O ácido acético pode ser preparado por síntese artificial e fermentação bacteriana. A biossíntese, que utiliza fermentação bacteriana, representa apenas 10% da produção mundial , mas ainda é o método mais importante para a produção de ácido acético, especialmente vinagre, pois as normas de segurança alimentar em muitos países exigem que o vinagre utilizado em alimentos seja preparado de acordo com as leis biológicas. O método de fermentação divide-se em fermentação aeróbica e fermentação anaeróbica.
Fermentação aeróbica
Na presença de oxigênio suficiente, bactérias do gênero Acetobacter podem produzir ácido acético a partir de alimentos que contêm álcool. Geralmente, utiliza-se sidra ou vinho misturados com grãos, malte, arroz ou batatas e fermentados após a maceração. A equação química para a reação de fermentação dessas bactérias é:
C₂H₅OH + O₂ → CH₃COOH + H₂O
O método específico consiste em inocular a bactéria Acetobacter em uma solução alcoólica diluída, mantê-la a uma temperatura específica e colocá-la em um local ventilado. Em poucos meses, a fermentação ocorre, resultando na produção de vinagre. O método de produção industrial de vinagre acelera o processo de reação por meio do fornecimento de oxigênio suficiente. Esse método, já adotado na produção comercial, também é conhecido como "método rápido" ou "método alemão", nome derivado da primeira aplicação bem-sucedida em 1823, na Alemanha. Nesse método, a fermentação é realizada em uma torre preenchida com lascas de madeira ou carvão vegetal. As matérias-primas alcoólicas gotejam do topo da torre, e o ar fresco entra naturalmente ou por convecção forçada pela parte inferior. O aumento do volume de ar permite que o processo seja concluído em poucas semanas, reduzindo significativamente o tempo de produção do vinagre.
Otto Hromatka e Heinrich Ebner foram os primeiros a produzir vinagre a partir de um meio de cultura bacteriana líquido em 1949. Nesse método, o álcool é fermentado em ácido acético sob agitação contínua, e o ar é incorporado à solução na forma de bolhas. Por meio desse método, é possível preparar vinagre com 15% de ácido acético em dois a três dias.
Fermentação anaeróbica
Algumas bactérias anaeróbicas, incluindo alguns membros do gênero Clostridium, podem converter açúcares diretamente em ácido acético sem a necessidade de etanol como intermediário. A equação da reação global é a seguinte:
C6H12O6==3CH3COOH
Além disso, muitas bactérias podem produzir ácido acético a partir de compostos que contêm apenas um único carbono, como metanol, monóxido de carbono ou uma mistura de dióxido de carbono e hidrogênio.
2CO2 + 4H2 → CH3COOH + 2H2O
2CO + 2H2 → CH3COOH
O gênero Clostridium tem a capacidade de reagir com açúcares, reduzindo custos, o que significa que essas bactérias têm o potencial de produzir ácido acético de forma mais eficiente do que o método de oxidação do etanol pelas bactérias do gênero Acetobacter. No entanto, as bactérias do gênero Clostridium são menos tolerantes à acidez do que as bactérias do gênero Acetobacter. As bactérias do gênero Clostridium, que são as mais resistentes à acidez, conseguem produzir menos de 10% de ácido acético, enquanto algumas bactérias acéticas podem produzir 20%. Ainda assim, usar bactérias acéticas para produzir vinagre é mais econômico do que usar bactérias do gênero Clostridium. Portanto, embora as bactérias do gênero Clostridium tenham sido descobertas já em 1940, seu campo de aplicação industrial é relativamente restrito.
Além dos métodos biológicos acima mencionados, o ácido acético para uso industrial é sintetizado principalmente pelos seguintes métodos:
Carbonilação do metanol
A maior parte do ácido acético é sintetizada por carbonilação do metil. Nessa reação, o metanol e o monóxido de carbono reagem para formar ácido acético. A equação é a seguinte:
CH3OH + CO → CH3COOH
Este processo utiliza iodeto de metila como intermediário e é concluído em três etapas, exigindo um catalisador multimetálico (na segunda etapa).
