ES2201548T3

ES2201548T3 - Tratamiento de acido lactico; procedimientos, configuraciones y productos.

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Publication number: ES2201548T3
Application number: ES98953421T
Authority: ES
Inventors: Aharon M. Eyal; John N. Starr; Rod Fisher; Betty Hazan; Riki Canari; David R. Witzke; Patrick Richard Gruber; Jeffrey J. Kolstad
Original assignee: Cargill Inc
Current assignee: Cargill Inc
Priority date: 1997-10-14
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2004-03-16
Anticipated expiration: 2018-10-13
Also published as: ATE242195T1; CA2306087A1; WO1999019290A3; US6534679B2; US7144977B2; WO1999019290A2; AU1080199A; DE69815369D1; DE69815369T2; US20020004611A1; NO20001765L; CN1275973A; EP1023258B1; BR9814641A; AU757587B2; JP2001519178A; US6320077B1; EP1023258A2; US20030176736A1; US20040210088A1

Abstract

Un procedimiento para la producción de productos de ácido láctico a partir de una mezcla que contiene ácido láctico libre y/o sal de lactato disuelta, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de: (a) incubar un cultivo de microorganismos productores de lactato ácido tolerantes en un medio nutriente a un pH de incubación medio no mayor de 4, 8, en el que si la fermentación se lleva a cabo hasta un punto en el que el pH y/o la concentración de ácido láctico inhiben adicionalmente la producción de lactato, el -pH de incubación medio- se determina según una media de valores de pH medidos a diez (10) o más intervalos iguales de tiempo durante el periodo de tiempo necesario para producir el 90% de la concentración de lactato limitante; o si la fermentación no se lleva a cabo hasta un punto en el que se alcance una concentración de lactato limitante, el -pH de incubación medio- se determina según una media de valores de pH medidos a diez (10) o más intervalos iguales de tiempo durante el curso de la fermentación, para producir una mezcla acuosa que incluya, al menos, 40 g/l de material de lactato que comprenda ácido láctico, sal de lactato o una mezcla de los mismos; y (b) separar la mezcla acuosa de los microorganismos productores de lactato ácido tolerantes; y (c) preferentemente, separar el ácido láctico de la mezcla para formar una corriente que contenga ácido láctico.

Description

Tratamiento de ácido láctico; procedimientos, configuraciones y productos.

Campo de la invención

La presente invención trata del tratamiento del ácido láctico. Particularmente, se refiere a: procedimientos para separar corrientes de ácido láctico y corrientes de sales de lactato de mezclas tales como caldos de fermentación; aislamiento y tratamiento del ácido láctico; y aislamiento de las sales de lactato en formas preferibles.

Antecedentes de la invención

Es conocido el potencial del ácido láctico como producto químico, por ejemplo, para su uso en la producción de diversos polímeros industriales. Esto se ha descrito, por ejemplo, en las patentes de Estados Unidos: 5.142.023; 5.247.058; 5.258.488; 5.357.035; 5.338.822; 5.446.123; 5.539.081; 5.525.706; 5.475.080; 5.359.026; 5.484.881;
5.585.191; 5.536.807; 5.247.059; 5.274.073; 5.510.526 y 5.594.095. Ha habido un interés general por desarrollar técnicas mejoradas para la producción y aislamiento del ácido láctico. También, debido a su potencial valor comercial, hay un gran interés por aislar otros productos lácticos relacionados de valor como lactide, ésteres de lactato y amidas, y oligómeros; véase, por ejemplo, las mismas 17 patentes.

En general, pueden producirse fácilmente grandes cantidades de ácido láctico mediante procedimientos industriales a gran escala de fermentación bacteriana controlada, particularmente usando carbohidratos tales como dextrosa como caldo de cultivo, junto con nutrientes adecuados basados en minerales y aminoácidos. Típicamente, tales producciones se fabrican a temperaturas de caldo de al menos 45ºC, normalmente alrededor de 48ºC.

Algunas cuestiones de interés con respecto a la producción de ácido láctico incluyen, inter alia, un control adecuado del pH dentro del sistema de fermentación para asegurar un entorno apropiado para la acción bacteriana; la separación y el aislamiento de uno o ambos del ácido láctico y las sales de lactato desde el procedimiento de fermentación; y un aislamiento corriente abajo y una producción que implica al ácido láctico aislado o al producto derivado del ácido láctico.

Resumen de la invención

Según la presente revelación, se proporcionan técnicas para el tratamiento de mezclas de ácido láctico y sales de lactato disueltas. Las técnicas preferibles se proporcionan para el tratamiento de caldos de fermentación, preferiblemente caldos de fermentación producidos con o ajustados a tener un pH de menos de 4,8 típicamente, y preferiblemente menos de 4,5, más preferiblemente menos de 4,3 y aún más preferiblemente dentro del intervalo de 3,0 a 4,2, ambos inclusive.

Las técnicas tratan de el tratamiento de mezclas en: (a) una corriente, un componente o una fase de ácido láctico; y (b) una corriente, un componente o una fase de sal de lactato. Las técnicas preferibles se proporcionan de forma que la corriente, el componente o la fase de ácido láctico puedan ser fácilmente empleadas para producir productos lácticos deseables, tales como oligómeros de lactato, ésteres de lactato lactide, amidas de lactato y/o polilactato. El tratamiento preferible proporciona asimismo la sal de lactato bajo una forma adecuada para un uso posterior, tal como el reciclado en un caldo de fermentación, o como fertilizante o alimento.

Breve descripción de los dibujos

La Fig.1 es un diagrama de flujo de procedimiento de un procedimiento según la presente invención;

la Fig.2 es un diagrama de flujo de un procedimiento alternativo al mostrado en la Fig.1;

la Fig.3 es un diagrama de flujo de un procedimiento alternativo a los mostrados en las Figs. 1 y 2;

la Fig.4 es un diagrama de flujo de un procedimiento alternativo a los mostrados en las Figs. 1-3;

la Fig.5 es un diagrama de flujo de un procedimiento alternativo a los mostrados en las Figs. 1-4;

la Fig.6 es un diagrama de flujo de un procedimiento alternativo a los mostrados en las Figs. 1-5;

la Fig.7 es un diagrama de flujo de un procedimiento alternativo a los mostrados en las Figs. 1-6;

la Fig.8 es un diagrama de flujo de un procedimiento alternativo a los mostrados en las Figs. 1-7;

la Fig.9 es un diagrama de flujo de un procedimiento alternativo a los mostrados en las Figs. 1-8;

la Fig.10 es un diagrama de flujo de un procedimiento alternativo a los mostrados en las Figs. 1-9; y

la Fig.11 es un gráfico que muestra el porcentaje de ácido láctico en forma de ácido libre, en una mezcla de ácido láctico, en función del pH.

Descripción detallada I. Cuestiones de interés seleccionadas con respecto al tratamiento, aislamiento y uso del ácido láctico A. Quiralidad

El ácido láctico tiene un centro quiral, por lo que se encuentra en las formas D y L. La pureza quiral del ácido láctico es importante a la hora de enfrentarse a las necesidades de las aplicaciones industriales; véase, por ejemplo, las patentes de EE.UU. 5.142.023; 5.338.822; 3.484.881; y 5.536.807. Hay bacterias, por ejemplo del género Lactobacillus, que pueden producir tanto el ácido D-láctico como el ácido L-láctico. Sin embargo, es típico que una cepa bacteriana cualquiera produzca una gran mayoría de únicamente un enantiómero. De hecho, los caldos de fermentación con una elevada pureza quiral (90% o superior) de ácido láctico pueden ser obtenidos con facilidad. Esta quiralidad se obtiene a partir del metabolismo de la dextrosa u otros carbohidratos mediante las células del microorganismo durante la fermentación. Por ejemplo, Lactobacillus bulgaricas y Lactobacillus coryniformis producen típicamente el enantiómero ácido D-láctico casi exclusivamente. Se ha averiguado que Lactobacillus casei produce, mayoritariamente, ácido L-láctico.

Para aplicaciones del ácido poliláctico, la pureza quiral del ácido láctico ejerce una fuerte influencia sobre las propiedades del polímero. La pureza quiral del polímero controla la capacidad de cristalizar del polímero; véase, por ejemplo, las patentes de EE.UU. 5.484.881; 5.585.191; y 5.536.807; y la comúnmente asignada solicitud de patente de EE.UU. OB/850.319 presentada el 2 de mayo de 1997. En algunos casos, son deseables los polímeros con cantidades de cristalinidad controladas con objeto de obtener unas propiedades poliméricas que sean ventajosas en una aplicación industrial, por ejemplo, para aumentar la temperatura de distorsión por calor del polímero. Otras ventajas del control de la cristalinidad polimérica se refieren al almacenamiento, traslado y tratamiento de resinas ácidas polilácticas en fibras, materiales no textiles, láminas y otros productos finales.

El ácido láctico usado actualmente en aplicaciones alimentarias tiene unos requerimientos de pureza quiral superiores al 95% de pureza quiral, generalmente con preferencia por la forma "L". La pureza quiral del ácido láctico también es importante en productos finales como productos farmacéuticos y otros dispositivos médicos en los que el ácido láctico es un material de partida. En la presente memoria, el término "95% de pureza quiral" significa que el 95% del contenido en ácido láctico/lactato es uno de los dos enantiómeros posibles. (Así, la composición podría caracterizarse alternativamente como 10% racémico o 90% ópticamente puro).

En la presente memoria, los términos "ácido poliláctico" o "polilactato" pretenden referirse a cualquier polímero que comprenda al menos un 50% en peso de unidades poliméricas de residuo de ácido láctico o de residuo de lactide. Así, los dos términos incluyen dentro de su alcance, polilactides. No se pretende que los términos "ácido poliláctico" y "polilactato" identifiquen específicamente al monómero polimerizado, por ejemplo, tanto si el material polimerizado es lactide (dímero de ácido láctico) como si es el propio ácido láctico.

B. Control del pH durante la fermentación

La mayoría de los microorganismos tienen un intervalo de pH dentro del cual son capaces de llevar a cabo su metabolismo con mayor eficacia. Por lo tanto, el pH de la fermentación es una variable del tratamiento que afecta fuertemente a la productividad global de las células del microorganismo durante la fermentación.

Los microorganismos Lactobacillus producen ácido láctico. Sin un agente neutralizante, el pH de un caldo de fermentación típico, convencional, cae rápidamente a un valor al cual la mayoría de los microorganismos morirían o cesarían su producción útil. Por lo tanto, se ha requerido típicamente la adición de un agente neutralizante para enfrentarse a la necesidad económica de una fermentación con una elevada productividad global. El valor de pH para muchas fermentaciones de ácido láctico con buena productividad (es decir, >0,5 g de material láctico (ácido láctico y sal de lactato) producidos por litro y por hora) está en el intervalo de 5,0 a 7,0; véase, por ejemplo, la patente de EE.UU. 5.510.526. Se ha realizado mucho trabajo para buscar organismos que conserven elevadas productividades de ácido láctico mientras operan en caldos a intervalos de pH desde 3.0 hasta 4,8. Esto se discute a continuación.

El ácido láctico (HLa o LaH) se disocia en un protón, H^{+}, y un anión lactato, La^{-} (a veces denominado en la presente memoria como sal de lactato disuelto cuando está presente otra fuente de cationes, típicamente desde la sal de tamponamiento). El grado de disociación depende del pH de la disolución y del pK_{a}del ácido láctico. El pK_{a}del ácido láctico a 25ºC es 3,86 (a 50ºC es de aproximadamente 3,89). La Ecuación 1, a continuación, describe cómo se relacionan el pH, el pK_{a}y el grado de disociación del ácido láctico.

pH = pK_{a} + log \frac{[La]}{[HLa]}

\newpage

La Ecuación 1 muestra que la mitad del ácido está disociado cuando el pH es igual al pK_{a}del ácido. A valores mayores de pH la mayoría del ácido láctico está en la forma del anión lactato. La Figura 11 es un gráfico que muestra el porcentaje de ácido láctico en forma no disociada (ácido libre) según varía el pH desde 1 hasta 7. El gráfico muestra que el porcentaje de ácido láctico no disociado presente en disolución a valores de pH de 5 a 7 es relativamente bajo.

Si el caldo de fermentación tiene un valor de pH de entre 3,0 y 4,5, habrá una cantidad significativa de ácido láctico en la forma no disociada, véase la Fig.11. De hecho, a un pH de 3,0 la proporción molar de ácido láctico libre (no disociado) a ión lactato a 25ºC es de aproximadamente 7,0; y a un pH de aproximadamente 4,5, la proporción a 25ºC es de aproximadamente 0,23. Un procedimiento de separación que separase específicamente el ácido láctico no disociado o el derivado lactato de la sal de lactato sería beneficioso porque podría proporcionar una corriente de: (1) productos de ácido láctico para ser purificados posteriormente (y/o convertidos en lactide o polímero); y, (2) una sal de lactato útil como agente tamponante para controlar el pH en el fermentador.

La Ecuación 1 muestra cómo el cociente anión lactato, La^{-}, ácido láctico libre, HLa, se relaciona con el pH de la disolución. Dado que el ácido láctico libre es producido por el microorganismo durante la fermentación, la adición de una sal de lactato puede mantener constante el pH de la disolución. Si la sal de lactato añadida para el control del pH es un material reciclado, se mejora la eficacia de conversión del material bruto en ácido láctico y su recuperación el lo procesos globales de fermentación. Es decir, un mayor porcentaje del caldo de cultivo añadido se convierte en, se retiene y se aísla como ácido láctico, contrariamente a la sal de lactato, debido al mantenimiento del equilibrio sugerido por la Ecuación 1 con reciclado de la sal de lactato.

El esquema de separación preferible a emplear dependerá de la forma del material de lactato en disolución. El aislamiento del material de lactato a partir de una disolución acuosa puede necesitar una considerable energía, especialmente si la disolución acuosa está a un pH mayor de 4,5 y el material de lactato está principalmente presente en forma de sal de lactato, contrariamente a una solución acuosa de pH inferior a 4,5, donde una cantidad significativa de material de lactato está en forma de ácido láctico libre. Cuando el pH del caldo de fermentación es de 5 a 7, una etapa típica en los procedimientos de separación convencionales ha sido acidificar fuertemente la disolución mediante la adición de ácido sulfúrico. Este procedimiento forma el ácido láctico libre, pero también forma un subproducto salino (típicamente, sulfato cálcico). La formación del subproducto salino representa el uso de energía química para transformar la sal de lactato en ácido láctico, y puede generar un problema de eliminación de residuos cuando se elabora ácido láctico a gran escala. En muchos procedimientos alternativos de separación en los que no se produce una acidificación directa, la energía se usaría para fraccionar la sal de lactato de nuevo en ácido láctico y una base. La electrodiálisis de fraccionamiento por agua es un buen ejemplo de este tipo de procedimiento de separación en el que se usa energía eléctrica para formar un ácido y una base a partir de la sal y agua.

Es destacable que según el producto deseado (HLa) de la fermentación aumenta su concentración, la fermentación a menudo no sólo se inhibe debido al pH, sino también debido a la concentración de HLa.

C. Tratamiento corriente abajo: definición de los materiales

Una vez que el ácido láctico se ha separado de la sal de lactato, el ácido láctico se puede usar para formar ácido poliláctico de elevado peso molecular (típicamente, peso molecular medio desde 10.000 hasta 300.000). Se usan típica y preferiblemente procedimientos como los descritos en los documentos: 5.338.822; 5.446.123; 5.539.081; 5.525.706; 5.475.080; 5.359.026; 5.484.881; 5.585.191; 5.636.807; 5.247.059; 5.274.073 y 5.594.095. Dichas técnicas generalmente incluyen: (a) proporcionar una mezcla de lactide (opcionalmente con otros reactivos como otros monómeros y/o aceites epoxizados) junto con un catalizador apropiado y una presencia de agua lo suficientemente baja; (b) polimerizar la mezcla de lactide, generalmente mediante la aplicación de calor; y (c) desvolatilización del polilactide para eliminar el monómero no reaccionado y el agua residual. Pueden usarse agentes estabilizantes tales como capturadores de radicales libres y desactivadores de catalizadores para proporcionar la composición final con la estabilidad a la fluidez preferible.

Los intermedios químicos formados a partir del ácido láctico tales como lactide, ésteres alquil lactato, amidas alquil lactato, y oligómeros con un peso molecular medio inferior a 5.000 se usan típicamente para formar polímeros de polilactide, a veces haciéndolos reaccionar primero para formar lactide cuando el intermedio implicado es diferente al propio lactide. Así, es de gran interés la producción y/o aislamiento de estos "bloques de construcción" identificados para polímeros a partir del caldo de fermentación del LaH. El término "productos del ácido láctico" tal y como se usa en la presente memoria pretende incluir al ácido láctico, las sales de lactato, ésteres alquil lactato, amidas alquil lactato, lactide, lactoil lactato, trímeros y tetrámeros de ácido láctico y oligómeros de ácido láctico, típicamente con un peso molecular medio inferior a 5.000. Por supuesto, el ácido láctico es la menor unidad repetitiva (presente como el residuo ácido de la polimerización por condensación) en el ácido poliláctico. Es el material de partida más básico para el ácido poliláctico, y los otros intermedios químicos tales como el lactide y los oligómeros de ácido láctico se producen típicamente a partir de ácido láctico (o sales de lactato).

El lactide es un éster cíclico que comprende dos moléculas de ácido láctico. Es decir, es un dímero de ácido láctico. Debido a la naturaleza quiral del ácido láctico, el lactide puede tener uno de los tres tipos de actividad óptica dependiendo de si comprende dos residuos de ácido D-láctico, dos residuos de ácido L-láctico o un residuo de ácido L-láctico y un residuo de ácido D-láctico. Estos tres dímeros se designan como D-lactide, L-lactide y meso-lactide, respectivamente. El lactide es ácido láctico totalmente deshidratado, y se usa habitualmente para la elaboración de ácido poliláctico (o polilactide) mediante una reacción de apertura del anillo para hacer crecer el polímero hasta pesos moleculares elevados. El lactide puede ser también un material de partida clave en la producción de otros productos químicos industrialmente relevantes.

