Bioproducción de ácido láctico a partir de residuos de cáscara de

Tecnol. Tecnol. Ciencia
Ciencia
Tecnol. Ed.
Ed.
Ciencia
(IMIQ)
(IMIQ)Ed.
vol. vol. 14
(IMIQ)
23 núms.1-2,1999 núm.
23(2):
2, 2008 79-90, 2008
79
79
Bioproducción de ácido láctico a partir de residuos de
cáscara de naranja: Procesos de separación y purificación
Lactic acid bioproduction from orange rind:
Separation and purification processes
Ricardo Heliodoro Gil-Horán*1, Rosa María Domínguez-Espinosa2, Juan Daniel Pacho-Carrillo2
1UNAM,
Facultad de Química, 2Consultores independientes
Correo-e (e-mail): [email protected]
RESUMEN
ABSTRACT
El interés social por la conservación del medio ambiente ha resultado
en el endurecimiento de legislaciones ambientales y cambios de política
fiscal que buscan impulsar a la industria química y reducir su impacto
ambiental. Por tal motivo, la utilización de residuos agroindustriales
como materia prima de bajo costo, para la obtención de productos
químicos finos por biotransformación está ganando interés. Esta opción
de transformar desechos en nuevas materias primas se perfila como
una opción atractiva para reducir la dependencia del petróleo y, al
mismo tiempo, obtener compuestos que son económica o técnicamente
inviables de obtener por síntesis química tradicional. El sureste de
México es una de las principales regiones productoras de cítricos del
país, donde se genera un gran volumen de desechos sólidos de cítricos
(cáscara y bagazo). Este desecho proviene de la obtención de jugo de
naranja dulce y, normalmente, se manda a tiraderos a suelo abierto, por
lo que generan un problema serio de contaminación. Esta situación hace
deseable su aprovechamiento para la generación de productos de alto
valor agregado como es el ácido L(+) láctico, el cual es utilizado en la
industria alimentaria, farmacéutica y cosmética y como materia prima
para la síntesis orgánica o la producción de plásticos biodegradables.
En esta investigación se propone un proceso para la obtención de
ácido láctico a partir de la biotransformación de cáscara y bagazo
de naranja en fase sólida con Rhizopus oryzae. Como producto se obtiene
un concentrado que cumple con el estándar del Código Químico de
Alimentos (FCC, Food Chemical Codex) en grado alimenticio. Se
evaluaron tres técnicas de separación sólido-líquido (prensado mecánico,
centrifugación y filtración al vacío), al mismo tiempo que se determinó la
máxima cantidad necesaria de agua para llevar a cabo la extracción del
ácido láctico presente en el sólido biotransformado. Posteriormente, se
evaluó la viabilidad técnica de utilizar operaciones de intercambio iónico
como pasos intermedios para la reducción de impurezas. Asimismo, se
evaluaron y compararon dos procesos: (a) Esterificación del ácido láctico
con 1-butanol y (b) Cristalización evaporativa de sales de sulfato de
calcio, como posibles rutas de separación secundaria y concentración.
Los resultados experimentales permitieron generar una hoja de proceso
para llevar a cabo balances de materia y energía teóricos usando el
programa SuperPro Designer® 6.0, apoyándose con los paquetes Aspen
Plus y Aspen Split® 11.1 para la estimación de propiedades físicas
y termodinámicas, así como del equilibrio de fases en las diferentes
unidades del proceso. Dicha simulación permitió identificar que una
planta con capacidad de procesamiento de 400 ton/año de cáscara de
naranja con 12% p/p de humedad puede transformar los desechos de
una planta de jugo de tamaño medio con una producción de 5.5 ton/año
de solución de ácido láctico al 36% en masa.
The social awareness of the process industry environmental impact
has resulted in tougher regulations and new fiscal policies that aim to
encourage the chemical industry to adopt new production practices to
reduce its environmental impact. For this reason, the use of agricultural
waste as low cost raw materials for fine chemicals production through
biotransformation has attracted much interest. This option of transforming
waste into raw materials appears as an attractive development path. It
helps to reduce dependency on oil as raw material and also offers a way
to obtain compounds that are uneconomical to produce by traditional
chemical synthesis. Mexico South East area is a main citric production
zone where a large volume of solid waste in the form of peel and bagasse
is generated. This waste comes from orange juice factories and it is
normally sent to landfills or open air dumps where they represent an
important pollution source. This waste can be used to produce high added
value chemicals such as L(+) lactic acid. This product is demanded in the
food, pharmaceutical, and personal care industries or for the production
of biodegradable plastics and organic synthesis. This research deals
with a process for the production of lactic acid through solid phase
bioconversion of orange peel and bagasse using Rhizopus oryzae. The
product complies with the Food Chemical Codex (FCC) regulations.
