Producción biotecnológica de ácido láctico
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| PRODUCCIÓN BIOTECNOLÓGICA DE ÁCIDO LÁCTICO El ácido láctico tiene un amplio rango de aplicaciones en la industria alimenticia, química, farmacéutica, química y cosmética, entre otras. Recientemente se ha acelerado la investigación en L (+) y D (-), ácido láctico, por vía biotecnológica, debido a su posibilidad de transformación en poli-láctico biodegradable (PLA). Los esfuerzos en la investigación del ácido láctico, están enfocados a disminuir los costes de producción a través de nuevos sustratos, nuevas tecnologías de fermentación y separación, y nuevos microorganismos capaces de alcanzar altas concentraciones de ácido láctico, altos rendimientos y altas productividades. INTRODUCCIÓN El ácido láctico fue descubierto en 1780 por el químico sueco Scheele, quien lo aisló de leche agria, fue reconocido como producto de fermentación por Blonodeaur en 1847 y tan solo en 1881, Littlelon inicia la fermentación a escala industrial. Es un compuesto muy versátil utilizado en la industria química, farmacéutica, de alimentos y de plásticos Existen dos isómeros ópticos, el D (-), láctico y el L (+) láctico y una forma racémica constituida por fracciones equimolares de las formas D (-) y L (+). A diferencia del isómero D (-), la configuración L (+) es metabolizada por el organismo humano. Ambas formas isoméricas del ácido láctico pueden ser polimerizadas y se pueden producir polímeros con diferentes propiedades dependiendo de la composición. Propiedades del ácido láctico
PRODUCCIÓN INDUSTRIAL El ácido láctico puede ser obtenido por vía química o biotecnológica. La producción química, esta basada en la reacción de acetaldehído con ácido cianhídrico (HCN) para dar lactonitrilo, el cual puede ser hidrolizado a ácido láctico; otro tipo de reacción se basa en la reacción a alta presión de acetaldehído con monóxido de carbono y agua en presencia de ácido sulfúrico como catalizador. La síntesis química tiene la desventaja que el ácido láctico producido es una mezcla de D y L ácido láctico óptimamente inactivo, por lo cual el 90% del ácido láctico producido en el mundo es elaborado por vía biotecnológica. La producción biotecnológica está basada en la fermentación de sustratos ricos en carbohidratos por bacterias u hongos y tiene la ventaja de formar enantiómeros D (-) o L (+), óptimamente activos. La producción biotecnológica depende del tipo de microorganismo utilizado, la inmovilización o recirculación del microorganismo, el pH, la temperatura, la fuente de carbono, la fuente de nitrógeno, el modo de fermentación empleado y la formación de subproductos. Las bacterias que pueden utilizarse para la producción de ácido láctico son cocos y bacilos Gram positivos, anaerobios facultativos, no esporulados, inmóviles y catalasa negativo, pertenecientes a los géneros Lactobacillus, Carnobacterium, Leuconostc, Tetragenococus,… Las bacterias del ácido láctico (LAB) tienen requerimientos nutricionales complejos debido a su limitada habilidad para sintetizar aminoácidos y vitamina B. La mayoría de LAB producen únicamente una forma isomérica de ácido láctico. Las especies de los géneros Aerococcus, Carnobacterium, producen únicamente isómeros L, mientras las especies del género Leuconostc producen únicamente isómeros D. Sin embargo, algunas LAB producen formas racémicas donde el isómero predominante depende de cambios en la aireación, cantidad de NaCl, tipo de fermentación, incrementos en el pH y concentración de sustrato. Acorde con los productos finales de la fermentación de los hidratos de carbono las LAB se dividen en homofermentativas y heterofermentativas. En el metabolismo homofermentativo, se produce predominantemente ácido láctico y las bacterias usan la hexosa. Algunas de las bacterias que tienen este metabolismo son delbruekii, helveticus, etc. La estequiometría clásica de la fermentación homoláctica es la siguiente:  C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi 2CH3-CHOH-COOH + 2 ATPEn la fermentación heteroláctica hay formación de xilulosa-5 fosfato por el sistema de la glucosa-6 fosfato deshidrogenada. La estequimetría heteroláctica a partir de glucosa es la siguiente:  