El ácido láctico se produce en forma de ácido láctico L (+) o D (-) o como su mezcla racémica. Los organismos que forman la forma L (+) o D (-) tienen dos deshidrogenasas de lactato (LDH), que difieren en su estereoespecificidad. Algunos lactobacilos producen la forma L (+), que al acumularse induce una racemasa, que la convierte en ácido láctico D (-) hasta que se obtiene el equilibrio.
Se ha encontrado que la L- lactato deshidrogenasa en L. casei es una enzima alostérica con fructosa 1,6- bifosfato (FDP). En algunos casos el Mn2+ actúa como cofactor. La LDH de L. casei y la de los eucariotas y la de L. casei y la de los vertebrados muestran un 37% y un 76% de similitud respectivamente, pero los sitios activos muestran un 70% y un 86% de similitud respectivamente, lo que demuestra que las partes esenciales de esta enzima se han conservado. En comparación con las enzimas de los vertebrados, L. casei carece de residuos de 12 aminoácidos en el extremo N, que es una característica común de las enzimas bacterianas, independientemente del comportamiento alostérico. L. casei también lleva 7 residuos de aminoácidos adicionales en el extremo C, pero no se sabe si esto también es característico de las enzimas bacterianas, ya que no se dispone de la secuencia completa de otras enzimas bacterianas.
A pesar de las diferencias en la estructura primaria, el análisis cristalográfico muestra que la estructura general de las enzimas alostéricas de L. casei y las enzimas no alostéricas de los vertebrados son similares. Por lo tanto, probablemente las pequeñas alteraciones en la estructura primaria son las responsables de su comportamiento alostérico. La ausencia de los primeros 12 aminoácidos en el extremo N indica un posible sitio de unión de efectores, lo que también explica el efecto inhibidor de la disociación de Mn2+ o (Mn2+ + FDP) en la enzima. La enzima tetramérica se disocia en dímeros mostrando la accesibilidad del disolvente libre a los residuos de tirosina, que pueden no estar localizados en la región de contacto de la subunidad. Los residuos de triptófano están en la absorción UV y la fluorescencia de la proteína por la unión del efector, pero se encontró que la fluorescencia de la proteína se destruye en el bromuro de dimetil sulfonio, y también no hay influencia en la unión del FDP. Por lo tanto, puede deberse a algún residuo de tirosina remoto. Sin embargo, se encontró que las vías metabólicas de L. casei están controladas por el tipo de carbohidratos disponibles, que determinan la cantidad de FDP y de intermediarios de triosa fosfato. Estos controlan la actividad de la LDH y de otras enzimas para producir metabolitos distintos del ácido láctico. También se ha informado del control independiente del FDP de la Lactato deshidrogenasa en L. bulgaricus. Cuando este organismo creció en cultivo continuo, un cambio en el pH de ácido a alcalino hace que catabolice el azúcar en un modo de heterofermentación por la vía de desdoblamiento de la fosfocetolasa. Esto implicaba que las deshidrogenasas de lactato en las bacterias lácticas estaban bajo el control no sólo de los efectos alostéricos sino también de las expresiones génicas.
Bacterias lácticas modificadas genéticamente para mejorar la producción de ácido láctico L (+)
Se han realizado algunos intentos para mejorar la producción de ácido láctico L (+) mediante ingeniería metabólica en lactobacilos que producen tanto ácidos lácticos L (+) como D (-).
En Lactobacillus helveticus la inactivación de ldhD (gen de la D-lactato deshidrogenasa) condujo a un aumento del doble en la cantidad de ácido láctico L (+), restaurando así la cantidad total de ácido láctico al nivel de la cepa de tipo salvaje. Se construyeron dos cepas estables ldhD negativas de Lactobacillus helveticus mediante el método de sustitución de genes. Una cepa se construyó mediante una deleción interna de la región promotora, impidiendo así la transcripción del gen ldhD. La segunda construcción se preparó sustituyendo el gen ldhD por ldhL, duplicando así la dosis del gen.