Three different techniques were evaluated for the separation of liquids
and solids (mechanical pressing, centrifugation and vacuum filtration),
determining the maximum water contents to carry out the lactic acid
extraction from the biotransformed solid. The feasibility of using ion
exchange to remove impurities was also evaluated. For the recovery of
lactic acid, two processes were tested as possible routes for secondary
separation and concentration: (a) Esterification with 1-butanol, and
(b) Evaporative crystallization of calcium sulfate salts. Based on the
experimental results, a flow sheet was created to carry out theoretical mass
and energy balances using the computer program SuperPro Designer®
6.0, supported which the packages Aspen Plus and Aspen Split® 11.1,
to estimate physical and thermodynamic properties and to carry out
detailed phase equilibrium calculations in process units. Based on the
simulation, a processing plant with capacity of 400 ton/year of orange
peel and bagasse with 12% w/w moisture was identified as suitable for
the transformation of the wastea from a medium size juice factory into
a production plant for 5.5 ton/year of 14% w/w lactic acid.
*Autor a quien debe enviarse la correspondencia
(Recibido: Octubre 8, 2008, Aceptado: Diciembre 3, 2008)
Palabras clave: Ácido láctico, biotransformación sólida,
Rhizopus oryzae, diseño conceptual, simulación
empírica
Key words:
Lactic acid, solid biotransformation,
Rhizopus oryzae, conceptual design, empiric
80 Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 23 núm. 2, 2008
INTRODUCCIÓN
A
ctualmente, la utilización de residuos
agroindustriales, como materia prima de bajo
costo, en procesos biotecnológicos para la obtención de
productos químicos finos, se perfila como una opción
atractiva para reducir la dependencia del petróleo y, al
mismo tiempo, obtener nuevos compuestos que son
económica o técnicamente inviables de obtener por
síntesis química. El sureste de México es una de las
principales regiones productoras de cítricos del país
y ahí se genera un gran volumen de desechos sólidos
(cáscara y bagazo), producto de la obtención de jugo de
naranja dulce, siendo deseable su aprovechamiento para
la producción de productos de alto valor agregado y la
eliminación de una fuente de contaminación importante.
Actualmente, existen varios estudios encaminados al
aprovechamiento de la fracción sólida de la naranja,
como substrato de biorreacción en fase sólida para
la producción a bajo costo de ácidos orgánicos,
particularmente ácido L(+) láctico.
Ácido láctico
El ácido láctico es el hidroxiácido más sencillo que
existe. Su molécula contiene un átomo de carbono
asimétrico. Presenta isomería óptica: L(+) o D(-),
aunque es más común encontrarlo como mezcla
racémica. Está presente en alimentos como yogurt,
suero de leche, panes, queso y muchos otros alimentos
fermentados (Menéndez-González, 1999) y es uno
de los principales intermediarios metabólicos en la
mayoría de los organismos vivos, desde procariotas
anaerobios hasta humanos. El ácido láctico es
ampliamente utilizado en las industrias alimentaria,
médica, farmacéutica y cosmética, como materia
prima para síntesis orgánica, como purgante en
forma de lactato de calcio o lactato de magnesio,
como removedor de sales de calcio, en el curtido de
pieles, en la producción de plásticos biodegradables,
agroquímicos, etc. En soluciones acuosas, el ácido
láctico no ionizado existe en equilibrio con los aniones
lactato y los iones hidrógeno (Kulprathipanja y Oroskar,
1991). Es fuertemente higroscópico y la presencia de
dos grupos funcionales en su estructura (-OH, -COOH)
lo hace formar, espontáneamente, dímeros y polímeros
de ácido láctico (Bello-Gil, 2007). Es soluble en éter,
miscible con agua y alcohol e insoluble en cloroformo,
éter del petróleo y disulfuro de carbono. Sus dos grupos
funcionales permiten llevar a cabo diferentes reacciones
químicas de oxidación, reducción, condensación y
substitución del grupo alcohol (Vaidya y col., 2005).
En cuanto a las reacciones de condensación, las más
importantes, por los altos rendimientos de producto,
son: Esterificación, deshidratación y aminólisis (KirkOthmer, 2001).
El ácido láctico puede producirse por biotransformación
(biorreacción) o síntesis química. Normalmente,
la síntesis química requiere de caros y complejos
procedimientos de obtención y separación para lograr
la pureza deseada del producto final, así como costos
significativos asociados con la disposición de los
desechos (Yin y col., 1997). La producción de ácido
láctico se ha incrementado en épocas recientes, llegando
a alcanzar en el año 2002 una producción mundial de
100,000 ton/año en los sectores farmacéutico, cosmético
y químico (Purac, 2002). Esta demanda ha venido
aumentando con un incremento del 5 al 8% anual,
especialmente debido al desarrollo de los polilactatos
(PLA), por lo que hoy en día solamente el ácido L(+)
láctico es el de mayor importancia comercial.
