L’acido lattico è prodotto sotto forma di acido lattico L (+) o D (-) o come sua miscela racemica. Gli organismi che formano la forma L (+) o D (-) hanno due lattato deidrogenasi (LDH), che differiscono nella loro stereospecificità. Alcuni lattobacilli producono la forma L (+), che all’accumulo induce una racemasi, che la converte in acido lattico D (-) fino ad ottenere l’equilibrio.
La L-lattato deidrogenasi in L. casei è stata trovata essere un enzima allosterico con fruttosio 1,6-bisfosfato (FDP). In alcuni casi Mn2+ agisce come cofattore. La LDH in L. casei e negli eucarioti e in L. casei e nei vertebrati mostrano rispettivamente il 37% e il 76% di somiglianza, ma i siti attivi mostrano rispettivamente il 70% e l’86% di somiglianza, il che dimostra che le parti essenziali di questo enzima sono state conservate. Rispetto agli enzimi dei vertebrati, L. casei manca di residui di 12 amminoacidi al termine N, che è una caratteristica comune degli enzimi batterici, indipendentemente dal comportamento allosterico. L. casei porta anche 7 residui aminoacidici aggiuntivi all’estremità C, ma non si sa se anche questo è caratteristico degli enzimi batterici, poiché non sono disponibili sequenze complete di altri enzimi batterici.
Nonostante le differenze nella struttura primaria, l’analisi cristallografica mostra che la struttura complessiva degli enzimi allosterici in L. casei e gli enzimi non allosterici nei vertebrati sono simili. Pertanto, probabilmente le alterazioni minori nella struttura primaria sono responsabili del suo comportamento allosterico. L’assenza dei primi 12 aminoacidi all’estremità N indica un possibile sito di legame dell’effettore, che spiega anche l’effetto di inibizione della dissociazione di Mn2+ o (Mn2+ + FDP) sull’enzima. L’enzima tetramerico si dissocia in dimeri mostrando l’accessibilità del solvente libero ai residui di tirosina, che potrebbero non essere situati nella regione di contatto delle subunità. I residui di triptofano sono in assorbimento UV e la fluorescenza della proteina dal legame dell’effettore, ma la fluorescenza della proteina è stata trovata distrutta in dimetil solfonio bromuro, e anche non vi è alcuna influenza sul legame FDP. Pertanto, potrebbe essere dovuto a qualche residuo remoto di tirosina. Tuttavia, le vie metaboliche di L. casei sono risultate essere controllate dal tipo di carboidrati disponibili, che determinano la quantità di FDP e di intermedi di fosfato di triosio. Questi controllano l’attività di LDH e di altri enzimi per produrre metaboliti diversi dall’acido lattico. Anche il controllo indipendente da FDP della lattato deidrogenasi è stato riportato in L. bulgaricus. Quando questo organismo è stato coltivato in coltura continua, uno spostamento del pH da acido ad alcalino lo induce a catabolizzare lo zucchero in una modalità di eterofermentazione attraverso la via della fosfochetolasi split. Questo implicava che le lattato deidrogenasi nei batteri lattici erano sotto il controllo non solo degli effetti allosterici ma anche delle espressioni geniche.
Batteri lattici geneticamente modificati per migliorare l’acido lattico L (+)
Sono stati fatti alcuni tentativi per migliorare la produzione di acido lattico L (+) tramite ingegneria metabolica nei lattobacilli che producono sia acido lattico L (+) che D (-).
In Lactobacillus helveticus l’inattivazione di ldhD (gene della D-lattato deidrogenasi) ha portato a un aumento di due volte della quantità di acido lattico L (+), ripristinando così la quantità totale di acido lattico al livello del ceppo wild type. Due ceppi stabili ldhD negativi di Lactobacillus helveticus sono stati costruiti con il metodo della sostituzione genica. Un ceppo è stato costruito con una delezione interna della regione del promotore, impedendo così la trascrizione del gene ldhD. Il secondo costrutto è stato preparato sostituendo il gene ldhD con ldhL, duplicando così il dosaggio del gene.