La actividad de la L-lactato deshidrogenasa se incrementó en un 53% y 93% respectivamente en las dos cepas modificadas que en la cepa de tipo salvaje. Las dos cepas negativas a la D-lactato deshidrogenasa produjeron sólo L (+) lactato en una cantidad igual al total de lactato producido por la cepa de tipo salvaje (Nikkila et al. 2000).
El gen que codifica la L (+) lactato deshidrogenasa se aisló de Lactobacillus plantarum y se clonó en Escherichia coli. Este gen se secuenció y se utilizó para construir cepas de Lactobacillus plantarum sobreexpresando o no expresando ldhL. Se introdujo un plásmido multicopia con el gen ldhL en Lactobacillus plantarum sin modificar sus señales de expresión. Esto aumentó la actividad de la L-lactato deshidrogenasa 13 veces, pero apenas tuvo efecto en la producción de L (+) lactato o D (-) lactato. Una deleción cromosómica estable en el gen ldhL dio lugar a la ausencia de la actividad L-lactato deshidrogenasa y a la producción exclusiva del isómero D del lactato (Ferain et al. 1994).
En Lactococcus lactis, cuando se aumentó el número de copias del operón lac en el que se encuentra el gen ldhL, se produjo un ligero aumento de la producción de ácido láctico (Davidson et al. 1995).
Se aisló el gen de la D-lactato deshidrogenasa (ldhD) de Lactobacillus johnsonii, y se utilizó una copia truncada in vitro de ese gen para inactivar la copia genómica de la cepa salvaje. Para ello se generó una deleción de 8 pb dentro del gen ldhD clonado para inactivar su función. El plásmido que contenía el ldhD alterado se transfirió a Lactobacillus johnsonii mediante comobilización conjugativa con Lactococcus lactis. Se seleccionaron integraciones cruzadas del plásmido en el sitio genómico de ldhD, y la resolución adecuada de las estructuras dio lugar a mutantes que carecen por completo de la actividad D-lactato deshidrogenasa. La menor actividad de L-lactato deshidrogenasa restante desvió el piruvato a L-lactato con un aumento marginal de los productos finales secundarios acetaldehído, acetoína y diacetilo (Lapierre et al. 1999).
E. coli es un anaerobio facultativo, que lleva a cabo una fermentación mixta de la actividad glucosa deshidrogenasa, tampoco fue capaz de crecer con glucosa. Sin embargo, un mutante doble de alcohol deshidrogenasa (adh), fosfotransacetilasa (pta) fue capaz de crecer anaeróbicamente en glucosa por fermentación de lactato produciendo D-lactato y una pequeña cantidad de succinato. Una mutación adicional en el gen de la fosfoenol piruvato carboxilasa hizo que el mutante produjera D-lactato como un homofermentativo en el que los principales productos son formiato, acetato, d-lactato, succinato y etanol. Un mutante pta-, que no es capaz de sintetizar la fosfotransacetilasa responsable de la formación de acetato, no fue capaz de crecer con glucosa. Un mutante adh no tiene alcohol en las bacterias lácticas (Narayanan et al. 2004). Se introdujo un gen de L-lactato deshidrogenasa en este mutante que carecía del gen de la D-lactato deshidrogenasa, lo que dio lugar a la producción de L-lactato deshidrogenasa como principal producto de fermentación (Chang et al. 1999).
Rhizopus oryzae tiene enzimas fermentativas del etanol que permiten al hongo crecer durante cortos periodos en ausencia de oxígeno. Se aisló un mutante que expresaba sólo el 5% de la actividad de la alcohol deshidrogenasa de tipo salvaje en condiciones de limitación de O2. Por lo tanto, el piruvato fue trasladado a la formación de ácido láctico (Skory et al. 1998).
Materiales crudos
A lo largo de los años los autores han estudiado un gran número de carbohidratos y materiales nitrogenados para la producción de ácido láctico. Se han investigado sobre la base de los altos rendimientos de ácido láctico, la producción óptima de biomasa, la formación insignificante de subproductos, la tasa de fermentación rápida, el menor pretratamiento, el fácil procesamiento posterior, el bajo coste, la facilidad de disponibilidad, etc. La elección de la materia prima a utilizar depende de los microorganismos estudiados y también del producto deseado.