Producción por síntesis química
La síntesis química comercial (Figura 1) se lleva a cabo
con la reacción en fase líquida y a presión atmosférica de
cianuro de hidrógeno y acetaldehído, catalizada por una
base, para formar lactonitrilo, el cual es recuperado por
destilación e hidrolizado a ácido láctico utilizando HCl
o H2SO4 concentrado para producir ácido láctico crudo
y sal de amonio. El ácido láctico crudo es esterificado
con metanol, produciendo lactato de metilo, para luego
ser recuperado y purificado por destilación e hidrolizado
con agua bajo un catalizador ácido para producir ácido
láctico puro y reciclar el metanol. Este producto es un
Figura 1. Secuencia de producción de ácido láctico
por síntesis química
Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 23 núm. 2, 2008 81
líquido incoloro, estable al calor. La principal desventaja
que presenta este método es la obtención de mezclas
racémicas de ácido D(-) y L(+) láctico (Kirk-Othmer,
2001; Yin y col., 1997).
Producción por biotransformación1
Otras de las vías para producir ácido láctico es
mediante la biotransformación de substratos carbonosos
complejos. La forma más rentable de obtener el isómero
L (+) es por medio de la glucólisis (transformación
de carbohidratos o hidratos de carbono a ácidos). La
estereo-especificidad deseada del producto depende del
uso previsto; sin embargo, el isómero L(+) del ácido
láctico es utilizado para la mayoría de las aplicaciones
(Skory, 2000; Vaidya y col., 2005). Las reacciones
estequiométricas 1 a 4 son algunas de las involucradas
en la biorreacción (Figura 2).
Durante estas reacciones el pH disminuye
bruscamente, por lo que para mantenerlo cercano a
la neutralidad se adicionan álcalis como: Hidróxidos,
carbonatos y bicarbonatos, lo cual aumenta el contenido
iónico en el medio biológico. Esto es necesario porque
a valores de pH ácidos disminuye la viabilidad y el
desarrollo de la mayoría de los microorganismos y, por
tanto, disminuye el rendimiento de ácido láctico. La
mayoría de los procesos utilizan carbonato de calcio para
mantener el pH entre 5.5 y 6.5 mediante la formación de
una sal de lactato. Después de la biorreacción, el medio
(el cual contiene sales de lactato) se filtra para remover
la biomasa, se trata con carbón activado, se evapora y,
finalmente, se acidifica con H2SO4 para convertir la sal
en ácido láctico y sulfato de calcio insoluble, el cual es
removido por filtración.
El ácido láctico reconstituido se pasa entonces a
través de columnas de carbón activado y de intercambio
iónico y se evapora para producir los grados deseados
de pureza y concentración. Como hasta este punto el
ácido láctico no es estable al calor, se esterifica con
metanol o etanol, para luego recuperar por destilación el
éster formado, rehidrolizarlo con agua en medio ácido y
llevar a cabo nuevamente una etapa de evaporación para
obtener la concentración deseada, pudiendo reciclar el
alcohol empleado (Figura 3). Este proceso de separación
produce un producto altamente puro, el cual es similar
al producto obtenido por síntesis química (Kirk-Othmer,
2001; Yin y col., 1997).
Con base en estos antecedentes, en esta investigación
se diseñó un proceso para la obtención de ácido láctico
a partir de la biorreacción en fase sólida de cáscara y
bagazo de naranja, con Rhizopus oryzae.
Biorreacción
(1)
Biorreacción
(2)
Dextrosa o
glucosa
Maltosa
Biorreacción
(3)
Lactosa
Biorreacción
(4)
Sacarosa
Figura 2. Algunas de las reacciones estequiométricas involucradas en la biorreacción de producción de L(+)
ácido láctico
1
El término fermentación fue acuñado por Louis Pasteur y se refería exclusivamente a la reacción anaerobia de la glucosa para formar etanol y CO2,
empleando levaduras del género Saccharomyces. Con el advenimiento de la biotecnología, los investigadores empezaron a llamar fermentación a
cualquier reacción bioquímica. Sin embargo, desde la década de los 80 del siglo XX se ha tratado de modificar ese uso y emplear el término biorreacción
o biotransformación en lugar de fermentación (Nota de los editores)
82 Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 23 núm. 2, 2008
Remoción
de sólidos
y biomasa
Esterificación
con alcohol
Evaporación y/o
destilación
Carbón
activado
Evaporación
Hidrólisis
Evaporación
Intercambio
iónico
Acidificación
con H2SO4
Filtración
Concentración
por evaporación
Figura 3. Secuencia de separación y concentración
de ácido láctico luego de la biorreacción
MATERIALES Y MÉTODOS
La cepa utilizada fue Rhizopus oryzae (NRRL-1710),
que ha sido usada para producir ácido L(+)-láctico
de manera estereoespecífica en algunos procesos
comerciales debido a que no requiere nitrógeno orgánico
y es más fácil su separación del cultivo en el proceso de
recuperación y purificación (Miura y col., 2003; Saito y
col., 2003; Soccol y col., 1994; Yin y col., 1997; Zacchi
y Akerberg, 2000).
La biotransformación en estado sólido (BES) de
cáscara y bagazo de naranja con Rhizopus orizae para
la producción de ácido láctico, se llevó a cabo en un
biorreactor horizontal de capacidad de 1000cc siguiendo
la metodología descrita en la literatura (Gil-Horán,
2007; Pacho-Carrillo y Domínguez-Espinosa, 2005).
