monocloroacético. En la producción de acetatos. Ingrediente de compuestos adhesivos. Ingrediente de lacas especiales para la industria aeronáutica. Ingrediente de insecticidas y germicidas.

6. RIESGOS

Ojos   

Irritación Visión borrosa. Quemaduras profundas

7. MATERIALES Y MÉTODOS 7.1 Reactivos y equipos Uvas Agua destilada Alcohol etílico al 92% en volumen NaOH al 0,1 N    

7.2 Herramientas y equipos Probeta de 100ml Balón aforado de 1lt Pipeta plástica Dos Erlenmeyer de 1lt, uno de 500mly otro de 550ml Vaso precipitado de 2lt Algodón Centrifuga en semi-continuo Peachímetro Manta de calentamiento Condensador para destilación Alcoholímetro Equipo de aireación Refractómetro Balanza analítica  

Como todo ácido debe ser manejado con cuidado, especialmente cuando se encuentra concentrado. Puede producir quemaduras en la piel cuando la exposición es prolongada.

 

 

Ingestión Dolor de garganta. Vómito, diarrea Dolor abdominal Sensación de quemazón en el tracto digestivo.    

       

Inhalación Dolor de garganta Sensación de quemazón. Tos, dificultad respiratoria.  

8. Procedimiento 8.1 Preparación del inoculo



Piel  

Irritación Quemaduras cutáneas graves.

En inoculo se obtuvo de la fermentación de uvas durante 10 días aproximadamente. Este procedimiento quedó a cargo del técnico responsable del laboratorio.

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8.5 Proceso de aireación Posteriormente se dio paso al proceso de aireación permanente, mediante el uso de una bomba de aire en el sistema.. Se tomaron valores de pH y grados brix dos veces al día hasta que el pH y los °brix fuesen estable. Imagen 1. Inoculo

8.2 Medición de pH del inoculo Pasados los 10 días de fermentación, se procedió a la toma del pH del inoculo alcanzando un pH igual a 3 8.3 Preparación de solución acuosa Una vez medido el pH se tomaron 150 ml del inoculo y a la par se preparó una solución acuosa de alcohol etílico de un litro al 10 % a partir de alcohol etílico al 92%. Para luego trasvasarse a un vaso precipitado.

Imagen 3. Aireación con bomba 8.6 Centrifugado Al finalizar el tiempo de fermentación, se procedió a la filtración el ácido acético de la solución empleando la centrifuga en semicontinuo para retirar cascarillas y semillas de la uva y otras impurezas.

Imagen2. Medio fermentativo

8.4 Ajuste de pH Terminado el cultivo se llevó hacia una plancha de agitación y se ajustó el pH a 5,5 utilizando NaOH al 40 %

Imagen 4. Centrifugación

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8.7 Destilación Luego de haberse centrifugado y medido el volumen se procedió a destilar la mitad del volumen inicial quedando así el ácido acético más concentrado

9. RESULTADOS Y ANÁLISIS 9.1. Preparación del medio fermentativo Se empleó alcohol etílico como fuente de sustrato en una concentración del 92% v/v por consiguiente se realizó una dilución para obtener un litro de solución acuosa de alcohol al 10% 1∗1=2∗2 1=1000∗0,10*0.92=108,7 

Imagen 5. Montaje para Destilación

Siendo V1 el volumen alcohol a tomar, posteriormente se aforó con agua destilada hasta llegar a un litro de solución. Se tomo 150 ml del inoculo mezclando con la solución prepara en un Erlenmeyer. Para el medio aerobio se implementó un sistema con bomba de aire que diera la fermentación. 9.2 Seguimiento de pH y °Brix Una vez realizado el medio de fermentación se realizó un seguimiento del pH y °Brix hasta su estabilización, el día cero el pH ajustado fue de 5,5.