Los ésteres alquil lactato y las amidas alquil lactato son compuestos que pueden usarse como caldo de cultivo de oligómeros de ácido láctico, lactide o ácido poliláctico. Para producir oligómeros de ácido láctico con un éster en el extremo ácido carboxílico terminal pueden transesterificarse los ésteres alquil lactato con el correspondiente alcohol que se está obteniendo junto con el polímero. La eliminación simultánea o secuencial del alcohol lleva a la reacción a la formación del oligómero. El lactide puede producirse a partir de oligómeros de ácido láctico esterificados. Las amidas alquil lactato tendrían una química similar a la de los ésteres, pero con la obtención de una amina junto con el oligómero. El lactide puede producirse a partir de un oligómero de ácido láctico con un grupo amida en el extremo ácido carboxílico terminal.

La formación de ésteres o amidas a partir de ácido láctico puede ayudar en la separación de los derivados del ácido láctico de impurezas. Después de obtener un éster alquil lactato purificado o una corriente de amida alquil lactato, el éster o la amida pueden hidrolizarse para obtener el ácido láctico y el correspondiente alcohol o amina. El ácido láctico puede separarse de esta mezcla, y el alcohol o amina reciclarse de nuevo en la etapa de formación del éster o de la amina. Por supuesto, ciertos ésteres y amidas lácticas pueden ser preferiblemente purificados si es necesario. Algunos ésteres alquil lactato útiles incluyen: metil lactato, etil lactato, butil lactato, octil lactato, dodecil lactato, 2-etilhexil lactato y el lactato de 1,4-butanodiol. De hecho, los alquil lactatos con 1-20 átomos de carbono en el residuo de alcohol tanto saturados como insaturados son potencialmente útiles. Con respecto a los ésteres de lactato y su uso, véase, por ejemplo, la patente de EE.UU. 5.247.059.

La lactamida (la amida amoniacal del ácido láctico) es una importante amida láctica industrial. Se usa en los productos de cuidado del cabello.

Los oligómeros de ácido láctico con un peso molecular medio inferior a 5.000 son útiles en la elaboración de lactide. Las técnicas utilizables se describen en el documento de EE.UU. 5.142.023. Ciertas modificaciones preferibles descritas en la presente memoria afectan directamente a la formación del lactide incluso en presencia de extractor residual, tal como trialquilamina residual. Puede usarse un catalizador para aumentar la tasa de formación de lactide a partir de oligómeros de ácido poliláctico. Se conocen muchos catalizadores adecuados, tales como óxidos metálicos, polvos metálico y compuestos organometálicos; véase, por ejemplo, las patentes de EE.UU. 5.142.023; 5.338.822 y 5.594.095. Para dirigir la formación de lactide, el lactide es típicamente eliminado simultánea o secuencialmente de la corriente de oligómero de ácido láctico. Un procedimiento para esta eliminación es la aplicación de calor para evaporar una corriente de lactide bruto desde los oligómeros. Además de usarse como precursores de lactides, los oligómeros de ácido láctico son útiles como agentes antimicrobianos y como acidulantes de liberación controlada de uso en agricultura y alimentación. Por supuesto, el oligómero debe ser terminado o funcionalizado en algunos casos, como el éster o la amida.

II. Disminución del pH de la fermentación

La producción de disoluciones de ácido láctico mediante sistemas bacteriológicos con un pH en el orden de 5,0 o inferior, preferiblemente 4,8 o inferior, y típicamente de 3,5 a 4,5, conducen a un porcentaje mayor en la produccióndel material de lactato, en forma de ácido láctico. Esto se describe, por ejemplo, en la comúnmente asignada (a Cargill, Inc. of Minnetonka, Minnesota) solicitud copresentada de patente internacional titulada LOW pH LACTIC ACID FERMENTATION, identificando a Ting Carlson y Eugene Max Peters Jr. Como los inventores (WO99/19503, denominada en lo sucesivo como la solicitud de Carlson y col.) la solicitud de Carlson y col. se depositó en la misma fecha que la presente solicitud (14 de octubre de 1997).

De nuevo, la producción de cantidades relativamente grandes de producto a partir del procedimiento de fermentación en forma de ácido láctico, más que de sal de lactato, es ventajosa dado que puede reducir la necesidad o la magnitud de repetir ciertas etapas del procedimiento de acidulación y/o "fraccionamiento de la sal". Esto es, si se produce una cantidad mayor de material en forma del ácido láctico libre, se reducen o evitan las etapas del tratamiento de producción de ácido láctico a partir de lactato y los costes y consecuencias asociadas a las mismas. Incluso si se realiza una cierta acidulación, sustancialmente se vería implicada una adición ácida inferior que la que se necesitaría en el caso de un sistema con un elevado pH.

En general, se ha determinado que con procedimientos dirigidos a obtener caldos de fermentación para otras mezclas ácido láctico/sal de lactato a pHs de 4,8 o inferiores (preferiblemente 4,5 o inferior, más preferiblemente 4,3 o inferior, típicamente de 3,5 a 4,2) puede desarrollarse un procedimiento global eficaz en el que el ácido láctico producido se usa para la producción de polímeros y la sal de lactato recuperada se recicla en el sistema de fermentación como un agente de tamponamiento, o una aplicación diferente para el control del pH.

El procedimiento de Carlson y col. permite la producción eficaz de lactato, y en particular, la producción eficaz de elevadas concentraciones de ácido láctico libre mediante la incubación de una bacteria homoláctica ácido tolerante en un medido nutriente adecuado. Por "homoláctico" se entiende que la cepa bacteriana produce sustancial y únicamente ácido láctico como producto de fermentación. La bacteria homoláctica ácido tolerante se aisla típicamente a partir de agua impregnada con maíz de una instalación comercial de molienda de maíz. Mientras que diferentes bacterias de este tipo pueden producir lactato racémico o lactato predominantemente en las formas isoméricas D- ó L-, el procedimiento de Carlson y col. describe una fermentación preferible usando una bacteria homoláctica que produce el L-lactato, más preferiblemente en la forma ópticamente pura.

El procedimiento de Carlson y col. permite la producción eficaz de concentraciones relativamente altas de ácido láctico libre. Esta eficacia puede expresarse de diversas formas. La concentración de ácido láctico libre en el caldo de fermentación sirve como una medida de la productividad global del procedimiento. El procedimiento de Carlson y col. produce típicamente un caldo que contiene al menos 25 g/l, preferiblemente al menos 30 g/l, y más preferiblemente al menos 40 g/l de ácido láctico libre.

Más típica y preferiblemente, el lactato producido mediante el procedimiento de fermentación es predominantemente de una de las formas quirales, ya sea D- lactato o L-lactato. Se produce y se usa en la fermentación, para el procesamiento preferible corriente abajo, una pureza óptica del ácido láctico del procedimiento de fermentación de al menos el 50%, más preferiblemente al menos 75%, y más preferiblemente al menos 90% hasta ópticamente puro. Por ejemplo, una realización del procedimiento descrito en Carlson y col. incluye incubar una bacteria homoláctica ácido tolerante en un medio nutriente para producir L-lactato que tenga una pureza óptica del al menos 50% (es decir, tiene una pureza quiral de al menos 75%). El procedimiento de Carlson y col. puede aplicarse incluso para producir L-lactato en la forma ópticamente pura (es decir, en el que esencialmente sólo se produce la forma L del lactato).

Según se indica anteriormente, la cantidad de ácido láctico libre presente en una disolución es función tanto del pH de la disolución como de la concentración global del material de lactato (es decir, ácido láctico más sal de lactato disuelta) en la mezcla. Así, especificando estos dos parámetros para una solución dada (por ejemplo, un caldo de fermentación), se especifica efectivamente la concentración de ácido láctico libre. El procedimiento de Carlson y col. produce típicamente una disolución que contiene al menos 50 g/l, preferiblemente al menos 80 g/l, y más preferiblemente al menos 100 g/l de sal de lactato/ácido láctico a un pH relativamente bajo. Cuanto más bajo es el pH de la disolución, mayor es el porcentaje de material de lactato que está presente en forma de ácido libre. De nuevo, si el pH del medio (disolución o mezcla es igual al pK_{a}del ácido láctico (que es aproximadamente 3,8 a 25ºC), el 50% del material de lactato está presente en forma de ácido libre.

El pH del medio nutriente durante la etapa de incubación bacteriana homoláctica puede expresarse de muchas formas diferentes, por ejemplo, en términos de pH de incubación medio o del pH de incubación final. El procedimiento de fermentación de Carlson y col. es típicamente capaz de producir altos niveles del material de lactato a un pH de incubación medio no mayor de 4,3, preferiblemente no mayor de 4,2, y más preferiblemente no mayor de 4,0.

Alternativamente, el pH del caldo durante la incubación puede expresarse en términos del pH de incubación final. El procedimiento de Carlson y col. típicamente permite la producción de altas concentraciones de lactato a un pH de incubación final (o mezcla de pHs) no mayor de aproximadamente 4,2, preferiblemente no mayor de 4,0, y más preferiblemente no mayor de 3,9. Realizaciones particularmente efectivas del procedimiento de fermentación descrito en Carlson y col. son capaces de generar una disolución que contiene al menos 80 g/l de material de lactato a un pH de incubación medio no mayor de aproximadamente 4,0 y/o un pH de incubación final no mayor de 3,9.

En la presente memoria, los términos "medio nutriente" y "caldo de fermentación" se usan indistintamente. Ambos son mezclas de ácido láctico libre y anión lactato (sal). Estos términos pueden usarse para referirse a: (i) el medio en la forma originalmente proporcionada, por ejemplo, a la bacteria ácido tolerante, y las fuentes de nutrientes que incluyen carbohidratos; (ii) el medio producido después de que se han consumido algunos o todos los nutrientes originalmente proporcionados y los productos de fermentación, incluyendo lactato, han sido excretados al medio por la bacteria; y, (iii) un medio clarificado tras su extracción del fermentador y su filtración.

El procedimiento proporcionado en Carlson y col. para producir ácido láctico incluye la incubación de bacterias ácido tolerantes, tales como bacterias homolácticas ácido tolerantes, en un medio nutriente a un pH que proporciona una parte sustancial del material de lactato en forma de ácido libre. En la presente memoria, cuando se emplea el término "ácido tolerante" en relación a una bacteria la intención es referirse a bacterias capaces de producir material de lactato a un pH suficiente como para proporcionar una parte sustancial del material de lactato en forma de ácido libre. Las bacterias ácido tolerantes descritas en Carlson y col. son capaces típicamente de producir al menos 25 g/l de ácido láctico libre a una temperatura de incubación del al menos 40ºC. Tales bacterias generalmente pueden producir también al menos 50 g/l de material de lactato en un medio nutriente a un pH de incubación medio no mayor de 4,2 y a una temperatura por encima de aproximadamente 40ºC. En otra realización de la invención la bacteria homoláctica es capaz de producir una disolución que contiene al menos 40 g/l, preferiblemente al menos 75 g/l de lactato, y preferiblemente aproximadamente 90 g/l de lactato a un pH de incubación medio no mayor de 4,3. Cepas particularmente efectivas son capaces de producir estos niveles de L-lactato (o D-lactato) a un pH de incubación medio no mayor de 4,0 y/o a un pH de incubación final no mayor de 3,9. Si la fermentación se lleva a cabo hasta un punto en el que el pH y/o la concentración de ácido láctico inhiben adicionalmente la producción de lactato, el "pH de incubación medio" se determina basándose en la media de los valores de pH medidos a diez (10) o más intervalos de tiempo iguales durante un periodo de tiempo necesario para producir el 90% de la concentración limitante de lactato. El procedimiento de fermentación puede realizarse de forma continua. En tales condiciones, las condiciones del estado de equilibrio (en términos de pH, concentración de lactato y concentraciones de nutriente) se consiguen y se mantienen generalmente después de que la fase inicial de puesta en marcha ha concluido. Cuando la fermentación se lleva a cabo de este modo, el pH de incubación medio es el pH medio del caldo después de que la fase inicial de puesta en marcha se ha completado.

Si la fermentación no se lleva a cabo hasta un punto en el que se consigue una concentración limitante de lactato, el "pH de incubación medio" se determina basándose en una media de los valores de pH medidos a diez (10) o más intervalos de tiempo iguales durante el curso de la fermentación. Según se usa en la presente memoria, la "concentración limitante de lactato" es la concentración de lactato (concentración de ácido láctico disociado y no disociado) para un conjunto dado de condiciones de incubación dadas (medio nutriente, temperatura, grado de aireación) a las cuales el pH y/o la concentración de ácido láctico producidos por la fermentación inhiben adicionalmente la producción de lactato. Según se usa en la presente memoria, el término "pH de incubación limitante" se refiere al pH del caldo de fermentación para un conjunto dado de condiciones de incubación dadas al cual el pH y/o la concentración de ácido láctico inhiben adicionalmente la producción de lactato. La inhibición de la producción de lactato se considera que se ha producido cuando la cantidad de lactato producido en un lote de fermentación no aumenta en más de un 3% en una incubación adicional durante un periodo de hasta doce (12) horas bajo las mismas condiciones. Esta definición supone que todavía hay disponibles nutrientes suficientes en el caldo de fermentación y aplica a ambas operaciones de lote y continuas.

En el procedimiento de Carlson y col., el pH del caldo de fermentación tras la incubación de la bacteria ácido tolerante para producir lactato es típicamente no mayor de 4,2 ("pH de incubación final").

Según se refiere en la presente memoria el "pH de incubación final" es pH del caldo de fermentación en el punto en el que cesa el crecimiento y/o la producción del material de lactato por la bacteria ácido tolerante. El cese del crecimiento y/o producción del material de lactato puede ser el resultado de un cambio en la temperatura de reacción, el agotamiento de uno o más de los nutrientes necesarios del caldo de fermentación, un cambio deliberado del pH o la separación del caldo de fermentación de las células bacterianas.

En aquellos casos en los que la fermentación se detiene deliberadamente mediante la adición al caldo de fermentación de un ácido o base suficiente para detener la producción de lactato, el pH de incubación final se define como el pH del medio nutriente inmediatamente anterior a la adición. Alternativamente, el crecimiento y/o la producción del material de lactato puede detenerse debido a la acumulación de uno más productos de fermentación y/o a un cambio en el pH del caldo resultante de la producción de productos de fermentación, es decir, la reacción de fermentación ha alcanzado un punto autolimitante para un conjunto dado de condiciones de incubación. Según se apuntó anteriormente, es bastante común para fermentaciones bacterianas que producen un ácido orgánico como el ácido láctico ser sometidas a una inhibición de final de producto.

El término "material de lactato" según se usa en esta solicitud se refiere a 2- hidroxipropionato tanto en su forma de ácido libre como de sal. Los términos "ácido láctico" y "ácido láctico libre" se emplean indistintamente en la presente memoria para referirse a la forma ácida, es decir, ácido 2-hidroxipropiónico. La sal o la forma disociada del lactato se denomina específicamente en la presente memoria como "sal de lactato", por ejemplo, como sal sódica (o cálcica) del ácido láctico o lactato sódico (o lactato cálcico).

Se ha averiguado que los medios nutrientes adecuados para su uso en el presente procedimiento incluyen preferiblemente al menos 50 g/l de carbohidratos. Más preferiblemente, el medio nutriente incluye al menos 70 g/l, y más preferiblemente al menos 90 g/l de carbohidrato. El carbohidrato está típicamente hecho de glucosa, fructosa, galactosa, melibiosa, sacarosa, rafinosa, estaquiosa o una mezcla de los mismos. Son particularmente adecuados glucosa, fructosa y sacarosa, para su uso como fuente de energía y de carbono en el medio nutriente. Generalmente no es útil incorporar más de 150 g/l de carbohidratos en el medio.

Se ha encontrado que puede ser ventajoso incluir una base como carbonato cálcico (CaCO_{3}), hidróxido sódico (NaOH), hidróxido amónico (NH_{4}OH) y/o bicarbonato sódico (NaHCO_{3}). Típicamente se añaden al menos 30 g/l de carbonato cálcico (o una cantidad equivalente de otra base) al medio nutriente. En algunas realizaciones del procedimiento, por ejemplo, realizaciones que producen altos niveles de lactato, puede ser preferible incluir hasta 40 g/l de carbonato cálcico en el medio nutriente. Aunque pueden emplearse elevados niveles de una base, debido a limitaciones en la solubilidad de las sales de carbonato cálcico y al deseo de mantener un pH del caldo relativamente bajo, generalmente no es útil incorporar más de 100 g/l de carbonato cálcico al medio. Muy a menudo, la cantidad total de carbonato cálcico presente no se disolverá inicialmente en el medio nutriente. Según se produce la fermentación, parte del carbonato cálcico puede reaccionar con el ácido láctico que se está formando para generar lactato cálcico. Según se produce esto, pueden añadirse a la disolución porciones adicionales de carbonato cálcico no disuelto. El efecto global es la neutralización de parte del ácido láctico que se está formando y la prevención de que el pH del caldo caiga por debajo del nivel deseado (por ejemplo, por debajo de 3,8-3,9).

Puede no ser necesario añadir una base como carbonato cálcico para conseguir este efecto. Puede añadirse una disolución que contenga una sal de lactato (por ejemplo, lactato sódico, cálcico o amónico) para ayudar al tamponamiento del pH del caldo de fermentación. Un ejemplo de un procedimiento en el que esto podría producirse, implicaría la separación de una fracción del caldo de fermentación de las bacterias en incubación, y reciclar de nuevo esta porción en la fermentación tras la eliminación de parte o todo el ácido láctico libre en la fracción. Alternativamente podría aislarse lactato cálcico a partir del caldo de fermentación (por ejemplo, en forma sólida), y mezclarse junto con un medio nutriente que se añade a la fermentación. Generalmente la adición de una sal de lactato como sal de tamponamiento puede ser ventajosa porque minimiza la cantidad de base neutralizante añadida al caldo de fermentación, minimizando así la cantidad de lactato producido que se convierte en la forma de sal.

