L’acide lactique est produit sous forme d’acide lactique L (+) ou D (-) ou sous forme de son mélange racémique. Les organismes qui forment la forme L (+) ou la forme D (-) possèdent deux lactates déshydrogénases (LDH), qui diffèrent par leur stéréospécificité. Certains Lactobacilles produisent la forme L (+) qui, lors de son accumulation, induit une racémase qui la transforme en acide lactique D (-) jusqu’à l’obtention de l’équilibre.
La L- lactate déshydrogénase de L. casei s’est avérée être une enzyme allostérique avec le fructose 1,6- bisphosphate (FDP). Dans certains cas, le Mn2+ agit comme cofacteur. La LDH de L. casei et des eucaryotes et celle de L. casei et des vertébrés présentent respectivement 37% et 76% de similarité, mais les sites actifs présentent respectivement 70% et 86% de similarité, ce qui montre que les parties essentielles de cette enzyme ont été conservées. Par rapport aux enzymes des vertébrés, L. casei est dépourvue de résidus de 12 acides aminés à l’extrémité N-terminale, ce qui est une caractéristique commune des enzymes bactériennes, quel que soit leur comportement allostérique. L. casei porte également 7 résidus d’acides aminés supplémentaires à l’extrémité C, mais on ne sait pas si cela est également caractéristique des enzymes bactériennes car il n’existe pas de séquence complète d’autres enzymes bactériennes.
Malgré les différences de structure primaire, l’analyse cristallographique montre que la structure globale des enzymes allostériques de L. casei et des enzymes non allostériques des vertébrés est similaire. Par conséquent, les altérations mineures de la structure primaire sont probablement responsables de son comportement allostérique. L’absence des 12 premiers acides aminés à l’extrémité N-terminale indique un site de liaison possible de l’effecteur, ce qui explique également l’effet d’inhibition de la dissociation de Mn2+ ou (Mn2+ + FDP) sur l’enzyme. L’enzyme tétramérique se dissocie en dimères montrant l’accessibilité du solvant libre aux résidus tyrosine, qui peuvent ne pas être situés dans la région de contact de la sous-unité. Les résidus de tryptophane sont dans l’absorption UV et la fluorescence de la protéine par la liaison de l’effecteur, mais la fluorescence de la protéine a été trouvée pour être détruite dans le bromure de diméthyl sulfonium, et aussi il n’y a aucune influence sur la liaison FDP. Par conséquent, cela peut être dû à un résidu tyrosine éloigné. Cependant, les voies métaboliques de L. casei ont été trouvées pour être contrôlées par le type d’hydrates de carbone disponibles, qui déterminent la quantité de FDP et d’intermédiaires de triose phosphate. Ceux-ci contrôlent l’activité de la LDH et d’autres enzymes pour produire des métabolites autres que l’acide lactique. Un contrôle indépendant du FDP de la lactate déshydrogénase a également été signalé chez L. bulgaricus. Lorsque cet organisme a été cultivé en continu, un changement de pH de l’acide à l’alcalin l’amène à cataboliser le sucre dans un mode d’hétérofermentation par la voie de séparation de la phosphokétolase. Cela impliquait que les lactate déshydrogénases des bactéries lactiques étaient sous le contrôle non seulement d’affects allostériques mais aussi d’expressions génétiques.
Bactéries lactiques génétiquement modifiées pour améliorer les bactéries lactiques L (+)
Quelques tentatives ont été faites pour améliorer la production d’acide lactique L (+) par ingénierie métabolique chez des lactobacilles produisant à la fois des acides lactiques L (+) et D (-).
Dans Lactobacillus helveticus, l’inactivation de ldhD (gène de la D-lactate déshydrogénase) a conduit à une augmentation de deux fois la quantité d’acide lactique L (+), rétablissant ainsi la quantité totale d’acide lactique au niveau de la souche de type sauvage. Deux souches stables ldhD négatives de Lactobacillus helveticus ont été construites par la méthode de remplacement de gènes. Une souche a été construite par une délétion interne de la région du promoteur, empêchant ainsi la transcription du gène ldhD. La seconde construction a été préparée en remplaçant le gène ldhD par ldhL, dupliquant ainsi le dosage du gène.
