Las materias primas precursoras del ácido láctico incluyen un amplio abanico de productos agrícolas desde el almidón de patata hidrolizado, el maíz, la paja, la caña de azúcar, el suero, la remolacha, el trigo, cortezas de la semilla de algodón, el pomelo…etc.
Durante años han sido estudiados una gran cantidad de carbohidratos y materiales nitrogenados para la producción del ácido láctico. Se han investigado atendiendo a una alta producción del ácido láctico, una producción óptima de la biomasa, una formación insignificante de subproducto, una rápida tasa de fermentación, un menor pre-tratamiento, un bajo coste, una fácil disponibilidad etc.
La opción de la materia prima utilizada depende de los microorganismos estudiados y del producto deseado.
La tecnología de producción del PLA a partir del maiz es la más extendida y por ello centraremos nuestro estudio sobre ésta.
El ácido láctico es un ácido orgánico con tres carbones: en un terminal el átomo de carbón es parte del grupo carboxílico; el otro átomo de carbón terminal es parte de un metilo; y el átomo de carbón central está unido a un grupo alcohol. Existen dos esteroisómeros del ácido láctico:
Esteroisómeros del ácido láctico.
El ácido láctico puede ser producido por síntesis química o bien gracias a una fermentación de carbohidratos.
El proceso comercial para la síntesis química se basa en el lactonitrilo. El cianuro de hidrógeno se agrega al acetaldehído en presencia de una base para producir lactonitrilo. Esta reacción ocurre en fase líquida a altas presiones atmosféricas. El lactonitrilo bruto es recuperado y purificado mediante una destilación. Entonces es hidrolizada al ácido láctico en presencia HCl concentrado o bien H2SO4 para producir la sal correspondiente del amonio y ácido láctico. El ácido láctico entonces se esterifica con metanol para producir el lactato metílico, el cual se recupera y purifica gracias a una destilación e hidrólisis con agua en presencia del catalizador ácido para producir el ácido láctico y el metanol, éste último es recuperado y reciclado.
Este proceso es representado por las reacciones siguientes:
Síntesis química del PLA
El método químico de la síntesis produce una mezcla racémica del ácido láctico. Una compañía Musashino en Japón está utilizando esta tecnología, puesto que Sterling Chemicals Inc. en los E.E.U.U ha preferido decantarse por la fermentación.
La fermentación de carbohidratos permite obtener los esteroisómeros puros del ácido láctico. El proceso es descrito por estas reacciones:
Hacemos reaccionar el almidón con Ca(OH)2 para neutralizar el ácido, manteniendo el pH entorno a 5-6 de forma que la fermentación se lleve a cabo en condiciones óptimas, generando lactato de calcio.
El lactato de calcio se filtra y a continuación se le somete a un tratamiento con carbón, es evaporado y acidificado con ácido sulfúrico para conseguir el ácido láctico y el sulfato de calcio. El sulfato de calcio insoluble es recuperado por filtración; el ácido láctico obtenido atraviesa las sucesivas etapas de hidrólisis, esterificación, destilación y por último de nuevo una hidrólisis.
Proceso convencional con objeto de obtener ácido láctico puro.
Una inmensa mayoría de empresas han optado por la fermentación como proceso para sintetizar ácido láctico entre las que podemos destacar: CCA Biochemical BV of The Netherlands con plantas en Europa, Brasil, y USA, Archer Daniels Midland (ADM) en USA, NatureWorks LLC en USA…etc.
El ácido láctico se produce bajo la forma de ácido láctico L (+) o D (-) o en su mezcla racémica. Los organismos capaces de sintetizar el L (+) o D (-) tienen dos dehidrogenasas del lactato (LDH), los cuales se diferencian en su estereoespecificidad.
Entre las características deseables de los microorganismos industriales está su capacidad fermentación rápida y barata de materias primas, requiriendo una cantidad mínima de sustancias nitrogenadas, proporcionando altas producciones del estereoisómero láctico deseado bajo condiciones del pH bajo y altas temperaturas, así como una producción mínima de otros subproductos.
La elección de un microorganismo depende sobre todo de carbohidrato que se fermentará. La Lactobacillus amylophylus y la Lactobacillus amylovirus son las dos bacterias capaces de fermentar el almidon.
La bacteria Lactobacillus posee requisitos alimenticios complejos, ésta ha perdido su la capacidad sintetizar sus propios factores del crecimiento. No pueden crecer solamente en una fuente de carbón y sales inorgánicas de nitrógeno.
