El ácido acético se puede preparar mediante síntesis artificial y fermentación bacteriana. Si bien la biosíntesis, o fermentación bacteriana, representa solo el 10% de la producción mundial , sigue siendo el método más importante para la producción de ácido acético, especialmente vinagre, debido a que las regulaciones de seguridad alimentaria en muchos países exigen que el vinagre presente en los alimentos cumpla con las leyes biológicas. Los métodos de preparación y fermentación se dividen en aeróbicos y anaeróbicos.
Fermentación aeróbica
En caso de suficiente oxígeno, las bacterias del género Acetobacter pueden producir ácido acético a partir de alimentos que contienen alcohol. Generalmente se utiliza sidra o vino mezclados con cereales, malta, arroz o patatas, y fermentados tras la maceración. La ecuación química de la reacción de fermentación de estas bacterias es:
C₂H5OH + O₂ → CH₃COOH + H₂O
El método específico consiste en inocular las bacterias del género Acetobacter en una solución de alcohol diluido, mantenerla a cierta temperatura y colocarla en un lugar ventilado. En pocos meses, puede fermentar y producir vinagre. El método de producción industrial de vinagre acelera el proceso de reacción al proporcionar suficiente oxígeno. Este método, adoptado en la producción comercial, también se conoce como "método rápido" o "método alemán". Recibe su nombre tras su primera aplicación exitosa en 1823 en Alemania. En este método, la fermentación se lleva a cabo en una torre llena de virutas de madera o carbón vegetal. Las materias primas que contienen alcohol se introducen por goteo desde la parte superior de la torre, y el aire fresco entra de forma natural o por convección forzada desde abajo. El mayor volumen de aire permite completar este proceso en pocas semanas, acortando considerablemente el tiempo de producción del vinagre.
Otto Hromatka y Heinrich Ebner produjeron vinagre por primera vez a partir de un medio de cultivo bacteriano líquido en 1949. En este método, el alcohol se fermenta en ácido acético mediante agitación continua, y la solución se llena de aire en forma de burbujas. Con este método, se puede preparar vinagre con un 15 % de ácido acético en dos o tres días.
Fermentación anaeróbica
Algunas bacterias anaeróbicas, incluyendo algunos miembros del género Clostridium, pueden convertir directamente azúcares en ácido acético sin necesidad de etanol como intermediario. La ecuación general de la reacción es la siguiente:
C6H12O6==3CH3COOH
Además, muchas bacterias pueden producir ácido acético a partir de compuestos que contienen un solo carbono, como metanol, monóxido de carbono o una mezcla de dióxido de carbono e hidrógeno.
2CO2 + 4H2 → CH3COOH + 2H2O
2CO + 2H2 → CH3COOH
El Clostridium tiene la capacidad de reaccionar con azúcares, lo que reduce los costos, lo que significa que estas bacterias tienen el potencial de producir ácido acético de manera más eficiente que el método de oxidación de etanol de las bacterias Acetobacter. Sin embargo, las bacterias del género Clostridium son menos tolerantes al ácido que las bacterias del género Acetobacter. Las bacterias del género Clostridium, que son las más resistentes al ácido, solo pueden producir menos del 10% de ácido acético, mientras que algunas bacterias de ácido acético pueden producir hasta el 20%. El uso de bacterias de ácido acético para producir vinagre sigue siendo más económico que el uso de bacterias Clostridium para producir vinagre. Por lo tanto, aunque las bacterias del género Clostridium se descubrieron ya en 1940, su rango de aplicación industrial es relativamente limitado.
Además de los métodos biológicos mencionados anteriormente, el ácido acético para uso industrial se sintetiza principalmente mediante los siguientes métodos:
Carbonilación del metanol
La mayor parte del ácido acético se sintetiza mediante carbonilación de metilo. En esta reacción, el metanol y el monóxido de carbono reaccionan para formar ácido acético. La ecuación es la siguiente:
CH3OH + CO → CH3COOH
Este proceso utiliza yoduro de metilo como intermedio y se completa en tres pasos, y requiere un catalizador multimetálico (en el segundo paso).