L’attività della L-lattato deidrogenasi è stata aumentata rispettivamente del 53% e del 93% nei due ceppi modificati rispetto al ceppo wild type. I due ceppi D-lattato deidrogenasi negativi producevano solo lattato L (+) in una quantità uguale al lattato totale prodotto dal ceppo wild type (Nikkila et al. 2000).
Il gene che codifica per la L (+) lattato deidrogenasi è stato isolato da Lactobacillus plantarum e clonato in Escherichia coli. Questo gene è stato sequenziato e utilizzato per costruire ceppi di Lactobacillus plantarum esprimendo o meno ldhL. Un plasmide multicopia recante il gene ldhL è stato introdotto nel Lactobacillus plantarum senza modificare i suoi segnali di espressione. Questo ha aumentato l’attività della L-lattato deidrogenasi di 13 volte, ma non ha avuto alcun effetto sulla produzione di L (+) lattato o D (-) lattato. Una delezione cromosomica stabile del gene ldhL ha portato all’assenza dell’attività della L-lattato deidrogenasi e alla produzione esclusiva dell’isomero D del lattato (Ferain et al. 1994).
In Lactococcus lactis, quando il numero di copie dell’operone lac in cui il gene ldhL è stato aumentato, ha portato a un leggero aumento della produzione di acido lattico (Davidson et al. 1995).
Il gene della D-lattato deidrogenasi (ldhD) del Lactobacillus johnsonii è stato isolato, e una copia troncata in vitro di quel gene è stata usata per inattivare la copia genomica del ceppo selvatico. Per questo è stata generata una delezione di 8 bp all’interno del gene ldhD clonato per inattivare la sua funzione. Il plasmide contenente il ldhD alterato è stato trasferito al Lactobacillus johnsonii tramite comobilitazione coniugativa con il Lactococcus lactis. Sono state selezionate integrazioni crossover del plasmide al sito genomico ldhD, e la risoluzione appropriata delle strutture ha portato a mutanti completamente privi di attività D-lattato deidrogenasi. La minore attività di L-lattato deidrogenasi rimanente dirottava il piruvato in L-lattato con un aumento marginale dei prodotti finali secondari acetaldeide, acetoina e diacetile (Lapierre et al. 1999).
E. coli è un anaerobo facoltativo, che svolge la fermentazione mista di glucosio attività deidrogenasi, non era anche in grado di crescere su glucosio. Tuttavia, un doppio mutante alcool deidrogenasi (adh), fosfotransacetilasi (pta) è stato in grado di crescere anaerobicamente su glucosio tramite fermentazione del lattato producendo D-lattato e una piccola quantità di succinato. Un’ulteriore mutazione nel gene della fosfoenol piruvato carbossilasi ha fatto sì che il mutante producesse D-lattato come un omofermentativo in cui i principali prodotti sono formiato, acetato, d-lattato, succinato ed etanolo. Un mutante pta-, che non è in grado di sintetizzare la fosfotransacetilasi responsabile della formazione di acetato, non era in grado di crescere su glucosio. Un adh-mutante non ha alcol nei batteri lattici (Narayanan et al. 2004). Un gene L-lattato deidrogenasi è stato introdotto in questo mutante privo del gene D-lattato deidrogenasi, questo ha portato a produrre L-lattato deidrogenasi come principale prodotto di fermentazione (Chang et al. 1999).
Rhizopus oryzae ha enzimi fermentativi dell’etanolo che permettono al fungo di crescere per brevi periodi in assenza di ossigeno. È stato isolato un mutante che esprimeva solo il 5% dell’attività dell’alcool deidrogenasi di tipo selvaggio in condizioni di limitazione di O2. Così il piruvato è stato trasferito alla formazione di acido lattico (Skory et al. 1998).
Materie prime
Nel corso degli anni gli autori hanno studiato un gran numero di carboidrati e materiali azotati per la produzione di acido lattico. Sono stati studiati sulla base di alti rendimenti di acido lattico, produzione ottimale di biomassa, formazione trascurabile di prodotti secondari, velocità di fermentazione, meno pre-trattamenti, facile lavorazione a valle, basso costo, facilità di disponibilità ecc. La scelta della materia prima da utilizzare dipende dai microrganismi studiati e anche dal prodotto desiderato.