C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi CH3-CHOH-COOH + CH3CH2OH+CO2+ 2ATPEl ácido láctico además puede ser producido en mayor o menor proporción por bacterias que no suelen incluirse en el grupo láctico, tal es el caso de Bifidobacterium, algunas especies de Bacillus, Clostridium,… De las LAB, Lactobacillus delbrueckii es el microorganismo más utilizado en la producción a gran escala de ácido láctico, ya que tiene la ventaja de producir únicamente isómeros L (+), consumir eficientemente glucosa y ser un microorganismo termófilo con temperatura óptima de crecimiento 41.5ºC, lo que reduce costes de enfriamiento y esterilización, así como riesgos de contaminación microbiológica en el fermentador. Este microorganismo crece bien a un pH entre 5,5 y 6,5 por lo que el ácido producido debe ser continuamente neutralizado. Los hongos utilizados en la producción de ácido láctico son mohos y levaduras que pertenecen a los géneros Rhizopus, Zymomonas, Saccharomyces. Desde finales de los años 80, se ha venido estudiando ampliamente Rhizopus oryzae para la producción biotecnológica de ácido láctico ya que presenta la ventaja de que no requiere fuente de nitrógeno orgánico para su crecimiento, tiene la habilidad de producir directamente grandes cantidades de L (+) ácido láctico de almidón y es fácilmente separado del medio de fermentación en el proceso de recuperación y purificación. Sin embargo la dificultad que presenta la producción de ácido láctico con moho es su forma física ya que el gran tamaño de los micelios o sus agregados puede provocar un aumento en la viscosidad del medio de fermentación lo que causa un alto incremento en la demanda de oxígeno y resistencia a la transferencia de masa en el proceso fermentativo, lo que a su vez aumenta los tiempos de fermentación, aumenta los subproductos formados especialmente etanol, y disminuye los rendimientos en conversión. En la producción biotecnológica de ácido láctico con bacterias o con hongos, se utilizan como sustratos, sacarosa proveniente de la caña de azúcar y de la remolacha azucarera, pero debido a que el azúcar puro es de alto coste se han venido investigando otros sustratos (desechos agrícolas) para disminuir los costes de producción. Sin embargo la producción de ácido láctico de estas fuentes renovables requiere de los siguientes pasos: 1) Hidrólisis del sustrato hasta azúcares fermentables. 2) Fermentación de azúcares a ácido láctico. 3) Separación de biomasa y partículas sólidas del medio de fermentación. 4) Purificación del ácido láctico obtenido. En la obtención comercial con bacterias lácticas, al sustrato puro se le adiciona una fuente de vitaminas y de cofactores, se utiliza una mezcla de de 10 a 15% de glucosa, cantidades menores de fosfato de amonio, extracto de levadura y 10% neutralizante. El medio se inocula y se agita sin aireación para optimizar la neutralización del ácido formado. La fermentación dura entre 2 a 4 días y se termina cuando todo el azúcar es consumido, con el fin de facilitar la purificación. Al final de la fermentación el medio es ajustado a pH 10 y si se utiliza carbonato de calcio, el medio es calentado para solubilizar el lactato de calcio y coagular proteínas presentes. Posteriormente el medio se filtra para eliminar sustancias insolubles, así como biomasa. El ácido libre se obtiene por adición de ácido sulfúrico seguido de filtración para eliminar el sulfato de calcio formado. El ácido láctico es entonces concentrado por evaporación. Debido a que el tipo de fermentación descrito ( en discontinuo) está limitado por el daño que sufren las células por la acumulación en el medio de fermentación de la forma no disociada del ácido, se han investigado otros modos de fermentación como son la fermentación en discontinuo con alimentación intermitente y la fermentación en continuo y se han desarrollado una serie de procesos basados en la eliminación del producto por filtración y concentración de las células usando una unidad de retención. La fermentación en discontinuo con alimentación intermitente es un proceso en el cual el birreactor es alimentado de continua o secuencialmente con sustrato, sin la eliminación del medio de fermentación, mientras que la fermentación en continuo