Compuesto químico más importante: Ácido cítrico

Historia y Nombre

El ácido cítrico es un ácido orgánico débil cristalino que se encuentra en la mayoría de las plantas y muchos animales, sirviendo como un intermediario en la respiración celular. Con tres grupos carboxilo, se clasifica como un ácido tricarboxílico. El término "cítrico" tiene su origen en la palabra griega kedromelon, que significa manzana de melón, refiriéndose a la fruta cítrica. Las obras griegas mencionan kitron, kitrion o kitreos para referirse al cidro, una fruta del árbol Citrus medica. Los limones y limas exhiben un alto contenido de ácido cítrico, constituyendo hasta el 8% del peso seco de la fruta. Se atribuye a Jabir ibn Hayyan (Geber, 721-815) el descubrimiento del ácido cítrico, mientras que su aislamiento se logró por primera vez en 1784 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) a partir del jugo de limón.

El ácido cítrico, un ácido débil, libera iones de hidrógeno de sus tres grupos carboxilo (COOH) en solución. Esto resulta en la formación del ion citrato, C3H5O(COO)33, a través de la pérdida de iones de hidrógeno. El ácido cítrico también forma iones intermedios durante la ionización. El ion citrato forma sales, como el citrato de calcio, con metales. Varios citratos, como el citrato de trimetilo y el citrato de trietilo, se producen mediante la formación de ésteres.

La producción industrial de ácido cítrico comenzó en 1860 y estuvo dominada por productores italianos durante los siguientes 60 años. El método de producción inicial implicaba extraer ácido cítrico del jugo de frutas cítricas agregando óxido de calcio (CaO) para formar citrato de calcio (Ca3(C6H5O7)2), un precipitado recogido mediante filtración. El ácido sulfúrico se utilizaba luego para recuperar el ácido cítrico de su sal de calcio. En 1893, Carl Wehmer informó sobre la fermentación del azúcar para la producción de ácido cítrico utilizando el hongo Citromyces. Pfizer, uno de los principales productores, comenzó la producción en masa en 1919 bajo la guía de James N. Currie, un químico de alimentos del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos.

El desarrollo de Pfizer en los métodos de producción de ácido cítrico durante la década de 1920 llevó al colapso de la industria italiana del ácido cítrico, que controlaba el 90% del mercado mundial en 1922. Para 1929, Pfizer producía todo su ácido cítrico. La compañía refinó sus métodos de producción, introduciendo el método de tanque profundo para la fermentación sumergida, lo que resultó en un aumento de la productividad y la eficiencia. Para 1940, el costo de una libra de ácido cítrico había disminuido significativamente de $1.25 en 1920 a alrededor de $0.20.

Producción y Aplicación

Historia y Nombre

El ácido cítrico es un ácido orgánico débil cristalino que se encuentra en la mayoría de las plantas y muchos animales, sirviendo como un intermediario en la respiración celular. Con tres grupos carboxilo, se clasifica como un ácido tricarboxílico. El término "cítrico" tiene su origen en la palabra griega kedromelon, que significa manzana de melón, refiriéndose a la fruta cítrica. Las obras griegas mencionan kitron, kitrion o kitreos para referirse al cidro, una fruta del árbol Citrus medica. Los limones y limas exhiben un alto contenido de ácido cítrico, constituyendo hasta el 8% del peso seco de la fruta. Se atribuye a Jabir ibn Hayyan (Geber, 721-815) el descubrimiento del ácido cítrico, mientras que su aislamiento se logró por primera vez en 1784 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) a partir del jugo de limón.

El ácido cítrico, un ácido débil, libera iones de hidrógeno de sus tres grupos carboxilo (COOH) en solución. Esto resulta en la formación del ion citrato, C3H5O(COO)33, a través de la pérdida de iones de hidrógeno. El ácido cítrico también forma iones intermedios durante la ionización. El ion citrato forma sales, como el citrato de calcio, con metales. Varios citratos, como el citrato de trimetilo y el citrato de trietilo, se producen mediante la formación de ésteres.