Los medios nutrientes que incluyen al menos 70 g/l de glucosa y/o fructosa y al menos 20 g/l de carbonato cálcico son particularmente adecuados para su uso en el presente procedimiento. Dependiendo de la cepa bacteriana utilizada en el procedimiento, también puede ser preferible la incorporación de agua impregnada con maíz (por ejemplo, en una cantidad equivalente a al menos 25 g/l de sólidos secos de agua impregnada con maíz) a este medio nutriente. Es particularmente útil añadir agua impregnada con maíz que contiene únicamente la misma forma quiral que el lactato que se va a producir mediante el procedimiento de fermentación.

La cepa de bacteria homoláctica y las condiciones de fermentación se eligen típicamente de tal forma que el ácido láctico libre se produce a una tasa global de al menos 0,5 g/l/h, preferiblemente al menos 1,0 g/l/h, más preferiblemente al menos 2,0 g/l/h, y más preferiblemente al menos 4,0 g/l/h. Según se usa en la presente memoria, la tasa de producción global tanto de lactato como de ácido láctico libre (o lactato) se calcula dividiendo la cantidad total de ácido láctico libre (lactato) producido entre el tiempo de incubación. Para fermentaciones en las que se produce una concentración de lactato limitante, la tasa de producción global de ácido láctico libre (lactato) se calcula durante el tiempo necesario para producir el 90% de la concentración de ácido láctico libre (lactato) limitante.

La productividad del presente procedimiento también puede expresarse en términos de tasa de producción global para el lactato. El presente procedimiento de fermentación generalmente se lleva a cabo en condiciones que producen lactato a una tasa global de al menos 1,0 g/l/h, preferiblemente al menos 2,0 g/l/h, y más preferiblemente al menos 3,0 g/l/h. Según se indica en la presente memoria, el lactato se produce a estas tasas preferiblemente en un caldo a un pH de incubación medio no mayor de 4,1, y más preferiblemente, no mayor de 4,0.

III. Separación desde el caldo de fermentación - lactato versus ácido láctico

Se presenta una variedad de aspectos relativos al desarrollo de la metodología de un tratamiento para disoluciones de ácido láctico/lactato que implican la producción de grandes cantidades de ácido láctico, por ejemplo, en disolución a pHs no mayores de 4,8 (preferiblemente no mayores de 4,2 ó 4,3) a partir del caldo de fermentación, y con un aislamiento concomitante (y si se desea, reciclado) de la sal de lactato (típicamente lactato cálcico, lactato potásico, lactato sódico y/o lactato amónico). El motivo de preocupación es relativo al diseño de sistema para adecuar los dos objetivos de:

1.: Aislamiento de los productos del ácido láctico para el tratamiento subsiguiente, por ejemplo, para generar polímero; y

2.: Aislamiento de la sal de lactato, preferiblemente en una forma deseable para reciclarla en el caldo de fermentación.

: Tres metodologías generales implican:

1.: Separación del ácido láctico de la disolución, dejando atrás la sal de lactato; y si se desea, direccionamiento de la disolución residual que contiene la sal de lactato, tras la separación, hacia un fermentador;

2.: Aislamiento de la sal de lactato de la disolución; direccionamiento de la sal de lactato, si se desea, hacia un fermentador; y un subsiguiente aislamiento del producto ácido láctico desde la disolución residual después de la separación de la sal de lactato; y,

3.: Separación simultánea del ácido láctico hacia una corriente y de la sal de lactato hacia otra, dejando una mezcla residual.

Con las técnicas descritas en la presente memoria, cada una de ellas es posible. Sin embargo, los procedimientos globales ventajosos dependerán en parte de la selección, entre las metodologías, de la que más fácilmente facilite un esquema de tratamiento global coste efectivo y eficaz para su implementación a gran escala.

Las técnicas de la presente memoria pueden emplearse sobre una variedad de disoluciones de material de lactato (es decir, disoluciones de ácido láctico y sal de lactato disuelta). Estas disoluciones pueden comprender un caldo de fermentación o un caldo que ha sido extraído de un fermentador y modificado de algún modo, por ejemplo, mediante filtración o ajuste del pH. De hecho, las técnicas pueden aplicarse a las disoluciones que también se han realizado de otras maneras. Las técnicas y propuestas descritas en la presente memoria son, sin embargo, particularmente desarrolladas con el objetivo de un tratamiento eficaz de las disoluciones de caldo de fermentación, especialmente relativamente a las disoluciones ácidas, en las que no es necesaria la modificación de pH por adición de un ácido, y preferiblemente no se ha producido.

Aunque las técnicas descritas en la presente memoria están particularmente bien adecuadas al tratamiento de caldos de fermentación bacteriana seleccionados, pueden aplicarse a otras mezclas de ácido láctico tales como las obtenidas a partir de: la acción de hongos o levaduras, corrientes de purga desde reacciones de lactide, o corrientes de ácido poliláctico desde tratamientos de ácido poliláctico.

Según se desvela por Carlson y col., también se han informado metodologías alternativas basadas en las fermentaciones de otros microorganismos adicionales ácido tolerantes. Las levaduras, como Saccharomyces cerevisiae, son capaces de crecer a pHs mucho menores que Lactobacillus. Se han producido cepas de levadura recombinantes mediante la introducción del gen de lactato deshidrogenasa a partir de una fuente bacteriana (Lactobacillus) o de un mamífero (bovino) en Saccharomyces cerevisiae. Las cepas de levadura recombinantes son supuestamente capaces de producir lactato a un pK_{a}igual o inferior al del ácido láctico (aproximadamente 3,8). Sin embargo, el principal producto de fermentación producido por estas cepas de levaduras recombinantes es el etanol. Este disminuye la eficiencia en la producción de lactato e introduce aspectos potenciales adicionales con respecto a la separación y purificación del ácido láctico libre. También se ha informado sobre la producción de ácido láctico mediante una forma granulada del hongo Rhizopus orgyzae. Esta fermentación fúngica también produce típicamente glicerol y/o etanol como subproductos principales. El rendimiento de ácido láctico libre se optimizó en este caso mediante la eliminación continua desde el caldo de fermentación usando una columna de polivinilpiridina ("PVP"). No se informó que se hubieran producido concentraciones de lactato mayores de 25 g/l usando el procedimiento Rhizopus/PVP.

Algunas composiciones típicas en las que pueden aplicarse las técnicas de acuerdo con la presente memoria, con respecto al pH, sería al menos 0,86 y menos de 6,0. Esto es, las composiciones típicas en las que se aplicarán las técnicas tendrán un pH dentro de este intervalo. Según se indica en la Ecuación 1 y en la Figura 11, para tales composiciones la proporción molar de ácido láctico libre a ácido disociado o sal de lactato disuelto a 25ºC está en el intervalo de 1.000:1 a 0,007:1. Un tratamiento más preferible implicará disoluciones con un pH del orden de 1,98-5,00 (cociente HLA:LA en el intervalo de 75:1 a 0,070:1), y un tratamiento más preferible implicará disoluciones con un pH en el intervalo de 3,0-4,5 (cociente HLA:LA en el intervalo de 7,0:1 a 0,23:1).

Según se indica anteriormente, con el tratamiento preferible descrito por Carlson y col. se obtienen fácilmente las disoluciones dentro del intervalo de pH más preferible descritas anteriormente, con concentraciones sustanciales de material de lactato en ellas. Alternativamente pueden usarse otros caldos de fermentación, por ejemplo, con un ajuste del pH mediante la adición de un ácido típicamente hasta el intervalo de pH dado más preferible. Se describen a continuación ciertos procedimientos de acidificación preferibles.

En la presente memoria, aparecerá de vez en cuando una referencia a "separación preferencial" de ácido láctico desde una composición que contiene ácido láctico y sal de lactato o de sal de lactato desde una composición que contiene ácido láctico y sal de lactato. El término "separación preferencial" y las variantes del mismo, en este contexto, pretende hacer referencia a la técnica de separación que extrae preferentemente uno de los dos componentes (ácido láctico o sal de lactato) con respecto al otro. En un tratamiento típico preferible de acuerdo con la presente memoria, se divide una mezcla de ácido láctico y sal de lactato en dos "corrientes de producto".

En una corriente de producto (es decir, la corriente rica en ácido láctico libre) la proporción molar de ácido láctico libre a sal de lactato obtenido es preferiblemente al menos de 2/1, y preferiblemente al menos 3/1. Con algunas de las técnicas descritas en la presente memoria se obtienen fácilmente cocientes de al menos 5/1, e incluso cocientes de 10/1 o más.

La otra corriente de producto es la corriente rica en sal de lactato. En esta corriente, preferiblemente, la proporción molar de ácido láctico libre a sal de lactato no es mayor de 0,5. Con el tratamiento típico preferible según se describe en la presente memoria, se obtienen fácilmente cocientes no mayores de 0,3, preferiblemente no mayores de 0,2 y más preferiblemente de 0,1 o inferiores.

En la presente memoria, el término "corriente", usado en el contexto indicado en los dos párrafos anteriores pretende referirse a una fase aislada o segmento de producto sin tener en cuenta si esa fase o segmento de producto es una disolución, un sólido o una mezcla de materiales. Así, una "corriente rica en ácido láctico" es meramente una fase o mezcla rica en ácido láctico (versus sal de lactato) en comparación con la mezcla original tratada; y una "corriente rica en sal de lactato" es una corriente rica en sal de lactato (versus ácido láctico) en comparación con la mezcla original tratada.

Cuando la corriente de producto enriquecida en ácido láctico libre se obtiene como resultado de la separación del ácido láctico libre desde la mezcla, por ejemplo, desde un caldo de fermentación, la mezcla acuosa remanente tras la extracción del ácido láctico libre será denominada algunas veces como "agotada" con respecto al ácido láctico libre. Similarmente, cuando la corriente enriquecida en sal de lactato se obtiene como resultado de la separación de la sal de lactato de una mezcla que contiene ácido láctico libre y sal de lactato, la mezcla remanente será denominada algunas veces como "agotada" con respecto a la sal de lactato.

Preferiblemente, cuando la disolución tratada es un caldo de fermentación, la corriente de producto enriquecida en sal de lactato se proporciona y se forma de una forma tal que la proporción de peso de impurezas desde el fermentador a la sal de lactato que hay en el mismo es inferior a la encontrada en el caldo de fermentación, preferiblemente en un factor de al menos 5. Esto puede controlarse mediante las técnicas descritas en la presente memoria relativas al control sobre la metodología particular elegida para el aislamiento de la sal de lactato, así como al uso de diversas técnicas de purificación, tales como retrolavado o recristalización. Preferiblemente, la corriente de producto lactato se aísla eventualmente en forma de una disolución acuosa o una mezcla de una fase acuosa y una fase sólida para su conveniente reciclado en un sistema de fermentación con objeto de mantener el balance hídrico. Si la concentración de una disolución acuosa se usa con objeto de facilitar el balance hídrico en el caldo, se usan preferiblemente técnicas de concentración de coste relativamente bajo, tales como ósmosis inversa y recompresión a vapor.

IV. Diversas opciones para la separación de ácido láctico/sal de lactato; ventajas y desventajas A. Extracción del ácido láctico desde el caldo de fermentación (u otra mezcla ácido láctico/sal de lactato)

Un tipo de metodología de tratamiento ventajoso implica la extracción del ácido láctico desde el caldo de fermentación u otra mezcla, mientras que se deja atrás la sal de lactato soluble en el caldo de fermentación (en algunos casos, la separación puede producirse en el fermentador o puede llevarse a cabo sobre material en disolución extraído del fermentador). Si tras dicha separación el caldo de fermentación residual puede ser entonces reciclado, uno puede conservar también al menos parte de los diversos valores nutrientes en el caldo para su uso en el alimento.

Pueden usarse diversas metodologías para la separación preferente del ácido láctico desde un caldo de fermentación (u otra mezcla) incluyendo materiales tales como sal de lactato y otras sales disociadas en el mismo. Las metodologías incluyen las siguientes:

1. Extracción: es posible extraer el ácido láctico de una mezcla ácido láctico/sal de lactato tal como un caldo de fermentación, mediante extracción. Por ejemplo, la extracción puede realizarse con una amina insoluble en agua, preferiblemente aminas que tengan al menos 18 átomos de carbono, más preferiblemente aminas terciarias, véase, por ejemplo, las patentes de EE.UU. 4.771.001; 5.132.456 y 5.510.526; y Shimiu y col., J. of Fermentation and Bioengineering (1996), vol. 81, págs. 240-246; Yabennaour y Wang, Biotech. Bioeng., (1991), vol. 37, págs. 1.095-1.100 y Chen y Loo, Appl. Biochem. Biotech., (1997), vols. 63-65, págs. 435-447. La extracción del ácido láctico es una metodología favorecida cuando ácido láctico se particiona entre dos fases líquidas inmiscibles. El aumento a escala y el desarrollo de los procedimientos de extracción es simple. Los procedimientos de extracción son favorables debido a la ausencia de manipulación de sólidos, a la amplia variedad de equipamiento disponible para poner en contacto dos fases inmiscibles y a la capacidad para manejar grandes cocientes de flujo. Los procedimientos de extracción pueden sufrir cuando las fases tienden a formar emulsiones estables o tienen una elevada viscosidad. Uno tiene que tener también en cuenta: (a) los componentes del disolvente en suspensión y solubles que afectan a la productividad del microbio y, (b) el procedimiento de extracción que extrae nutrientes importantes del caldo reciclado.

El procedimiento de extracción puede realizarse en un fermentador, en un contactador externo o usando una membrana que evita que una fase se disperse en la otra. El uso de una membrana soportada sobre líquido puede ser útil dependiendo del procedimiento de separación global.

La elección del disolvente de extracción es importante para la eficacia y la economía global del procedimiento de separación. Una medida de la eficacia de la extracción es el coeficiente de partición, calculado según la concentración (peso base) de ácido láctico en la fase orgánica (extractora) dividido entre la concentración del ácido láctico en la fase acuosa (fase desde la cual se produce la extracción). Es deseable tener un coeficiente de partición mayor de 0,1, incluso más deseable es un coeficiente mayor de 1,0, e incluso mejor si el coeficiente de partición es mayor de 3,0. Este último puede conseguirse mediante la selección del disolvente adecuado o mezcla de disolventes entre los siguientes disolventes preferibles. Por supuesto, en la práctica de la escala comercial la eficacia de la extracción es la capacidad para lograr una combinación de elevado rendimiento, bajo volumen de extractor y producto concentrado. Esto puede conseguirse con las técnicas discutidas en la presente memoria.

Los disolventes que ofrecen un particionamiento favorable incluyen disolventes oxigenados, ésteres de fosfato, óxidos de fosfina, aminas y mezclas de estos disolventes. Los disolventes oxigenados que son adecuados incluyen alcoholes, cetonas, éteres, ésteres, ácidos o disolventes que tiene un número múltiple de estos grupos funcionales. Son preferibles, los disolventes que incluyen al menos un 60% en peso, más preferiblemente al menos un 80% en peso, y más preferiblemente al menos un 90% en peso (típicamente un 95% o más) de componente(s) que es (son) generalmente inmiscible(s) en agua (solubilidad no mayor de 50 gramos por litro en agua a 25ºC). Algunos disolventes específicos usables son 1-butanol, 2-etilhexanol, 1-octanol, metilisobutil cetona, ciclohexanona, diisobutil cetona, isopropil éter, etil acetato, isobutil acetato, etil lactato, butil lactato, octil lactato, N,N-dibutil lactamida y ácido hexanoico. Algunos compuestos fosfato adecuados incluyen tributil fosfato, trifenil fosfato, ácido dietilhexilfosfórico y óxido de trioctilfosfina. Algunas aminas adecuadas incluyen trietilamina, dioctilamina, trioctilamina, tridecilamina, metildidodecilamina y preparaciones industriales tales como Amberlite LA-1 (una mezcla de dialquilaminas con doce átomos de carbono en cada cadena alquílica), Alamine 304 (tridodecilamina), Alamine 308 (una mezcla trialquílica de cadenas ramificadas con un total de 8 átomos de carbono en cada cadena) y Alamine 336 (una mezcla comercialmente disponible de trioctil, tridecil, dioctildecil y dideciloctil aminas). El disolvente extractor puede contener preferiblemente una fracción hidrocarbonada como queroseno, típicamente (si al final se usa) al entre 1 y 40% en peso. Dicha fracción hidrocarbonada modifica favorablemente la viscosidad, la coalescencia de la fase y otras propiedades físicas del sistema. Un sistema disolvente usable, y a menudo preferible, comprende, en peso, 0 a 15% de etanol, 65 a 85% de Alamine 336 y 15 a 35% de queroseno.

Dependiendo del producto de ácido láctico de interés, variarán las características del disolvente. Si el producto de ácido láctico de interés comprende oligómeros de ácido láctico, es ventajoso un disolvente con un punto de ebullición relativamente bajo comparado con oligómeros de ácido láctico/ácido láctico (preferiblemente menos de 200ºC a 1,01 x 10^{5} Pa o 760 mm Hg) porque el disolvente puede vaporizarse fácilmente y separarse de los oligómeros de ácido láctico. Si el producto de ácido láctico es un éster alquil lactato, como metil lactato, es ventajoso un disolvente con un punto de ebullición relativamente alto comparado con el de(l) lo(s) éster(es) (preferiblemente mayor de 175ºC a 760 mm Hg) para destilar fácilmente el metil lactato desde el disolvente.

También, cuando se fabrica un éster de lactato, puede ser ventajoso para el alcohol de ese éster ser un componente del disolvente extractor. Si el producto es una amida de ácido láctico puede ser útil tener presente la correspondiente amina. Inversamente, si el producto es ácido láctico, la presencia de un alcohol o una amina no terciaria en el disolvente puede ser desfavorable debido a la posibilidad de pérdida de rendimiento en la formación de ésteres o amidas.