la corriente de producto posee la misma composición que el líquido presente en el reactor. La fermentación en continuo da en la mayoría de los casos mayores concentraciones y mayores rendimientos, comparado con la fermentación en discontinuo. RECUPERACIÓN Y PURIFICACIÓN La separación, purificación y preconcentración del ácido láctico obtenido de los medios de fermentación es difícil debido a la alta afinidad del ácido por el agua y a su baja volatilidad. En la mayoría de los procesos, el ácido láctico es recuperado bajo la forma de lactato de calcio, y los tratamientos posteriores van a depender de la pureza deseada e incluyen: tratamiento con carbón activo, purificación con resinas de intercambio iónico, extracción con solventes o esterificación con metanol seguido por destilación e hidrólisis. Sin embargo, con el fin de limpiar los residuos generados en el proceso, se han desarrollado otros métodos de recuperación y purificación que incluyen clarificación de medios de fermentación por microfiltración con flujo cruzado, tratamientos con resinas, entre otras. Comparado con técnicas de adsorción, precipitación o filtración por membranas, el método de extracción por solventes con componentes organofosforados, aminas terciarias o amonios cuaternarios, es más selectivo y favorece la eficacia del proceso y la pureza del producto obtenido. Sin embargo los solventes orgánicos plantean dos problemas: son tóxicos para los microorganismos y el pH óptimo de la extracción y de la fermentación no coinciden, por lo que se ha propuesto el uso de membranas poliméricas de Triacetato de celulosa con sales de amonio cuaternario como fase móvil y o-nitrofeniloctil éter como plastificante, para la separación in situ de ácido láctico. En cuanto a la electrodiálisis, es un proceso que ha sido diseñado para separar, purificar y concentrar sales de ácidos de medios de fermentación. El método permite separar el ácido a medida que se produce, eliminando la necesidad de agregar agentes neutralizantes. La concentración de ácido en el medio de cultivo por este sistema permanece en niveles muy bajos, por lo cual se ha evaluado una modificación al mismo que emplea la electodiálisis periódica acoplada a un sistema de control de pH, lo que hace que se aumente la concentración de lactato en el medio y se disminuyan los tiempos de fermentación. Con este método de fermentación se aumenta la productividad 1,5 veces respecto a la electrodiálisis convencional. La electrodiálisis puede además utilizarse después de la fermentación tipo batch y más recientemente se han propuestos sistemas en continuo que tienen la ventaja de mantener constante el volumen del medio de fermentación y de disminuir las pérdidas de glucosa en la solución recuperada, por este método se logra obtener 19,5 veces más ácido láctico que con la electrodiálisis convencional y 9,7 veces más ácido láctico comparado con la electrodiálisis intermitente. A pesar de todos estos avances la mayoría de industrias productoras de ácido láctico emplean aún los procesos de precipitación para la purificación de ácido láctico, lo cual genera una tonelada de yeso por cada tonelada de ácido láctico producido que se desecha al ambiente como residuo. USOS Y ESPECIFICACIONES El ácido láctico y sus derivados como sales y ésteres son ampliamente utilizados en la industria alimenticia, química, farmacéuticas, del plástico, textil, la agricultura, alimentación animal entre otros. En la industria alimenticia se usa como acidulante y conservante. Las industrias químicas lo utilizan como solubilizador y como agente controlador de pH. En la producción de pinturas y resinas, puede ser utilizado como solvente biodegradable. En la industria de plásticos es utilizado como precursor del ácido poliláctico (PLA), un polímero biodegradable con interesantes usos en la industria y la medicina; se considera ésta la principal aplicación del ácido y la causa por la cual a aumentado considerablemente su demanda. CONCLUSIONES A pesar de que la producción industrial de ácido láctico se inició hace más de 100 años, la investigación sigue aún muy activa, básicamente ésto es debido a dos factores: las nuevas aplicaciones que se le han encontrado al ácido por la posibilidad que ofrece