Sucroso (da sciroppi, succhi e melassa), lattosio (da siero di latte), maltosio (prodotto da specifici processi enzimatici di conversione dell’amido), glucosio (da processi di conversione dell’amido, mannitolo ecc. sono stati usati commercialmente. Le melasse sono economiche ma danno basse rese di acido lattico e procedure di purificazione laboriose. Anche il siero di latte è economico e facilmente disponibile, ma come la melassa ha processi di purificazione costosi. Questi hanno stimolato lo sviluppo di tecnologie moderne come l’ultra filtrazione e l’elettrodialisi (Kulozik e Wilde, 1999). Sono stati studiati anche l’amido di patate idrolizzato, il mais, la paglia, il siero di latte, le bucce di semi di cotone, il pompelmo, i residui di solfito ecc. Sono stati fatti anche studi per la produzione di acido lattico L (+) da parte di R. oryzae usando amido di mais e pannocchie di mais in un bioreattore air-lift e in un bioreattore a letto fibroso.
Sono anche in corso studi per sviluppare processi microbici per la produzione di acido lattico L (+) ad alta purezza a basso costo dall’amido di sago che è in abbondanza in Sarawak, Malaysia, Riau e Indonesia. L’acido lattico è stato prodotto anche tramite saccarificazione e fermentazione simultanea di fibra alfa pretrattata.
Sono stati studiati diversi materiali azotati come il permeato di siero di latte, l’estratto di lievito, i germogli di malto, i dadi da pettinatura, l’estratto di erba, i peptoni, l’estratto di manzo, l’idrolizzato di caseina, il corn steep liquor, la N-Z-amina, l’idrolizzato di soia con aggiunta di vitamine per integrare le fonti di carboidrati per dare una crescita veloce e pesante. Tuttavia, l’estratto di lievito sembra essere il supplemento più efficace. Sono state testate undici diverse fonti di azoto. Sono state studiate varie quantità di vitamine B per sostituire l’estratto di lievito (Hujanen e Linko, 1996). Queste sono mantenute a livelli minimi per semplificare il processo di recupero. Minerali aggiuntivi sono occasionalmente necessari quando le fonti di carboidrati e azoto non sono in quantità sufficiente.
Processi di fermentazione
La fermentazione dell’acido lattico è nota per essere un prodotto finale inibito da una forma non associata di acido lattico. Diversi studi sono stati condotti per superare questo problema. Si è scoperto che utilizzando la tecnica di fermentazione estrattiva dell’acido lattico si può ottenere una resa di acido lattico di 0,99 g/l e una produttività di acido lattico di 1,67 g/l/h rispetto a un reattore batch convenzionale che ha dato una resa di 0,83 g/l e una produttività di acido lattico di 0,31 g/l/h (Srivastava et al. 1992). La resina a scambio ionico amberlite IRA-400 è stata usata per la separazione del lattato. Poiché una temperatura più bassa favorisce l’adsorbimento e una temperatura più alta la produzione di acido lattico, una temperatura di 39ºC è stata trovata ottimale per la produzione di acido lattico mediante fermentazione estrattiva di acido lattico. Il metodo dello scambio di anioni è stato usato per il recupero dell’acido lattico dalla soluzione di acido lattico-glucosio in un sistema di fermentazione estrattiva basato su membrane a scambio ionico (Ziha e Kefung, 1995). Roychoudhury et al. 1995 hanno descritto i diversi processi di fermentazione estrattiva dell’acido lattico.
E’ stato dimostrato che lo ione idrogeno aveva un effetto negativo sul metabolismo delle cellule di Lactococcus lactis durante il bioprocesso di elettrodialisi, in cui il filtrato di coltura veniva fatto circolare attraverso il compartimento catodico (Nomura et al. 1998). Hanno studiato la stimolazione del tasso di fermentazione di L-lattato mediante elettrodialisi periodica. È stato studiato un bioprocesso di elettrodialisi in cui il lattato e l’acetato vengono rimossi simultaneamente, mantenendo un basso livello di lattato nel brodo, il che riduce l’inibizione del prodotto finale. Gli ioni idrogeno hanno un effetto inibitorio sul metabolismo delle cellule; quindi l’uso di un elettrodializzatore standard permette di far circolare il filtrato della coltura attraverso il compartimento di dialisi in modo che la coltura non venga a contatto con il catodo. Questo ha permesso un consumo completo di xilosio in un tempo minore.