2. Adsorción: otra metodología para el aislamiento de ácido láctico a partir de un caldo de fermentación que incluye ácido láctico libre y sal de lactato disuelta es mediante la adsorción del ácido láctico sobre un adsorbente sólido, seguido de la separación física del adsorbente sólido de la fase líquida, y una eventual generación del ácido láctico a partir del adsorbente sólido (en la presente memoria, el término "adsorción" pretende incluir dentro de su alcance a la absorción, es decir, el mecanismo específico de interacción no esta referenciado, salvo que se indique lo contrario).

El particionamiento del ácido láctico libre hacia una fase sólida por intercambio iónico o por adsorción es otro procedimiento favorable para separar ácido láctico a partir de una disolución acuosa. Estos procedimientos muestran una buena eficacia cuando la fase sólida tiene una elevada capacidad para el ácido láctico, una regeneración eficaz, ciclo y largo tiempo de vida en el procedimiento. La excesiva presión sobre una cama sólida, el hinchamiento de la base, la posible dilución del producto en la regeneración, contaminación por resinas y bajas tasas de transferencia de masa pueden dificultar los procedimientos de la fase sólida.

La capacidad de la resina es una característica importante de la resina porque determina, junto con la tasa de transferencia de masa, cuanta resina es necesaria para una cantidad dada de ácido láctico. Una resina con una capacidad de 0,10 g de ácido láctico por g de resina seca sería adecuada, una capacidad de 0,20 g de ácido láctico por g de resina seca es mejor, y una capacidad de 0,30 g de ácido láctico por g de resina seca es lo mejor. Esto último puede conseguirse, por ejemplo, con resina Dowex MWA-1 en equilibrio con una disolución de ácido láctico a 20 g/litro con un pH no mayor de 4,5 a temperatura ambiente.

El contacto entre una fase sólida y la disolución acuosa de ácido láctico puede producirse en el fermentador o en un equipo fuera del fermentador. Para el contacto dentro del fermentador, los microbios se inmovilizan y la fase sólida adsorbente se separa de los microbios según las diferencias en la velocidad de caída en un biorreactor fluidificado; véase, por ejemplo, Davidson y Scott, Biotechnology and Bioengineering, (1992), vol. 39, págs. 365-368.

Las resinas de intercambio iónico que podrían ser adecuadas para la recuperación del ácido láctico son débiles, moderadas y fuertes intercambiadoras aniónicas básicas. Según aumenta el pH de la corriente de ácido láctico acuoso, se necesita un intercambiador aniónico básico más fuerte para recuperar el ácido láctico. Por lo tanto, el pH de la corriente de ácido láctico será un factor en la elección de la resina de intercambio iónico. La resinas de intercambio iónico de amina terciaria comercialmente disponibles que podrían ser adecuadas incluyen Reillex 425 y Reillex HP (ambas son resinas poli-4-vinilpiridina, Reilly Industries Inc. of Indianápolis, IN), Dowex MWA-1 y Dowex-66 (ambas son resinas de amina terciaria poliestireno-divinilbenceno, Dow Chemical Company of Midland, MI) y Duolite A561 (un copolímero de amina terciaria acrílico-divinilbenceno) y Amberlite IRA-67 (una resina entrecruzada de amina fenol-formaldehído terciaria) (Rohm and Haas Corp. of Philadelphia, PA). Ambas resinas macroreticulares y en gel son adecuadas.

Otro factor de importancia en la elección de la resina es la técnica disponible para la extracción del ácido láctico desde la resina. Según aumenta la basicidad de la resina, el procedimiento de regeneración debe ser más "poderoso" para extraer el ácido láctico desde la resina. Un procedimiento de regeneración adecuado podría ser poner en contacto la resina con un líquido polar, posiblemente a una elevada temperatura. Algunos líquidos polares adecuados incluyen agua, disoluciones acuosas, metanol, etanol, 1-metilamina, metilisobutil cetona, dimetilsulfóxido, N-metilpirrolidinona, 1,4-dioxano, tributilfosfato, óxido de trioctilfosfina y diversas combinaciones de los mismos. La evaporación del producto de ácido láctico también es potencialmente un procedimiento. En el caso de la evaporación, son muy útiles resinas termoestables como las resinas Reillex. King y col. desvelan el uso de soluciones acuosas de trimetilamina para regenerar adsorbentes y destilar agua y trimetilamina para aislar ácido láctico en la patente de EE.UU. 5.132.456.

La selectividad de la resina también es importante dado que, preferiblemente, la resina debería ser selectiva para el ácido láctico, y no para los nutrientes necesitados para los microbios. La resina también puede necesitar lavarse con disolventes, ácidos y/o bases, previamente a su uso para minimizar la percolación de monómeros, oligómeros u otros compuestos que pueden ser tóxicos para los microbios.

3. Separación mediante evaporación: la destilación del ácido láctico a partir de la disolución acuosa o la mezcla es un procedimiento alternativo de separación. Este procedimiento no contaminaría la corriente de reciclado con material extractor residual que podría ser tóxico para los microbios, y permite un buen control del balance hídrico. Una desventaja de esta metodología es que el agua necesita ser destilada previamente. Esto es energéticamente intensivo, y según se elimina el agua, las condiciones son favorables para la condensación del ácido láctico.

Serán preferibles las condiciones de vacío para la destilación (es decir, menos de 4,00 x 104 ó 300 mm Hg) para disminuir la temperatura de destilación porque la condensación de ácido láctico a dímero u oligómero se reduce. La recuperación del ácido láctico puede facilitarse mediante el uso de un equipo tal como un evaporador de capa fina que minimiza el tiempo de residencia del monómero durante la destilación. Una posibilidad es añadir un alcohol como etanol y fabricar etil lactato, que tiene una volatilidad mayor comparado con el ácido láctico, y por lo tanto es más fácil de destilar.

4. Separación mediante membrana: el ácido láctico puede atravesar una membrana hacia una fase acuosa separada. Este procedimiento será favorable si la membrana elegida es altamente selectiva para el ácido láctico (versus la sal de lactato). Una membrana útil es una membrana hidrófila densa como Celgard 3400 de Hoechst Celaneso Co. de Sommerville, Nueva Jersey, y membranas de intercambio aniónico que también permiten la transferencia de protones.

Un ejemplo de este tipo de procedimiento es tener una disolución de amoniaco a través de la membrana desde la disolución de ácido láctico. El ácido láctico es conducido a través de la membrana para neutralizar el amoniaco. La disolución de lactato amónico podría entonces someterse a unas condiciones tal que evaporasen el amoniaco para dar una disolución de ácido láctico. Podrían usarse alternativamente otras bases volátiles como trimetilamina o metilamina. El uso de una base fuerte como hidróxido sódico podría típicamente neutralizar indeseablemente el ácido láctico a lactato sódico. Así, en general, con dicha metodología debería usarse una base débil en el lado opuesto de la membrana del caldo de fermentación.

Es decir, una base débil, como las bases amina mencionadas anteriormente, formarían una asociación que sería fácilmente desasociada para regenerar el ácido láctico.

El término "base débil" según se usa en la presente memoria, pretende hacer referencia a una base con un pH de semineutralización de menos de 2,5; una base "moderada" será considerada como una base con un pH de semineutralización de entre 2,5 y 7,0; y una base "fuerte" será considerada como una base con un pH de semineutralización mayor de 7,0. El término "pH de semineutralización" es una medida de la basicidad aparente de una base inmiscible en agua, según se define en Grinslead, R.R. y col., J. Phys. Chem., vol 72, nº 5, pág. 1.630 (1968).

Sin importar qué procedimiento se use para la extracción del ácido láctico desde el caldo de fermentación, deben considerarse la tasa de seguimiento de la sal de lactato y el caldo de fermentación residual. Por supuesto, sería preferible usar una técnica que deje el caldo de fermentación residual y la sal de lactato en una forma deseable para su reciclado directo sin tratamiento significativo adicional. Por otro lado, puede ser deseable aislar la sal de lactato del caldo residual de forma que la sal de lactato pueda ser reciclada o usada de otro modo con el caldo de fermentación bien reciclada directamente o bien dispuesta o usada de otras formas. Algunas metodologías para la extracción de la sal de lactato a partir del caldo de fermentación residual después de la extracción del ácido láctico incluyen: extracción, electrodiálisis, exclusión iónica, adsorción con un adsorbente sólido con separación subsiguiente desde el adsorbente, separación con membrana y cristalización.

Es destacable que en algunos casos las técnicas implicadas pueden conducir a la adición de un material a la corriente de reciclado que tiene en disolución la sal de lactato. Por ejemplo, los procedimientos de esta acción pueden afectar a la composición de esta corriente. Cuando se eligen estas metodologías es importante tanto usar materiales que tengan una baja toxicidad para los microbios como desarrollar tratamientos de seguimiento que modifiquen la composición de la corriente de una forma adecuada para su reciclado. Por ejemplo, mediante evaporación instantánea de los compuestos volátiles desde el caldo residual o poniendo en contacto el caldo con un líquido inmiscible de baja toxicidad que extraiga los componentes tóxicos. Un procedimiento preferible sería usar un líquido inmiscible de baja toxicidad como disolvente extractor o como componente del disolvente extractor y como el líquido inmiscible usado para extraer los componentes tóxicos.

Las técnicas descritas en esta sección pueden llevarse a la práctica de forma continua o por lotes. De hecho, incluso el flujo de cultivo desde el fermentador, y el manejo del fermentador, pueden llevarse a la práctica de forma continua o por lotes.

B. Extracción de la sal de lactato desde el caldo de fermentación, dejando atrás el ácido láctico

Según se indica anteriormente, una metodología alternativa para la producción de ácido láctico implica la separación de la sal de lactato desde el caldo de fermentación (u otra mezcla), dejando atrás el ácido láctico en la mezcla residual, con un tratamiento posterior del ácido láctico desde la mezcla residual. La sal de lactato aislada podría ser útil para dirigirla (para reciclarla) hacia el sistema de fermentación para controlar el pH, si se desea.

Puede usarse una variedad de metodologías para el aislamiento de la sal de lactato desde un caldo de fermentación u otra mezcla ácido láctico/sal de lactato, dejando atrás el ácido láctico. En general, esto podría desarrollarse alrededor de las mismas metodologías caracterizadas en la sección anterior para el aislamiento de la sal de lactato desde el caldo de fermentación residual tras la extracción del ácido láctico. Al igual que con las metodologías de la otra sección, pueden llevarse a la práctica de forma continua o por lotes. Las metodologías serían entonces generalmente las siguientes:

1. Extracción

Puede extraerse una sal de lactato a partir de una disolución acuosa que contiene ácido láctico mediante el uso de una amina cuaternaria como cloruro de metiltrioctilamonio o una mezcla de sales de cloruro de metil trialquilamonio como ALIQUAT 336 (el correspondiente cloruro de metilamonio de Alamine 336, disponible en Henkel Corp. en Kankakee, IL). Típicamente se usan sales de haluros de metiltrialquilamonio (preferiblemente cloruro) de trialquilaminas de 18 o más carbonos. En general, se produce un intercambio aniónico en el que el anión lactato se intercambia por el anión cloruro presente en la fase de la amina. Así, esta metodología puede "cargar" la solución residual que contiene ácido láctico con ión cloruro.

Otra metodología de extracción consiste en extraer completamente la sal de lactato usando un extractor acoplado consistente en un catión líquido y un intercambiador aniónico líquido en un disolvente. Un ejemplo sería el uso de una amina cuaternaria como las enumeradas anteriormente con ácido dietilhexilfosfórico. La sal de lactato se extrae con formación de agua. La amina cuaternaria puede necesitar un pretratamiento a la forma de base libre de la amina para que esto funcione eficientemente.

2 Adsorbente sólido

El caldo de fermentación que contiene al ácido láctico y el ión lactato podría ponerse en contacto con un adsorbente sólido para extraer el ión lactato. Unos adsorbentes sólidos preferibles para esto serían intercambiadores aniónicos fuertes como compuestos fijos de amonio cuaternario. Un ejemplo sería Amberlite IRA-400 y Amberlite IRE-900, disponibles en Rohm and Haas Co., Philadelphia, PA. Tales materiales generalmente comprenden una función de amonio cuaternario y un copolímero estireno divinil benceno.

Otra metodología podría ser usar una base de resinas de intercambio iónico mezcladas para separar la sal de lactato desde la disolución acuosa. Esto es similar a los intercambiadores iónicos líquidos mezclados mencionados anteriormente.

Otra metodología para separar la mezcla usando un adsorbente sólido es la técnica de exclusión iónica. En la cromatografía de exclusión iónica, una resina de intercambio iónico se convierte en la forma de lactato. El anión lactato en la solución de cultivo sale con el volumen vacío mientras que otros componentes iónicos son retenidos por la resina.

3. Separación con una membrana

El ión lactato también puede extraerse desde una disolución acuosa tal como un caldo de fermentación, dejando atrás el ácido láctico, mediante electrodiálisis. Más específicamente, el caldo de fermentación, preferiblemente prefiltrado, y una corriente de agua relativamente pura, se introducen en la unidad de electrodiálisis. La unidad podría incluir un catión recíproco y membranas de intercambio aniónico que forman una pluralidad de compartimentos (o pila) con un cátodo y un ánodo en extremos opuestos de las pilas (para proporcionar un campo eléctrico a lo largo de la pila). Las propiedades de las membranas serían tales que sustancialmente sólo pudieran pasar aniones a través de la membrana de intercambio aniónico, y sólo pudieran pasar cationes a través de las membranas de intercambio catiónico. Una unidad de electrodiálisis para la desalinización de agua sería adecuada para separar y concentrar la sal láctica, y proporcionar una corriente rica en ácido láctico y agotada en sal de lactato. Compañías como Aqualytice en Warron, NJ and Ionics, Inc. en Watertown, MA, proporcionan equipos de desalinización adecuados para este uso.

4. Cristalización

Las sales de lactato pueden cristalizarse a partir de disoluciones acuosas. Así, la sal de lactato puede extraerse a partir del caldo de fermentación (u otra mezcla) mediante un procedimiento de cristalización. Esto puede realizarse mediante concentración (por ejemplo, por evaporación del agua), mediante reducción de la temperatura y/o mediante la adición de agentes para facilitar la cristalización (por ejemplo, alcoholes hidrosolubles como alcoholes C_{1} a C_{4} como metanol, etanol, propanol y/o diversos butanoles. Tras la separación física del producto cristalizado a partir de la disolución, la disolución remanente que contiene ácido láctico podría ser entonces tratada adicionalmente para el aislamiento del ácido láctico.

En ciertos tratamientos preferibles, el agente añadido es preferiblemente uno que tiene una baja solubilidad en agua aproximadamente a temperatura ambiente, pero esta solubilidad aumenta bruscamente según aumenta la temperatura. El butanol proporciona un buen ejemplo. La adición de butanol a una disolución que contiene ácido láctico y sal de lactato a una elevada temperatura, aproximadamente 100ºC, bajo una presión adecuada que evite la evaporación, podría dar como resultado una cristalización eficaz de la sal de lactato. Este tipo de agente tiene muchas ventajas. Primero, es relativamente fácil de separar desde la disolución remanente después de la cristalización, por ejemplo, mediante enfriamiento. Segundo, durante el enfriamiento del extracto después de la cristalización de la sal de lactato, el ácido láctico se distribuirá entre las dos fases (agua y butanol) formando una combinación muy eficaz de cristalización y extracción en una sola operación. Es decir, la sal de lactato se cristaliza y el ácido láctico se extrae hacia el butanol. Tercero, si el agente añadido es un alcohol adecuado se puede formar un éster de lactato y separarse en una forma pura, por ejemplo, mediante destilación.

Si la metodología elegida es la cristalización, el lactato cálcico (CaLa_{2}) será a menudo la sal elegida porque (a) tiene una solubilidad en agua relativamente baja, y (b) su solubilidad en agua depende fuertemente de la temperatura. La sal de lactato cálcico puede proporcionarse a la mezcla mediante el uso de una sal de calcio soluble adecuada, como carbonato cálcico.

Por supuesto, cualquiera que sea la metodología usada para aislar el lactato de la mezcla, el esquema de tratamiento global requerirá la recuperación del valor de ácido láctico, de algún modo, desde el caldo residual (u otra mezcla) tras la extracción de la sal de lactato. Pueden usarse metodologías análogas a las descritas anteriormente con respecto a la extracción de ácido láctico a partir de un caldo de fermentación u otra mezcla. Más específicamente, son adecuadas la extracción, adsorción sólida, evaporación o separación con membranas según se describe anteriormente. Para muchas de estas opciones será beneficiosa una etapa previa de separación de la sal de lactato, ya que en muchos casos la separación ácida será más eficaz cuando se lleva a cabo sin el efecto tamponante de la sal de lactato. Así, las técnicas descritas anteriormente para la recuperación del ácido láctico se aplicarían a una disolución agotada de lactato, para conseguir una purificación/aislamiento de ácido láctico más que la separación del lactato.

V. Una clase preferible de metodología - extracción deácido láctico desde la mezcla mediante extracción

En algunos casos, una clase preferible de metodología para el tratamiento global implicará la separación del ácido láctico desde la mezcla mediante extracción. Entre las razones para ello, están las siguientes:

1.: Con un procedimiento de extracción, especialmente si se realiza sobre un caldo de fermentación clarificado o una disolución similar, puede ser posible dejar la disolución residual agotada en ácido láctico, con el lactato en ella, en una forma apropiada para su reciclado hacia el fermentador sin otro tratamiento sustancial adicional salvo, quizás, un lavado con diluyente o un tratamiento similar para extraer cualquier residuo de extractor que pudiera ser tóxico para los microorganismos del fermentador.

2.: Los procedimientos de extracción pueden realizarse, en muchos casos, de forma rápida y eficaz a gran escala.

3.: Los procedimientos de extracción pueden ser bastante selectivos para el ácido láctico, versus otros materiales (tales como aminoácidos y carbohidratos) en la mezcla de fermentación. Esta elevada selectividad puede conseguirse usando extractores básicos tales como trialquilaminas, especialmente trialquilaminas relativamente insolubles con al menos 18 átomos de carbono, como Alamine 336.