Sucrosa (a partir de jarabes, zumos y melazas), lactosa (a partir de suero de leche), maltosa (producida por procesos específicos de conversión enzimática del almidón), glucosa (a partir de procesos de conversión del almidón, manitol, etc. se han utilizado comercialmente. Las melazas son baratas, pero dan bajos rendimientos de ácido láctico y los procedimientos de purificación son laboriosos. El suero de leche también es barato y fácil de conseguir, pero, al igual que las melazas, los procesos de purificación son caros. Esto ha estimulado el desarrollo de tecnologías modernas como la ultrafiltración y la electrodiálisis (Kulozik y Wilde, 1999). También se han investigado el almidón de patata hidrolizado, el maíz, la paja, el suero de leche, las cáscaras de semillas de algodón, el pomelo, el licor de residuos de sulfitos, etc. También se han realizado estudios para la producción de ácido láctico L (+) por parte de R. oryzae utilizando almidón de maíz y mazorcas de maíz en un biorreactor de elevación de aire y en un biorreactor de lecho fibroso.
También se están llevando a cabo estudios para desarrollar procesos microbianos para la producción de ácido láctico L (+) de alta pureza a bajo coste a partir de almidón de sagú, que abunda en Sarawak, Malasia, Riau e Indonesia. También se ha producido ácido láctico mediante la sacarificación y fermentación simultánea de la fibra alfa pretratada.
Se han estudiado una serie de materiales nitrogenados como el permeado de suero, el extracto de levadura, los brotes de malta, las nueces de peinado de malta, el extracto de hierba, las peptonas, el extracto de carne de vacuno, el hidrolizado de caseína, el licor de maíz, la N-Z-amina, el hidrolizado de soja, con la adición de vitaminas para complementar las fuentes de carbohidratos para dar un crecimiento rápido y pesado. Sin embargo, el extracto de levadura parece ser el suplemento más eficaz. Se probaron once fuentes de nitrógeno diferentes. Se estudiaron varias cantidades de vitaminas B para sustituir el extracto de levadura (Hujanen y Linko, 1996). Estas se mantienen en niveles mínimos para simplificar el proceso de recuperación. Ocasionalmente se requieren minerales adicionales cuando las fuentes de carbohidratos y nitrógeno carecen de cantidades suficientes.
Procesos de fermentación
Se sabe que la fermentación del ácido láctico es un producto final inhibido por una forma no disociada de ácido láctico. Se han realizado varios estudios para superar este problema. Se ha encontrado que el uso de la técnica de fermentación extractiva del ácido láctico podría dar un rendimiento de ácido láctico de 0,99 g/l y una productividad de ácido láctico de 1,67 g/l/h sobre un reactor convencional por lotes que dio un rendimiento de 0,83 g/l y una productividad de ácido láctico de 0,31 g/l/h (Srivastava et al. 1992). Para la separación del lactato se utilizó la resina de intercambio iónico IRA-400. Como una temperatura más baja favorece la adsorción y una temperatura más alta favorece la producción de ácido láctico, se encontró que una temperatura de 39ºC era óptima para la producción de ácido láctico por fermentación extractiva de ácido láctico. Se ha utilizado el método de intercambio aniónico para la recuperación de ácido láctico a partir de una solución de ácido láctico-glucosa en un sistema de fermentación extractiva basado en una membrana de intercambio iónico (Ziha y Kefung, 1995). Roychoudhury et al. 1995 han descrito los diferentes procesos de fermentación extractiva del ácido láctico.
Se ha demostrado que el ion hidrógeno tenía un efecto negativo en el metabolismo de las células de Lactococcus lactis durante el bioproceso de electrodiálisis, en el que el filtrado del cultivo circulaba a través del compartimento catódico (Nomura et al. 1998). Investigaron la estimulación de la tasa de fermentación de L-lactato mediante electrodiálisis periódica. Se ha estudiado el bioproceso de electrodiálisis en el que se eliminan simultáneamente el lactato y el acetato, lo que mantiene un bajo nivel de lactato en el caldo, que reduce la inhibición del producto final. Los iones de hidrógeno tienen un efecto inhibidor sobre el metabolismo de las células, por lo que el uso de un electrodiálisis estándar permite hacer circular el filtrado del cultivo a través del compartimento de diálisis, de manera que el cultivo no entra en contacto con el cátodo. Esto permitió un consumo completo de xilosa en menor tiempo.