Principalmente i due sistemi di reattori danno come risultato alti rendimenti e produttività di acido lattico: – un processo di fermentazione continua con riciclo di cellule (Figura 1) e una fermentazione in batch alimentata (Figura 2). E’ stata riportata un’alta produttività volumetrica di 117 g/l/h usando un bioreattore a riciclo di cellule a membrana, ma non risulta in un’alta concentrazione di prodotto, e sono eseguiti in modo continuo con un continuo spurgo delle cellule per prevenire il cambiamento di fluidità che si verifica quando la concentrazione delle cellule diventa troppo alta. Per superare questo problema, i CSTR sono stati usati in serie (Kulozik et al. 1992). Questo ha aumentato la produttività e la concentrazione di acido lattico. L’aumento della resa dell’acido lattico è stato riscontrato anche a spese della formazione di biomassa in un ultimo stadio, un’elevata purezza dell’isomero L (+) dell’acido lattico è aumentata anche attraverso una maggiore popolazione di cellule fresche. Sono state studiate le prestazioni di un reattore a cascata a sette stadi con riciclo delle cellule. I bioreattori a membrana con riciclo delle cellule (MCRB) in serie sono stati studiati dove è stata ottenuta un’alta densità di cellule con un’alta produttività di acido lattico di 5,7 g/l/h e una concentrazione di acido lattico di 92 g/l (Kwon et al. 2001). La produzione continua di lattato di ammonio in un reattore a 3 stadi è stata studiata (Borgardts et al. 1998). Vari tempi di ritenzione esaminati hanno mostrato una maggiore produttività di lattato e un maggiore utilizzo del lattosio. Sono state riportate fermentazioni continue usando permeati di siero di latte con alte produttività. Sono stati studiati esperimenti con il riciclaggio delle cellule. Una produttività volumetrica di 76 kg/m3/h è stata determinata con una concentrazione di acido lattico effluente. La produzione di acido lattico è stata studiata con sistemi cellulari immobilizzati. I Lactobacillus delbreuckii sono stati immobilizzati in perle di alginato di calcio e utilizzati in reattori a colonna a flusso continuo e hanno ottenuto una resa di 0,97 g/g di acido lattico. I Lactobacillus delbreuckii sono stati immobilizzati in un reattore a fibra cava. È stata osservata una produttività di lattato di 100 kg/m3/h. La crescita eccessiva degli organismi ha ridotto il funzionamento a lungo termine del sistema del reattore. La cinetica di crescita e la produzione di acido lattico di Lactobacillus casei e Lactobacillus lactis sono state studiate per l’idrolizzato lignocellulosico di pannocchie schiacciate nella coltura continua di ritenzione cellulare con un modulo di ultra filtrazione che trattiene tutta la biomassa e permette la rimozione continua dei metaboliti (Melzoch et al. 1996). I biofilm sono una forma naturale di immobilizzazione cellulare. È stato dimostrato che la produzione di acido lattico è stata migliorata quando la fermentazione del biofilm è stata effettuata con chip di supporto plastico composito PCS contenente il 75% (w/w) di polipropilene (PP) e il 25% (w/w) di materiale agricolo (Demirci e Pometto, 1995). 24 miscele di dischi PCS sono state contenenti il 50% (w/w) di PP e il 50% di materiali agricoli per la fermentazione di biofilm di acido lattico L (+) in mezzi minimi senza controllo del pH. Ogni miscela PCS è stata valutata per lo sviluppo del biofilm, il rilascio lento di nutrienti, l’angolo di contatto superficiale, la compatibilità idrofobica con Lactobacillus casei, la porosità e l’assorbimento dell’acido lattico. Il disco PCS che ha costantemente dimostrato la più alta performance conteneva il 50% (w/w) di PP, il 35% (w/w) di bucce di soia, il 5% (w/w) di estratto di lievito, il 5% (w/w) di albumina bovina essiccata e sali minerali. La popolazione del biofilm è influenzata dall’angolo di contatto e dall’idrofobicità relativa dei supporti. L’uso di supporti compositi di plastica ha dato un’alta popolazione di biofilm, densità cellulare e concentrazioni di acido lattico.