de polimerizarse y producir plásticos biodegradables; y el coste, que resulta alto para aplicaciones a gran escala. Los investigadores proponen disminuir los costes de producción mediante el empleo de sustratos más baratos como desechos agroindustriales, a través del uso de microorganismos más eficientes y mediante la configuración de procesos integrados de purificación que permiten obtener L (+) y D (-) ácido láctico puro. De otro lado, la eficacia del proceso biotecnológico que se mide en términos de concentración de ácido láctico, rendimiento del producto relacionado con el sustrato consumido y velocidad de producción, es muy variado y éstos parámetros están marcadamente dependientes del microorganismo utilizado, de la fuente de carbono, de la fuente de nitrógeno, del pH, la temperatura y del modo de fermentación.  Poliácido láctico (PLA) El poli (ácido láctico) o ácido poliláctico (PLA) es un poliéster alifático termoplástico derivado de recursos renovables, de productos tales como almidón de maíz (en los Estados Unidos), tapioca (raíces, o almidón principalmente en Asia) o caña de azúcar (en el resto de mundo). Se pueden biodegradar bajo ciertas condiciones, tales como la presencia de oxígeno, y es difícil de reciclar. El nombre de "ácido poliláctico" debe utilizarse con precaución, ya que no se ajusta a las nomenclaturas estándar (como la IUPAC) y que podría dar lugar a la ambigüedad (PLA no es un poliácido, sino más bien un poliéster) El PLA ha sido objeto de muchas investigaciones desde hace algo más de un siglo. En 1845, Pelouze condensó ácido láctico por medio de una destilación con agua para formar PLA de poco peso molecular y un dímero cíclico del ácido láctico llamado lactida. Cincuenta años más tarde, en 1894, Bischoff y Walden intentaron sin éxito la producción de PLA a partir de la lactida. En 1932, Wallace Carothers, científico en Dupont, produjo un producto de poco peso molecular calentando el ácido láctico y sometiéndolo al vacío. En 1954, después de otros refinamientos, Dupont patentó el proceso de Carothers. Debido a los altos costes, este descubrimiento fue utilizado principalmente para la fabricación de suturas médicas, de implantes y como medio para dosificar medicamentos. Más adelante, Watson (1948) publicó posibles aplicaciones del PLA para revestimientos y como constituyente en las resinas. Así mismo, en 1986, Lipinsky y Sinclair publicaron también sus hallazgos. Un impedimento importante en el desarrollo del polímero ha sido el elevado costo de producción. Pero gracias a los avances en la fermentación de la glucosa para obtener ácido láctico, ha experimentado una bajada importante el costo de producción del ácido láctico y por consiguiente, un interés creciente en el polímero. Cargill fue una de las primeras compañías que desarrollo los polímeros de ácido poliláctico. Cargill comenzó a investigar la tecnología de producción de PLA en 1987, y su producción en planta data de 1992. En 1997 Cargill se asoció con la empresa Dow Chemical Company, creando NatureWorks LLC. Otras empresas productoras de PLA son: Teofan (Alemania), Hycail (Holanda), Mitsui Chemicals Inc (Japón) Pero no son las únicas también cabe destacar a Sterling Chemicals (EE.UU.), Musashino Chemical (Japón), CCA biochemical BV Netherlands con plantas en Europa, Brasil y EE.UU., Archer Daniels Midland (ADM) (EE.UU.) Síntesis y estructura química
El punto de partida para la obtención del PLA es el ácido láctico. El ácido láctico (LA) es el ácido 2-hidroxipropanóico  Fue descubierto hacia 1780 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele pero solo fue obtenido a escala industrial hacia 1880 en Estados Unidos por Charles Avery. Sus principales aplicaciones industriales se han basado en sectores como: Alimentario (acidulante, saborizante, emulsificante, y conservante) Farmacéutico (humectantes y pomadas de uso tópico) Cosmético (tico emulsificante en forma de en éster) Plásticos (aditivo, agente de terminado, como disolvente en forma de éster) Existen dos procesos básicos de obtención de ácido láctico (LA) que consisten en rutas químicas y biotecnológicas. Actualmente la ruta biotecnológica produce más del 95 % del consumo mundial de LA La ruta biotecnológica consiste