Principalmente los dos sistemas de reactores dan como resultado altos rendimientos y productividades de ácido láctico: – un proceso de fermentación de reciclaje celular continuo (Figura 1) y una fermentación por lotes alimentada (Figura 2). Se ha informado de una alta productividad volumétrica de 117 g/l/h utilizando un biorreactor de reciclaje celular de membrana, pero no da lugar a una alta concentración de producto, y se ejecutan de manera continua con un sangrado continuo de las células para evitar el cambio de fluidez que se produce cuando la concentración celular es demasiado alta. Para superar este problema, se han utilizado CSTR en serie (Kulozik et al. 1992). Esto aumentó la productividad y la concentración de ácido láctico. El aumento del rendimiento del ácido láctico también se encontró a expensas de la formación de biomasa en una última etapa, Una alta pureza del isómero del ácido láctico L (+) ácido láctico también aumentó a través de una mayor población de células frescas. Se ha investigado el rendimiento de un reactor en cascada de siete etapas con reciclaje celular. Se han estudiado biorreactores de reciclado celular de membrana (MCRB) en serie en los que se obtuvo una alta densidad celular con una elevada productividad de ácido láctico de 5,7 g/l/h, y una concentración de ácido láctico de 92 g/l (Kwon et al. 2001). Se ha investigado la producción continua de lactato de amonio en un reactor de 3 etapas (Borgardts et al. 1998). Varios tiempos de retención examinados mostraron una mayor productividad de lactato y una mayor utilización de la lactosa. Se ha informado de fermentaciones continuas utilizando permeados de suero con altas productividades. Se han estudiado experimentos con reciclaje celular. Se determinó una productividad volumétrica de 76 kg/m3/h con una concentración de ácido láctico en el efluente. Se ha estudiado la producción de ácido láctico con sistemas celulares inmovilizados. Lactobacillus delbreuckii se inmovilizó en perlas de alginato de calcio y se utilizó en reactores de columna de flujo continuo y se obtuvo un rendimiento de 0,97 g/g de ácido láctico. El Lactobacillus delbreuckii se inmovilizó en un reactor de fibra hueca. Se observó una productividad de 100 kg/m3/h de lactato. El crecimiento excesivo de los organismos redujo el funcionamiento a largo plazo del sistema del reactor. Se ha estudiado la cinética de crecimiento y la producción de ácido láctico de Lactobacillus casei y Lactobacillus lactis para el hidrolizado lignocelulósico de mazorcas de maíz trituradas en el cultivo continuo de retención celular con un módulo de ultrafiltración que retiene toda la biomasa y permite la eliminación continua de metabolitos (Melzoch et al. 1996). Las biopelículas son una forma natural de inmovilización celular. Se ha demostrado que la producción de ácido láctico mejoró cuando la fermentación de biofilms se llevó a cabo con chips de soporte compuesto de plástico PCS que contenían 75% (p/p) de polipropileno (PP) y 25% (p/p) de material agrícola (Demirci y Pometto, 1995). Se han realizado 24 mezclas de discos PCS que contenían 50% (p/p) de PP y 50% de materiales agrícolas para la fermentación de biopelículas de ácido láctico L (+) en medios mínimos sin control de pH. Cada mezcla de PCS fue evaluada para el desarrollo de biopelículas, la liberación lenta de nutrientes, el ángulo de contacto superficial, la compatibilidad hidrofóbica con Lactobacillus casei, la porosidad y la absorción de ácido láctico. El disco de PCS que demostró sistemáticamente el mayor rendimiento contenía un 50% (p/p) de PP, un 35% (p/p) de cáscaras de soja, un 5% (p/p) de extracto de levadura, un 5% (p/p) de albúmina bovina seca y sales minerales. La población de biopelículas se ve afectada por el ángulo de contacto y la hidrofobicidad relativa de los soportes. El uso de soportes compuestos de plástico dio una alta población de biofilm, densidad celular y concentraciones de ácido láctico.