Los residuos sólidos de naranja dulce obtenidos de una
fábrica local de jugo fueron cortados de manera gruesa
y secados a 50ºC hasta alcanzar una humedad de 12%
(base seca). Posteriormente, la cáscara seca fue molida
en un molino de platos dentados y luego tamizada para
obtener diámetros de partícula entre 1.18-2.36 mm.
Lotes de 400 g de harina de naranja fueron adicionados
con (NH4)2SO4 como fuente de nitrógeno y CaCO3
como regulador de pH para ajustar el pH inicial a 5. Se
inocularon con una solución de esporas de Rhizopus
oryzae correspondiente a 107 esporas/mL (1mL/10g),
para luego ser incubados durante 192 horas (8 días) a
30ºC de acuerdo con la literatura (Ramachandran y col.,
2004). La actividad de agua, aW, del medio fue ajustada a
0.9. Una vez listo el medio e inoculada la cepa, la cáscara
fue homogeneizada nuevamente mediante mezclado. La
biorreacción se llevó a cabo en un reactor horizontal
de vidrio con 4 paletas internas de acero inoxidable
de construcción propia con aireación constante (1 v/v)
con aire estéril saturado y bajo mezclado intermitente
de 10 minutos con intervalos de espera de 60 minutos
entre cada periodo de mezclado, a 20ºC. Por otro lado,
las etapas de evaporación al vacío se llevaron a cabo a
65 ºC y 285 mbar abs. (Gil-Horán, 2007).
La determinación del ácido láctico se realizó por
medio de cromatografía líquida de alta presión CLAR
(HPLC, en inglés) usando un cromatógrafo Agilent 110
con integrador automático y una columna Zorbax SBAq, 4.6 x 150 mm, 5 µm de fase reversa, de acuerdo
con el instructivo del fabricante.
Para la extracción del ácido de la materia sólida
biotransformada, se evaluaron tres técnicas para la
separación de las fases líquida y sólida del producto de
la biorreacción (prensado mecánico, centrifugación y
filtración al vacío). Al mismo tiempo, se determinó la
máxima cantidad de agua que puede ser añadida para
llevar a cabo la extracción del ácido láctico presente
en la fase sólida. Los azúcares residuales se midieron
siguiendo las metodologías señaladas en la literatura
(Gil-Horán, 2007).
Posteriormente, se evaluó la viabilidad técnica
de utilizar operaciones de intercambio iónico
(zeolita catiónica ácida y/o carbón activado) como
pasos intermedios para la reducción de impurezas.
Asimismo, se evaluaron y compararon dos procesos:
(a) Esterificación del ácido láctico con 1-butanol
(Figura 4A) y (b) Cristalización evaporativa de sales de
sulfato de calcio (Figura 4B), como posibles rutas de
separación secundaria y concentración. La descripción
de los procesos de separación y sus condiciones de
operación se encuentran descritos de manera prolija
en la literatura (Gil-Horán, 2007). Los resultados
experimentales permitieron plantear una secuencia
de producción, separación, reducción de impurezas y
concentración de ácido láctico, la cual se integró en
una hoja de simulación en SuperPro Designer® 6.0,
apoyándose con los paquetes Aspen Plus® y Aspen
Split® 11.1 para la estimación de propiedades físicas
y termodinámicas, así como del equilibrio de fases en
las diferentes unidades del proceso.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Etapa experimental
Luego de la biorreacción, se obtuvo ácido láctico
en forma de lactato de calcio. El producto obtenido
presentó un pH de 3.4 con alto grado de hidrólisis.
El rendimiento másico obtenido de ácido láctico en
la biotransformación fue de 8.2 mg/g equivalente al
0.82%. La duración de la biorreacción de 192h puede ser
extendida para lograr una mayor hidrólisis del material
biotransformable; sin embargo, para el propósito de
Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 23 núm. 2, 2008 83
esta investigación, que no era el de optimizar esta
fase del proceso, el tiempo de biorreacción definido
fue adecuado para producir cantidades adecuadas del
producto. Naturalmente, se tuvo la desventaja de la
presencia de los productos no deseados de la hidrólisis
del material biotransformable como azúcares, proteínas,
ácidos orgánicos secundarios, cationes Ca+2 y NH4+1 y
aniones CO3-2 y SO4-2. Así mismo, el producto sólido
obtenido presentó un exceso de azúcares no consumidos
por el Rhizopus oryzae (13,722.95 ppm p/v), el cual
también debe tomarse en cuenta para una segunda
etapa de optimización de la biotransformación a nivel
de laboratorio.
1-Butanol
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En las pruebas de separación sólido-líquido resultó
que el mejor método para la recuperación de la fase
líquida del producto de biorreacción fue el prensado
mecánico (Figura 5A). Adicionalmente, se obtuvo que
la máxima cantidad de agua que puede ser utilizada
para la homogeneización del producto sólido para la
posterior recuperación de la fase líquida es de 8 mL
por cada gramo de sólido en base seca (Figura 5B),
obteniendo así una recuperación máxima en el prensado
mecánico del 85% del ácido láctico producido en la
biotransformación.