L’estrazione con solventi è stata usata per la purificazione dell’acido carbossilico come l’acido lattico e l’acido succinico. Ma questi solventi in situ sono tossici perché rompono la membrana cellulare causando la fuoriuscita del metabolita. Gli alcoli a catena lunga come l’1-ottanolo e l’1-decanolo sono risultati meno tossici degli altri diluenti. È stato anche dimostrato che gli Approni Liquidi Colloidali (CCA) causano poca differenza nella distribuzione di equilibrio con il solo solvente. Essi riducono la tossicità dei solventi sulle cellule.
Un’alta produttività può essere ottenuta usando il reattore di riciclo a membrana, ma ha un potenziale svantaggio di fouling. A densità cellulari elevate, le cellule sono sottoposte a stress e iniziano a produrre l’isomero D del prodotto. Densità cellulari elevate possono essere ottenute usando cellule immobilizzate, ma il pH controllato è un prerequisito. Un reattore a serbatoio agitato fornisce un controllo efficiente del pH ma spesso porta all’attrito del supporto. Un ceppo adesivo di L. casei è stato inoculato su due reattori a letto pieno che funzionavano in modo continuo. Nei reattori a letto impaccato si generano grandi gradienti di pH e una frazione sostanziale di cellule non sperimenta un pH ottimale. L’adsorbimento su un supporto fornisce un intrappolamento più semplice e migliore delle cellule. Le cellule che si moltiplicano vengono liberate nel mezzo, portando alla presenza di cellule sospese nel mezzo (Bruno et al. 1999).
L (+) acido lattico è prodotto commercialmente in processi di fermentazione utilizzando batteri dell’acido lattico o funghi come Rhizopus oryzae in coltura sommersa. Rhizopus sp. può produrre acido lattico L (+) da amido, ma la resa è molto inferiore rispetto ai batteri dell’acido lattico. Utilizzando un bioreattore ad aria compressa in condizioni ottimali si potrebbe produrre acido lattico L (+) con una resa dell’85%. La morfologia miceliale non essendo favorevole alla fermentazione in quanto aumentano la viscosità del mezzo si avvolgono intorno alle giranti e causano blocchi durante il campionamento e nelle linee di traboccamento. La regolazione della concentrazione di spore inoculate nella precoltura ha prodotto piccoli pellet miceliali di R. oryzae. Tuttavia, i pellet hanno il problema del trasferimento di massa inadeguato. I supporti minerali possono essere usati per ottenere una morfologia simile al cotone (Sun et al. 1999).
La coltivazione in perfusione di microrganismi è una tecnica efficiente per ottenere un’alta produttività di prodotti extracellulari. Il reattore a membrana in ceramica agitata (SCMR) dotato di un tubo a membrana asimmetrica è stato trovato efficace nel mantenere un’alta permeabilità per lunghi periodi di tempo. Tuttavia, il tasso di produzione è diminuito gradualmente durante la fermentazione in batch ripetuta. Tuttavia, la performance di lunga durata e ad alta filtrazione dell’SCMR ha permesso il rifornimento del surnatante della coltura in un breve periodo di tempo (Ohashi et al. 1999).
Varie opzioni per la separazione acido lattico/sale lattico; vantaggi e svantaggi
Il mezzo fermentato contiene o l’aiuto lattico puro o il suo sale o la miscela dei due. Una classe di approcci di lavorazione vantaggiosi comporta la rimozione dell’acido lattico dal brodo di fermentazione o da un’altra miscela, lasciando il lattato solubile nel brodo di fermentazione. La separazione può, in alcuni casi, avvenire all’interno del fermentatore o può essere condotta su materiale di soluzione rimosso dal fermentatore.
Un certo numero di approcci può essere usato per la separazione del sale di lattato dal mezzo fermentato, che sono l’estrazione con solventi, la separazione a scambio ionico, la separazione per adsorbimento, la separazione per distillazione sotto vuoto, e la separazione a membrana (Eyal et al. 2001). Ognuno di questi presenta alcuni vantaggi e svantaggi che sono anche descritti con i processi di fermentazione in precedenza in questa recensione. La scelta del processo di separazione dovrebbe essere basata sull’uso efficiente ed economico di questi estrattori (Roychoudhury et al. 1995).