L’activité L-lactate déshydrogénase a été augmentée de 53% et 93% respectivement dans les deux souches modifiées par rapport à la souche de type sauvage. Les deux souches négatives pour la D-lactate déshydrogénase n’ont produit que du L (+) lactate en quantité égale au lactate total produit par la souche de type sauvage (Nikkila et al. 2000).
Le gène codant pour la L (+) lactate déshydrogénase a été isolé de Lactobacillus plantarum et cloné dans Escherichia coli. Ce gène a été séquencé et utilisé pour construire des souches de Lactobacillus plantarum en surexprimant ou en n’exprimant pas ldhL. Un plasmide multicopie portant le gène ldhL a été introduit dans Lactobacillus plantarum sans modification de ses signaux d’expression. L’activité de la L-lactate déshydrogénase a été multipliée par 13, mais la production de L (+) lactate ou de D (-) lactate n’a pratiquement pas été affectée. Une délétion chromosomique stable du gène ldhL a entraîné l’absence d’activité L-lactate déshydrogénase et la production exclusive de l’isomère D du lactate (Ferain et al. 1994).
Dans Lactococcus lactis, lorsque le nombre de copies de l’opéron lac dans lequel se trouve le gène ldhL a été augmenté, cela a entraîné une légère augmentation de la production d’acide lactique (Davidson et al. 1995).
Le gène de la D-lactate déshydrogénase (ldhD) de Lactobacillus johnsonii a été isolé, et une copie tronquée in vitro de ce gène a été utilisée pour inactiver la copie génomique de la souche sauvage. Pour cela, une délétion de 8 pb a été générée dans le gène ldhD cloné afin d’inactiver sa fonction. Le plasmide contenant la ldhD modifiée a été transféré à Lactobacillus johnsonii par comobilisation conjugative avec Lactococcus lactis. Des intégrations croisées du plasmide au niveau du site génomique de ldhD ont été sélectionnées, et une résolution appropriée des structures a permis d’obtenir des mutants complètement dépourvus d’activité D-lactate déshydrogénase. La plus faible activité L-lactate déshydrogénase restante a détourné le pyruvate en L-lactate avec une augmentation marginale des produits finaux secondaires acétaldéhyde, acétoïne et diacétyle (Lapierre et al. 1999).
E. coli est un anaérobie facultatif, qui effectue une fermentation mixte de l’activité glucose déshydrogénase, n’était pas non plus capable de croître sur le glucose. Cependant, un double mutant alcool déshydrogénase (adh), phosphotransacétylase (pta) était capable de croître en anaérobiose sur le glucose par fermentation du lactate produisant du D- lactate et une petite quantité de succinate. Une mutation supplémentaire dans le gène de la phosphoenol pyruvate carboxylase a fait produire au mutant du D-lactate comme un homofermentaire dans lequel les principaux produits sont le formate, l’acétate, le d-lactate, le succinate et l’éthanol. Un mutant pta-, qui n’est pas capable de synthétiser la phosphotransacétylase responsable de la formation de l’acétate, n’a pas pu se développer sur le glucose. Un mutant adh n’a pas d’alcool dans les bactéries lactiques (Narayanan et al. 2004). Un gène de L- Lactate déshydrogénase a été introduit dans ce mutant dépourvu de gène de D-lactate déshydrogénase, ce qui a entraîné la production de L-lactate déshydrogénase comme principal produit de fermentation (Chang et al. 1999).
Rhizopus oryzae possède des enzymes de fermentation de l’éthanol qui permettent au champignon de se développer pendant de courtes périodes en l’absence d’oxygène. On a isolé un mutant qui n’exprimait que 5% de l’activité alcool déshydrogénase de type sauvage dans des conditions limitant l’O2. Ainsi, le pyruvate a fait la navette vers la formation d’acide lactique (Skory et al. 1998).
Matières premières
Au fil des années, les auteurs ont étudié un grand nombre de glucides et de matières azotées pour la production d’acide lactique. Ils ont été étudiés sur la base de rendements élevés en acide lactique, d’une production optimale de biomasse, d’une formation négligeable de sous-produits, d’une vitesse de fermentation rapide, d’un prétraitement moindre, d’un traitement en aval facile, d’un faible coût, d’une facilité de disponibilité, etc. Le choix de la matière première à utiliser dépend des microorganismes étudiés et aussi du produit souhaité.