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B
Figura 4. Metodología de separación secundaria y concentración del ácido láctico. A) Ruta 1: Proceso de
esterificación con 1-butanol. B) Ruta 2: Proceso de cristalización evaporativa de sales de sulfato
de calcio. Las operaciones de intercambio iónico corresponden a una etapa de intercambio con
zeolita catiónica seguida de blanqueado con carbón activado
84 Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 23 núm. 2, 2008
Relación Agua-Sólidos (mL/g)
(A)
(B)
Figura 5. Recuperación de ácido láctico obtenido en la separación de la fase líquida: A) Por prensado
mecánico, centrifugación y filtración al vacío. B) En función de la relación de dilución utilizada
para la homogeneización del producto sólido
En la reducción de impurezas con carbón activado
y zeolita catiónica fue posible observar que ambos son
capaces de retener un alto porcentaje de impurezas
(Tabla 1). Así mismo, se hizo evidente que para poder
utilizar el intercambio con zeolita catiónica es necesario
aplicar previamente un tratamiento de blanqueado con
carbón activado, con el fin de reducir primeramente el
contenido de azúcares y proteínas y eliminar el color
del líquido.
Tabla 1
Retención de impurezas y pérdida de ácido láctico en
tratamientos con carbón activado y zeolita catiónica
ácida
Operación
Principales impurezas retenidas
Carbón activado
(CA)
Zeolita catiónica
(ZC)
CA + ZC
Azúcares, ésteres, proteínas, Ca+2,
color, ácidos orgánicos secundarios
NH+1 y Ca+2, proteínas, ácidos orgánicos
secundarios
Todas las anteriores
% de pérdida de
ácido láctico
33.12
58.16
62.66
Respecto de los ácidos orgánicos secundarios, tanto
la zeolita catiónica como el carbón activado demostraron
excelente retención (resultando mejor el carbón
activado), tal y como se observa en los cromatogramas
de la Figura 6, obtenidos por cromatografía de líquidos
(HPLC, por sus siglas en inglés).
Sin embargo, ambos métodos de intercambio
provocaron una pérdida de ácido láctico por retención en
la zeolita catiónica y el carbón activado, lo cual redujo el
rendimiento de recuperación. Por otro lado, no es posible
prescindir de la operación de blanqueado con carbón
activado, puesto que sin ésta no sería posible obtener
un producto incoloro, al mismo tiempo que es el carbón
activado el que retiene las principales impurezas.
En las etapas de evaporación al vacío se obtuvo
degradación y precipitación de proteínas, así como
coloración del líquido por concentración y degradación
de los azúcares remanentes en la solución. Por otro lado
en estas etapas no hubo pérdida apreciable de ácido
láctico por polimerización o volatilización. Realizando
una comparación entre los dos procesos de separación
secundaria y concentración aquí evaluados, fue posible
observar que la esterificación del ácido láctico realmente
brinda un mayor rendimiento global del proceso.
Sin embargo, se requiere de un mayor número de
operaciones. En los datos comparativos presentados en
la Tabla 2 se muestra que el proceso de esterificación con
1-butanol permitió un mayor porcentaje de recuperación
de ácido láctico que el proceso de cristalización
evaporativa de sales de sulfato de calcio, pudiéndose
alcanzar hasta 82% de recuperación al prescindir de la
etapa de intercambio con zeolita catiónica. La principal
razón de esto y por la cual la esterificación toma ventaja
sobre el segundo proceso, es por la baja afinidad que el
carbón activado presentó hacia el lactato en su forma
de éster de lactato de 1-butilo.
Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 23 núm. 2, 2008 85
Tabla 2
Datos comparativos de concentración y eficiencia de
recuperación en los procesos de (a) Esterificación
del ácido láctico con 1-butanol y (b) Cristalización
evaporativa de sales de sulfato de calcio
Evaluación
Conc. ácido láctico % eficiencia de Cumple
recuperación de con el
(mg/L)
ácido láctico
FCC*
Esterificación + Zeolita
2112.72
53.6%
Sí
Esterificación sin zeolita
3208.10
81.56%
Sí
Crist. evaporativa + Zeolita
2722.52
42.78%
No
Crist. evaporativa sin zeolita
3626.67
57.31%
No
*Código Químico de Alimentos (FCC, Food Chemical Codex)
Diseño conceptual y simulación en SuperPro
Designer® 6.0 del proceso propuesto
Figura 6. Cromatogramas de la solución acuosa
extraída del producto sólido, obtenidos
por CLAR (HPLC) en fase reversa.
Columna Zorbax SB-Aq 4.6 x 150 mm,
5 µm. (A) Producto de la separación
sólido-líquido por prensado mecánico.
(B) Líquido tratado sólo con zeolita
catiónica. (C) Líquido tratado sólo con
carbón activado
A pesar de haberse alcanzado una mayor concentración
de ácido láctico en el proceso de cristalización
evaporativa de sales de sulfato, la alta concentración de
iones sulfato al final de su secuencia de operaciones fue
el principal factor que evitó que el producto obtenido
por este método cumpliera con las especificaciones del
Código Químico de Alimentos (FCC, Food Chemical
Codex), a diferencia del producto obtenido en el proceso
de esterificación con 1-butanol, el cual sí logró cumplir
con las especificaciones de dicha norma (Tabla 2). Por
ello, este último fue considerado como el mejor de los
procesos probados.