Los microorganismos tales como el Rhizopus oryzae tienen menos limitaciones alimenticias y pueden fermentar directamente el almidón y además generar ácido láctico L (+) puro (Skory y otros. 1998). Existen también estudios realizados con la Saccharomyces cerevisiae y la Kluyveromyces lactis para producción de ácido láctico L(+) puro debido a su capacidad para tolerar la alta concentración de los iones de hidrógeno (Porro y otros. 1997), como es deseable.
Existe también un arduo trabajo en el campo de la modificación genética de las bacterias que sintetizan ácido láctico con objeto de incrementar la producción de ácido láctico L (+).
El ácido láctico es soluble en agua y en disolventes orgánicos del agua pero insoluble en otros disolventes orgánicos. Posee una volatilidad baja. Otras características del ácido láctico están resumidas en la tabla siguiente.
Propiedades físicas del ácido láctico.
La colorimetría y la cromatografía son técnicas utilizadas para controlar la cantidad de estereoisómeros y poder separarlos.
El ácido láctico se utiliza como acidulante, neutralizante del pH e inhibidor de bacteriano en una amplia variedad de alimentos procesados. Es inodoro y está clasificado como GRAS (generally regarded as safe) por la FDA en los E.E.U.U.
Es un agente conservante de alimentos. La adición de una solución acuosa de ácido láctico al empaquetado de las aves de corral y de los pescados aumenta su vida útil (Anon, 1992).
Los ésteres del ácido láctico son utilizados como agentes emulsionantes en productos de bollería (stearoyl-2-lactilato, gliceril lactoesterato, gliceril lactopalmiato). La fabricación de estos emulsores requiere un ácido láctico termoestable, por lo tanto solamente el sintético o los grados termoestables de la fermentación pueden ser utilizados para este uso (Datta, 1995; Sodegard, 1998).
El ácido láctico se está utilizando a pequeña escala para ajustar los pH en celofanes, resinas del fenol formaldehído, flujo de la soldadura, reveladores de impresión litográfica y textil, formulaciones adhesivas, baños de electrochapado y de electropulimento, detergentes.
El ácido láctico tiene muchas aplicaciones farmacéuticas y cosméticas: lociones, soluciones contra el acné, humectantes…etc. El lactato de calcio se puede utilizar para una terapia de deficiencia de calcio y como agente anti-caries.
Los ésteres del ácido láctico como el etil/butil lactato son utilizados como disolventes limpios.
Estos procesos suponen un enorme coste y una limitación a la evolución creciente del PLA.
La fermentación del ácido láctico inhibe la producción del mismo. A medida que la concentración de ácido láctico aumenta su ritmo de producción disminuye.
La elección de un método u otro de separación debe ser atendiendo a los factores de eficiencia y viabilidad económica del proceso.
Entre las posibles tecnologías de separación están: extracción con disolventes pero con la limitación de la toxicidad, separación por intercambio de iones, separación por absorción, separación por destilación en vacio o separación por membranas (Eyal et al. 2001). Según Eyal & al. 2001 el proceso con mejores resultados comprende las siguientes etapas: a) reducir el pH hasta valores entre 3-4,2, b) Utilización de una membrana hidrofílica y una base débil de amina (VAWB) de esta forma se separa el ácido láctico que atraviesa la membrana y reacciona con la base, c) Regeneración del ácido láctico de la sal de la base mediante una evaporización selectiva de la base de amina. Este proceso puede ser repetido el número de veces necesarias para una separación eficiente.
Sin entrar en detalles la extracción con disolventes presenta las siguientes características:
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Es selectiva y por regla general son utilizados compuestos organofosforados, sales de amonio de aminas terciarias y cuaternarias. |
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El pH debe mantenerse sin alteraciones entre 5,5-5,8. |
La extracción por intercambio de iones es la también denominada electrodiálisis ED a continuación se presentan los esquemas de funcionamiento.
La comparación entre los métodos más incipientes se presenta en la tabla siguiente:
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Métodos |
Producción |
Productividad (g/L.h) |
Coste Relativo |
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Extracción con disolventes In-situ |
0.99 g/L |
1.67 |
Moderado |
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Membrana |
0.97 g/g |
100 |
Costoso |
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Intercambio de iones |
0.93 g/g |
1.67 |
Moderado |
En la purificación del ácido láctico existe una tendencia hacia la evaporación multietapas o introducción de un gas inerte como el N2.