Le saccharose (issu des sirops, des jus et des mélasses), le lactose (issu du petit lait), le maltose (produit par des procédés enzymatiques spécifiques de conversion de l’amidon), le glucose (issu des procédés de conversion de l’amidon, le mannitol etc. ont été utilisés commercialement. Les mélasses sont bon marché mais donnent de faibles rendements d’acide lactique et nécessitent des procédures de purification laborieuses. Le petit-lait est également bon marché et facilement disponible mais, comme la mélasse, il nécessite des procédés de purification coûteux. Ces procédés ont stimulé le développement de technologies modernes comme l’ultrafiltration et l’électrodialyse (Kulozik et Wilde, 1999). L’amidon de pomme de terre hydrolysé, le maïs, la paille, le petit-lait, les coques de graines de coton, le pamplemousse, la liqueur résiduaire de sulfite, etc. ont également été étudiés. Des études ont également été faites pour la production d’acide lactique L (+) par R. oryzae en utilisant de l’amidon de maïs et des épis de maïs dans un bioréacteur à air-lift et un bioréacteur à lit fibreux.
Des études sont également menées pour développer des procédés microbiens pour la production d’acide lactique L (+) de haute pureté à faible coût à partir d’amidon de sagou qui est en abondance au Sarawak, en Malaisie, à Riau et en Indonésie. De l’acide lactique a également été produit par la sachcharification et la fermentation simultanées de fibres alpha prétraitées.
Un certain nombre de matières azotées comme le perméat de lactosérum, l’extrait de levure, les germes de malt, les noix de peignage de malt, l’extrait d’herbe, les peptones, l’extrait de bœuf, l’hydrolysat de caséine, la liqueur de moût de maïs, la N-Z-amine, l’hydrolysat de soja avec une supplémentation en vitamines pour compléter les sources d’hydrates de carbone afin de donner une croissance rapide et lourde ont été étudiés. Cependant, l’extrait de levure semble être le supplément le plus efficace. Onze sources d’azote différentes ont été testées. Diverses quantités de vitamines B ont été étudiées pour remplacer l’extrait de levure (Hujanen et Linko, 1996). Elles sont maintenues à des niveaux minimaux pour simplifier le processus de récupération. Des minéraux supplémentaires sont occasionnellement nécessaires lorsque les sources glucidiques et azotées ne sont pas en quantité suffisante.
Procédés de fermentation
La fermentation de l’acide lactique est connue pour être un produit final inhibé de la fermentation par une forme non dissociée d’acide lactique. Plusieurs études ont été menées pour surmonter ce problème. Il a été constaté que l’utilisation de la technique de fermentation lactique extractive pouvait donner un rendement en acide lactique de 0,99 g/l et une productivité en acide lactique de 1,67 g/l/h par rapport à un réacteur batch conventionnel qui donnait un rendement de 0,83 g/l et une productivité en acide lactique de 0,31 g/l/h (Srivastava et al. 1992). La résine échangeuse d’ions amberlite IRA-400 a été utilisée pour la séparation du lactate. Comme une température plus basse favorise l’adsorption et une température plus élevée favorise la production d’acide lactique, une température de 39ºC a été jugée optimale pour la production d’acide lactique par fermentation lactique extractive. La méthode d’échange d’anions a été utilisée pour la récupération de l’acide lactique à partir d’une solution d’acide lactique-glucose dans un système de fermentation extractive basé sur une membrane échangeuse d’ions (Ziha et Kefung, 1995). Roychoudhury et al. 1995 ont décrit les différents procédés de fermentation extractive de l’acide lactique.
Il a été démontré que l’ion hydrogène avait un effet négatif sur le métabolisme des cellules de Lactococcus lactis pendant le bioprocédé d’électrodialyse, dans lequel le filtrat de culture circulait à travers le compartiment cathodique (Nomura et al. 1998). Ils ont étudié la stimulation de la vitesse de fermentation du L-lactate par électrodialyse périodique. Le bioprocédé d’électrodialyse a été étudié dans lequel le lactate et l’acétate sont éliminés simultanément, ce qui maintient un faible niveau de lactate dans le bouillon, ce qui réduit l’inhibition du produit final. Les ions hydrogène ont un effet inhibiteur sur le métabolisme des cellules ; par conséquent, l’utilisation d’un électrodialyseur standard permet de faire circuler le filtrat de culture à travers le compartiment de dialyse de sorte que la culture n’entre pas en contact avec la cathode. Cela a permis une consommation complète du xylose en un temps moindre.