Puede usarse una variedad de metodologías para la recuperación del ácido láctico, es decir, para extraer los valores de ácido láctico, o productos lácticos, a partir del extracto que contiene el ácido láctico. Algunas metodologías incluyen las siguientes:

A. Separación de fases

En general, cuando se aplica esta técnica el extractor que contiene el ácido láctico se modifica para producir lactide y/o oligómeros de ácido láctico. Esto podría realizarse, por ejemplo, realizando la reacción de condensación (del ácido láctico a dímero u oligómero) mediante la evaporación del agua durante la concentración. Para facilitar este proceso de continuación se prefiere un disolvente extractor hidrófobo para la extracción original, dado que la mayor parte de la separación del ácido láctico desde al agua de la fase acuosa original (por ejemplo, un caldo de fermentación) se habrá realizado mediante la etapa de extracción y separación de fases. Un ejemplo de un disolvente extractor hidrófobo adecuado es aquel que tenga una elevada proporción de alquilaminas de cadena larga y al menos 1-35% en peso de queroseno. Estos disolventes extractores típicamente coextraen únicamente un mol de agua por mol de ácido láctico extraído. La reacción de condensación (para formar lactide u oligómero) puede facilitarse mediante la adición de un catalizador. En general, durante la condensación/concentración, el lactide u oligómeros resultantes formarán una fase separada de la del residuo del extractor, por ejemplo, la amina. Entonces se puede usar la separación física para culminar la recuperación del deseado producto láctico. Entonces, el oligómero separado puede llevarse directamente a lactide sin la eliminación del extractor residual allí presente, si se desea.

Es destacable que esta metodología, especialmente cuando se usa una amina como extractor, puede conducir a un cierto grado de racemización del producto láctico. La racemización puede minimizarse mediante el uso de bajas temperaturas y bajas condiciones de presión para la reacción de condensación. Por ejemplo, por debajo de 150ºCy por debajo de 2,67 x 10^{3} Pa ó 20 mm Hg.

B. Extracción

Con esta metodología, uno retroextrae el ácido láctico a partir de la primera fase extraída. Esto puede realizarse a menudo con una extracción acuosa o un lavado, debido a la elevada solubilidad del ácido láctico en agua. Por supuesto, pueden usarse otros líquidos polares como dimetilsulfóxido (DMSO), N-metilpirrolidinona, N,N-dimetilformamida (DMF), trietilamina y lactide. En algunos casos puede ser deseable el uso de condiciones de retroextracción relativamente calientes, en comparación con la primera extracción, por ejemplo, retroextracción con agua a una temperatura de al menos 100ºC, típicamente 150ºC o más, para facilitar el proceso (asumiendo unas condiciones para la primera extracción de 15-60ºC a presión atmosférica). Dicha retroextracción debería llevarse a cabo típicamente a una presión de al menos 2,07 x 10^{5} Pa ó 30 psig.

C. Separación por membrana

Pueden usarse técnicas de separación por membrana para facilitar la separación del ácido láctico desde la fase del disolvente de extracción que contiene el ácido láctico. Por ejemplo, uno podría usar una barrera hidrófila, con la fase extractora en un lado y la fase preferible para el ácido láctico en el otro. Esta fase preferible podría ser, por ejemplo, una amina terciaria como las descritas anteriormente para la separación por membrana del ácido láctico a partir del caldo de fermentación. En algunos casos pueden usarse sistemas acuosos.

D. Destilación del disolvente

Si el disolvente de la fase extractora tiene un peso molecular relativamente bajo o una elevada volatilidad, por ejemplo, como el butanol, éste puede ser destilado o evaporado instantáneamente desde la fase extractora, dejando atrás el ácido láctico. Esta metodología será más útil cuando la fase extractora comprenda disolventes como butanol, metilisobutil cetona o trietilamina. Puede ser deseable usar condiciones de presión relativamente bajas para facilitar la destilación. Por ejemplo, será preferible el tratamiento a presiones del orden de aproximadamente 6,67 x 10^{4} Pa o 500 mm Hg, o inferiores. También es preferible el uso de un gas vehicular y de pervaporación. En algunos casos, la concentración del ácido láctico que se produce durante la destilación conducirá a la formación de productos de condensación tales como ésteres de lactato (si hay alcoholes presentes), lactide u oligómeros de ácido láctico.

E. Destilación del producto láctico

La destilación del producto láctico, por ejemplo, ácido láctico, desde la fase extractora, estará favorecida cuando la fase extractora comprenda un material con una volatilidad relativamente baja. Por ejemplo, cuando se usa una amina terciaria, especialmente aminas terciarias de 18 o más átomos de carbono, en la fase extractora, puede usarse fácilmente la destilación para recuperar el ácido láctico. Con respecto a esto, la atención se dirige a la patente de EE.UU. 5.510.526.

Por supuesto, en algunos casos la fase extractora puede contener materiales tanto con alta como con baja volatilidad. Cuando tal es el caso, pueden preferirse destilaciones en varias etapas para conseguir el aislamiento del ácido láctico o del producto láctico. Aquí, de nuevo, podría ser ventajoso un gas vehicular, y particularmente, una pervaporación.

F. Cristalización del producto láctico

Cuando el producto del ácido láctico es lactide, una metodología favorable para la separación desde la fase extractora es la cristalización. Más específicamente, el lactide cristaliza fácilmente desde disolventes no polares tales como tolueno. Será típicamente deseable producir lactide a partir del ácido láctico recuperado en la extracción. Esto puede realizarse mediante la eliminación y condensación del agua bajo condiciones controladas. Véase, por ejemplo, el documento 5.142.023 con respecto a la formación de lactide.

G. Extracción acuosa y reextracción del disolvente

Con esta metodología el ácido láctico se extrae desde la fase extractora hacia una fase acuosa. Entonces, se extrae de la fase acuosa hacia una fase extractora preferible para un tratamiento subsiguiente, como condensación a oligómero y eventual tratamiento del lactide. Un ejemplo típico sería una extracción inicial hacia una fase amina terciaria, preferiblemente aminas de 18 o más átomos de carbono, seguido de una extracción desde la fase de amina terciaria hacia una fase acuosa. El ácido láctico puede extraerse entonces hacia ciclohexanona u otro disolvente no amínico polar produciéndose la condensación (a oligómero) en la ciclohexanona (u otro disolvente no amínico polar orgánico) durante la concentración/destilación. La temperatura de la retroextracción hacia la fase acuosa puede ser mayor que la temperatura durante la extracción hacia las fases orgánicas. Esto es preferible a la condensación en la fase amina terciaria directamente, si se quiere minimizar o evitar la racemización.

Por supuesto, el ácido láctico podría aislarse desde la fase acuosa directamente, por ejemplo, mediante destilación del agua. Sin embargo, en general, esto puede requerir más energía que la condensación en una fase orgánica polar preferible de mayor volatilidad.

VI. Diversas metodologías para la separación del producto láctico desde una fase extraída - un examen más detallado

A continuación se describe una metodología típica frente al problema de fabricar productos del ácido láctico a partir de una fermentación de ácido láctico u otra disolución acuosa de ácido láctico, usando las técnicas descritas anteriormente. Supongamos un caldo que comprende aproximadamente de 50 a 100 g/l de material láctico total a un pH de 3,5 a 4,3. El caldo se extrae continuamente desde un fermentador. El caldo se clarifica para eliminar impurezas toscas y otras insolubles en la corriente, por ejemplo, mediante su paso a través de un filtro (o mediante floculación, centrifugación o una combinación de aquellas diversas técnicas). Este filtro puede ser un filtro final o intermedio en el flujo, usando membranas de micro o ultrafiltración (en algunos casos, también puede realizarse un pretratamiento con carbón activo para purificar la mezcla). El ácido láctico no disociado se extrae entonces desde el caldo o la disolución remanente de sal de lactato. El disolvente extractor incluye una alquilamina terciaria, un disolvente oxigenado que aumenta el coeficiente de partición y una fracción de queroseno que modifica la viscosidad de la mezcla disolvente. Preferiblemente, el disolvente extractor contiene del 60 al 80% en peso de alquilamina terciaria, como Alamine 336, del 5 al 20% en peso de metilisobutil cetona, y del 10 al 30% en peso de queroseno (por ejemplo, IsoPar K). La solución acuosa de ácido láctico y el disolvente extractor se ponen en contacto a contracorriente bien en una columna agitada, en una columna empaquetada, en una columna de placas perforadas, en un comunicador de tubo de lluvia, en un contactador de centrifugación o bien en un equipo mezclador/sedimentador. La temperatura durante este contacto es de entre 0ºC y 95ºC, pero más preferiblemente entre 15ºC y 60ºC. Las corrientes de salida desde el procedimiento de extracción son una disolución acuosa de sal de lactato y un extracto rico en ácido láctico. La disolución acuosa de sal de lactato se recicla de vuelta hacia el fermentador. El extracto rico en ácido láctico sería entonces tratado con objeto de fabricar los productos del ácido láctico generalmente mencionados anteriormente.

Para fabricar una corriente prácticamente pura de ácido láctico, el producto del ácido láctico del extracto debería separarse del disolvente con objeto de regenerar el disolvente y aislar el producto del ácido láctico. Según se indicó anteriormente, hay una variedad de procedimientos para separar el ácido láctico del disolvente. Por ejemplo, el producto del ácido láctico puede extraerse hacia una segunda fase de baja miscibilidad con el disolvente extractor, destilado con el disolvente o con el producto del ácido láctico que va por delante, o pasarse a través de una membrana hacia otra fase. En otro procedimiento, todos o algunos de los disolventes extractores pueden destilarse mientras se añade un segundo disolvente menos volátil con objeto de obtener el ácido láctico en una composición disolvente diferente. Este procedimiento fue desvelado por Verser y col. en la patente de EE.UU. 5.420.304.

Un esquema de separación preferible para obtener ácido láctico a partir del disolvente extractor consiste en destilar la corriente de ácido láctico/disolvente extractor para obtener una corriente de ácido láctico en bruto. Puede haber componentes en al fase extractora que pueden ser tanto de mayor como de menor punto de ebullición que el ácido láctico. Los esquemas de destilación eficaces y económicos de estos componentes pueden realizarse con un equipo de destilación convencional. En un procedimiento preferible, se usan equipos de alto vacío y elevada área superficial para aislar eficientemente el ácido láctico con una mínima cantidad de condensación. Serían adecuados para este tipo de operaciones un evaporador de capa fina o un evaporador de capa delgada.

Podría condensarse una corriente de ácido láctico evaporada para formar una corriente de ácido láctico líquido concentrado que pueda ser adicionalmente tratada para formar oligómeros de ácido láctico y lactide, en procedimientos descritos por Gruber y col. en el documento 5.142.023. Una corriente de ácido láctico evaporada puede ponerse en contacto con un catalizador adecuado para formar lactide, según se describe por Bellis y Bhalia en la patente de EE.UU. 5.138.074. esta corriente de ácido láctico podría también venderse como producto final con la purificación necesaria. El ácido láctico también se podría hacer reaccionar para formar otros productos de valor tales como ésteres de lactato, amidas lactato y ácido acrílico.

La destilación de la relativamente pequeña cantidad de ácido láctico a partir del disolvente extractor es una metodología particularmente atractiva para recuperar el ácido láctico, dado que el componente minoritario de la disolución se está recogiendo arriba. Por lo tanto, sería preferible un disolvente extractor con una volatilidad menor relativa al ácido láctico.

El Alamine 336, una mezcla disponible comercialmente de alquilaminas terciarias con grupos alquílicos octilo y decilo, tiene una volatilidad inferior a la del ácido láctico. Se ha descubierto que para y una mezcla de Alamine 336 y de ácido láctico acuoso a relativamente bajas temperaturas (<65ºC) y ciertas concentraciones de ácido láctico libre acuoso, hay tres fases líquidas en equilibrio; una concentración de ácido láctico acuoso libre es de aproximadamente 2,2% en peso, mientras que las concentraciones de ácido láctico son de aproximadamente 16% en peso y 1,4% en peso para las fases orgánicas del medio y superior, respectivamente. La fase orgánica total o la fase del medio de Alamine 336 altamente cargada en ácido láctico puede ser separada físicamente de la(s) otra(s) fase(s). El ácido láctico podría entonces destilarse a partir del Alamine 336, o el extracto de ácido láctico puede ser tratado adicionalmente usando otros procedimientos descritos en esta solicitud para obtener productos del ácido láctico.

Debería destacarse que a temperatura ambiente, si la concentración en el equilibrio de ácido láctico libre acuoso está significativamente por encima o por debajo del 2,2% en peso, sólo se obtendrá una única fase orgánica. El Ejemplo 2 informa sobre un ejemplo de fabricación de un sistema trifásico, y sobre como, mediante la puesta en contacto otra vez de las dos fases con una disolución fresca de ácido láctico acuoso, se obtuvo una única fase orgánica con una alta concentración de ácido láctico.

Según se indicó anteriormente, otro procedimiento posible para obtener ácido láctico a partir del disolvente extractor es retroextraer el ácido láctico hacia una fase líquida que es inmiscible con el disolvente extractor. La segunda fase inmiscible puede ser agua, compuestos orgánicos polares o mezclas de estos líquidos. Se ha averiguado que algunos compuestos orgánicos polares son inmiscibles con los disolventes extractores preferibles descritos anteriormente. Según aumenta el peso de la fracción de trialquilamina y queroseno, la probabilidad de que un compuesto orgánico polar sea inmiscible con el disolvente extractor aumenta. Algunos compuestos orgánicos polares de interés incluyen metanol, etanol, lactide, oligómeros de ácido láctico, dimetilsulfóxido, N,N-dimetilformamida, N-metilpirrolidinona y sulfolano. En general, los compuestos orgánicos polares de interés son aquellos que tienen una solubilidad en agua mayor de 1 g por 10 g de agua. La retroextracción se realizará preferiblemente a una temperatura mayor que la de la extracción inicial de ácido láctico hacia el disolvente extractor (típicamente de 30ºC a 150ºC o más, normalmente entre 90ºC y 160ºC). Hay excepciones para esto, y cuando se usa un disolvente extractor que comprende una gran proporción de un alcohol como hexanol u octanol, puede ser favorable realizar la retroextracción a una temperatura menor que la de la extracción inicial. La composición del disolvente extractor puede cambiarse entre la extracción posterior del ácido láctico y la retroextracción. El equipo adecuado para la extracción posterior, según se enumeró anteriormente, también es adecuado para su uso en la retroextracción. El disolvente de retroextracción también puede tener un compuesto básico para aumentar la distribución del ácido láctico de vuelta hacía la segunda fase miscible. Se ha averiguado que el sistema ternario de trietilamina-ácido láctico-trioctilamina, a temperatura ambiente, tiene dos fases. Esto resulta un tanto sorprendente porque la trietilamina y la trioctilaminina son miscibles. La fase de trioctilamina contiene poco ácido láctico si la cantidad de trietilamina añadida es ligeramente mayor que la estequiométrica. La fase rica en trietilamina tiene aproximadamente una proporción molar 1:1 de ácido láctico a trietilamina, lo que da un porcentaje en peso de ácido láctico del 47%. Así, este sistema es capaz de concentrar el ácido láctico durante la retroextracción. La trietilamina es sustancialmente más volátil que el ácido láctico, y puede destilarse para obtener un producto ácido láctico bruto. Se espera que la trimetilamina, el amoniaco y otras aminas con un peso molecular inferior a 200 deberían mostrar un comportamiento similar al de la trietilamina. Bailey y col. desvelan el uso de trialquilaminas terciarias en un disolvente orgánico con retroextracción hacia una fase acuosa (con una base relativamente fuerte como amoniaco) en la patente de EE.UU. 4.771.001.

La retroextracción hacia una mezcla de trietilamina en un disolvente polar con una volatilidad relativamente baja es un procedimiento eficaz, dado que el cociente del disolvente a trietilamina puede controlarse cuidadosamente. La presencia del disolvente permite que la viscosidad permanezca baja durante la destilación de la amina desde el ácido láctico, y proporcionaría un medio para reacciones adicionales del ácido láctico a productos del ácido láctico.

La última opción mencionada de retroextracción de ácido láctico se ha descrito generalmente como poseedora de un disolvente no polar con un extractor básico, como una alquilamina de cadena larga (18 o más átomos de carbono), y usando un disolvente orgánico polar como fase retroextractora. Por supuesto, lo contrario puede ser cierto. El disolvente extractor inicial puede ser relativamente polar pero todavía inmiscible en agua, y el líquido de retroextracción puede ser un disolvente no polar con un extractor básico. El concepto fundamental es la capacidad para extraer el ácido láctico a partir de una disolución acuosa con un disolvente extractor y retroextraer el ácido láctico hacia un segundo líquido. En algunos casos ese líquido será agua, pero también puede ser un líquido orgánico que sea apropiado para una separación eficaz del ácido láctico o para fabricar y separar productos del ácido láctico.

Cuando se retroextrae el ácido láctico hacia una segunda fase líquida polar, habrá una cantidad residual de componentes del disolvente extractor en la fase retroextractora rica en ácido láctico. Si se desea, el disolvente extractor residual puede disminuirse poniendo en contacto la fase de retroextracción con un disolvente no polar como IsoPar K. Esta purificación añadida se muestra en el Ejemplo 3.

Otra opción para separar el ácido láctico fuera del extracto es usando un procedimiento de membrana. En este caso, el ácido láctico atraviesa una membrana hacia una fase de composición diferente a la del disolvente extractor. Un caso posible es cuando el disolvente extractor contiene una alquilamina de cadena larga en un disolvente no polar. En el otro lado de la membrana hay una base volátil como trimetilamina en el mismo disolvente no polar. La membrana es una membrana intercambiadora de aniones que no permite el paso de cationes, tales como trimetilamonio. El ácido láctico atraviesa la membrana para formar un complejo lactato:trimetilamonio. Entonces se elimina la base volátil por destilación y los productos del ácido láctico se pueden fabricar y separar en la mezcla no polar. En general, el uso de la membrana permite la realización de la separación de fases entre dos líquidos de otro modo miscibles. Según se indicó previamente, la formación de éster alquil lactato puede ser una reacción de condensación entre el ácido láctico y un grupo hidroxilo de otra molécula. Esta otra molécula podría ser otra molécula de ácido láctico o cualquier otra molécula que tenga un grupo hidroxilo. Algunas posibilidades incluyen metanol, etanol, butanol, octanol, docecano, 2-etilhexanol y 1,4-butanodiaol. La reacción de condensación se dirige hacia la producción del éster mediante la extracción del éster y/o del agua desde la mezcla de reacción. La reacción de condensación puede llevarse a cabo en el disolvente extractor o en el liquido polar que se usa para la retroextracción. La separación del éster de lactato puede llevarse a cabo mediante evaporación o extracción.