La extracción con disolventes se ha utilizado para la purificación de ácidos carboxílicos como el ácido láctico y el ácido succínico. Pero estos disolventes in-situ son tóxicos ya que rompen la membrana celular provocando la salida del metabolito. Se ha comprobado que los alcoholes de cadena larga, como el 1-octanol y el 1-decanol, son menos tóxicos que otros diluyentes. También se ha demostrado que los aprestos líquidos coloidales (CCA) causan poca diferencia en la distribución de equilibrio con el disolvente solo. Reducen la toxicidad de los disolventes en las células.
Se puede obtener una alta productividad utilizando el reactor de reciclaje de membranas, pero tiene el potencial inconveniente del ensuciamiento. A altas densidades de células, éstas se ven sometidas a estrés y comienzan a producir el isómero D del producto. Se pueden obtener altas densidades celulares utilizando células inmovilizadas, pero es necesario controlar el pH. Un reactor de tanque agitado proporciona un control eficaz del pH, pero a menudo conduce al desgaste del soporte. Se inoculó una cepa adhesiva de L. casei en dos reactores de lecho compacto que funcionaban de forma continua. En los reactores de lecho empacado se generan grandes gradientes de pH y una fracción sustancial de células no experimenta un pH óptimo. La adsorción a un soporte proporciona un atrapamiento más sencillo y mejor de las células. Las células que se multiplican se liberan al medio dando lugar a la presencia de células suspendidas en el medio (Bruno et al. 1999).
El ácido láctico L (+) se produce comercialmente en procesos de fermentación utilizando bacterias del ácido láctico u hongos como Rhizopus oryzae en cultivo sumergido. Rhizopus sp. puede producir ácido láctico L (+) a partir de almidón, pero el rendimiento es muy inferior en comparación con las bacterias del ácido láctico. El uso de un biorreactor de aire en condiciones óptimas podría producir ácido láctico L (+) con un rendimiento del 85%. La morfología de los micelios no es propicia para la fermentación, ya que aumentan la viscosidad del medio, envuelven los impulsores y causan bloqueos durante el muestreo y en las líneas de desbordamiento. La regulación de la concentración de esporas inoculadas en el precultivo produjo pequeños gránulos de micelio de R. oryzae. Sin embargo, los pellets tienen el problema de la inadecuada transferencia de masa. Se pueden utilizar soportes minerales para obtener una morfología de flóculos similar a la del algodón (Sun et al. 1999).
El cultivo por perfusión de microorganismos es una técnica eficiente para conseguir una alta productividad de productos extracelulares. El reactor de membrana cerámica agitada (SCMR) equipado con un tubo de membrana asimétrico resultó ser eficaz para mantener una alta permeabilidad durante largos períodos de tiempo. Sin embargo, la tasa de producción disminuyó gradualmente durante la fermentación por lotes repetida. No obstante, el rendimiento de larga duración y alta filtración del SCMR permitió la reposición del sobrenadante del cultivo en un corto período de tiempo (Ohashi et al. 1999).
Diversas opciones para la separación de ácido láctico/sal de lactato; ventajas y desventajas
El medio fermentado contiene ayuda láctica pura o su sal o la mezcla de ambas. Una clase de enfoques de procesamiento ventajosos implica la eliminación del ácido láctico del caldo de fermentación u otra mezcla, dejando el lactato soluble en el caldo de fermentación. La separación puede, en algún caso, producirse dentro del fermentador o puede llevarse a cabo en material de solución retirado del fermentador.
Pueden utilizarse varios enfoques para la separación de la sal de lactato del medio fermentado, que son la extracción por disolventes, la separación por intercambio de iones, la separación por adsorción, la separación por destilación al vacío y la separación por membrana (Eyal et al. 2001). Cada uno de ellos presenta algunas ventajas y desventajas que también se describen con los procesos de fermentación anteriormente en esta revisión. La elección del proceso de separación debe basarse en el uso eficiente y económico de estos extractores (Roychoudhury et al. 1995).