⑴ CH₃OH + HI → CH₃I + H₂O
⑵ CH ₃ I + CO → CH ₃ COI
⑶ CH ₃ COI + H ₂ O → CH ₃ COOH + HI
Controlando las condiciones de reacción, también se puede producir anhídrido acético mediante la misma reacción. Dado que el monóxido de carbono y el metanol son materias primas químicas de uso común, la metilcarbonilación siempre ha sido la opción preferida. Ya en 1925, la empresa británica Celanese desarrolló la primera planta piloto de metilcarbonilación para producir ácido acético. Sin embargo, debido a la falta de contenedores que resistieran altas presiones (200 atm o superiores) y resistencia a la corrosión, la aplicación de este método ha sido limitada. En 1963, la empresa química alemana BASF utilizó cobalto como catalizador y desarrolló el primer proceso adecuado para la producción industrial de ácido acético. En 1968, el catalizador de rodio redujo considerablemente la dificultad de la reacción. Utilizando un sistema catalizador compuesto por un compuesto de carbonilo de rodio y yoduro, el metanol y el monóxido de carbono reaccionan en un medio de agua-ácido acético a 175 ° C y una presión inferior a 3 MPa para obtener un producto de ácido acético. Debido a que la actividad y selectividad del catalizador son relativamente altas, hay pocos subproductos de la reacción. La producción de ácido acético por carbonilación de metanol a baja presión tiene las ventajas de materias primas baratas, condiciones de operación suaves, alto rendimiento de ácido acético, buena calidad del producto y flujo de proceso simple. Sin embargo, el medio de reacción es severamente corrosivo y requiere materiales especiales resistentes a la corrosión. En 1970, la compañía estadounidense Monsanto construyó un dispositivo que utilizaba este proceso, por lo que la carbonilación de metilo catalizada por rodio a ácido acético se convirtió gradualmente en el proceso dominante de Monsanto. A finales de la década de 1990, British Petroleum comercializó con éxito el método catalítico Cativa. Este método utiliza un catalizador de rutenio y utiliza ([Ir(CO) ₂ I ₂ ]), que es más ecológico y tiene mayor eficiencia que el método de Monsanto.
Método de oxidación del acetaldehído
Antes de la producción comercial de Monsanto , la mayor parte del ácido acético se producía mediante la oxidación del acetaldehído. Aunque no puede compararse con la metilcarbonilación, este método sigue siendo el segundo método de producción industrial de ácido acético. La ecuación de reacción es la siguiente:
2CH₃CHO + O₂ → 2CH₃COOH
El acetaldehído se puede producir oxidando butano o nafta ligera, o se puede producir hidratando etileno.
Oxidación en fase líquida de alcanos de bajo contenido de carbono
Utilizando n-butano como materia prima y ácido acético como disolvente, a 170 ° C-180 ° C, 5,5 MPa y con un catalizador de acetato de cobalto, se utiliza aire como oxidante. Este método también puede emplear gas licuado de petróleo o petróleo ligero como materia prima. Este método tiene un bajo costo de materia prima, pero presenta un largo proceso, alta corrosión y bajo rendimiento de ácido acético. Se limita a zonas donde se dispone fácilmente de isobutano o gas licuado de petróleo a bajo precio.
2C₄H₁₀ + 5O₂ → 4CH₃COOH + 2H₂O
Esta reacción puede llevarse a cabo a la temperatura y presión más altas que permiten mantener el butano en estado líquido. Los subproductos incluyen metiletilcetona, acetato de etilo, ácido fórmico y ácido propiónico. Dado que algunos de estos subproductos también tienen valor económico, las condiciones de reacción pueden ajustarse para generar más subproductos, pero la separación del ácido acético y los subproductos incrementa el costo de la reacción.
En condiciones similares, utilizando el catalizador mencionado anteriormente, el acetaldehído puede oxidarse con el oxígeno del aire para producir ácido acético:
2CH₃CHO + O₂ → 2CH₃COOH
También se puede oxidar mediante suspensión de hidróxido de cobre:
2Cu(OH) ₂ +CH ₃ CHO → CH ₃ COOH+Cu ₂ O ↓ +2H ₂ O
Utilizando un nuevo tipo de catalizador, esta reacción puede obtener un rendimiento de ácido acético superior al 95 %. Los principales subproductos son acetato de etilo, ácido fórmico y formaldehído. Dado que estos subproductos tienen un punto de ebullición más bajo que el ácido acético, se eliminan fácilmente por destilación.
Método de oxidación del etileno
El etileno reacciona con el oxígeno en presencia de un catalizador (el catalizador utilizado es cloruro de paladio: PdCl₂ , cloruro de cobre: CuCl₂ y acetato de manganeso: (CH₃COO ) ₂Mn ) . Esta reacción puede considerarse como la primera oxidación del etileno a acetaldehído, que luego se produce mediante el método de oxidación del acetaldehído.
Topsoe
El método Topsøe utiliza un solo gas natural o carbón como materia prima. En el primer paso, el gas de síntesis genera metanol y éter dimetílico bajo el catalizador; en el segundo paso, se genera metanol y éter dimetílico (ambos no requieren purificación) y carbonilación de CO para generar ácido acético. Este método también se denomina método de dos pasos.