en la fermentación de carbohidratos con bacterias y hongos, aunque industrialmente está más extendida la fermentación vía bacteriana. Una de las principales ventajas de las rutas biotecnológicas, es obtención de LA en sus formas enantioméricas, y no como mezcla racémica, tal y como ocurre en la vía química. Sus principales desventajas son: largos tiempos de fermentación (6 días), bajas productividades (1,35 g/L/h). La obtención de LA por vía fermentativa discurre básicamente a través de cuatro etapas. Fermentación Hidrólisis del lactato de calcio Esterificación y destilación Hidrólisis del éster  Los procesos comerciales de obtención se basan en la utilización de bacterias termófilas, de fermentación rápida, y que permiten que el uso de sustratos baratos, con mínima adición de nutrientes.  Algunos de los sustratos más empleados en la fermentación láctica son: sacarosa de caña de azúcar, y de remolacha azucarera, lactosa de lactosueros y dextrosa de almidones hidrolizados. El ácido láctico es un ácido orgánico con tres carbonos: 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:  El ácido láctico no puede ser directamente polimerizado en un producto útil, ya que cada reacción de polimerización genera una molécula de agua, cuya presencia degrada la formación de la cadena polimérica, hasta el punto que sólo se obtienen pesos moleculares muy bajos. En cambio, dos moléculas de ácido láctico se someten a una esterificación simple y luego catalíticamente se cicla para hacer un éster de dilactato cíclico. A pesar de que la dimerización también genera agua, puede ser separada antes de la polimerización debido a una caída significativa en la polaridad. El PLA de alto peso molecular se produce a partir del éster de dilactato (lactida) por polimerización por apertura de anillo usando por lo general un octoato de estaño como catalizador (a nivel laboratorio se emplea comúnmente cloruro de estaño (II)). Este mecanismo no genera agua adicional, por lo tanto, una amplia gama de pesos moleculares puede obtenerse.  La polimerización de una mezcla racémica de ácidos L y D-lácticos por lo general conduce a la síntesis de poliácidos-DL-láctico (PDLLA), que es amorfo. El uso de catalizadores estereoespecíficos puede llevar a PLA heterotáctico de mayor cristalinidad. El grado de cristalinidad y otras muchas características importantes, es en gran parte controlado por la relación de enantiómeros D y L que se utiliza, y en menor medida del tipo de catalizador utilizado. Propiedades físicas y químicas Debido a la naturaleza quiral del ácido láctico, pueden obtenerse distintos tipos de polímero: el poliácido-L-láctico (PLLA) es el producto resultante de la polimerización de ácido L, L-láctico (también conocido como L-láctico). El PLLA tiene una cristalinidad de alrededor del 37%, una temperatura de transición vítrea entre 60-65ºC, una temperatura de fusión entre 173-178ºC y un módulo de elasticidad entre 2,7 a 16 GPa. Sin embargo, el PLA resistente al calor pueden soportar temperaturas de 110ºC (230º F). El PLA tiene propiedades mecánicas similares al PET, pero tiene una temperatura máxima de uso continuo significativamente más bajos. El ácido poliláctico se puede procesar, como la mayoría de los termoplásticos, en fibra (por ejemplo, usando el proceso convencional de hilatura por fusión) y en película. La temperatura de fusión del PLLA se puede aumentar 40-50ºC y la temperatura de deflexión al calor puede incrementarse en aproximadamente 60ºC hasta 190ºC por mezclado físico del polímero con PDLA (poliácido-D-láctico). El PDLA y el PLLA forman un estereoconflexión muy regular con mayor cristalinidad. La estabilidad de la temperatura se maximiza cuando se utiliza una mezcla 50:50, pero incluso a bajas concentraciones de 3.10% de PDLA, existe una mejora sustancial. En este último caso, el PDLA actúa como un agente de nucleación, lo que aumenta la velocidad de cristalización. La biodegradación de PDLA es más lenta que para el PLA debido a la mayor cristalinidad del PDLA. El PDLA tiene la útil propiedad de ser ópticamente transparente. También hay poliácidos (L-láctico-co-D, L-láctico) (PLDLLA), usado como PLDLLA / TCP (andamios) para la ingeniería del hueso. Biodegradación Una de las características que ha suscitado gran interés en el PLA es su capacidad de biodegradarse bajo condiciones adecuadas a diferencia del resto de los polímeros. Lo que le confiere una gran ventaja desde el punto de vista ecológico. Además es un polímero obtenido de recursos renovables.  