Con base en los resultados experimentales y las
observaciones derivadas de ellos, se planteó una
secuencia de separación, reducción de impurezas
y concentración de ácido láctico a partir de la
biotransformación sólida de cáscara y bagazo de
naranja, utilizando la esterificación con 1-butanol y
posterior hidrólisis del ácido láctico (Figura 7).
El proceso se inicia al homogeneizar el sólido
obtenido por biotransformación mediante mezclado
utilizando una relación de agua-sólido en base seca de
8:1, el cual se hace pasar por una etapa de prensado
mecánico para separar las fases líquida y sólida. El
líquido obtenido se filtra para remover partículas
suspendidas y se evapora al vacío a 65ºC. El licor
concentrado se acidifica con H2SO4, precipitando así
sulfato de calcio insoluble (Reacción 6, Figura 8). El
líquido acidificado se evapora nuevamente al vacío a
65ºC en un equipo de evaporación-cristalización, con
formación simultánea de cristales insolubles de sulfato
de calcio y agentes degradados y precipitados por efecto
del pH (en su mayoría proteínas). Posteriormente, el
producto se filtra removiendo los cristales junto con los
agentes insolubles y partículas suspendidas. Los sólidos
retenidos son lavados con agua, la cual es recirculada. El
licor concentrado se evapora al vacío a 67.5ºC y luego
se esterifica con 1-butanol (Reacción 7, Figura 8), con
lo cual precipitan azúcares insolubles, los cuales son
removidos por filtración.
A continuación, la mezcla heterogénea se decanta,
separando la fase rica en 1-butanol de la fase rica en
agua. La fase ligera correspondiente al alcohol se
recircula a la etapa de esterificación.
Carbón activado
CaSO4
Filtración
Blanqueado
25 ºC
Agua
Hidrólisis
25 ºC
HCI
Evaporación
al vacío
67.5 ºC
285 mbar
Agua
CaSO4
Proteínas
i insolubles
Ac. láctico
Vol=25%
Evaporación
al vacío
67.5 ºC
285 mbar
Filtración
Evaporación
al vacío y
cristalización
65 ºC y 285 mbar
Vol=25%
Filtración
Esterificación
65 ºC
1 atm
1-Butanol
Agua y Volátiles
Acidificación
65 ºC
1 atm
Carbón activado
Azúcares
insolubles
Filtración
1-Butanol
Agua
Evaporación
Vol=25%
al vacío
65 ºC
285 mbar
H2SO4
Figura 7. Diagrama de bloques del proceso propuesto para la producción y purificación de ácido láctico a partir de la biorreacción en fase
sólida de cáscara y bagazo de naranja
Carbón
activado
Enfriado
25 ºC
Agua
Decantación
65 ºC
1 atm
Columna de
carbón
c
activado
Filtración
Vol=20%
Enfriado
25 ºC
Columna de
iintercambio
catiónico
Evaporación
al vacío
67.5 ºC
285 mbar
Agua
Desacidificación
25 ºC
pH 3.5
Filtración
Carbón
activado
CaSO4
Filtración
CaCO3
Homogeneizado
Sólidos finos
y células suspendidas
Vol=25%
Blanqueado
25 ºC
Agua
Biotransformación
Prensado
mecánico
Sólidos
y biomasa
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Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 23 núm. 2, 2008 87
Por otro lado, la fase rica en agua se enfría hasta
temperatura ambiente y se pasa a una etapa de
desacidificación en la que el pH es llevado hasta un
mínimo de 3.5 con CaCO3 en polvo, para nuevamente
formar sulfato de calcio insoluble (Reacción 8, Figura
8) y reducir el exceso de aniones sulfato, los cuales se
remueven por filtración junto con partículas suspendidas.
Los sólidos recuperados se lavan con agua, recirculando
esa agua al proceso. El líquido desacidificado se mezcla
con carbón activado para ser blanqueado. La mezcla se
filtra para recuperar el carbón activado y la fase líquida
se envía a una nueva etapa de evaporación al vacío a
67.5ºC. Debido al grado de saturación alcanzado, es
posible la formación de cristales de sulfato de calcio
que no se hayan logrado eliminar en etapas previas, por
lo que la mezcla se enfría hasta temperatura ambiente
para aumentar la saturación y, posteriormente, se filtra.
Debido a la formación de color en la solución, ésta
es nuevamente mezclada con carbón activado en una
segunda etapa de blanqueado y filtración, recuperando
el carbón activado, el cual es reutilizado en la primera
etapa de blanqueado. La fase líquida recuperada de la
segunda etapa de blanqueado se mezcla con agua y HCl
al 35% v/v para catalizar la hidrólisis del lactato de 1-
butilo (Reacción 9, Figura 8). Posteriormente, el líquido
hidrolizado se evapora al vacío a 67.5ºC reduciendo el
volumen a 25% del inicial. La fracción evaporada se
recircula al proceso y el producto de fondos obtenido
es ácido láctico concentrado cuya pureza cumple el
estándar del FCC.
