CIDO LCTICO

PRODUCCIN BIOTECNOLGICA DE CIDO LCTICO El cido lctico tiene un amplio rango de aplicaciones en la industria alimenticia, qumica, farmacutica, qumica y cosmtica, entre otras. Recientemente se ha acelerado la investigacin en L (+) y D (-), cido lctico, por va biotecnolgica, debido a su posibilidad de transformacin en poli-lctico biodegradable (PLA). Los esfuerzos en la investigacin del cido lctico, estn enfocados a disminuir los costes de produccin a travs de nuevos sustratos, nuevas tecnologas de fermentacin y separacin, y nuevos microorganismos capaces de alcanzar altas concentraciones de cido lctico, altos rendimientos y altas productividades.INTRODUCCIN El cido lctico fue descubierto en 1780 por el qumico sueco Scheele, quien lo aisl de leche agria, fue reconocido como producto de fermentacin por Blonodeaur en 1847 y tan solo en 1881, Littlelon inicia la fermentacin a escala industrial. Es un compuesto muy verstil utilizado en la industria qumica, farmacutica, de alimentos y de plsticos Existen dos ismeros pticos, el D (-), lctico y el L (+) lctico y una forma racmica constituida por fracciones equimolares de las formas D (-) y L (+). A diferencia del ismero D (-), la configuracin L (+) es metabolizada por el organismo humano. Ambas formas isomricas del cido lctico pueden ser polimerizadas y se pueden producir polmeros con diferentes propiedades dependiendo de la composicin.Propiedades del cido lcticoFrmulaC3H6O3