Secondo Eyal et al. 2001; un processo preferito per i prodotti dell’acido lattico dalla miscela contenente acido lattico libero e il sale di lattato dissolto comprende le seguenti fasi: – (a) abbassamento del pH del brodo fermentato (da 3.0 a 4.2); (b) uso della membrana idrofila e della base amminica debole volatile (VAWB) per separare l’acido lattico dal brodo fermentato attraverso la membrana idrofila alla VAWB; (c) rigenerazione dell’acido lattico dai sali della base amminica debole mediante vaporizzazione selettiva della base amminica volatile. Questo processo può essere ripetuto per assicurare l’efficiente separazione dell’acido lattico libero e del suo sale.
Polimeri dell’acido lattico per policondensazione
I polimeri dell’acido lattico consistono principalmente di unità lattiliche, di una sola stereoisoforma o combinazioni di unità lattiliche D e L in vari rapporti. Uno svantaggio della policondensazione è che si ottiene un polimero a bassa massa molare. Ci sono stati studi per ottenere un polimero ad alta massa molare manipolando l’equilibrio tra acido lattico, acqua e acido polilattico in un solvente organico (Ajioka et al. 1995) o è stato usato un agente di ramificazione multifunzionale per ottenere polimeri a forma di stella (Kim e Kim, 1999). In presenza di agenti bifunzionali (dipoli e diacidi) si formano polimeri telecelici, che possono essere ulteriormente legati per dare polimeri ad alta massa molare usando agenti leganti come il diisocinato (Hiltunen et al. 1997). Una panoramica dei diversi polimeri a base di acido lattico preparati per policondensazione e policondensazione seguita da estensione della catena è data nella tabella 2.
Polimeri dell’acido lattico per polimerizzazione ad apertura anulare
La via della polimerizzazione ad apertura anulare include la policondensazione dell’acido lattico seguita da una depolimerizzazione nel dimero ciclico disidratato, il lattide, che può essere polimerizzato ad apertura anulare per ottenere polimeri di massa molare elevata. La depolimerizzazione è convenzionalmente fatta aumentando la temperatura di policondensazione e abbassando la pressione, e distillando il lattide prodotto. La polimerizzazione in soluzione, la polimerizzazione in massa, la polimerizzazione in fusione e la polimerizzazione in sospensione sono i vari metodi di polimerizzazione ad apertura di anello (Niewenhuis, 1992). Il meccanismo di polimerizzazione può essere cationico, anionico, di coordinazione o a radicali liberi. È catalizzata da composti di metalli di transizione: – stagno, alluminio, piombo, zinco, bismuto, ferro e ittrio (Nijenhuis et al. 1992). Anche altri monomeri ad anello possono essere incorporati nel polimero a base di acido lattico mediante copolimerizzazione ad apertura di anello. I comonomeri più utilizzati sono glicolide, caprolattone, valerolattone, dioxypenone e trimetil carbonato. Il vantaggio della polimerizzazione ad apertura di anello è che la chimica della reazione può essere accuratamente controllata, variando così le proprietà del polimero risultante in modo più controllato.
Vari autori hanno studiato la sintesi di polimeri di diverso peso molecolare. È stato riportato che l’acido polilattico ad alto peso molecolare può essere sintetizzato mediante policondensazione in un solo passaggio se vengono impiegati solventi azeotropici appropriati. La concentrazione del catalizzatore, il tempo di polimerizzazione e la temperatura hanno effetti profondi sulla resa del polimero, sul peso molecolare e sulla rotazione ottica.
La sintesi dell’acido polilattico attraverso la policondensazione del monomero dell’acido lattico ha dato pesi molecolari medi inferiori a 1,6 x 104, mentre la polimerizzazione ad anello dei lattidi ha dato pesi molecolari medi che vanno da 2 x 104 a 6,8 x 105 (Hyon et al. 1997). La conversione dei monomeri e i pesi molecolari medi hanno mostrato un massimo ad una concentrazione di catalizzatore di octoato stannoso dello 0,05%. Aumenta linearmente con il tempo di polimerizzazione fino a una conversione monomerica dell’80% al massimo, ma la depolimerizzazione termica dei polilattidi risultanti si osserva con tempi prolungati a temperature di polimerizzazione più elevate.