La producción industrial de ácido cítrico comenzó en 1860 y estuvo dominada por productores italianos durante los siguientes 60 años. El método de producción inicial implicaba extraer ácido cítrico del jugo de frutas cítricas agregando óxido de calcio (CaO) para formar citrato de calcio (Ca3(C6H5O7)2), un precipitado recogido mediante filtración. El ácido sulfúrico se utilizaba luego para recuperar el ácido cítrico de su sal de calcio. En 1893, Carl Wehmer informó sobre la fermentación del azúcar para la producción de ácido cítrico utilizando el hongo Citromyces. Pfizer, uno de los principales productores, comenzó la producción en masa en 1919 bajo la guía de James N. Currie, un químico de alimentos del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos.

El desarrollo de Pfizer en los métodos de producción de ácido cítrico durante la década de 1920 llevó al colapso de la industria italiana del ácido cítrico, que controlaba el 90% del mercado mundial en 1922. Para 1929, Pfizer producía todo su ácido cítrico. La compañía refinó sus métodos de producción, introduciendo el método de tanque profundo para la fermentación sumergida, lo que resultó en un aumento de la productividad y la eficiencia. Para 1940, el costo de una libra de ácido cítrico había disminuido significativamente de $1.25 en 1920 a alrededor de $0.20.

Producción y Aplicación

La producción contemporánea de ácido cítrico emplea tanto el método de bandejas superficiales como el de tanques profundos. En el proceso de superficie, el aire esterilizado circula sobre una capa media que comprende azúcar (typicalmente dextrosa o melaza), sales y nutrientes. Durante un período de 6 a 10 días, las esporas de Aspergillus niger introducidas en la superficie fermentan el azúcar. Aunque este método no se utiliza en los Estados Unidos, es más prevalente en países menos industrializados. El ciclo de fermentación para este proceso abarca de 5 a 14 días.

Contrastantemente, el proceso de tanque profundo (sumergido), que ocurre durante 5 a 10 días en tanques de acero inoxidable agitados o torres aireadas, es preferido para la producción a gran escala en el mundo industrializado. Este método requiere menos mano de obra, ocupa menos espacio por volumen de ácido cítrico producido, es más fácil de mantener en condiciones estériles y produce una mayor capacidad de producción. Sin embargo, una desventaja del proceso de tanque profundo son los mayores costos energéticos. El rendimiento de ácido cítrico de los procesos de fermentación de cultivo sumergido puede variar entre el 80% y el 95% por peso de azúcar. Después de la fermentación, la separación del ácido cítrico del caldo se logra tratando el caldo con hidróxido de calcio (Ca(OH)2) para precipitar el citrato de calcio. El ácido cítrico se regenera luego del citrato de calcio tratándolo con ácido sulfúrico.

El ácido cítrico y sus compuestos de citrato encuentran una amplia aplicación en numerosas industrias. En 2005, la producción global de ácido cítrico alcanzó los 1.6 millones de toneladas, con China contribuyendo aproximadamente con el 40% del suministro mundial. En los Estados Unidos, alrededor del 65% del ácido cítrico se utiliza en la industria de alimentos y bebidas. Sus usos incluyen impartir acidez, control de pH, conservación, propiedades antioxidantes, quelación de metales y estabilización del color y sabor. Las sales de citrato sirven como suplementos minerales y metálicos; por ejemplo, el citrato de calcio funciona como suplemento de calcio. La segunda aplicación más significativa del ácido cítrico está en detergentes y productos de limpieza, donde el citrato de sodio actúa como un agente constructivo. Aproximadamente el 10% de la producción de ácido cítrico se destina a la industria farmacéutica, principalmente por su uso como agente efervescente en productos como Alka-Seltzer.

En la respiración celular, el ácido cítrico se forma dentro de las mitocondrias a través de una serie de reacciones químicas conocidas como el ciclo del ácido cítrico o de Krebs. Este ciclo, nombrado en honor a Hans Adolf Krebs, comienza con la combinación de acetil coenzima A y oxaloacetato para producir citrilo coenzima A, lo que conduce finalmente a la producción de citrato. El ciclo continúa con reacciones de oxidación y reducción, culminando en la producción de energía. El NADH y el FADH2, producidos en este proceso, se mueven a la cadena de transporte de electrones, donde experimentan más reacciones, liberando energía para sintetizar ATP a través de la fosforilación oxidativa (ver Trifosfato de adenosina).

Referencia

Richard L. Myers (2009). Los 100 Compuestos Químicos Más Importantes: Una Guía de Referencia. Greenwood Publishing Group. 1 de octubre de 2009. https://doi.org/10.1021/ed086p1182