Según Eyal et al. 2001; un proceso preferido para los productos de ácido láctico a partir de la mezcla que contiene ácido láctico libre y la sal de lactato disuelta comprende los siguientes pasos: – (a) reducción del pH del caldo fermentado (3,0 a 4,2); (b) uso de una membrana hidrofílica y de la base amínica débil volátil (VAWB) para separar el ácido láctico del caldo fermentado a través de la membrana hidrofílica hasta la VAWB; (c) regeneración del ácido láctico a partir de las sales de la base amínica débil mediante la vaporización selectiva de la base amínica volátil. Este proceso puede repetirse para asegurar la separación eficiente del ácido láctico libre y su sal.
Polímeros de ácido láctico por policondensación
Los polímeros de ácido láctico consisten principalmente en unidades de lactilo, de una sola estereoisoforma o combinaciones de unidades de lactilo D y L en varias proporciones. Una desventaja de la policondensación es que se obtiene un polímero de baja masa molar. Se han realizado estudios para obtener polímeros de alta masa molar manipulando el equilibrio entre el ácido láctico, el agua y el ácido poliláctico en un disolvente orgánico (Ajioka et al. 1995) o se utilizó un agente de ramificación multifuncional para dar polímeros en forma de estrella (Kim y Kim, 1999). En presencia de agentes bifuncionales (dipolos y diácidos) se forman polímeros telecélicos, que pueden enlazarse posteriormente para dar polímeros de alta masa molar utilizando agentes de enlace como el diisocinato (Hiltunen et al. 1997). En la Tabla 2 se ofrece un resumen de los diferentes polímeros basados en ácido láctico preparados por policondensación y policondensación seguida de extensión de cadena.
Polímeros de ácido láctico por polimerización de apertura de anillo
La ruta de polimerización de apertura de anillo incluye la policondensación del ácido láctico seguida de una despolimerización en el dímero cíclico deshidratado, la lactida, que puede polimerizarse por apertura de anillo para obtener polímeros de alta masa molar. La despolimerización se realiza convencionalmente aumentando la temperatura de policondensación y bajando la presión, y destilando la lactida producida. La polimerización en solución, la polimerización en masa, la polimerización en fusión y la polimerización en suspensión son los distintos métodos de polimerización de apertura de anillo (Niewenhuis, 1992). El mecanismo de polimerización puede ser catiónico, aniónico, de coordinación o de radicales libres. Está catalizada por compuestos de metales de transición: – estaño, aluminio, plomo, zinc, bismuto, hierro e itrio (Nijenhuis et al. 1992). También pueden incorporarse otros monómeros formados en anillo al polímero basado en el ácido láctico por copolimerización de apertura de anillo. Los comonómeros más utilizados son la glicolida, la caprolactona, la valerolactona, la dioxipenona y el trimetilcarbonato. La ventaja de la polimerización de apertura de anillo es que la química de la reacción puede ser controlada con precisión, variando así las propiedades del polímero resultante de forma más controlada.
Varios autores han estudiado la síntesis de polímeros de diferente peso molecular. Se ha reportado que el ácido poli láctico de alto peso molecular puede ser sintetizado por policondensación de un solo paso si se emplean solventes azeotrópicos apropiados. La concentración del catalizador, el tiempo de polimerización y la temperatura causan efectos profundos en el rendimiento del polímero, el peso molecular y la rotación óptica.
La síntesis de ácido poliláctico a través de la policondensación del monómero de ácido láctico dio pesos moleculares medios inferiores a 1,6 x 104, mientras que la polimerización de apertura de anillo de los lactidos dio pesos moleculares medios que oscilaban entre 2 x 104 y 6,8 x 105 (Hyon et al. 1997). La conversión de monómeros y los pesos moleculares medios mostraron un máximo a una concentración de catalizador de octoato de estaño del 0,05%. Aumenta linealmente con el tiempo de polimerización hasta una conversión de monómero del 80% a un máximo, pero se observa la despolimerización térmica de los poliláctidos resultantes con tiempos prolongados a temperaturas de polimerización más altas.