Posteriormente, se construyó un modelo de
simulación del proceso utilizando el simulador
SuperPro Designer 6.0 (Figura 9). Para el balance de
materia se consideró una capacidad de procesamiento
por lote (batch) de 10 toneladas de cáscara de
naranja con una humedad másica del 12% y un
rendimiento de producción de ácido láctico durante la
biotransformación de 8.2 mg por cada gramo de cáscara
de naranja en base seca.
Los datos físicos y termodinámicos del lactato de
butilo fueron estimados con el módulo Aspen Plus User
Interface 11.1, obteniéndose correlaciones de capacidad
calorífica a presión constante para las fases líquido y
vapor, y de densidad para la fase líquida, ambas en
función de la temperatura, así como las constantes de
Antoine para el cálculo de presión de vapor en función
de la temperatura, cuyos parámetros fueron luego
ingresados en el SuperPro Designer® 6.0.
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
Figura 8. Reacciones que ocurren en la secuencia de separación, reducción de impurezas y concentración de
ácido láctico a partir de la biotransformación sólida de cáscara y bagazo de naranja, utilizando la
esterificación con 1-butanol y posterior hidrólisis del ácido láctico
S-126
S-111
Venteo-5
Bioproducto
P-22/PFF-104
Filtración P&F
Venteo-7
S-120
P-23/V-113
Segundo blanqueado
S-130
S-105
Venteo-4
P-24/PFF-105
Filtración P&F
P-14/V-108
Decantador
S-131
S-117
Venteo-9
S-132
Ácido láctico
P-25/V-114
Evaporación intermitente
HCI
P-12/V-107
Evaporador-Esterificador
Esterificado
Venteo-6
S-113
S-112
CaSO4+Proteína
P-6/NFD-102
Filtración tipo
Nutsche
S-116
P-13/PFF-101
Filtración P&F
S-119
S-114
Agua-3
Azúcares
S-106
P-5/V-104
Evaporador-Cristalizador
H2SO4
P-15/V-109
Tanque de butanol
S-118
C-activado-2
CaCO3_2
Butanol
P-16/V-110
Desacidificador
S-121
S-107
S-104
P-4/V-103
Evaporación intermitente
S-103
Venteo-3
P-8/GAC-101
P-7/V-105
Columna de carbón
Almacenamiento
activado
S-108
C-activado-1
S-129
S-115
CaSO4_2
P-17/PFF-102
Filtración P&F
CaSO4
P-9/INX-101
Columna de
Intercambio iónico
S-109
P-3/NFD-101
Filtración y prensado
S-102
Biomasa-1
Figura 9. Diagrama de simulación en SuperPro Designer® 6.0 del proceso propuesto para la producción de ácido láctico, a partir de la
biorreacción en fase sólida de cáscara y bagazo de naranja
P-21/HX-101
Enfriamiento
S-122
S-128
P-18/V-111
Primer blanqueado
S-101
Venteo-2
P-2/V-102
Homogeneizador
Carbón activado
P-11/V-106
Tanque de agua
S-123
S-124
S-127
P-20/V-112
Evaporación Intermitente
S-125
Venteo-8
P-19/PFF-103
Filtración P&F
C_activado_salida
S-110
Agua-2
Venteo-1
P1/V-101
Biorreactor
Aire
P-10/MX-101
Mezclado
CaCO3 _1
Inóculo
CaCO3 al 50%
Agua-1
(NH4)2SO4
Bagazo y
cáscara de naranja
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Análisis de equilibrio líquido-líquido para la etapa
de decantación
Dado que luego de la esterificación se obtiene una
mezcla heterogénea, se incluyó una etapa de decantación
con la finalidad de evitar evaporar el butanol excedente
y disminuir así el consumo energético del proceso.
Para ello se evaluó la distribución del ácido láctico
y del lactato de butilo en las dos fases líquidas, con la
intención de conocer la composición másica normalizada
de las mezclas “lactato de butilo - 1, butanol – agua”
y “ácido láctico - 1, butanol – agua”, de forma que
estos datos puedieran ser ingresados en el SuperPro
Designer® 6.0 y con ello realizar el balance de materia
en la etapa de decantación. Para esto se obtuvieron los
diagramas de equilibrio líquido-líquido correspondientes
a estas mezclas a 25 y 65°C (Figura 10) utilizando el
módulo Aspen Split® 11.1 y el modelo termodinámico
NRTL-RK (Non Random Two-Liquid [Renon]/RedlichKuong con ley de Henry). Esta evaluación mostró que a
65°C se obtiene una mejor recuperación del lactato de
butilo y del ácido láctico, en la etapa de decantación,
que a temperatura ambiente, por lo que no es necesario
enfriar luego de la etapa de esterificación.
