INTRODUCCIÓN

El mercado del ácido láctico parece estar en crecimiento, con precios estables y a la

espera de una demanda en aumento. Aunque el mercado de ácido láctico en

alimentos y bebidas se está expandiendo, se espera que otras aplicaciones

industriales crezcan rápidamente, por ejemplo que la demanda de polímeros y

solventes ambientalmente amigables a partir de ácido láctico se incremente

sustancialmente en los próximos años Actualmente, a nivel mundial, algunos

observadores aseguran que la producción de esta compuesto tiene un incremento de

12-15% anual , y se tiene proyectado un aumento de la demanda de un 45.5% anual

para el uso en polímeros biodegradables . Se comenzó a estudiar la producción de

ácido láctico por medio de la fermentación bacteriana, aunque también puede serlo a

través de la hidrólisis del lacto nitrilo.

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I. MARCO TEORICO

Ácido láctico

El ácido láctico o 2-hidroxipropiónico es el ácido carboxílico más común en la

naturaleza. Fue descubierto en 1780 por el químico experimental Carl Wilhelm

Scheele quien lo aisló del suero de leche agria, aunque no fue hasta 1881 cuando

fue producido industrialmente por Charles Avery en Littleton, Massachusetts,

obteniéndolo por un proceso de fermentación de azúcares vegetales. En 1950, en

Japón, empezó la producción de ácido láctico sintético mediante lactonitrilo. Éste se

obtenía a partir de acetaldehído y ácido cianhídrico, y se hidrolizaba posteriormente

para obtener el ácido láctico. Durante unas décadas, el ácido láctico sintético y el

obtenido por fermentación compitieron industrialmente, aunque desde la década de

los 90 prácticamente todo el ácido láctico proviene de la fermentación. Esto se debe

a que es más respetuosa con el medio ambiente, y además, la ruta sintética tiene

bastantes limitaciones importantes, como una capacidad limitada debido a la

dependencia de un subproducto de otro proceso, inhabilidad para obtener sólo el

isómero deseado L, y unos costes de obtención elevados. El ácido láctico se utiliza

además de monómero para la obtención del ácido poliláctico (PLA), como un

acidulante en alimentos. Si se convierte a ésteres se puede utilizar como un

disolvente verde para la limpieza de metales, pinturas, y recubrimientos. Es miscible

en agua y etanol, y exhibe baja volatilidad.

El ácido láctico es el ácido hidroxi más simple con un átomo de carbono asimétrico y

existe en dos configuraciones ópticamente activas: el isómero L (S) y el D (R). El

isómero L es un producto intermedio del metabolismo de los hidratos de carbono en

los seres humanos y otros mamíferos, mientras que los sistemas bacterianos

producen ambos isómeros L y D. El ácido láctico sintético es una mezcla racémica

con un 50/50% de las formas D y L, llamado ácido DL-láctico, el cual es ópticamente

inactivo. El ácido L-láctico gira el plano de la luz polarizada hacia la derecha (+), y

ácido D-láctico gira en sentido antihorario (-).

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MATERIAS PRIMAS EMPLEADAS EN LA FABRICACIÓN DE ÁCIDO LÁCTICOS

A.- MATERIAS PRIMAS :

antes de tomar la decision de cual de las materia primas se van a seleccionar para

llevar acabo la investigacion de una planta de obtencion de acido lactico ,es

necesario saber que las materia primas utilizadas son cualquier producto que

contenga azucar o hidratos de carbono, y por eso han sido agrupados en tres

grandes clases:

1.- materias azucaradas : mostos y jugos de diversas frutas , remolacha y caña de

azucar , azucar de remolacha y de caña , melaza, sorgo azucarado , suero de la

leche .

2.- materias amilaceas : grupo en el cual incluimos todos los sereales que

contengan almidon ( maiz, arriz,etc.), tuberculos y raices que contengan almidon ,etc,

tales como patatas dulces , yuca etc.

3.- materias celulosicas: madera y sus residuos ,pajas , residuos agricolas , liquidos

sulfiticos residuos de la fabricacion de papel que contienen azucar , derivados de la

celulosa y de la hemicelulosa por la hidrolisis .