El éster alquil lactato también podría formarse mediante una reacción de transesterificación entre el grupo ácido carboxílico del ácido láctico y un éster. El subproducto de una reacción de transesterificación es un ácido, y la reacción se dirige hacia la producción del éster de lactato mediante la separación del ácido y/o del éster de lactato desde la mezcla de reacción. El uso de ésteres de formiato, ésteres acetato u otros ésteres que tengan el correspondiente ácido que es más volátil que el ácido láctico y que el éster de lactato formado es una buena elección ya que el ácido volátil puede evaporarse fuera de la mezcla de reacción para completar la reacción. El éster de lactato puede entonces evaporarse o retroextraerse hacia una fase inmiscible disolvente extractora.

Podría usarse un éster con el ácido correspondiente que tenga una volatilidad inferior a la del éster de lactato formado. La reacción se completa mediante la separación del éster de lactato de la mezcla de reacción. Algunos ésteres adecuados para este tipo de procedimiento serían metil octanoato, dimetil succinato y etil decanoato. La ventaja de este sistema es que el producto éster de lactato se extrae inmediatamente de la mezcla de reacción. La desventaja es que el subproducto ácido debe ser eficientemente regenerado de vuelta al deseado éster.

En los procedimientos de transesterificación descritos anteriormente, el éster inicial se eligió por la volatilidad relativa del correspondiente ácido. Esto fue así porque la evaporación fue el procedimiento elegido para extraer los productos de la reacción de transesterificación. Si se usa la retroextracción hacia una fase que es inmiscible con el disolvente extractor para separar los productos de la reacción de transesterificación, el éster inicial debería elegirse según la selectividad de la fase inmiscible para el correspondiente ácido o éster de lactato. Por ejemplo, si se encontró que una fase inmiscible selecciona el ácido succínico sobre el ácido láctico, el butil lactato, el butil succinato y el dibutil succinato, la reacción de condensación podría llevarse hasta butil lactato mediante la extracción del ácido succínico.

El alcohol o el éster inicial pueden ser parte del disolvente extractor o añadirse al extracto de ácido láctico después de que sea separado desde la fase acuosa. Según se mencionó, la extracción de los productos de la reacción de condensación es importante para dirigir la reacción hacia la formación de ésteres de lactato. Esta extracción puede ser simultánea o secuencial. La destilación reactiva sería adecuada para la extracción simultánea de uno de los productos de la reacción. Un procedimiento de separación secuencial podría requerir el direccionamiento (reciclado) del material de vuelta al reactor de condensación para una operación eficaz.

El éster de lactato puede ser purificado adicionalmente si es necesario, especialmente si el éster de lactato es el producto final de interés. Una vez que se obtiene una corriente de éster de lactato adecuada, puede obtenerse ácido poliláctico mediante el siguiente procedimiento. Debería separarse cualquier agua libre en el sistema, y la corriente debería calentarse, posiblemente bajo presión subatmosférica. Los ésteres de lactato correspondientes al alcohol deberían evaporarse desde la mezcla de reacción para dar la reacción de transesterificación. Por ejemplo, una corriente de metil lactato daría metanol y un lactoilmetillactato. Según se evapora el metanol, el peso molecular del oligómero de ácido láctico bloqueado en el metilo aumenta. Esta corriente se llevaría entonces a un reactor de formación de lactide, donde se añade un catalizador. Se formaría entonces el lactide, el éster cíclico del ácido láctico, y se usaría para formar ácido poliláctico. Los procedimientos para fabricar lactide a partir de ésteres alquil lactato se han desvelado por Gruber y col. en las patentes de EE.UU. 5.247.059 y 5.247.073.

Los oligómeros de ácido láctico son también productos del ácido láctico de interés que podrían usarse para fabricar ácido poliláctico. Anteriormente se describió un procedimiento para tomar un extracto rico en ácido láctico y fabricar oligómeros de ácido láctico. La formación del oligómero se lleva cabo en presencia de un disolvente extractor, conduciendo la reacción mediante la eliminación del agua. El procedimiento preferible consiste en eliminar el agua mediante evaporación, típicamente bajo presiones subatmósfericas. Existen otros procedimientos adecuados para eliminar el agua, tales como adsorción sobre tamices moleculares o sílice, reacción con una sal anhidra para formar una sal hidratada y haciendo pasar el agua preferiblemente a través de una membrana, como una pervaporación. La producción de oligómeros de ácido láctico se discute de forma general en el documento 4.142.023.

Si el disolvente extractor es relativamente volátil, el disolvente extractor también podría eliminarse mediante evaporación, dejando una corriente de oligómero de ácido lactide concentrada. Un procedimiento preferible tendría el disolvente extractor volátil formando un azeótropo con agua, ayudando así a la etapa de eliminación del agua.

Si el disolvente extractor no puede evaporarse con facilidad, se usan otros procedimientos para separar los oligómeros de ácido láctico del disolvente extractor. Estos procedimientos son adecuados cuando el disolvente extractor incluye una trialquilamina de elevado peso molecular, como la tridodecilamina, o un compuesto de fósforo oxigenado de elevado peso molecular, como tributilfosfina y óxido trioctilfosfina. Se ha averiguado que el propolímero puede separarse sustancialmente del disolvente extractor provocando la aparición de dos fases inmiscibles.

Se ha averiguado que cuando se usa Alamine 336 como disolvente extractor, puede separarse una cantidad significativa de la trialquilamina de los oligómeros de ácido láctico con un pequeño esfuerzo adicional. El extracto Alamine 336-ácido láctico está sometido a condiciones que provocan la condensación del ácido láctico en oligómeros de ácido láctico. Se ha averiguado que tras el enfriamiento de esta mezcla se obtienen dos fases inmiscibles. Una de las fases está enriquecida en Alamine 336, y la otra está enriquecida en oligómero de ácido láctico. Se averiguó que la fase enriquecida en oligómero de ácido láctico tenía una concentración de Alamine 336 aproximadamente igual a una proporción molar de 1:1 de amina al oligómero de ácido láctico. Por lo tanto, según aumenta el peso medio molecular de los oligómeros, la cantidad media de Alamine 336 residual en la fase rica en oligómero disminuirá.

Existen otras formas de forzar la formación de una segunda fase líquida. El desplazamiento por ácido o base es un procedimiento adecuado para usar cuando el disolvente extractor contiene una amina terciaria de elevado peso molecular. El oligómero aún conserva un extremo ácido carboxílico que puede interaccionar fuertemente con un grupo amino. Si se añade otro ácido al sistema, y la amina prefiere selectivamente este otro ácido, éste ácido interaccionará con la amina, y el oligómero estará libre para particionarse hacia una fase separada. La cantidad necesaria de ese otro ácido es equivalente a la del oligómero. Así, cuanto mayor sea el peso molecular del oligómero, se necesitará menor cantidad del otro ácido. Alternativamente, podría añadirse al sistema otra base, y el extremo ácido carboxílico del oligómero podría preferir selectivamente esta otra base. La amina podría formar entonces una segunda fase líquida. El ácido o base desplazante necesitan separarse de la fase de la amina o de la fase del oligómero, respectivamente, posiblemente mediante destilación o intercambio iónico. El ácido o base desplazante puede añadirse en una disolución, y el disolvente asociado a las especies desplazantes puede también requerir ser separado.

Si la formación de lácticos se conduce y se lleva a cabo a temperaturas entre 150ºC y 250ºC y presiones de 2,67 x 10^{2} Pa a 1,33 x 10^{4} Pa (2 mm Hg a 100 mm Hg), el lactide producido se evaporará. Esta corriente de lactide bruto puede necesitar ser adicionalmente purificada para alcanzar los requerimientos de pureza para la fabricación de ácido poliláctico de calidad.

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Si se enfría una corriente desde el reactor de formación de lactide, la corriente puede producir una nueva fase sólida. El lactide con una pureza quiral de más del 95% tiene un punto de fusión de aproximadamente 96ºC. Por lo tanto, el lactide puede cristalizarse a partir del disolvente extractor siempre que la concentración de lactide supere la solubilidad del lactide en ése disolvente. Si no se supera la solubilidad del lactide, la adición de otro líquido, un antidisolvente, a la corriente de lactide, puede disminuir la solubilidad del lactide de tal forma que el lactide cristaliza. La filtración de la suspensión proporciona una corriente de lactide bruto que puede usarse para la formación de polímero.

Otro procedimiento para el aislamiento del lactide a partir del reactor de formación de lactide es provocar una separación de fases del lactide desde el disolvente extractor. Esta separación de fases podría provocarse mediante el cambio de la temperatura de una corriente o añadiendo disoluciones líquidas a la corriente que sale del reactor de formación de lactide. Se ha averiguado que el lactide es inmiscible con Alamine 336 y mezclas de Alamine 336 e IsoPar K, un disolvente alifático de Exxon. Por lo tanto, el lactide podría concentrarse y tratarse adicionalmente hacia ácido poliláctico si se usa Alamine 336 como disolvente extractor.

En algunos procedimientos puede ser deseable convertir la sal de lactato procedente de la fermentación en otra sal, para facilitar la separación, por ejemplo, la sal cálcica podría convertirse en la sal sódica.

VII. Algunos esquemas de tratamiento específicos

Las técnicas descritas a continuación, en relación con las Figuras, se presentan a menudo con respecto al sistema de procedimiento que implica el tratamiento de un caldo de fermentación mediante la extracción desde la fase acuosa del ácido láctico. Algunas veces se describen etapas de procesado corriente abajo realizadas con respecto al componente ácido láctico. Por supuesto, no es necesario que el tratamiento corriente debajo de la mezcla ácido láctico/lactato se realice directamente en un caldo de fermentación, es decir, sin ninguna modificación previa del caldo distinta a una mera filtración. Por ejemplo, pueden realizarse ajustes del pH del caldo, por ejemplo, a un pH de aproximadamente 2,0. Adicionalmente, el tratamiento corriente abajo de la fracción de ácido láctico puede realizarse tras una etapa previa de extracción del lactato desde el caldo o mezcla, si se desea.

También es destacable que las técnicas presentadas en las Figuras pueden aplicarse tanto en procedimientos continuos como en procedimientos de lote, si se desea. Como resultado, las técnicas indicadas en las figuras están bien adaptadas para su implementación comercial.

A. Figura 1: extracción de ácido láctico, reciclado de sal de lactato y nutrientes, extracto regenerado (opcional), concentración del ácido láctico mediante destilación.

La Fig.1 es una representación esquemática de un procedimiento preferible de recuperación de ácido láctico en el que la disolución de ácido láctico se forma mediante fermentación. En referencia a la Fig.1, el fermentador se indica generalmente en 1. Mediante la línea 2, el caldo de fermentación se extrae desde el fermentador 1. El caldo de fermentación se pasa a través de un filtro en la unidad 3, con los sólidos eliminados (por ejemplo, material celular) mostrados saliendo por la línea 4, y el líquido clarificado o filtrado es transferido a un procedimiento de extracción o unidad de extracción 6. El filtro de la unidad 3 puede comprender un simple filtro físico, o puede incluir materiales de adsorción tales como carbón activo y/o medios de intercambio iónico físico. Preferiblemente, se elige una metodología tal que no se necesite una esterilización previa del material antes del reciclado (por supuesto, las células, en muchos casos, pueden enviarse de vuelta al fermentador 1, si se desea).

Más específicamente, el líquido de la línea 5, que comprende una disolución acuosa de ácido láctico y sal de lactato, se dirige hacia una unidad de extracción 6, como una columna agitada, una columna de placas perforadas o series de sedimentadores mezcladores. Pueden usarse dos o más de dichas unidades en serie, para un procedimiento de extracción en múltiples etapas. Se muestra al extractor introducido en el sistema mediante la línea 7, con la fase extractora portadora del ácido láctico extraída mediante la línea 8. El refinado o fase acuosa residual (agotada en ácido láctico) que contiene la sal de lactato y cualquier nutriente residual se muestra eliminado mediante la línea 10 y dirigido hacia un sistema de pretratamiento 11, para volver al caldo de fermentación mediante la línea 12. El sistema de pretratamiento 11 puede ser, por ejemplo, un retrolavado con disolvente para eliminar cualquier nivel de extracto residual que pueda ser tóxico para los organismos del fermentador, o para eliminar cualesquiera otras indeseadas impurezas e impedir que se formen impurezas en el fermentador debido al reciclado.

La fase extractora que contiene el ácido láctico se dirige hacia un sistema de acción destiladora 13. Los productos del ácido láctico se destilan mediante la línea 15. El producto del ácido láctico resultante comprende ácido láctico y productos de condensación (oligómeros) del ácido láctico (dependiendo de la magnitud de concentración en el sistema de destilación 13). Este puede usarse para formar lactide y polímero. El disolvente extractor se extrae y se recicla en la extracción.

Así, el esquema de la Fig.1 está particularmente bien ajustado para su uso en sistemas en los que el ácido láctico se extrae del caldo de fermentación mediante extracción, y la recuperación del ácido láctico es el resultado de la destilación del ácido láctico desde el extractor. El esquema de la Fig.1 es adecuado, por ejemplo, para su aplicación cuando la fase extractora comprende una mezcla de aminas terciarias y alcanos, tales como Alamine 336 y queroseno.

Las condiciones específicas preferibles para la extracción implicarían poner en contacto la disolución acuosa de ácido láctico y el disolvente extractor a una temperatura de entre 30ºC y 50ºC. La proporción de fase acuosa a orgánica está preferiblemente entre 0,1 y 10, y más preferiblemente entre 0,2 y 5.

Por supuesto, un procedimiento similar al de la Fig. 1 podría llevarse a la práctica con una variedad de disoluciones diferentes a simplemente un caldo de fermentación. El material de la línea 5 podría ser caldo modificado (acidificado, por ejemplo) o podría proceder de una fuente diferente a la fermentación.

Alternativamente, si el disolvente extractor es más volátil que el ácido láctico, es apropiado el mismo esquema de flujo que en la Fig.1. Sin embargo, el disolvente extractor podría ser un destilado de productos del ácido láctico.

B. Figura 2: cristalización del lactato a partir del caldo, reciclado de la sal de lactato en la fermentación; recuperación del ácido desde el caldo agotado en sal.

La atención se dirige ahora hacia el esquema de la Fig.2. En esta metodología alternativa se precipita desde la mezcla una sal de lactato de solubilidad relativamente baja, por ejemplo, lactato cálcico, y el ácido láctico se recupera desde las aguas madres. En relación con la Fig.2, el fermentador se indica generalmente en 31. Se muestra el caldo de fermentación extraído mediante la línea 32 dirigido hacia un filtro o clarificador 33. Los sólidos del clarificador se muestran eliminados mediante la línea 34. El caldo clarificado se dirige entonces mediante la línea 35 hacia la unidad de evaporación 36 (por supuesto, el material de la línea 35 podría ser caldo modificado o una mezcla desde alguna otra fuente). Durante la evaporación se producirá la concentración y la cristalización de la sal de lactato contenida dentro del caldo. El agua de la evaporación se muestra extraída mediante la línea 37. La separación física de las aguas madres del material cristalizado se muestra dirigiendo el resultado de la evaporación a través del filtro 40. Los sólidos recuperados del filtro 40 que, comprenden el lactato cristalizado, se muestran dirigidos mediante la línea 45 hacia una unidad de purificación, y eventualmente (si se desea), reciclados hacia la fermentación mediante la línea 46 (con una purificación opcional en la posición 47, si se desea). Por supuesto, pueden ser dirigidas alternativamente hacia otro tratamiento (línea 48). En algunas circunstancias, puede ser preferible una combinación de los dos.

Las aguas madres procedentes de la filtración se muestran dirigidas mediante la línea 49 hacia la recuperación de ácido láctico 50. La etapa de recuperación de ácido láctico puede ser cualquiera de las diversas etapas caracterizadas anteriormente.

En general, el esquema de la Fig.2 será particularmente útil cuando las sal de lactato sea lactato cálcico, debido a la baja solubilidad del lactato cálcico en disoluciones acuosas. Es destacable que el lactato cálcico recuperado será un excelente tampón o regulador del pH para el caldo de fermentación.

C. Fig. 3: extracción del ácido láctico, formación del oligómero y del lactide en el disolvente extractor.

La atención se dirige ahora hacia el esquema de la Fig.3. Esta metodología será particularmente útil cuando la intención sea producir directamente como "producto láctico", lactide y/o oligómero de ácido láctico, sin un aislamiento previo del ácido láctico y, preferiblemente, sin una etapa de retroextracción.

En relación con la Fig.3, el fermentador se indica generalmente en 60. Se muestra el caldo de fermentación extraído del fermentador 60 mediante la línea 61, con dirección a una unidad de filtración o clarificación 62. Los sólidos de la unidad de filtración se muestran eliminados mediante la línea 63. El caldo de fermentación clarificado, u otra mezcla como un caldo modificado, que contiene el ácido láctico y la sal de lactato se muestra dirigido hacia la unidad de extracción mediante la línea 64. La unidad de extracción se indica generalmente en 65, y puede comprender más de una etapa de extracción. Estas etapas pueden ser generalmente como se describió anteriormente en relación con la Fig.1. Alternativamente la sal se separa primero como en la Fig.2 y se extraen las aguas madre. La fase extractora se muestra extraída mediante la línea 66, y se dirige hacia la unidad 67 para la formación de oligómero. La unidad 67 puede comprender, por ejemplo, una unidad evaporadora de múltiples etapas, desde la cual el agua y otros volátiles se muestran eliminados mediante la línea 68 según se concentra el extractor y se condensa el ácido láctico para formar oligómero.