Rendimiento de producción y eficiencia de
recuperación
En la etapa de biotransformación, se estimó que
por cada 10 Ton de cáscara de naranja al 12% de
humedad másica, es posible producir 72 (72.16) kg
de ácido láctico, de los cuales, al final del proceso, es
posible recuperar 51 (50.95) kg como ácido láctico
y 1 (1.07) kg como lactato de 1-butilo. Con base en
esto, el rendimiento másico global de producción fue
de 6 (5.79) g de ácido láctico por cada kg de cáscara
y bagazo de naranja en base seca. Por otro lado, la
eficiencia global de recuperación de ácido láctico del
proceso de separación y purificación, resultó ser de 70
(70.61)%. Esto es debido a que tan sólo en la etapa de
filtración y prensado del sólido producido se pierde
aproximadamente el 15% del ácido láctico generado
en la biorreacción debido a la retención de líquido en
la cáscara hidrolizada. El factor de concentración de
lactato alcanzado al final del proceso fue de 46.75 veces
respecto a la concentración a la salida de la etapa de
filtración y prensado mecánico. Con un solo biorreactor,
el proceso completo tendría una duración de 284
(283.87) h/lote, pudiéndose realizar un total de 39 lotes
al año. Esta cantidad podría incrementarse con el uso de
dos o más biorreactores operados secuencialmente, lo
cual aumentaría la producción y reduciría los tiempos
de espera.
Mediante la simulación se estimó que, para una
capacidad de procesamiento de 10 Ton por lote de
cáscara de naranja (400 Ton/año) y un solo biorreactor,
es posible producir 5.5 toneladas (5498kg) al año
de solución de ácido láctico al 36% masa (Tabla 3),
equivalente a 45 m3 (44564 litros) a una concentración
de 45 (44.6) g ácido/L.
l
lác
tic
o
ido
Ác
but
de
ato
l
no
no
uta
uta
1-B
La
ct
Agua - Butanol - Ácido láctico
1-B
ilo
Agua - Butanol - Lactato de butilo
Agua
Agua
(A)
(B)
Figura 10. Diagramas de equilibrio líquido-líquido (fracciones masa) para las fases heterogéneas formadas
por las mezclas: A) Agua-1,butanol-lactato de butilo y B) Agua-1,butanol-ácido láctico. Evaluación
a las temperaturas de 25 y 65ºC
90 Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 23 núm. 2, 2008
Tabla 3
Composición y concentración de la corriente de
producto final del proceso
Componente
Amonio
1-Butanol
Lactato de butilo
CaCO3
Azúcares (expresados
como glucosa)
HCl
Lactato de calcio
Ácido láctico
Proteínas
Ácido sulfúrico
Agua
Ésteres
Composición base Composición base Concentración
húmeda (% masa)
seca (% masa)
(g/L)
0.83
1.33
0.76
0.02
4.03
1.84
2.97
1.69
0.04
8.96
1.02
1.64
0.94
0.02
4.97
0.26
0.27
36.14
0.16
0.23
55.05
0.93
0.58
0.60
80.40
0.35
0.50
---2.07
0.32
0.33
44.59
0.20
0.28
67.91
1.15
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Se desarrolló experimentalmente un proceso de
obtención de ácido L(+) láctico por medio de la
biotransformación en medio sólido de residuos de
naranja. En este proceso la biotransformación y la
secuencia de separación juegan papeles muy importantes
en el diseño. El prensado mecánico resultó ser la mejor
operación de separación sólido-líquido, utilizada en
conjunto con una relación de homogeneizado de 8:1
agua-sólido en base seca para la extracción del ácido
láctico hacia la fase líquida. Así mismo, se mostró
que es indispensable el uso de carbón activado como
método de remoción de color e impurezas en el efluente.
Por otro lado, aunque la zeolita catiónica demostró
ser adecuada para la remoción de impurezas, no se
recomienda su uso debido al alto grado de pérdida de
ácido láctico que provoca. El proceso de esterificación
con 1-butanol permitió obtener la mayor recuperación
y pureza de ácido láctico. Es indispensable que el acido
láctico sea esterificado antes de la remoción de color
e impurezas con carbón activado, para evitar pérdidas
en esta etapa.
El diseño de separación y purificación propuesto
permitió obtener un producto que cumple con el
estándar del Código Químico de Alimentos (FCC) para
ácido láctico grado alimenticio, demostrándose que el
proceso es técnicamente viable. El modelo de simulación
obtenido permitió llevar a cabo estudios de escalamiento
de producción y estudios de caso de operatividad y es
una base indispensable para el mejoramiento del proceso
con base a parámetros económicos.
Se recomienda llevar a cabo estudios más detallados
encaminados a obtener mejores condiciones de
biorreacción que lleven al Rhizopus oryzae a consumir
los azúcares degradados durante la hidrólisis de la
cáscara de naranja, y que, al mismo tiempo, permitan
ofrecer un mayor rendimiento de producción de ácido
láctico durante su desarrollo. Asimismo, la optimización
global del proceso debe llevarse a cabo, en particular,
atendiendo al entorno económico actual que ofrece
incentivos económicos claros para el establecimiento
de biorrefinerías.
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