Es importante conocer el proceso fermentativo en una reaccion de descomposicion

que que envolucra diferentes enzimas ( producidas por microorganismos vivos) que

actuan como catalizadores en la conversion de azucares en acido lactico:

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B.- CONOCIMIENTO DE LAS BACTERIAS :

entre las bacterias hay diversas especies que producen acido lactico ,pero en

general se consideran en dos grupos :

1.- bacterias lacticas verdaderas u homofermentativas

2.- bacterias lacticas falsas o heterofermentativas

-bacterias homofermentativas: son organismos anaerobicos O microaerofilicos que

convierten azucares o materiles glusidos en acido lactico como principal producto .

se nutren con peptonas y muchas necesitan miembros del complejo vitaminico B y

ciertos aminoacidos como complemento para su crecimiento.

- Bacterias heterofermentativas : son aquellos organismos que producen

ademas del acido lactico , otros acidos volatiles y oxidos de carbono CO2.

Entre este tipo de bacteria pobremos nombrar los siguientes:

-L. lycipersici

-L. Mannitopoeus

-L. Acidophil- aerogenas

Los principales productos finales formados por estas bacterias son : acido lactico ,

glicerol, etanol y CO2 .

las sepas de los microorganismos que se emplean tienen gran importancia . puesto

que hay tipos de bacterias bien definidas y especificas para ciertos azucares .como

por ejemplo : las bacterias thermofilicas para ciertos azucares del tipo delbrueckil ,

cuya maxima actividad se encuentran alrededor de 50c0 , son las que generalmente

se emplean para fermentar las melazas ,xilosas y el suero de la leche , etc. ( este

tipo de bacterias es de la clasificacion homofermentativas).

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II. PROPIEDADES FISICOQUIMICAS

El ácido láctico es un líquido viscoso, sin olor, sin color y no volátil. Es soluble en

todas las proporciones en el agua, en el alcohol y en el éter; insoluble en benzol y en

cloroformo. Tiene una densidad relativa entre 1,21 - 1,23 a temperatura de 25 °C. El

ácido láctico comercial puede tener purezas de 40 %, 75 % y 80 %. El ácido láctico

que se obtiene por fermentación es de color amarillento y tiene impurezas como

ácidos orgánicos (acético, butírico, tartárico, cítrico), sales minerales, azúcares,

glicerina, etc.

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En la Tabla 1 se presentan otras propiedades fisicoquímicas del ácido láctico

Las cantidades máximas en ppm de cloruros, sulfatos, calcio y hierro presentes en el

ácido láctico comercial son 10, 30, 20 y 10 respectivamente. Lo máximo en ácidos

volátiles como ácido acético es 0,5 %.

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El ácido láctico es un compuesto ternario, formado por carbono, oxigeno e hidrogeno

es soluble en agua y en disolventes orgánicos miscibles con agua, como el alcohol y

la acetona, pero en general, los alcoholes son más eficientes en la extracción del

ácido lactito.

Algunas de las propiedades físicas y termodinámicas del ácido láctico están

detalladas en la Tabla 2.

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III.METODOS DE PRODUCCIÓN EXISTENTES Y REACCIÓN QUIMICA

Desde el punto de vista industrial existen dos metodos para la producción de

ácido láctico

1.- por fermentación:

-con bacterias

-con hongos

2.-por metodo quimico:

-hidrolisis alcalina de los azucares ,empleando hidroxidos o carbonatos.

En el precente trabajo se tratara d los procesos fermentativos unicamente,

descartando los metodos quimicos ya que son mucho mas costosos y complicados,

puesto que parten de sacarosa o hidrocarburos quimicamente puro .

Los métodos empleados para la obtención de ácido láctico por fermentación,

generalmente estan sujetos a dos fases en el proceso:

a.- fase de fermentación propiamente dicho

b.- fase de purificación del ácido láctico .

A continuación seran discutidos brevemente algunos aspectos generales que se

precentan en los procesos fermentativos de obtención de ácido láctico.