Peso molecular90,08

ndice de refraccin1,4414

Punto de fusinL(+) y D(-) 52,8 a 54 C

Punto de ebullicin125-140 C

Gravedad especfica1206

Calor de combustin3616 cal/g

Viscosidad40,33 mNsm-2

Densidad1,249

Constante dielctrica22

PRODUCCIN INDUSTRIAL El cido lctico puede ser obtenido por va qumica o biotecnolgica. La produccin qumica, esta basada en la reaccin de acetaldehdo con cido cianhdrico (HCN) para dar lactonitrilo, el cual puede ser hidrolizado a cido lctico; otro tipo de reaccin se basa en la reaccin a alta presin de acetaldehdo con monxido de carbono y agua en presencia de cido sulfrico como catalizador. La sntesis qumica tiene la desventaja que el cido lctico producido es una mezcla de D y L cido lctico ptimamente inactivo, por lo cual el 90% del cido lctico producido en el mundo es elaborado por va biotecnolgica. La produccin biotecnolgica est basada en la fermentacin de sustratos ricos en carbohidratos por bacterias u hongos y tiene la ventaja de formar enantimeros D (-) o L (+), ptimamente activos. La produccin biotecnolgica depende del tipo de microorganismo utilizado, la inmovilizacin o recirculacin del microorganismo, el pH, la temperatura, la fuente de carbono, la fuente de nitrgeno, el modo de fermentacin empleado y la formacin de subproductos. Las bacterias que pueden utilizarse para la produccin de cido lctico son cocos y bacilos Gram positivos, anaerobios facultativos, no esporulados, inmviles y catalasa negativo, pertenecientes a los gneros Lactobacillus, Carnobacterium, Leuconostc, Tetragenococus, Las bacterias del cido lctico (LAB) tienen requerimientos nutricionales complejos debido a su limitada habilidad para sintetizar aminocidos y vitamina B. La mayora de LAB producen nicamente una forma isomrica de cido lctico. Las especies de los gneros Aerococcus, Carnobacterium, producen nicamente ismeros L, mientras las especies del gnero Leuconostc producen nicamente ismeros D. Sin embargo, algunas LAB producen formas racmicas donde el ismero predominante depende de cambios en la aireacin, cantidad de NaCl, tipo de fermentacin, incrementos en el pH y concentracin de sustrato. Acorde con los productos finales de la fermentacin de los hidratos de carbono las LAB se dividen en homofermentativas y heterofermentativas. En el metabolismo homofermentativo, se produce predominantemente cido lctico y las bacterias usan la hexosa. Algunas de las bacterias que tienen este metabolismo son delbruekii, helveticus, etc. La estequiometra clsica de la fermentacin homolctica es la siguiente:C6H12O6+ 2 ADP + 2 Pi 2CH3-CHOH-COOH + 2 ATP En la fermentacin heterolctica hay formacin de xilulosa-5 fosfato por el sistema de la glucosa-6 fosfato deshidrogenada. La estequimetra heterolctica a partir de glucosa es la siguiente:C6H12O6+ 2 ADP + 2 Pi CH3-CHOH-COOH + CH3CH2OH+CO2+ 2ATP El cido lctico adems puede ser producido en mayor o menor proporcin por bacterias que no suelen incluirse en el grupo lctico, tal es el caso de Bifidobacterium, algunas especies de Bacillus, Clostridium, De las LAB, Lactobacillus delbrueckii es el microorganismo ms utilizado en la produccin a gran escala de cido lctico, ya que tiene la ventaja de producir nicamente ismeros L (+), consumir eficientemente glucosa y ser un microorganismo termfilo con temperatura ptima de crecimiento 41.5C, lo que reduce costes de enfriamiento y esterilizacin, as como riesgos de contaminacin microbiolgica en el fermentador. Este microorganismo crece bien a un pH entre 5,5 y 6,5 por lo que el cido producido debe ser continuamente neutralizado. Los hongos utilizados en la produccin de cido lctico son mohos y levaduras que pertenecen a los gneros Rhizopus, Zymomonas, Saccharomyces. Desde finales de los aos 80, se ha venido estudiando ampliamente Rhizopus oryzae para la produccin biotecnolgica de cido lctico ya que presenta la ventaja de que no requiere fuente de nitrgeno orgnico para su crecimiento, tiene la habilidad de producir directamente grandes cantidades de L (+) cido lctico de almidn y es fcilmente separado del medio de fermentacin en el proceso de recuperacin y purificacin. Sin embargo la dificultad que presenta la produccin de cido lctico con moho es su forma fsica ya que el gran tamao de los micelios o sus agregados puede provocar un aumento en la viscosidad del medio de fermentacin lo que causa un alto incremento en la demanda de oxgeno y resistencia a la transferencia de masa en el proceso fermentativo, lo que a su vez aumenta los tiempos de fermentacin, aumenta los subproductos formados especialmente etanol, y disminuye los rendimientos en conversin. En la produccin biotecnolgica de cido lctico con bacterias o con hongos, se utilizan como sustratos, sacarosa proveniente de la caa de azcar y de la remolacha azucarera, pero debido a que el azcar puro es de alto coste se han venido investigando otros sustratos (desechos agrcolas) para disminuir los costes de produccin. Sin embargo la produccin de cido lctico de estas fuentes renovables requiere de los siguientes pasos:1) Hidrlisis del sustrato hasta azcares fermentables.2) Fermentacin de azcares a cido lctico.3) Separacin de biomasa y partculas slidas del medio de fermentacin.4) Purificacin del cido lctico obtenido. En la obtencin comercial con bacterias lcticas, 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 aireacin para optimizar la neutralizacin del cido formado. La fermentacin dura entre 2 a 4 das y se termina cuando todo el azcar es consumido, con el fin de facilitar la purificacin. Al final de la fermentacin 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 protenas presentes. Posteriormente el medio se filtra para eliminar sustancias insolubles, as como biomasa. El cido libre se obtiene por adicin de cido sulfrico seguido de