Principalement, les deux systèmes de réacteurs permettent d’obtenir des rendements et des productivités élevés d’acide lactique : – un procédé de fermentation continue à recyclage cellulaire (Figure 1) et une fermentation discontinue alimentée (Figure 2). Une productivité volumétrique élevée de 117 g/l/h en utilisant un bioréacteur de recyclage cellulaire à membrane a été rapportée, mais elle n’aboutit pas à une concentration élevée du produit. Les réacteurs sont utilisés de manière continue avec une purge continue des cellules pour éviter le changement de fluidité qui se produit lorsque la concentration cellulaire est trop élevée. Pour surmonter ce problème, des CSTR ont été utilisés en série (Kulozik et al. 1992). Cela a permis d’augmenter la productivité et la concentration d’acide lactique. L’augmentation du rendement en acide lactique s’est également faite au détriment de la formation de la biomasse à un stade ultérieur. Une grande pureté de l’isomère L (+) de l’acide lactique a également augmenté via une population accrue de cellules fraîches. Les performances d’un réacteur en cascade à sept étapes avec recyclage des cellules ont été étudiées. Des bioréacteurs à membranes avec recyclage cellulaire (MCRB) en série ont été étudiés et ont permis d’obtenir une densité cellulaire élevée avec une productivité élevée d’acide lactique de 5,7 g/l/h, et une concentration d’acide lactique de 92 g/l (Kwon et al. 2001). La production continue de lactate d’ammonium dans un réacteur à 3 étapes a été étudiée (Borgardts et al. 1998). Les différents temps de rétention examinés ont montré une plus grande productivité de lactate et une plus grande utilisation du lactose. Des fermentations continues utilisant des perméats de lactosérum ont été rapportées avec des productivités élevées. Des expériences de recyclage cellulaire ont été étudiées. Une productivité volumétrique de 76 kg/m3/h a été déterminée avec une concentration d’acide lactique dans l’effluent. La production d’acide lactique a été étudiée avec des systèmes de cellules immobilisées. Les Lactobacillus delbreuckii ont été immobilisés dans des perles d’alginate de calcium et utilisés dans des réacteurs à colonne à flux continu et ont obtenu un rendement de 0,97 g/g d’acide lactique. Les Lactobacillus delbreuckii ont été immobilisés dans un réacteur à fibres creuses. Une productivité de 100 kg/m3/h de lactate a été observée. Une croissance excessive des organismes a réduit le fonctionnement à long terme du système de réacteur. La cinétique de croissance et de production d’acide lactique de Lactobacillus casei et Lactobacillus lactis a été étudiée pour l’hydrolysat lignocellulosique d’épis de maïs broyés dans la culture continue à rétention cellulaire avec un module d’ultrafiltration retenant toute la biomasse et permettant l’élimination continue des métabolites (Melzoch et al. 1996). Les biofilms sont une forme naturelle d’immobilisation des cellules. Il a été démontré que la production d’acide lactique était améliorée lorsque la fermentation de biofilms était effectuée avec des copeaux de support composite plastique PCS contenant 75% (p/p) de polypropylène (PP) et 25% (p/p) de matière agricole (Demirci et Pometto, 1995). 24 mélanges de disques PCS contenant 50% (p/p) de PP et 50% de matières agricoles ont été utilisés pour la fermentation de biofilms d’acide lactique L (+) dans un milieu minimal sans contrôle du pH. Chaque mélange de PCS a été évalué pour le développement du biofilm, la libération lente des nutriments, l’angle de contact de surface, la compatibilité hydrophobe avec Lactobacillus casei, la porosité et l’absorption de l’acide lactique. Le disque PCS qui a constamment démontré la meilleure performance contenait 50% (p/p) de PP, 35% (p/p) de coques de soja, 5% (p/p) d’extrait de levure, 5% (p/p) d’albumine bovine séchée et des sels minéraux. La population du biofilm est affectée par l’angle de contact et l’hydrophobie relative des supports. L’utilisation de supports composites en plastique a donné une population de biofilm, une densité cellulaire et des concentrations d’acide lactique élevées.