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 as condições da reação, o anidrido acético também pode ser produzido através da mesma reação. Como o monóxido de carbono e o metanol são matérias-primas químicas comuns, a carbonilação do metil sempre foi preferida. Já em 1925, a empresa britânica Celanese desenvolveu a primeira planta piloto para a carbonilação do metil visando a produção de ácido acético. No entanto, devido à falta de recipientes que suportassem alta pressão (200 atm ou mais) e resistência à corrosão, a aplicação desse método foi limitada. Em 1963, a empresa alemã BASF utilizou cobalto como catalisador e desenvolveu o primeiro processo adequado para a produção industrial de ácido acético. Em 1968, o catalisador de ródio reduziu consideravelmente a dificuldade da reação. Utilizando um sistema catalítico composto por um composto de carbonila de ródio e iodeto, o metanol e o monóxido de carbono reagem em meio aquoso-acético a 175 ° C e pressão inferior a 3 MPa para obter o ácido acético como produto. Devido à alta atividade e seletividade do catalisador, a reação gera poucos subprodutos. A produção de ácido acético por carbonilação de metanol a baixa pressão apresenta vantagens como baixo custo da matéria-prima, condições operacionais brandas, alto rendimento de ácido acético, boa qualidade do produto e processo simples. No entanto, o meio reacional é altamente corrosivo e requer materiais especiais resistentes à corrosão. Em 1970, a empresa americana Monsanto construiu um equipamento utilizando esse processo, tornando a carbonilação de metil catalisada por ródio para a produção de ácido acético o processo dominante da Monsanto. No final da década de 1990, a British Petroleum comercializou com sucesso o método catalítico Cativa. Esse método utiliza um catalisador de rutênio ([Ir(CO) ₂I₂ ]), sendo mais ecológico e apresentando maior eficiência do que o método da Monsanto .
método de oxidação do acetaldeído
Antes da produção comercial da Monsanto , a maior parte do ácido acético era produzida pela oxidação do acetaldeído. Embora não se compare à carbonilação do metil, esse método ainda é o segundo método mais utilizado na produção industrial de ácido acético. A equação da reação é a seguinte:
2CH₃CHO + O₂ → 2CH₃COOH
O acetaldeído pode ser produzido pela oxidação do butano ou da nafta leve, ou pela hidratação do etileno.
Oxidação em fase líquida de alcanos de baixo teor de carbono
Utilizando n-butano como matéria-prima, ácido acético como solvente, a 170 ° C-180 ° C, 5,5 MPa e na presença de um catalisador de acetato de cobalto, o ar é utilizado como oxidante. Este método também pode utilizar gás liquefeito de petróleo (GLP) ou óleo leve como matérias-primas. Apesar de apresentar baixo custo de matéria-prima, o processo é longo, sujeito a corrosão severa e tem baixo rendimento de ácido acético. Sua aplicação é limitada a regiões onde isobutano ou GLP estejam prontamente disponíveis a baixo custo.
2C₄H₁₀ + 5O₂ → 4CH₃COOH + 2H₂O
Essa reação pode ser realizada na temperatura e pressão mais elevadas que consigam manter o butano em estado líquido. Os subprodutos incluem metil etil cetona, acetato de etila, ácido fórmico e ácido propiônico. Como alguns dos subprodutos também têm valor econômico, as condições da reação podem ser ajustadas para gerar mais subprodutos, mas a separação do ácido acético e dos subprodutos aumenta o custo da reação.
Em condições semelhantes, utilizando o catalisador acima, o acetaldeído pode ser oxidado pelo oxigênio do ar para produzir ácido acético:
2 CH ₃ CHO + O ₂ → 2CH ₃ COOH
Também pode ser oxidado por suspensão de hidróxido de cobre:
2Cu(OH) ₂ +CH ₃ CHO → CH ₃ COOH+Cu ₂ O ↓ +2H ₂ O
Utilizando um novo tipo de catalisador, esta reação permite obter um rendimento de ácido acético superior a 95%. Os principais subprodutos são acetato de etila, ácido fórmico e formaldeído. Como esses subprodutos possuem um ponto de ebulição inferior ao do ácido acético, são facilmente removidos por destilação.
Método de oxidação do etileno
O etileno reage com o oxigênio na presença de um catalisador (os catalisadores utilizados são cloreto de paládio: PdCl₂ , cloreto de cobre: CuCl₂ e acetato de manganês: (CH₃COO ) ₂Mn ) . Essa reação pode ser considerada a primeira oxidação do etileno a acetaldeído, que é então produzido pelo método de oxidação do acetaldeído.
Topsoe
O método Topsøe utiliza gás natural ou carvão como matéria-prima. A primeira etapa: o gás de síntese gera metanol e éter dimetílico sob a ação de um catalisador; a segunda etapa: o metanol e o éter dimetílico (que não necessitam de purificação) sofrem carbonilação com CO para gerar ácido acético. Este método também é conhecido como método de duas etapas.