La fase de producto láctico resultante (oligómero) se muestra extraída desde el evaporador de múltiples etapas mediante la línea 69 y se dirige hacía la etapa del reactor 70. En la etapa del reactor 70 puede añadirse un catalizador, por ejemplo, mediante la línea 75, para facilitar la formación de lactide. La etapa de formación de lactide, indicada generalmente en 76, da como resultado la producción de lactide crudo, que se muestra extraído mediante la línea 77, y el fondo del reactor se muestra eliminado mediante la línea 78 para recuperar el catalizador u otro tratamiento 79. Por supuesto, el catalizador puede reciclarse, si se desea, mediante la línea 75.

El disolvente extractor se muestra extraído desde la fase de formación de lactide mediante la línea 80 para su reciclado en la extracción.

Todavía en relación con la Fig.3, en la etapa de extracción la fase acuosa se muestra eliminada mediante la línea 81 para un reciclado opcional, si se desea, de vuelta al caldo de fermentación. Su purificación, si se necesita, se muestra indicada en el equipo 82. Dicha purificación puede ser deseable, por ejemplo, si el extractor es tóxico para los microorganismos del caldo de fermentación. Anteriormente se discutieron algunas metodologías de extracción de tales materiales.

A partir de una revisión de lo anterior y de la Fig. 3, sería evidente que con las técnicas descritas, la formación "directa" del oligómero puede realizarse sin una etapa de retroextracción o, de otro modo, separando el ácido láctico de la extracción y, la formación directa de lactide a partir del oligómero puede realizarse incluso si hay extractor residual presente en el oligómero. Así, con las técnicas presentadas pueden desarrollarse procedimientos altamente eficaces.

D. Fig. 4: extracción del ácido láctico; destilación de disolventes; formación de oligómero de lactide mediante condensación.

La atención se dirige ahora hacia la Fig.4. En la Fig.4 el ácido láctico y el lactato acuoso procedente de fermentador, típicamente después de una clarificación, se muestra en la línea 91. El cultivo (u otra mezcla) se dirige hacia un sistema de extracción 92. Según se describió en las configuraciones previamente descritas, el sistema de extracción 92 de la Fig.4 puede comprender múltiples etapas, cada una de las cuales puede comprender un equipo de extracción según se caracterizó previamente. El refinado acuoso (agotado en ácido láctico) se muestra extraído del sistema mediante la línea 93. El refinado incluirá la sal de lactato, y puede ser tratado para reciclarlo en el caldo de fermentación mediante las técnicas previamente descritas. La fase extractora se muestra dirigida hacia una evaporador 95 mediante la línea 96. En el evaporador el disolvente extractor se extrae en condiciones de destilación, típicamente a baja presión. Por ejemplo, puede usarse hexanol y otros alcanoles con 4 a 7 carbonos, y metilisobutil cetona u otras cetonas con 5 a 9 carbonos, para extraer el ácido láctico desde la disolución acuosa. Los alcanoles (y/o cetonas) pueden entonces destilarse desde el ácido láctico a temperaturas por debajo de 120ºC. Es importante mantener la temperatura baja para reducir la reacción de condensación entre el ácido láctico y el alcanol. Los compuestos no volátiles del evaporador se muestran dirigidos mediante la línea 97 hacia un sistema 98 para la formación de oligómero. Dentro del sistema 98 generalmente se facilita una reacción de condensación del ácido láctico mediante concentración y la eliminación del agua. El oligómero se extrae del reactor 98 mediante la línea 99. Mediante la línea 100 se añade un catalizador, y se produce la formación del lactide según se indica en el sistema 101. La corriente de lactide bruto se extrae entonces del reactor mediante la línea 105, con la purga del catalizador mostrada eliminada mediante la línea 106. La etapa de formación de lactide puede conducirse según se describe de forma general en las patentes de EE.UU. 5.142.023, 5.247.058, 5.258.488 y 5.357.035.

E. Fig. 5: extracción del ácido láctico; reciclado del refinado; retroextracción del ácido láctico hacia una segunda fase polar; formación de oligómero y lactide en la segunda fase polar.

La atención se dirige ahora hacia la Fig.5. En la Fig.5, el fermentador se indica generalmente en 120. Se muestra el caldo de fermentación extraído del fermentador 120 mediante la línea 121, con dirección a un filtro clarificador 122. Los sólidos se eliminan del filtro mediante la línea 123. La fase acuosa, que contiene el ácido láctico y la sal de lactato, se muestra dirigida hacia un sistema extractor 125 mediante la línea 124 (por supuesto, esta fase también podría ser caldo modificado o cualquier otra mezcla). La fase acuosa (refinado) se extrae mediante la línea 125 con dirección a un purificador 127, si se desea, y un eventual reciclado hacia el fermentador 120.

La fase extractora se muestra extraída desde el sistema extractor 125 mediante la línea 130. La fase extractora se dirige hacia una segunda etapa o sistema de extracción 131 (por supuesto, puede usarse el mismo equipo de extracción física para ambas extracciones). Un segundo líquido polar se muestra dirigido hacia el extractor 121 mediante la línea 132. El ácido láctico se extraerá preferentemente hacia el segundo líquido polar, mientras que el disolvente extractor original del extractor 125 se muestra eliminado mediante la línea 133, para su reciclado. El segundo líquido polar, que contiene el ácido láctico, se muestra abandonando el sistema extractor mediante la línea 134 para dirigirse hacia el sistema 135 para la formación de oligómero. Esto se realizaría según se describió previamente, produciéndose la condensación como resultado de la eliminación del agua mediante la línea 136. El oligómero se muestra entonces dirigido hacia el sistema reactor 137, para su mezcla con un catalizador introducido mediante la línea 138. La formación de lactide se indica generalmente en 139, siendo eliminado el lactide bruto mediante la línea 140 y la purga del reactor, que contiene un catalizador que se muestra dirigido mediante la línea 141 hacia la recuperación de catalizador 142. Este líquido polar recuperado puede entonces introducirse de nuevo en el sistema, según se muestra mediante la línea 132.

F. Fig. 6 extracción de ácido láctico: reciclado del refinado; retroextracción hacia la segunda fase polar; purificación del ácido láctico mediante destilación; subsiguiente formación de oligómero y lactide (opcional).

La atención se dirige ahora hacia la Fig.6. El fermentador se indica generalmente en 160. El caldo de fermentación, que contiene ácido láctico y sal de lactato, se muestra saliendo mediante la línea 161 con dirección a un filtro 162. Los sólidos se muestran eliminados mediante la línea 163. La mezcla de sal de lactato y ácido láctico se muestra dirigida hacia un sistema extractor 165 mediante la línea 168 (por supuesto, esta mezcla podría ser también caldo modificado o una mezcla distinta al caldo de fermentación). El extractor se muestra introducido mediante la línea 167, con la fase extractora eliminada mediante la línea 168, y la fase acuosa residual, que contiene la sal de lactato, se extrae mediante la línea 169. La fase de lactato residual se dirige entonces para la purificación del caldo, si se desea, hacia un purificador 170, y eventualmente para un reciclado hacia el fermentador 160. La fase extractora se muestra dirigida mediante la línea 168 hacia la unidad de retroextracción 175. El segundo líquido polar se muestra dirigido hacia el sistema de retroextracción 175 mediante la línea 176, eliminando el disolvente extractor original (de la extracción en 165) mediante la línea 178 para su reciclado hacia el primer sistema extractor 165; y mostrando el segundo líquido polar, que contiene el ácido láctico, extraído mediante la línea 180 y dirigido hacia el sistema de destilación 181. Dentro del sistema de destilación 181, bien el ácido láctico será destilado desde el segundo líquido polar, o bien el segundo líquido polar será destilado desde el ácido láctico, dependiendo de las volatilidades relativas. El ácido láctico separado se muestra dirigido mediante la línea 182 hacia la formación de oligómero corriente abajo en 183, con la subsiguiente adición de catalizador en 184 y formación de lactide en 185. El lactide bruto se muestra extraído mediante la línea 185, con la purga de formación de lactide mostrada en 187. En la línea 190 se muestra el agua expelida durante la formación de oligómero. El segundo líquido polar se muestra extraído de la etapa de destilación 181 mediante la línea 191. Por supuesto, el segundo líquido polar puede ser reciclado hacia el segundo sistema de extracción 175.

G. Fig. 7: adsorción del ácido láctico: elución líquida; formación opcional de oligómero y lactide.

La atención se dirige ahora hacia la Fig.7. Se muestra un cultivo de caldo de fermentación (u otra mezcla de ácido láctico/sal de lactato) en la línea 200. Este cultivo se muestra dirigido hacia el sistema 201, que contiene un adsorbente sólido de ácido láctico. En este sistema, el cultivo acuoso se pone en contacto con el adsorbente sólido, estando la fase acuosa empobrecida mostrada como eliminada mediante la línea 202. Para este sistema, el adsorbente sólido sería un adsorbente que adsorbiera preferentemente ácido láctico versus lactato. Para esto se preferirían intercambiadores aniónicos débiles, según se caracterizó anteriormente.

El adsorbente sólido se muestra extraído de la etapa o sistema de contacto 201 mediante la línea 203.

El adsorbente sólido se muestra tratado con un líquido eluyente introducido mediante la línea 205. El líquido eluyente extraería el ácido láctico desde el adsorbente sólido. El líquido eluyente se muestra eliminado mediante la línea 206. Por supuesto, el líquido eluyente puede dirigirse hacia las etapas de formación de oligómero corriente abajo y/o a las etapas de formación de lactide (según se indicó), u otro tratamiento para el aislamiento del ácido láctico recuperado, si se desea. Tras la etapa de elución, el adsorbente sólido puede prepararse adecuadamente para su uso (mediante reciclado) en etapas adicionales de adsorción.

H. Fig. 8: extracción del ácido láctico; formación de oligómero y lactide en los disolventes extractores; purificación del lactide mediante separación de fases.

La atención se dirige ahora hacia la Fig.8. El caldo de fermentación suministrado (u otra mezcla), que contiene ácido láctico y sal de lactato, se muestra dirigido hacia un sistema de extracción 221 mediante la línea 220. La fase acuosa (refinado) que contiene la sal de lactato se muestra extraída mediante la línea 222. La fase extractora, que contiene el ácido láctico extraído, se muestra extraída mediante la línea 223. Entonces se dirige hacia su tratamiento para la formación de oligómero en 225 con la adición de catalizador 225a, y eventualmente, la formación de lactide en 226 usando las técnicas descritas anteriormente. El lactide se muestra extraído de la etapa de formación de lactide mediante la línea 227 y dirigido hacia una separación de fases lactide/disolvente. Esto podría ser, por ejemplo, un sistema en el que la mezcla de reacción se enfría hasta una temperatura de entre 70ºC y 150ºC, provocando la separación de fase espontánea del lactide con el disolvente extractor. En este punto se elimina el disolvente extractor del lactide y se recicla mediante la línea 230. Durante la formación de oligómero, el agua resultante de la condensación se muestra eliminada mediante la línea 231. El oligómero puede dirigirse entonces hacia la formación de lactide. En la presente memoria, tal procedimiento se conocerá a veces como una formación "directa" de lactide a partir de la fase extractora no acuosa, dado que no intervino etapa de retroextracción alguna del ácido láctico desde la fase extractora. En cambio, el ácido láctico se condensó y se hizo reaccionar con el lactide. Tal formación "directa" puede llevarse a la práctica con una variedad de las metodologías descritas en la presente memoria.

I. Figura 9: extracción del ácido láctico; formación del oligómero y disolventes extractores; purificación del oligómero mediante separación de fases; formación de lactide a partir del oligómero.

La atención se dirige ahora hacia el esquema de la Fig.9. El cultivo de la disolución de ácido láctico/lactato desde un fermentador u otra fuente se muestra en la línea 250 dirigido hacia una unidad de extracción 251. El refinado acuoso que contiene la sal de lactato se muestra extraído de la unidad extractora 251 mediante la línea 252. El disolvente extractor que contiene el ácido láctico se muestra extraído mediante la línea 253 y dirigido hacia la etapa de formación de oligómero según se describió anteriormente mediante la línea 254. El agua se expele desde la formación de oligómero mediante la línea 255, siendo dirigido el oligómero hacia el siguiente tratamiento mediante la línea 256. En la unidad de separación de fases/extracción 270 se enfría la mezcla oligómero de ácido láctico y disolvente extractor hasta entre 0ºC y 60ºC. Con disolventes extractores relativamente no polares, los oligómeros de ácido láctico darán espontáneamente una separación de fases y no necesita añadirse nada mediante la línea 282. Un disolvente extractor relativamente polar puede necesitar tener un compuesto separador de fases como los descritos en el Ejemplo 16, añadido para producir dos fases. La fase rica en oligómero de ácido láctico se elimina mediante 271 y se trata mediante la adición de un catalizador en 275 para la formación de lactide en el reactor 276. la corriente de lactide bruto se muestra extraída mediante la línea 227, con el reactor puro, que contiene el catalizador, extraído en la línea 278. En la línea 280, el compuesto separador de fases, si lo hay, se extrae del disolvente extractor mediante destilación o intercambio iónico en 281. El disolvente extractor regenerado se recicla de vuelta hacia el extractor 251.

J. Figura 10: extracción del ácido láctico; formación del éster alquil lactato; purificación del éster alquil lactato mediante destilación.

La atención se dirige ahora hacia la Fig.10. En la Fig.10, el fermentador se indica en 300. El caldo de fermentación se muestra extraído del fermentador 300 en 301, y se dirige hacia una unidad de filtración 302. Los sólidos se muestran eliminados mediante la línea 303. La disolución acuosa de la unidad de filtración u otra fuente (modificada o no) que contiene el ácido láctico y el lactato se muestra dirigida hacia un extractor 305. El extractor se suministra mediante la línea 306, con el resultante refinado acuoso conteniendo la sal de lactato, que se muestra dirigido mediante la línea 310 hacia una unidad de purificación 311, si se desea, y entonces reciclado según se necesite hacia el fermentador 300. El extractor, que contiene el ácido láctico, se muestra dirigido hacia un reactor de condensación 315 mediante la línea 316. Desde el reactor de condensación 315 se elimina el agua mediante la línea 317. El producto se muestra entonces dirigido hacia una destilación 318, cuyo resultado es la separación del disolvente desde el producto de lactato residual. Si el disolvente extractor elegido contiene un alcohol adecuado, el producto en la unidad de destilación 318 comprenderá un éster alquil lactato. Por ejemplo, el disolvente extractor podría contener etanol, que forma fácilmente ésteres con el ácido láctico. El éster alquil lactato se purifica en la unidad de destilación 318 y se extrae mediante la línea 319. El disolvente extractor sale del sistema de destilación mediante la línea 320 para un posible reciclado de vuelta a la unidad de extracción 305. El alcohol que ha reaccionado en el reactor de condensación 315 puede ser repuesto mediante la adición por la línea 321.

IX. Algunos esquemas de procedimiento utilizables; condiciones

En esta sección se proporcionan algunas descripciones de hipotéticos procedimientos para indicar cómo pueden aplicarse las técnicas anteriormente descritas.

A. Destilación directa del ácido láctico desde el extractor

Se usaría una cepa bacteriana para fermentar dextrosa a ácido láctico a 45ºC en un modo de lote. El medio de fermentación podría incluir dextrosa, agua impregnada enmaíz y otras sales para la producción eficaz de ácido láctico. Al final del lote, el pH final sería 3,9 con una concentración de material de lactato (ácido láctico + sal disociada) de 80 g por l de caldo. Esto da aproximadamente 38 g/l de ácido láctico no disociado en el caldo. Preferiblemente se usa una bacteria que produce L-lactato con una pureza quiral de al menos 90%. El caldo se filtraría para eliminar masa celular y otras sustancias insolubles, y se pondría en contacto con un disolvente extractor en una serie de sedimentadores mezcladores a entre 20ºC y 30ºC. El disolvente extractor sería un 50% de Alamine 336, un 40% de dodecanol y un 10% de IsoPar K; IsoPar K es una mezcla de alcanos. La relación ponderal entre la fase acuosa y la extractora sería 1:2. El extracto y refinado acuoso se sedimentarían y separarían cuidadosamente para evitar la suspensión. El refinado se enviaría a un tanque soporte para usarse en el control del pH del siguiente lote.

El extracto se enviaría a un evaporador de capa de delgada a 1,33 x 10^{3} Pa (10 mm Hg) de presión y 175ºC. El ácido láctico se evaporaría y después se condensaría para obtener una disolución concentrada de ácido láctico con una pequeña cantidad de disolvente residual. La corriente de ácido láctico líquido se enviaría a una columna de destilación con un recalentador de circulación forzada con un fondo a 150ºC y 2,67 x 10^{4} Pa (200 mm Hg) de presión para eliminar el agua. El peso medio molecular del oligómero que sale de esta columna de destilación sería de aproximadamente 500 g por mol. Se añadiría un catalizador FASCAT 9102 a la corriente de oligómero, y la mezcla se recircularía a través de un evaporador de capa delgada a 190ºC y 1,33 x 10^{3} Pa (10 mm Hg) de presión. Se obtendría un vapor de lactide bruto a partir de la fase de vapor del evaporador de capa delgada. Aproximadamente el 5% del material se purgaría del reactor de lácticos como oligómeros de ácido láctico con un peso medio molecular mayor de 1.500 g por mol.