Imagen6. Titulación

Finalizada la destilación se titulo con NaOH al 9,1 N utilizando para la solución de destilación 10 ml y para el acido acético 19.7 ml y se midió el grado de alcohol en la solución de la destilación que arrojo un dato de 0 °

Tabla 1. Seguimiento del pH y °Brix

La grafica 4 muestra los datos obtenidos del seguimiento del pH en la que se observa que los primeros días se ve una clara disminución

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en el pH, esto debido a que la acetobacter aún se encuentra en fase de crecimiento exponencial; Luego el cambio en el pH disminuye entrando así en fase estacionaria donde se llega a la estabilización.

volumen de ácido acético de 410 ml. Registrando un pH final de 3,69 Vol. ácido concentrado + vol. Del destilado = vol. total 410+410=820

9.4 Titulación

Grafica 4. Variación del pH

Luego de destilarse, Se tomaron 30 ml de ácido acético para su posterior titulación en la cual se utilizaron dos gotas de fenolftaleína y se procedió a neutralizarse con una solución de NaOH al 0,1 N, del cual se gastó un volumen 19.7 ml . Se realizo el mismo proceso para la solución del destilado y el NaOH gastado fue de 10 ml 9.5 Concentración del ácido acético

La grafica 5. Muestra los datos obtenidos en el refractómetro donde se da una caída alta en los primeros días debido a la baja de pH tan grande, y luego comienza a estabilizarse

Según la reacción para producir un mol de acetato de sodio se necesita un mol de ácido y un mol de hidróxido de sodio, esto representa que cada mol de ácido libera un mol de protones y un mol de hidróxido de sodio libera un mol de sodio. 3+ → 3+ 2 =1 −

De acuerdo a la ecuación anterior la normalidad y molaridad presentan igualdad para las soluciones de hidróxido de sodio. 0,1

Grafica 4. Variación del pH

9.3 Ácido acético producido Después de la estabilización se centrifuga la solución obteniéndose una cantidad de 820 ml de la cual se destiló hasta llegar a un volumen de destilado de 410ml quedando un

=0,1 1 

El cálculo de moles de NaOH se obtuvo un volumen de 19.7 ml de NaOH que se utilizó para neutralizar el ácido. 0,1    = ∗ =19.7 1000 = 0,00197 

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11. BIBLIOGRAFIA 10. CONCLUSIONES 



Debido a la no identificación de la cepa del microorganismo y a la falta de disposición de materiales, no fue posible incluir micronutrientes que son necesarios para el crecimiento bacteriano y que por ende favorecen la producción del metabolit oprimario. Este proceso biotecnológico llega a ser ventajoso por su fácil implementación y la forma económica de obtención. Presenta desventajas en cuanto a la pureza del producto obtenido, debido a problemas tales como la inhibición por producto, además es un proceso que lleva tiempo.



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

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Tratar de alguna manera de llevar a cabo el proceso en las condiciones necesarias de hermeticidad que no permitan que el ácido y el etanol se escapen debido a su alta volatilidad.



Ácido acético. Dirección web: http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%8 1cido_ac%C3%A9tico. SIENKO. M.J. PROBLEMAS DE QUÍMICA, SERIE REVERTÉ DE PROBLEMAS. EDITORIAL REVERTÉ. BARCELONA. ESPAÑA. MAYO DE 2005. PÁGS 196-200. OLIVAS E. EVANGELINA. MANUAL DE PRACTICAS DE MICROBIOLOGÍA BÁSICA Y MICROBIOLOGÍA DE ALIMENTOS, PROGRAMA DE NUTRICIÓN. UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD DE JUÁREZ. MÉXICO 2004. PÁGS. 57-59. HERNANDEZ, ALICIA. MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL. SAN JOSÉ, COSTA RICA: EDITORIAL UNIVERSIDAD ESTATAL A DISTANCIA, 2003. PÁGS. 169-180. RODRIGUEZ BARAHONA, C. MARIA. SARABINA TRUJILLO, CRISTINA I. EFECTO DEL MÉTODO DE FERMENTACIÓN ACÉTICA EN LAS CARACTERISTICAS FISICOQUÍMICAS Y SENSORIALES EN VINAGRE DE NARANJA AGRIA Y PIÑA.