A.- Fase de fermentación

La fermentecion en general obedece a secuencuencias muy similares en los

diferentes procesos ,observando pequeñas variaciones unicamente en lo que

respecta a algunas condiciones de trabajo , tal como :microorganismos

adecuados ,temperatura obtima de actividad ,nutrientes especificos, pH

requerido ,etc., en base a la materi prima empleado ,asi como el producto que se

quiere obtener . la marcha general de las reacciones de fermentacion puede

expresarse como:

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Materia prima: puede ser de gran variedad de compuestos ricos en

carbohidratos ,otras matrerias como licor de desecho de sulfitos ,el jugo de las frutas

citricas ,papas hidrolizadas enzimaticamente , madera hidrolisadas por acido ,acerrin

y paja tambien han sido propuestas.

PH del medio : la fermentación transcurre de modo inmejorable cuando el PH esta

dentro de la zona acida pero cercano a la neutralidad ,lo que tiende a producirse por

la adicion de la masa en fermentacion de carbonato de calcio , hidroxido de calcio i

cualquier otro agente neutralizante basico .el PH se puede mantener en un valor

constante por regulacion continua ,lo cual permite incrementar los rendimientos y

velosisdaes de produccion ,si no se neutraliza el mosto a fermentar, Los

microorganismos no pueden tolerar la gran acidez desarrollada y se interrumpe la

fermentacion . Por ende el PH obtimo del proceso de fermentacion de acido lactico

esta comprendido en un rango de 5.5 a 6.5.

Sustancias nutrientes: mediante la adicion de sustancias nutrientes al medio ,se

obtiene mejores rendimientos de acido lactico.

Duracion y rendimiento de la fermentación: los procesos de fermentacion suelen

completarse entre 4 y6 dias dependiendo de la composicion empleada del

medio ,microorganismo y condiciones de fermentacion ,el tiempo de fermentacion y

rendimiento dependen de la clase , cantidad y combinacion de las sustancias

nutritivas empleadas . el rendimiento teorico del acido lactico es 100% del peso de la

hexosa fermentable ,conforme a la reaccion total:

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Utizando como microorganismos bacterias homofermentadoras ,en la practica nunca

se obtiene este rendimiento en la industria se considera un rendimiento del 85%.

B.- purificación del ácido láctico

una vez terminada la fermentación ,el ácido láctico que se forma reacciona con la

lechada de cal o carbonato de calcio. Este lactato formado se convierte en acido

lactico por reaccion con acido sulfurico,precipitando sufato de calcio insoluble . de

aquí en adelante ,el acido lactico obtenido se somete a la fase de purificacion por

diversos metodos ,de los cuales algunos de ellos son señalados a continuacion :

-a base de repetidos blanqueos con carbon vegetal y tratamientos con sulfuro de

sodio para precipitar los metales ligeros .

-extraccion de acido lactico de la solucion cruda por eter isopropilico ,seguido por

extraccion de acido lactico del eter, por agua.

Existes otros procesos de purificacion ,que son mas costosos y de baja

produccion ,como: destilacion directa al vacio , esterificacion de acido lactico con

metanol en precencia de un acido fuerte como catalizador ,etc.

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PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓN

A partirla lactosa del suero

Preparación del medio de cultivo. En la actualidad la mayoría de los medios de

cultivo se encuentran comercializados normalmente bajo la forma de liofilizados

que es preciso rehidratar. En general, la preparación de un medio de cultivo se

reduce simplemente a pesar la cantidad deseada del mismo y redisolverla en

agua destilada (libre de inhibidores de crecimiento) siguiendo las instrucciones

del fabricante y esterilizando en autoclave. 38 Antes de su esterilización, los

medios líquidos en caldo se distribuyen en los recipientes adecuados (tubos o

matraces); en ningún caso la altura del líquido en el recipiente debe exceder un

tercio del volumen total de éste. El uso de diversos medios semisólidos

comerciales que difieren en las fuentes de carbono y nitrógeno, aporta la

identificación de los componentes propios del medio que suplen las necesidades

químicas de los microorganismos para llevar a cabo su crecimiento y desarrollo

normal. Se presenta la composición de algunos medios de cultivo y las

condiciones necesarias para su manejo.

Medios de cultivo

Producción de ácido láctico cepas homolacticas.

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La fermentación se puede utilizar el Lactobacillus bulgaricus o el

Streptococcus láctis. Según el microorganismo utilizado diferirán las

condiciones requeridas en el proceso. Lactosa Ácido láctico.