La sintesi di copolimeri a forma di stella dipende dal rapporto tra monomero e iniziatore e tra monomero e catalizzatore e dalla conversione dei monomeri (Dong et al. 2001). Per la polimerizzazione di polilattide con metilglicolide usando l’iniziatore trimetilolpropano dipende dal rapporto molare tra monomero e iniziatore e dalla conversione del monomero producendo polimeri a forma di stella a tre o quattro braccia.
C’è stato uno studio interessante per la selezione > 99:1 degli stereoisomeri dell’acido lattico. Le reazioni Diels-Alder dell’acrilato di lattato di etile con ciclopentadiene procedono con diastereoface-selettività fino a 85:15 (non catalizzato) e 93:7 (TiCL4 promosso). A seconda dell’acido lewis, si ottengono prodotti di configurazione inversa. Questo può essere usato come metodo per applicazioni pratiche su larga scala della reazione Diels Alder asimmetrica. Le influenze della proporzione relativa di lattide e glicolide nella miscela e le concentrazioni del catalizzatore sono risultate statisticamente significative. L’influenza del tempo, della temperatura e dell’alcool laurilico sul peso molecolare, la composizione e la struttura della catena sono stati anche studiati dagli autori (Dorta et al. 1993).
Sforzi nella produzione di acido lattico e polimeri a base di acido lattico
I progressi tecnologici nei principali componenti del processo – fermentazione, purificazione primaria e secondaria, polimerizzazione, conversione chimica dell’acido lattico e dei suoi derivati permetterebbero una produzione di acido lattico a basso costo e in grandi volumi e rispettosa dell’ambiente. I recenti progressi nella separazione e purificazione a base di membrane permetterebbero la produzione di acido lattico senza produrre sottoprodotti salini o gessosi. Nei brevetti recentemente rilasciati, un ceppo osmotollerante di batteri lattici e una configurazione di elettrodialisi di desalinizzazione, elettrodialisi di scissione dell’acqua e purificazione a scambio ionico, un prodotto di acido lattico concentrato contenente meno dello 0,1% di componenti proteici può essere prodotto da una fermentazione di carboidrati. Questo processo non dà gesso salino come sottoprodotto, ma solo una piccola quantità di sale durante la rigenerazione a scambio ionico. Sostiene anche di avere una piccola richiesta di energia.
Ecochem, una partnership Dupont ConAgra ha sviluppato un processo di recupero e purificazione che produce un sale di ammonio come sottoprodotto, che può essere venduto come fertilizzante (Anon, 1992). Questo impianto ha una capacità di 1000 tonnellate/anno. Un processo continuo è stato sviluppato per la fabbricazione di polimeri di lattide con purezza ottica controllata (Gruber, 1992). Il processo usa una configurazione di evaporazione multistadio seguita dalla polimerizzazione in un prepolimero a basso peso molecolare, che viene poi convertito cataliticamente in dilattide. La dilattide purificata viene recuperata in un sistema di distillazione con condensazione parziale e riciclo. Il dilattide può essere usato per fare polimeri e copolimeri ad alto peso molecolare. È stato sviluppato un nuovo processo per produrre esteri ciclici, dilattide e glicolide. Questo processo usa un gas inerte per spazzare via gli esteri ciclici dalla massa di reazione e poi recupera e purifica l’estere volatilizzato tramite scrubbing con un acido organico appropriato e infine separa l’estere ciclico dal liquido tramite precipitazione o cristallizzazione e filtrazione dei solidi producendo lattide di elevata purezza con perdite minime dovute alla racemizzazione. Il riciclo e il riutilizzo della parte di acido lattico nei vari flussi di processo sono stati dichiarati fattibili.