L’extraction par solvant a été utilisée pour la purification d’acide carboxylique comme l’acide lactique et l’acide succinique. Mais ces solvants in-situ sont toxiques car ils rompent la membrane cellulaire provoquant la fuite du métabolite. Les alcools à longue chaîne comme le 1-octanol et le 1-décanol se sont révélés moins toxiques que les autres diluants. Il a également été démontré que les Apprets Liquides Colloïdaux (ALC) provoquent peu de différence dans la distribution à l’équilibre avec le solvant seul. Ils réduisent la toxicité des solvants sur les cellules.
Une productivité élevée peut être obtenue en utilisant le réacteur de recyclage à membrane, mais il présente un inconvénient potentiel d’encrassement. À des densités cellulaires élevées, les cellules sont soumises à un stress et commencent à produire l’isomère D du produit. Des densités cellulaires élevées peuvent être obtenues en utilisant des cellules immobilisées, mais le contrôle du pH est une condition préalable. Un réacteur à réservoir agité permet un contrôle efficace du pH mais conduit souvent à l’usure du support. Une souche adhésive de L. casei a été inoculée sur deux réacteurs à lit fixe fonctionnant en continu. Dans les réacteurs à lit fixe, de grands gradients de pH sont générés et une fraction substantielle des cellules ne connaît pas un pH optimal. L’adsorption sur un support permet un piégeage plus simple et plus efficace des cellules. Les cellules en multiplication sont libérées vers le milieu conduisant à la présence de cellules en suspension dans le milieu (Bruno et al. 1999).
L (+) acide lactique est produit commercialement dans des procédés de fermentation utilisant des bactéries lactiques ou des champignons tels que Rhizopus oryzae en culture submergée. Rhizopus sp. peut produire de l’acide lactique L (+) à partir d’amidon mais le rendement est très faible par rapport aux bactéries lactiques. L’utilisation d’un bioréacteur air-lift dans des conditions optimales a permis de produire de l’acide L (+) lactique avec un rendement de 85%. La morphologie des mycéliens n’étant pas propice à la fermentation car ils augmentent la viscosité du milieu, ils s’enroulent autour des hélices et provoquent des blocages lors de l’échantillonnage et dans les lignes de débordement. La régulation de la concentration des spores inoculées dans la pré-culture a produit de petites boulettes mycéliennes de R. oryzae. Cependant, les boulettes présentent un problème de transfert de masse inadéquat. Les supports minéraux peuvent être utilisés pour obtenir une morphologie de floc semblable à celle du coton (Sun et al. 1999).
La culture par perfusion de microorganismes est une technique efficace pour obtenir une productivité élevée de produits extra cellulaires. Le réacteur à membrane céramique agité (SCMR) équipé d’un tube à membrane asymétrique s’est avéré efficace pour maintenir une perméabilité élevée pendant de longues périodes. Cependant, le taux de production a progressivement diminué au cours de la fermentation discontinue répétée. Néanmoins, la performance de filtration élevée et durable de la SCMR a permis le réapprovisionnement du surnageant de culture dans une courte période de temps (Ohashi et al. 1999).
Diverses options pour la séparation acide lactique / sel de lactate ; avantages et inconvénients
Le milieu fermenté contient soit de l’acide lactique pur, soit son sel, soit le mélange des deux. Une classe d’approches de traitement avantageuses consiste à éliminer l’acide lactique du bouillon de fermentation ou d’un autre mélange, tout en laissant le lactate soluble dans le bouillon de fermentation. La séparation peut, dans certains cas, avoir lieu à l’intérieur du fermenteur ou peut être effectuée sur du matériel de solution retiré du fermenteur.