Una crítica importante del polímero ocurre durante su fase de interrupción biológica. El PLA lanza dióxido de carbono y metano durante este proceso, sustancias que participan al efecto invernadero. Siendo nulo el balance neto en dióxido de carbono, pues el CO2 lanzado a la atmósfera es aquel que fue absorbido durante la fotosíntesis de la planta. Otra crítica es que los combustibles fósiles todavía son necesarios para producir el PLA. Aunque los combustibles fósiles no se utilizan en el polímero sí mismo, son necesarios en los procesos de cosechas y recogida de la planta así como en su producción química. Los productores del PLA reconocen que los combustibles fósiles se están utilizando para producir el plástico, pero indican que su fabricación requiere entre 20 y 50 por ciento menos de recursos fósiles que aquellos que provienen del petróleo. Además hacen uso de recursos fósiles abundantes como son el carbón y el gas natural e investigan sobre la utilización de la biomasa. El ácido láctico, y por lo tanto el PLA, también pueden derivar del trigo, de la remolocha y otras cosechas permitiendo adaptarse a los climas específicos de cada región. Es importante resaltar que la tecnología de fabricación del PLA es reciente, solamente diez años frente a los casi 100 años de existencia de la petroquímica del plástico, durante los cuales ha ido mejorando. Otro de los inconvenientes del PLA puede ser el hecho de que al crecer su consumo se deberá generar mayor cantidad de sembradíos para satisfacer la demanda de materia prima para su obtención, lo que elevaría el desmonte de los suelos para ser sembrados. Aplicaciones Mezclas de estéreo-complejas de PDLA y PLLA tienen una amplia gama de aplicaciones, tales como camisas de tejido, bandejas para microondas, las aplicaciones de llenado en caliente, e incluso plásticos de ingeniería (en este caso, el estéreo-complejo se mezcla con un polímero similar al caucho, tales como ABS ). Tales mezclas tienen una buena estabilidad y transparencia, que los hace útiles para aplicaciones de embalaje de gama baja.
Avances de la biotecnología se ha traducido en el desarrollo de la producción comercial de la forma enantiómero D, algo que no era posible hasta hace poco El PLA se utiliza actualmente en una serie de aplicaciones biomédicas, tales como suturas, stents, medios de diálisis y dispositivos de administración de fármacos. El tiempo de degradación total del PLA es un par de años. También se están evaluando como material para la ingeniería de tejidos y huesos. El PLDLLA es ampliado con ß-TCP (fosfato beta tricálcico). El material cerámico ß-TCP es similar a los componentes minerales del tejido óseo. Por este motivo, los tornillos alcanzan resultados extraordinarios en la reabsorción y el reemplazamiento óseo.
El PLA es una alternativa sostenible a los productos derivados de la industria petroquímica, ya que es obtenido de la fermentación de subproductos agrícolas, tales como almidón de maíz y otras sustancias ricas en carbohidratos, como el maíz, la caña azúcar o el trigo El PLA es más costoso que muchos materiales convencionales derivados del petróleo, pero su precio ha ido cayendo a medida que aumenta la producción y aumenta el precio del petróleo. El PLA se utiliza para vasos desechables biodegradables y compostables para bebidas frías, bolsas y envases tipo almeja para empaque de alimentos, bolsitas de té, platos y cubiertos desechables, etc.
El empaquetado con PLA ahorra un 30 % con respecto al PET. Dada esta reducción, un envase de ensalada en PET puede pesar 45 gramos. El mismo en PLA, 32.
Las botellas son la aplicación más novedosa del PLA que ofrece sus mejores prestaciones en aguas, leche y yogur, aceite vegetal y zumos frescos. No así en bebidas carbónicas, para las cuales su barrera a los gases no es suficiente. La empresa británica Belu Water vende una botella de agua hecha con PLA desde julio 2005.
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