La tecnologia della reazione di idrogenolisi per produrre alcool da acidi organici o esteri è anche avanzata recentemente, nuovi catalizzatori e processi producono alta selettività e tassi e operano a pressioni moderate. Questa tecnologia è stata commercializzata per produrre 1,4 butandiolo, tetraidrofurano e altri intermedi chimici a quattro carbonio dall’anidride maleica. In futuro, tali tecnologie potrebbero essere integrate con processi a basso costo per la produzione di acido lattico per produrre glicole propilenico e altri intermedi chimici.
I polimeri a base di acido L-lattico possono produrre un polimero che è un omopolimero lineare della dimensione molecolare >70 kDa. Il principale campo di applicazione del polimero dell’acido lattico è stato quello delle applicazioni mediche e un certo numero di aziende hanno fatto i loro sforzi nella produzione di polimeri a base di acido lattico e dei loro prodotti. Queste applicazioni mediche includono il suo utilizzo se porta diverse proprietà in termini di resistenza alla trazione, viscosità, purezza ecc. Il polimero dell’acido L-lattico esiste in tre forme diverse: solidi che possono essere usati per riempire gli spazi vuoti nelle ossa, solidi con resistenza alla trazione per produrre suture (materiale da cucitura), e la forma di colla che viene applicata principalmente per unire membrane o pelli sottili negli esseri umani (Shikinami et al. 2002). Un’altra importante proprietà dell’acido polilattico è la sua alta resistenza ai raggi UV. La colla biosorbibile o forma appiccicosa dell’acido lattico comprende il copolimero di due o più monomeri biosorbibili: – acido L-lattico con diossanone, con tri metilene carbonato e con e-caprolattone.Dow Chemicals e Cargill hanno la più grande società di produzione di polilattide (PLA) con una capacità annuale di 140.000 tonnellate situata a Blair, USA (Anon, 1992). Il PLA è prodotto da ROP e la sua principale applicazione è in fibre, materiali da imballaggio e come solventi. Ha una joint venture con PURAC, Paesi Bassi, per la produzione di acido lattico nell’impianto di macinazione del mais. Ha stretto una collaborazione per lo sviluppo del business del PLA con Mitsubishi Polymers. Apack, Germania, è un’azienda di imballaggio alimentare che usa la tecnologia del polilattide della ex Nestle Chemicals in collaborazione con Fortum Oyj, Finlandia (Kivimaki, 2000). Galactic, Belgio, produce 1500 tonnellate di acido lattico all’anno da zucchero di barbabietola. Brussels Biotech, una filiale di Galactic lavora sugli aspetti di ricerca e sviluppo dei prodotti di acido lattico (Bronnbann e Yoshida, 2000). Hycail, Paesi Bassi, una joint venture tra Dairy Farmers, USA e l’Università statale olandese di Groningen, progetta di costruire un impianto pilota per la produzione di acido lattico con una capacità di 400 tonnellate all’anno dal siero di latte e la conversione dell’acido lattico in PLA. Mitsui Chemicals, Giappone, sta producendo PLA per via di policondensazione diretta. Shimadzu Corporation, Giappone, produce PLA tramite ROP. Birmingham Polymers, USA e Phusi, Francia sono alcuni degli altri produttori attivi di PLA (Ohrlander et al. 1999).
La ricerca sui materiali legati all’acido lattico ha attirato diverse università e istituti in Europa, Asia e USA. Ci sono un certo numero di impianti di produzione su piccola scala di acido polilattico.
Quando diciamo industrie di polimeri di acido lattico puro L (+), abbiamo solo pochi nomi come Yipu, Dahuachem International, Sinochem Hebei Qinhuangdao Imp and Exp Corp., Zechem, e Qingdao FTZ united international Inc. in Cina; e PURAC, Macropore Biosurgery, ECOCHEM ecc. negli USA. La maggior parte di loro ha adottato il processo semi-naturale per la produzione di polimeri di acido lattico L (+). Il processo comprende l’isolamento dell’acido lattico L (+) dalla sua miscela ricettiva prodotta tramite fermentazione adottando un processo enzimatico per la produzione di acido lattico L (+) dalle sue miscele ricettive seguito dalla separazione tramite costose tecniche di cromatografia liquida ad alte prestazioni (HPLC) (Oxoid, USA; e Cargill Co., USA).