Un certain nombre d’approches peuvent être utilisées pour la séparation du sel de lactate du milieu fermenté, qui sont l’extraction par solvants, la séparation par échange d’ions, la séparation par adsorption, la séparation par distillation sous vide, et la séparation par membrane (Eyal et al. 2001). Chacun de ces procédés présente des avantages et des inconvénients qui sont également décrits pour les procédés de fermentation plus haut dans cette revue. Le choix du procédé de séparation devrait être basé sur l’utilisation efficace et économique de ces extractants (Roychoudhury et al. 1995).
Selon Eyal et al. 2001 ; un procédé préféré pour les produits d’acide lactique à partir du mélange contenant l’acide lactique libre et le sel de lactate dissous comprend les étapes suivantes : – (a) abaissement du pH du bouillon fermenté (3,0 à 4,2) ; (b) utilisation d’une membrane hydrophile et de la base aminée faible volatile (VAWB) pour séparer l’acide lactique du bouillon fermenté à travers la membrane hydrophile vers la VAWB ; (c) régénération de l’acide lactique à partir des sels de la base aminée faible en vaporisant sélectivement la base aminée volatile. Ce procédé peut être répété pour assurer la séparation efficace de l’acide lactique libre et de son sel.
Polymères d’acide lactique par polycondensation
Les polymères d’acide lactique sont constitués principalement d’unités lactyles, d’une seule stéréoisoforme ou de combinaisons d’unités lactyles D et L dans différents rapports. Un inconvénient de la polycondensation est que l’on obtient un polymère de faible masse molaire. Des études ont été menées pour obtenir un polymère de masse molaire élevée en manipulant l’équilibre entre l’acide lactique, l’eau et l’acide polylactique dans un solvant organique (Ajioka et al. 1995) ou un agent de ramification multifonctionnel a été utilisé pour donner des polymères en forme d’étoile (Kim et Kim, 1999). En présence d’agents bifonctionnels (dipôles et diacides), ils forment des polymères téléchéliques, qui peuvent ensuite être liés pour donner des polymères de masse molaire élevée en utilisant des agents de liaison comme le diisocynate (Hiltunen et al. 1997). Un aperçu des différents polymères à base d’acide lactique préparés par polycondensation et polycondensation suivie d’une extension de chaîne est donné dans le tableau 2.
Polymères d’acide lactique par polymérisation par ouverture de cycle
La voie de polymérisation par ouverture de cycle comprend une polycondensation de l’acide lactique suivie d’une dépolymérisation en dimère cyclique déshydraté, le lactide qui peut être polymérisé par ouverture de cycle en polymères de masse molaire élevée. La dépolymérisation est classiquement effectuée en augmentant la température de polycondensation et en diminuant la pression, et en distillant le lactide produit. La polymérisation en solution, la polymérisation en masse, la polymérisation en fusion et la polymérisation en suspension sont les différentes méthodes de polymérisation par ouverture de cycle (Niewenhuis, 1992). Le mécanisme de polymérisation peut être cationique, anionique, de coordination ou radicalaire. Elle est catalysée par des composés de métaux de transition : – étain, aluminium, plomb, zinc, bismuth, fer et yttrium (Nijenhuis et al. 1992). D’autres monomères à noyau peuvent également être incorporés dans le polymère à base d’acide lactique par copolymérisation par ouverture de cycle. Les comonomères les plus utilisés sont le glycolide, la caprolactone, la valérolactone, la dioxypénone et le carbonate de triméthyle. L’avantage de la polymérisation par ouverture de cycle est que la chimie de la réaction peut être contrôlée avec précision faisant ainsi varier les propriétés du polymère résultant d’une manière plus contrôlée.
Divers auteurs ont étudié la synthèse de polymères de différents poids moléculaires. Il a été rapporté que le poids moléculaire élevé de l’acide poly lactique peut être synthétisé par une polycondensation en une étape si des solvants azéotropiques appropriés sont employés. La concentration du catalyseur, le temps de polymérisation et la température provoquent des effets profonds sur le rendement du polymère, le poids moléculaire et la rotation optique.
La synthèse de l’acide polylactique par polycondensation du monomère acide lactique a donné des masses moléculaires moyennes en poids inférieures à 1,6 x 104,alors que la polymérisation par ouverture de cycle des lactides a donné des masses moléculaires moyennes allant de 2 x 104 à 6,8 x 105 (Hyon et al. 1997). La conversion des monomères et les poids moléculaires moyens ont montré un maximum à une concentration de catalyseur d’octoate stanneux de 0,05%. Elle augmente linéairement avec le temps de polymérisation jusqu’à une conversion des monomères de 80% à un maximum mais une dépolymérisation thermique des polylactides résultants est observée avec des temps prolongés à des températures de polymérisation plus élevées.