La síntesis de copolímeros en forma de estrella depende de la relación entre el monómero y el iniciador y entre el monómero y el catalizador y la conversión del monómero (Dong et al. 2001). En el caso de la polimerización de polilactida con metilglicolida utilizando el iniciador trimetilolpropano depende de la relación molar de monómero a iniciador y de la conversión de monómero produciendo polímeros en forma de estrella de tres o cuatro brazos.
Se ha realizado un interesante estudio para la selección > 99:1 de estereoisómeros del ácido láctico. Las reacciones de Diels-Alder del acrilato de lactato de etilo con ciclopentadieno proceden con una selectividad diastereofacial de hasta 85:15 (no catalizada) y 93:7 (promovida por TiCL4). Dependiendo del ácido lewis, se obtienen productos de configuración inversa. Esto puede utilizarse como método para aplicaciones prácticas a gran escala de la reacción Diels Alder asimétrica. Se ha comprobado que las influencias de la proporción relativa de lactida y glicolida en la mezcla y las concentraciones de catalizador son estadísticamente significativas. La influencia del tiempo, la temperatura y el alcohol laurílico en el peso molecular, la composición y la estructura de la cadena también han sido estudiados por los autores (Dorta et al. 1993).
Esfuerzos en la fabricación de ácido láctico y polímeros basados en el ácido láctico
Los avances tecnológicos en los principales componentes del proceso – fermentación, purificación primaria y secundaria, polimerización, conversión química del ácido láctico y sus derivados permitirían una producción de ácido láctico de bajo coste, gran volumen y respetuosa con el medio ambiente. Los recientes avances en la separación y purificación mediante membranas permitirían la producción de ácido láctico sin producir productos secundarios de sal o yeso. En las patentes recientemente publicadas, una cepa osmotolerante de bacterias del ácido láctico y una configuración de electrodiálisis desaladora, electrodiálisis divisora de agua y purificación por intercambio de iones, se puede producir un producto de ácido láctico concentrado que contenga menos del 0,1% de componentes proteináceos mediante una fermentación de carbohidratos. Este proceso no da ningún subproducto de yeso salino, sino sólo una pequeña cantidad de sal durante la regeneración por intercambio iónico. También afirma tener un pequeño requerimiento de energía.
Ecochem, una sociedad de Dupont ConAgra ha desarrollado un proceso de recuperación y purificación que produce un subproducto de sal de amonio, que puede ser vendido como fertilizante (Anon, 1992). Esta planta tiene una capacidad de 1000 toneladas/año. Se ha desarrollado un proceso continuo para la fabricación de polímeros de lactida con una pureza óptica controlada (Gruber, 1992). El proceso utiliza una configuración de evaporación multietapa seguida de polimerización para obtener un prepolímero de bajo peso molecular, que luego se convierte catalíticamente en dilactida. La dilactida purificada se recupera en un sistema de destilación con condensación parcial y reciclaje. La dilactida puede utilizarse para fabricar polímeros y copolímeros de alto peso molecular. Se ha desarrollado un nuevo proceso para fabricar ésteres cíclicos, dilactida y glicolida. Este proceso utiliza un gas inerte para barrer los ésteres cíclicos de la masa de reacción y, a continuación, recupera y purifica el éster volatilizado mediante lavado con un ácido orgánico apropiado y, finalmente, separa el éster cíclico del líquido mediante precipitación o cristalización y filtración de los sólidos produciendo lactida de alta pureza con pérdidas mínimas por racemización. Se ha afirmado que es factible el reciclaje y la reutilización de la fracción de ácido láctico en las diversas corrientes del proceso.