filtracin para eliminar el sulfato de calcio formado. El cido lctico es entonces concentrado por evaporacin. Debido a que el tipo de fermentacin descrito ( en discontinuo) est limitado por el dao que sufren las clulas por la acumulacin en el medio de fermentacin de la forma no disociada del cido, se han investigado otros modos de fermentacin como son la fermentacin en discontinuo con alimentacin intermitente y la fermentacin en continuo y se han desarrollado una serie de procesos basados en la eliminacin del producto por filtracin y concentracin de las clulas usando una unidad de retencin. La fermentacin en discontinuo con alimentacin intermitente es un proceso en el cual el birreactor es alimentado de continua o secuencialmente con sustrato, sin la eliminacin del medio de fermentacin, mientras que la fermentacin en continuo la corriente de producto posee la misma composicin que el lquido presente en el reactor. La fermentacin en continuo da en la mayora de los casos mayores concentraciones y mayores rendimientos, comparado con la fermentacin en discontinuo.RECUPERACIN Y PURIFICACIN La separacin, purificacin y preconcentracin del cido lctico obtenido de los medios de fermentacin es difcil debido a la alta afinidad del cido por el agua y a su baja volatilidad. En la mayora de los procesos, el cido lctico es recuperado bajo la forma de lactato de calcio, y los tratamientos posteriores van a depender de la pureza deseada e incluyen: tratamiento con carbn activo, purificacin con resinas de intercambio inico, extraccin con solventes o esterificacin con metanol seguido por destilacin e hidrlisis. Sin embargo, con el fin de limpiar los residuos generados en el proceso, se han desarrollado otros mtodos de recuperacin y purificacin que incluyen clarificacin de medios de fermentacin por microfiltracin con flujo cruzado, tratamientos con resinas, entre otras. Comparado con tcnicas de adsorcin, precipitacin o filtracin por membranas, el mtodo de extraccin por solventes con componentes organofosforados, aminas terciarias o amonios cuaternarios, es ms selectivo y favorece la eficacia del proceso y la pureza del producto obtenido. Sin embargo los solventes orgnicos plantean dos problemas: son txicos para los microorganismos y el pH ptimo de la extraccin y de la fermentacin no coinciden, por lo que se ha propuesto el uso de membranas polimricas de Triacetato de celulosa con sales de amonio cuaternario como fase mvil y o-nitrofeniloctil ter como plastificante, para la separacin in situ de cido lctico. En cuanto a la electrodilisis, es un proceso que ha sido diseado para separar, purificar y concentrar sales de cidos de medios de fermentacin. El mtodo permite separar el cido a medida que se produce, eliminando la necesidad de agregar agentes neutralizantes. La concentracin de cido en el medio de cultivo por este sistema permanece en niveles muy bajos, por lo cual se ha evaluado una modificacin al mismo que emplea la electodilisis peridica acoplada a un sistema de control de pH, lo que hace que se aumente la concentracin de lactato en el medio y se disminuyan los tiempos de fermentacin. Con este mtodo de fermentacin se aumenta la productividad 1,5 veces respecto a la electrodilisis convencional. La electrodilisis puede adems utilizarse despus de la fermentacin tipo batch y ms recientemente se han propuestos sistemas en continuo que tienen la ventaja de mantener constante el volumen del medio de fermentacin y de disminuir las prdidas de glucosa en la solucin recuperada, por este mtodo se logra obtener 19,5 veces ms cido lctico que con la electrodilisis convencional y 9,7 veces ms cido lctico comparado con la electrodilisis intermitente. A pesar de todos estos avances la mayora de industrias productoras de cido lctico emplean an los procesos de precipitacin para la purificacin de cido lctico, lo cual genera una tonelada de yeso por cada tonelada de cido lctico producido que se desecha al ambiente como residuo.USOS Y ESPECIFICACIONES El cido lctico y sus derivados como sales y steres son ampliamente utilizados en la industria alimenticia, qumica, farmacuticas, del plstico, textil, la agricultura, alimentacin animal entre otros. En la industria alimenticia se usa como acidulante y conservante. Las industrias qumicas lo utilizan como solubilizador y como agente controlador de pH. En la produccin de pinturas y resinas, puede ser utilizado como solvente biodegradable. En la industria de plsticos es utilizado como precursor del cido polilctico (PLA), un polmero biodegradable con interesantes usos en la industria y la medicina; se considera sta la principal aplicacin del cido y la causa por la cual a aumentado considerablemente su demanda.CONCLUSIONES A pesar de que la produccin industrial de cido lctico se inici hace ms de 100 aos, la investigacin sigue an muy activa, bsicamente sto es debido a dos factores: las nuevas aplicaciones que se le han encontrado al cido por la posibilidad que ofrece de polimerizarse y producir plsticos biodegradables; y el coste, que resulta alto para aplicaciones a gran escala. Los investigadores proponen disminuir los costes de produccin mediante el empleo de sustratos ms baratos como desechos agroindustriales, a travs del uso de microorganismos ms eficientes y mediante la configuracin de procesos integrados de purificacin que permiten obtener L (+) y D (-) cido lctico puro. De otro lado, la eficacia del proceso biotecnolgico que se mide en trminos de concentracin de cido lctico, rendimiento del producto relacionado con el sustrato consumido y velocidad de produccin, es muy variado y stos parmetros estn marcadamente dependientes del microorganismo utilizado, de la fuente de carbono, de la fuente de nitrgeno, del pH, la temperatura y del modo de fermentacin.