La synthèse des copolymères en étoile dépend du rapport entre le monomère et l’initiateur et entre le monomère et le catalyseur et la conversion des monomères (Dong et al. 2001). Pour la polymérisation du polylactide avec le méthylglycolide en utilisant l’initiateur triméthylolpropane dépend du rapport molaire du monomère à l’initiateur et de la conversion du monomère produisant des polymères en étoile à trois ou quatre bras.
Une étude intéressante a été menée pour la sélection > 99:1 des stéréoisomères de l’acide lactique. Les réactions de Diels-Alder de l’acrylate de lactate d’éthyle avec le cyclopentadiène se déroulent avec une sélectivité diastéréoface allant jusqu’à 85:15 (non catalysé) et 93:7 (promu par le TiCL4). En fonction de l’acide de Lewis, des produits de configuration inverse sont obtenus. Ceci peut être utilisé comme une méthode pour des applications pratiques à grande échelle de la réaction asymétrique de Diels Alder. Les influences de la proportion relative de lactide et de glycolide dans le mélange et des concentrations de catalyseur se sont avérées statistiquement significatives. L’influence du temps, de la température et de l’alcool laurique sur le poids moléculaire, la composition et la structure de la chaîne a également été étudiée par des auteurs (Dorta et al. 1993).
Efforts dans la fabrication de l’acide lactique et des polymères à base d’acide lactique
Les progrès technologiques dans les principaux composants du processus – fermentation, purification primaire et secondaire, polymérisation, conversion chimique de l’acide lactique et de ses dérivés permettraient une production à faible coût, à grand volume et respectueuse de l’environnement de l’acide lactique. Les progrès récents en matière de séparation et de purification par membrane permettraient de produire de l’acide lactique sans produire de sel ou de gypse comme sous-produit. Dans des brevets récemment délivrés, une souche osmotolérante de bactéries lactiques et une configuration d’électrodialyse de dessalement, d’électrodialyse de fractionnement de l’eau et de purification par échange d’ions, un produit d’acide lactique concentré contenant moins de 0,1% de composants protéiques peut être produit par une fermentation d’hydrates de carbone. Ce procédé ne donne pas de gypse salé comme sous-produit mais seulement une petite quantité de sel pendant la régénération par échange d’ions. Il prétend également avoir un faible besoin en énergie.
Ecochem, un partenariat Dupont ConAgra a développé un processus de récupération et de purification qui produit un sel d’ammonium comme sous-produit, qui peut être vendu comme engrais (Anon, 1992). Cette usine a une capacité de 1000 tonnes/an. Un procédé continu a été développé pour la fabrication de polymères de lactide avec une pureté optique contrôlée (Gruber, 1992). Le procédé utilise une configuration d’évaporation en plusieurs étapes suivie d’une polymérisation en un prépolymère de faible poids moléculaire, qui est ensuite converti catalytiquement en dilactide. Le dilactide purifié est récupéré dans un système de distillation avec condensation partielle et recyclage. Le dilactide peut être utilisé pour fabriquer des polymères et des copolymères de poids moléculaire élevé. Un nouveau procédé de fabrication d’esters cycliques, de dilactide et de glycolide a été développé. Ce procédé utilise un gaz inerte pour éliminer les esters cycliques de la masse réactionnelle, puis il récupère et purifie l’ester volatilisé par lavage avec un acide organique approprié, et enfin il sépare l’ester cyclique du liquide par précipitation ou cristallisation et filtration des solides, produisant un lactide de grande pureté avec des pertes minimales dues à la racémisation. Le recyclage et la réutilisation de la fraction d’acide lactique dans les différents flux de traitement ont été revendiqués comme étant réalisables.