Se puede obtener ácido láctico por la siguiente reacción:

C12H 22O11 . H 2Omicrorganismo→

4CH 3CHOHCOOH

El Streptococcus láctis puede trabajar en un intervalo de temperatura de 30-

35 °C y de pH de 5-6; estas condiciones favorecen el crecimiento de otras

especies y por lo tanto se pueden formar otros productos contaminantes,

presentándose así una producción baja.

El Lactobacillus bulgaricus trabaja en un intervalo de temperatura de 41 – 45

°C y de pH de 5-6; estas condiciones no favorecen el crecimiento de otras

especies contaminantes, es homofermentativo y produce mayor cantidad de

ácido.

Para el Lactobacillus delbrueckii, se requieren las siguientes condiciones de

proceso: pH 5,0 – 5,8, un agente neutralizante como el carbonato de calcio o

la soda (CaCO3, NaOH) (si el nivel de ácido láctico libre alcanza 1-2 % del

peso total, las bacterias pueden morirse), temperatura 43ºC, tiempo de

fermentación 42 h. realizando esta operación en tanques construidos en

madera o acero inoxidable con una capacidad de 23 mil litros, se obtuvieron

rendimientos del 85 al 90 % en relación al azúcar consumido. La temperatura

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óptima para la cual el Lactobacilo exhibe una actividad máxima es de

alrededor de 50 ºC y se recomienda un pH entre 5 y 5,5, este tipo de

fermentación elimina los problemas de contaminación.

El Lactobacilo es trasladado progresivamente desde el tubo de ensayo a

frascos, y por último, a los fermentadores, donde se mantiene un nivel de

inóculo del 10%. 26 Cada traslado se hace después de 16 – 20 horas de

crecimiento a 43 ºC, con control constante. El medio, consiste en 15% de

glucosa, 0,4% de malta germinada, 0,25% de fosfato diamónico y 10% de

carbonato de calcio, no se esteriliza. La industria se basa en la limpieza, la

alta temperatura y el bajo pH para restringir las contaminaciones, en especial

por bacterias butíricas. Esta fermentación requiere 4 a 6 días, cuando la

concentración de azúcar se reduce al 0,1% o menos y el rendimiento alcanza

el 90 al 95%.

El pH necesita ser controlado para optimizar la fermentación. En

experimentos con control manual de pH a 5 ± 0,2 con baja concentración

inicial de sustrato, fue observada una correlación lineal entre la velocidad de

crecimiento específico y la velocidad de producción de ácido láctico. Por otro

lado, en experimentos con pH controlado en el mismo rango de pH pero con

alta concentración inicial de sustrato, dos fases en el crecimiento del

microorganismo fueron observadas. En la primera fase, el crecimiento del

microorganismo está directamente asociado con la producción de ácido

láctico. En la segunda fase, el crecimiento del microorganismo es

aproximadamente constante.

En consecuencia, la producción de ácido láctico fue incrementando como

resultado de un decrecimiento en el consumo de sustrato para el

mantenimiento del microorganismo. Para la producción de ácido láctico, los

experimentos a pH controlados indicaron altas velocidades de reacción.

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APLICACIONES

INDUSTRIA ALIMENTICIA

Acidulantes Preservantes

Saborizantes

Reguladores de pH

Mejorador de la calidad microbiana

Fortificación mineral

INDUSTRIA FARMACÉUTICA

Soluciones parental/I.V

Solución de diálisis

Preparaciones minerales

Tabletas - Prótesis

Suturas quirúrgicas

Sistemas de liberación controlada de medicamentos

INDUSTRIA COSMÉTICA

Agentes hidratantes e iluminadores de la piel

Agentes rejuvenecedores de la piel

Reguladores de pH

Agentes anti-acné

Humectantes

Agentes anti-sarro

INDUSTRIA QUÍMICA

Agentes descalcificantes

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Reguladores de pH

Neutralizantes

Intermediarios quirales

Solventes verdes

Agentes limpiadores

Agentes de acidificación suave

Agentes de complicación metálicos

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ESTUDIO SOBRE LA PRODUCCION DE ACIDO LACTICO A PARTIR DE

UN PROCESO DE FERMENTACION DE LA MELAZA (TESIS):

  PRODUCCIÓN BIOTECNOLÓGICA DE ÁCIDO LÁCTICO

www.observatorioplastico.com

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