La tecnología de reacción de hidrogenólisis para producir alcohol a partir de ácidos orgánicos o ésteres también ha avanzado recientemente, los nuevos catalizadores y procesos producen una alta selectividad y tasas y operan a presiones moderadas. Esta tecnología se ha comercializado para producir 1,4 butanediol, tetrahidrofurano y otros productos químicos intermedios de cuatro carbonos a partir de anhídrido maleico. En el futuro, estas tecnologías podrían integrarse con procesos de bajo coste para la producción de ácido láctico para fabricar propilenglicol y otros productos químicos intermedios.
Los polímeros basados en el ácido L-láctico pueden producir un polímero que es un homopolímero lineal del tamaño molecular >70 kDa. El principal campo de aplicación del polímero de ácido láctico ha sido el de las aplicaciones médicas y varias empresas se han esforzado en fabricar polímeros basados en ácido láctico y sus productos. Estas aplicaciones médicas incluyen su uso si tienen diferentes propiedades en términos de resistencia a la tracción, viscosidad, pureza, etc. El polímero de ácido láctico existe en tres formas diferentes: sólido, que puede utilizarse para rellenar los huecos de los huesos; sólido, con resistencia a la tracción, para producir suturas (material de costura); y la forma de pegamento, que se aplica principalmente para unir membranas o pieles finas en los seres humanos (Shikinami et al. 2002). Otra propiedad importante del ácido poli láctico es su alta resistencia a la radiación UV. El pegamento biosorbible o forma pegajosa del ácido láctico se compone de un copolímero de dos o más monómeros biosorbibles: – ácido L-láctico con dioxanona, con carbonato de tri metileno y con e-caprolactona.Dow Chemicals y Cargill tienen la mayor empresa productora de polilactida (PLA) con una capacidad anual de 140.000 toneladas situada en Blair, Estados Unidos (Anon, 1992). El PLA se produce mediante ROP y su principal aplicación es en fibras, materiales de embalaje y como disolventes. Tiene una empresa conjunta con PURAC, de los Países Bajos, para la producción de ácido láctico en la planta de molienda de maíz. Ha realizado una colaboración para el desarrollo del negocio del PLA con Mitsubishi Polymers. Apack, Alemania, es una empresa de envasado de alimentos que utiliza la tecnología de polilactida de la antigua Nestlé Chemicals en colaboración con Fortum Oyj, Finlandia (Kivimaki, 2000). Galactic, Bélgica, produce 1500 toneladas de ácido láctico al año a partir de azúcar de remolacha. Brussels Biotech, filial de Galactic, trabaja en los aspectos de investigación y desarrollo de productos de ácido láctico (Bronnbann y Yoshida, 2000). Hycail, de los Países Bajos, una empresa conjunta entre Dairy Farmers, de Estados Unidos, y la Universidad Estatal de Groningen, de los Países Bajos, tiene previsto construir una planta piloto para la producción de ácido láctico con una capacidad de 400 toneladas al año a partir de suero de leche y convertir el ácido láctico en PLA. Mitsui Chemicals, Japón, está produciendo PLA por una ruta de policondensación directa. Shimadzu Corporation, Japón, produce PLA por ROP. Birmingham Polymers, de Estados Unidos, y Phusi, de Francia, son otros productores activos de PLA (Ohrlander et al. 1999).
La investigación sobre materiales relacionados con el ácido láctico ha atraído a varias universidades e institutos de Europa, Asia y Estados Unidos. Existen varias instalaciones de producción de ácido poliláctico a pequeña escala.
Cuando hablamos de industrias de polímeros de ácido láctico puro L (+), sólo tenemos unos pocos nombres como Yipu, Dahuachem International, Sinochem Hebei Qinhuangdao Imp and Exp Corp., Zechem, y Qingdao FTZ united international Inc. en China; y PURAC, Macropore Biosurgery, ECOCHEM etc. en EEUU. La mayoría de ellos han adoptado el proceso seminatural para la producción de polímeros de ácido láctico L (+). El proceso comprende el aislamiento del ácido láctico L (+) a partir de su mezcla recémica producida a través de la fermentación mediante la adopción de un proceso enzimático para la producción de ácido láctico L (+) a partir de sus mezclas recémicas, seguido de la separación mediante costosas técnicas de cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) (Oxoid, EE.UU.; y Cargill Co., EE.UU.).