La technologie de réaction d’hydrogénolyse pour produire de l’alcool à partir d’acides organiques ou d’esters a également progressé récemment, de nouveaux catalyseurs et procédés donnent une sélectivité et des taux élevés et fonctionnent à des pressions modérées. Cette technologie a été commercialisée pour produire du 1,4 butanediol, du tétrahydrofurane et d’autres intermédiaires chimiques à quatre carbones à partir d’anhydride maléique. A l’avenir, ces technologies pourraient être intégrées à des procédés à faible coût de production d’acide lactique pour fabriquer du propylène glycol et d’autres produits chimiques intermédiaires.
Les polymères à base d’acide L-lactique peuvent produire un polymère qui est un homopolymère linéaire de la taille moléculaire >70 kDa. Le principal domaine d’application du polymère d’acide lactique est celui des applications médicales et un certain nombre de sociétés ont fait des efforts pour fabriquer des polymères à base d’acide lactique et leurs produits. Ces applications médicales incluent son utilisation si elle est porteuse de différentes propriétés en termes de résistance à la traction, de viscosité, de pureté, etc. Le polymère d’acide L-lactique existe sous trois formes différentes : les solides qui peuvent être utilisés pour remplir les espaces dans les os, les solides avec une résistance à la traction pour produire des sutures (matériel de suture), et la forme de colle qui est principalement appliquée pour joindre les membranes ou les peaux minces chez les humains (Shikinami et al. 2002). Une autre propriété importante de l’acide poly lactique est sa grande résistance aux rayons UV. La colle biosorbable ou forme collante de l’acide lactique comprend un copolymère de deux monomères biosorbables ou plus : – acide L-lactique avec dioxanone, avec carbonate de tri-méthylène et avec e-caprolactone.Dow Chemicals et Cargill possèdent la plus grande entreprise de production de polylactide (PLA) avec une capacité annuelle de 140 000 tonnes située à Blair, aux Etats-Unis (Anon, 1992). Le PLA est produit par ROP et sa principale application est dans les fibres, les matériaux d’emballage et comme solvants. Elle a une joint-venture avec PURAC, Pays-Bas, pour la production d’acide lactique dans une usine de mouture de maïs. Elle a établi une collaboration pour le développement commercial du PLA avec Mitsubishi Polymers. Apack, en Allemagne, est une entreprise d’emballage alimentaire qui utilise la technologie du polylactide de l’ancienne Nestlé Chemicals en collaboration avec Fortum Oyj, en Finlande (Kivimaki, 2000). Galactic, en Belgique, produit 1500 tonnes d’acide lactique par an à partir de sucre de betterave. Brussels Biotech, une filiale de Galactic, travaille sur les aspects de recherche et de développement des produits d’acide lactique (Bronnbann et Yoshida, 2000). Hycail, Pays-Bas, une coentreprise entre Dairy Farmers, États-Unis et l’Université d’État néerlandaise de Groningue, prévoit de construire une usine pilote pour la production d’acide lactique d’une capacité de 400 tonnes par an à partir de lactosérum et de convertir l’acide lactique en PLA. Mitsui Chemicals, Japon, produit du PLA par une voie de polycondensation directe. Shimadzu Corporation, Japon, produit du PLA par ROP. Birmingham Polymers, USA et Phusi, France sont quelques-uns des autres producteurs actifs de PLA (Ohrlander et al. 1999).
La recherche sur les matériaux liés à l’acide lactique a attiré plusieurs universités et instituts en Europe, en Asie et aux USA. Il existe un certain nombre d’installations de production à petite échelle d’acide polylactique.
Lorsque nous parlons d’industries de polymères d’acide lactique pur L (+), nous n’avons que quelques noms comme Yipu, Dahuachem International, Sinochem Hebei Qinhuangdao Imp and Exp Corp, Zechem, et Qingdao FTZ united international Inc. en Chine ; et PURAC, Macropore Biosurgery, ECOCHEM etc. aux USA. La plupart d’entre eux ont adopté le processus semi-naturel pour la production de polymères d’acide lactique L (+). Le processus comprend l’isolement de l’acide lactique L (+) à partir de son mélange de récepteurs produit par fermentation en adoptant un processus enzymatique pour la production d’acide lactique L (+) à partir de ses mélanges de récepteurs, suivi d’une séparation à l’aide de techniques coûteuses de chromatographie liquide à haute performance (HPLC) (Oxoid, USA ; et Cargill Co., USA).