B. Retroextracción acuosa, eliminación del agua para fabricar el prepolímero y después el lactide

Se usaría una cepa bacteriana para fermentar dextrosa a ácido láctico a 45ºC en un modo de lote. El medio de fermentación podría incluir dextrosa, agua impregnada en maíz y otras sales para la producción eficaz de ácido láctico. Al final del lote, el pH final sería 3,9, con una concentración de material de lactato de 80 g por l de caldo. Esto da aproximadamente 38 g/l de ácido láctico no disociado en el caldo. Preferiblemente se usa una bacteria que produce ácido L-láctico con una pureza quiral de al menos 90%. El caldo se filtraría para eliminar masa celular y otras sustancias insolubles, y se pondría en contacto con un disolvente extractor en un contactador de disco rotatorio a entre 20ºC y 40ºC. El disolvente extractor sería tributilfosfato, y la proporción entre el acuoso y el extractor sería de 1:3. El extracto se retroextrae en agua en una columna de extracción de base empaquetada a entre 80ºC y 100ºC. La columna estaría presurizada a 1,03 x 10^{5} Pa (15 psig.) mediante nitrógeno. La proporción entre el acuoso y el extractor en la retroextracción sería de 1:2. La fase acuosa resultante tendría aproximadamente un 19% en peso de ácido láctico. Esta corriente acuosa se enviaría a una sistema de evaporación de triple efecto que elimina el agua de tal forma que la concentración de ácido láctico aumenta hasta más del 88% en peso, más preferiblemente hasta más del 92% en peso, y más preferiblemente hasta más del 95% en peso. En este punto se habrán formado oligómeros de ácido láctico, y el lactide puede fabricarse a partir de esta corriente según se describió anteriormente.

C. Cristalización del lactato cálcico con recuperación del ácido láctico

Se usaría una cepa bacteriana para fermentar dextrosa a ácido láctico a 48ºC en una fermentación continua de dos etapas, proporcionando 1.000 kg por hora de caldo de fermentación. El medio de fermentación tendría dextrosa, agua impregnada en maíz y otras sales para la producción eficaz de ácido láctico. El caldo de fermentación tendría un pH de 3,86, y una concentración total de anión lactato del material de lactato de 90 g por kilogramo de caldo. Esto daría aproximadamente 45 g/kg de ácido láctico libre en el caldo, y 55 g/kg de lactato cálcico. Preferiblemente se usa un sistema que proporciona ácido L-láctico con una pureza quiral de al menos 90%. El caldo se filtraría para eliminar masa celular y otras sustancias insolubles.

El caldo clarificado se enviaría a un evaporador que funciona a presión atmosférica. Se destilan aproximadamente 700 kg/h de agua a partir del caldo. El caldo se enfriaría en un cristalizador de enfriamiento de circulación forzada que cristaliza el lactato cálcico a partir de una disolución a 25ºC. Se añadiría etanol al cristalizador a una tasa de 85,1 kg/h para disminuir la solubilidad del lactato cálcico a 3,0% en peso de lactato cálcico. El lactato cálcico sólido se recuperaría mediante filtración a una tasa de 44,8 kg/h, con 10,2 kg/h de lactato cálcico remanentes en las aguas madres. La sal sólida se reciclaría de vuelta al fermentador para el control del pH, añadiendo carbonato cálcico si fuera necesario.

El caldo agotado en sal se pondría en contacto con un disolvente extractor de 350 kg/h consistente en un 20% en peso de queroseno y 80% de trioctilamina en una serie de contactadores centrífugos. El ácido láctico y el etanol se distribuirán entre las dos fases líquidas de forma tal que la capa orgánica contiene aproximadamente un 10% en peso de ácido láctico y aproximadamente un 5% en peso de etanol. La corriente acuosa tendría etanol, ácido láctico residual, lactato cálcico y otros componentes del caldo. El etanol de esta corriente podría recuperarse mediante destilación u otra tecnología de reciclado, mientras que la corriente acuosa remanente se usaría en alimentación animal u otro sistema. Esta corriente acuosa con etanol podría ser adecuada como suministro de una planta de etanol mayor.

El extractante, con ácido láctico y etanol, podría ser tratado de diversas formas para fabricar los productos del ácido láctico necesarios. La corriente podría someterse a condiciones para fabricar etil lactato, que podría entonces ser destilado desde el disolvente extractor remanente. El ácido láctico podría ser retroextraído en etanol y a una elevada temperatura, y el etil lactato podría ser fabricado en la fase de retroextracción. El etil lactato fabricado mediante estos procedimientos podría venderse o usarse para fabricar lactide. Por supuesto, el etanol podría separarse de la fase de ácido láctico/disolvente extractor podría ser tratado mediante uno cualquiera de los procedimientos descritos en esta solicitud para fabricar productos de ácido láctico que podrían venderse o usarse en la elaboración de PLA.

X. Experimental Ejemplo 1

Se añadieron 600 ml de Alamine 336 con lavado cáustico, 800 ml de una solución de ácido láctico acuoso al 15% en peso y 100 ml de una solución de ácido láctico acuoso al 50% en peso en un embudo de separación, y se mezclaron a temperatura ambiente. Se dejaron sedimentar las fases durante la noche. Las fases se separaron y la fase orgánica superior se centrifugó para eliminar la fase acuosa suspendida. Se determinó que la concentración de ácido láctico en la fase orgánica era de 19,75% en peso mediante titulación con una disolución de hidróxido sódico, con fenolftaleína como indicador. Se añadieron 304,6 gramos de la disolución de Alamine 336 y ácido láctico a un matraz de fondo redondo de cuatro cuellos con una barra de agitación, un termopar, un condensador, un manto calentador y una purga de nitrógeno. La disolución se calentó hasta 200ºC y presión atmosférica durante 45 minutos. Entonces se dejó enfriar hasta aproximadamente 64ºC. Después se calentó a 200ºC a 8,00 x 10^{3} Pa (60 mm Hg) de presión durante 30 minutos. El matraz se mantuvo a 200ºC y 8,33 x 10^{3} Pa (70 mm Hg) de presión durante 45 minutos. El matraz se enfrió y los fondos se dividieron en dos fases tras el enfriamiento. Se determinó que la fase superior era prácticamente toda de Alamine 336 mediante cromatografía de gases. La fase inferior era viscosa y consistía en oligómeros de ácido láctico y una pequeña cantidad de Alamine 336.

Se añadieron 185,9 gramos de Alamine 336 y disolución de oligómeros de ácido láctico (aproximadamente 54,8% en peso de oligómero, con un peso molecular medio de 476) a un matraz de fondo redondo de 500 ml de cuatro cuellos con una barra de agitación, un sistema de alto vacío, una purga de nitrógeno, un condensador, un termopar y un manto calentador. Con la solución a 125ºC, se añadieron 900 \mul de FASCAT 9102 y un catalizador de butiltin tris-2-etil-hexanoato de Atochem. La disolución se calentó a 200ºC durante más de cuatro horas, y la mezcla se mantuvo a 200ºC durante 60 minutos. La presión se mantuvo constante a aproximadamente 1,33 x 10^{2} Pa (1 mm Hg) durante todo el tiempo de calentamiento. La temperatura del medio del condensador se mantuvo a 110ºC. El material de arriba cristalizó bajo enfriamiento. Se determinó mediante cromatografía de gases que los fondos del matraz después del calentamiento eran prácticamente todo Alamine 336. 139 g de material fueron hacia arriba, con prácticamente todo el oligómero transformándose en lactide y destilando arriba. Parte del Alamine 336 también se destiló arriba debido a la elevada temperatura y la baja presión. La presencia de cantidades significativas de lactide en el material destilado se confirmó mediante cromatografía de gases. El lactide obtenido tuvo una pureza quiral de menos del 80%. La pureza quiral puede mejorarse usando temperaturas menores y equipos de elevada área superficial para que el reactor de lactide permita una buena transferencia de masa del lactide fuera del reactor.

Este ejemplo muestra cómo puede usarse el disolvente extractor como un disolvente para la formación de oligómero de ácido láctico y lactide.

Ejemplo 2

Se añadieron 300 ml de Alamine 336 y 200 ml de una disolución de ácido láctico acuoso al 22% en peso en un embudo de separación. La mezcla se agitó y se dejó sedimentar. Se obtuvieron tres fases líquidas, lo que es típico para extracciones de Alamine 336 puro en estas condiciones. La fase acuosa inferior se descartó. Las dos fases orgánicas superiores se pusieron en contacto con 100 ml de una disolución acuosa de ácido láctico al 22% en peso. La mezcla se agitó y se dejó sedimentar durante la noche. Sólo se obtuvieron dos fases, y la fase inferior acuosa se descartó. La fase orgánica superior se centrífugo para eliminar cualquier agua suspendida. La concentración de ácido láctico en la fase orgánica fue del 19,4% en peso, según se determinó mediante nitración. El contenido de agua en disolución fue del 4,6% en peso, según se determinó mediante titulación usando un titulador automático Karl Fischer.

Se añadieron 143,0 g de este Alamine 336 y una disolución de ácido láctico a una matraz de fondo redondo de 500 ml de tres cuellos con un termopar, a vacío, con purga de nitrógeno, un condensador y una barra de agitación. La presión se estableció en 2,67 x 10^{3} Pa (20 mm Hg) y la disolución se calentó desde temperatura ambiente hasta 210ºC. La fracción 1 se cogió desde la fase de vapor con una temperatura del recipiente entre la temperatura ambiente y 103ºC. La fracción 2 se cogió con una temperatura del recipiente entre 103ºC y 150ºC. La fracción 3 se cogió con una temperatura del recipiente entre 150ºCy 169ºC. La fracción 4 se cogió con una temperatura del recipiente entre 169ºC y 210ºC. La concentración de ácido en las fracciones 1, 2, 3 y 4 se determinó mediante titulación y fue 0,23% en peso, 16,1% en peso, 73,2% en peso y 60,8% en peso, respectivamente. Los fondos del envase pesaron 109,1 g y eran dos fases líquidas a temperatura ambiente que mostraron cierta condensación producida durante la destilación. Se encontró que la fracción 4 era aproximadamente un 2% de lactide, mostrando un evidencia adicional de condensación. La adición de 23,8 g de octanol provocó que las dos fases inferiores se volvieran miscibles. Cada una de las fases inferiores se tituló, para encontrar sólo un 2,2% en peso de ácido láctico cuando se corrigió para el octanol. Aproximadamente el 60% del ácido láctico se recuperó desde arriba.

Este ejemplo muestra que la destilación del ácido láctico desde un disolvente extractor menos volátil es una opción de procedimiento viable.

Ejemplo 3

Se añadieron 200 ml de dimetilsulfóxido (DMSO) y 200 ml de una disolución preparada previamente de Alamine 336 y ácido láctico, con un 18,4% en peso de ácido láctico, a un matraz de fondo redondo de 500 ml de 3 cuellos con una barra de agitación, control de temperatura, un condensador y un manto calentador. La mezcla se agitó y se calentó hasta 140ºC, y se mantuvo a 140ºC durante 15 minutos. Las dos fases se sedimentaron con rapidez, se separaron y se dejaron enfriar hasta temperatura ambiente. Las muestras de la fase inferior de DMSO mostraron un 11,3% en peso de ácido láctico mediante titulación, y un 0,58% en peso de Alamine 336 mediante cromatografía de gases. Se añadieron 40 ml de IsoPar K de Exxon a la fase de DMSO en el embudo de separación. El embudo se agitó a temperatura ambiente y las fases se dejaron sedimentar y se separaron. Las muestras de la fase inferior de DMSO mostraron un 11,4% en peso de ácido láctico, un 2,7% en peso de agua mediante titulación de Karl Fischer, y un 0,05% en peso de Alamine 336.

Entonces se colocaron 230,0 g de esta disolución de DMSO y ácido láctico en un matraz de fondo redondo de 500 ml de cuatro cuellos con una barra de agitación, a vacío, un condensador, un termopar y un manto calentador. El material se calentó a presión atmosférica hasta 180ºC, recogiendo 42,0 g desde arriba. El material se dejó enfriar. Se determinó que la concentración de ácido en la fase inferior era de 12,4% en peso, mostrando cierta condensación por la pérdida de acidez, asumiendo que no se evaporó ácido láctico. El material se calentó entonces desde temperatura ambiente hasta 117ºC con aproximadamente 8,00 x 10^{3} Pa (60 mm Hg) de presión durante 60 minutos. Otros 34,7 g de material destilaron desde arriba. Esto completó la etapa de formación de oligómero de ácido láctico.

Quedaron 146,7 g de la disolución de DMSO y oligómero de ácido láctico para la porción de formación de lactide. Se añadieron 1,53 g de FASCAT 9102, un catalizador butiltin tris-2-etilhexanoato. Se añadieron un sifón de hielo seco frío y una purga de nitrógeno, y el condensador se cambió a un medio de etilenglicol a 110ºC. La mezcla se calentó desde temperatura ambiente hasta 145ºC a 10 mm Hg de presión durante 80 minutos. Sólo 7,8 g del material quedaron en el fondo del matraz. El receptor contenía 116,2 g del material. El punto de ebullición del DMSO está lo suficientemente cerca del de lactide que se esperaba que destilaría una cantidad significativa de DMSO. La presencia de lactide en la zona superior se confirmó mediante cromatografía de gases.

Este ejemplo muestra la viabilidad de la retroextracción del ácido láctico hacia un líquido polar desde el disolvente extractor, y el uso de un líquido polar como disolvente para fabricar oligómero de ácido láctico y lactide.

Ejemplo 4

Se elaboraron dos disoluciones de ácido láctico y Alamine 336 poniendo en contacto el Alamine 336 con diversas cantidades y concentraciones de disoluciones acuosas de ácido láctico. Se obtuvieron mezclas de Alamine 336 con un 4,35% en peso y un 18,85% en peso de ácido láctico. Se pusieron en contacto separadamente 2 ml de las disoluciones de Alamine 336 y ácido láctico con los siguientes disolventes: dimetilsulfóxido (DMSO), N,N-dimetilformamida (DMF), 1,4-dioxano, N-metilpirrolidinona (NMP) y 1,3-dioxalano. La muestras se mantuvieron a la temperatura especificada en un baño de aceite durante 45 a 60 minutos con mezclado regular. Las muestras de 1,4-dioxano y 1,3-dioxalano formaron una fase líquida única a temperaturas de entre 20ºC y aproximadamente 80ºC. Se usó un procedimiento similar para poner en contacto las disoluciones de Alamine 336 y ácido láctico con lactide y tetrametilensulfona (TMSF). Las fases se dejaron sedimentar a la temperatura especificada y se separaron rápidamente pipeteando la fase inferior. Se tomaron muestras para su titulación con una disolución de hidróxido sódico, con fenolftaleína como indicador, para determinar la concentración de ácido láctico, y cromatografía de gases para determinar las concentraciones de Alamine 336. En todos lo casos, la fase de Alamine 336 fue la menos densa o la fase superior.

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La Tabla 1 informa sobre las concentraciones de ácido láctico y Alamine 336 en las fases superior e inferior. El coeficiente de partición se calcula dividiendo la concentración de ácido láctico en la fase superior de Alamine 336 entre la concentración de ácido láctico en la fase polar líquida inferior. Los resultados muestran que se distribuyen cantidades significativas de ácido láctico hacia la fase líquida polar en estas condiciones. En algunos de los disolventes, hubo una cantidad significativa de Alamine 336 coextraída hacia la fase líquida polar. El dimetilsulfóxido parece ser un disolvente favorable para este tipo de procedimiento por su buena selectividad para el ácido láctico sobre el Alamine 336.

Este ejemplo muestra que el ácido láctico puede ser retroextraído hacia un líquido polar a partir del disolvente extractor inicial con una buena eficacia. Este ejemplo apoya la viabilidad de un procedimiento que usa la retroextracción del ácido láctico hacia un segundo líquido polar.

TABLA 1 Resultados de la retroextracción de ácido láctico hacia una segunda fase polar

Disolvente	Muestra	Temp.	% en peso de	% en peso de	Coeficiente
		ºC	ácido láctico	Alamine 336	de partición
	Superior	140	0,18	72,4	0,19
	Inferior		0,93	0,0
DMSO	Superior	140	0,69	66,03	0,06
	Inferior		11,78	0,98
	Superior	110	0,16	61,09	0,14
	Inferior		1,15	7,17
DMF	Superior	110	1,49	70,17	0,13
	Inferior		13,36	19,23
	Superior	90	0,33	65,26	0,29
	Inferior		1,13	1,72
NMP	Superior	110	2,73	62,14	0,22
	Inferior		12,2	19,71
	Superior	140	0,88	71,69	0,21
	Inferior		4,15	5,28
	Superior	140	1,25	73,06	0,17
TMSF	Inferior		7,52	18,09
	Superior	140	7,50	78,10	0,17
	Inferior		8,66	17,56
	Superior	140	2,44	n.d.	0,83
Lactide	Inferior		2,98
2 = calculado a partir del equilibrio de masas total.
nd = no determinado

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Ejemplo 5

Se pusieron en contacto Alamine 336 y una disolución acuosa de ácido láctico para obtener un 26,74% en peso de ácido láctico en la fase de Alamine 336. Se pusieron en contacto diez gramos de la fase de Alamine 336 cargada de ácido láctico con 5 gramos de trietilamina en un embudo de separación de 125 ml. El matraz se agitó durante un minuto a 24ºC y las fases se dejaron sedimentar. La fase superior contenía Alamine 336, un exceso de trietilamina y prácticamente nada de ácido láctico, mientras que la fase inferior contenía un 43% en peso de ácido láctico y trietilamina. Se determinaron las concentraciones del ácido mediante titulación con hidróxido sódico.

La retroextracción se escaló para permitir el experimento de destilación. Se añadieron treinta gramos de una mezcla de ácido láctico al 43% en peso en trietilamina a un matraz de 500 ml de fondo redondo de tres cuellos equipado con un sifón de hielo seco, un indicador de presión, un condensador, un termopar y un manto calentador. La trietilamina se evaporó inicialmente a 23ºC y 1,33 x 10^{3} Pa (10 mm Hg). La temperatura aumentó hasta 120ºC y la mezcla se mantuvo a esa temperatura durante 90 minutos. Aproximadamente el 69% de la trietilamina se evaporó. La pureza quiral del ácido láctico no varió significativamente tras el calentamiento.

La extracción de la trietilamina puede aumentarse dramáticamente en presencia de un disolvente. Se calentó una disolución de ácido láctico al 21,5% en peso en una mezcla de trietilamina y N-metil-2-pirrolidinona a 55ºC y 1,33 x 10^{3} Pa (10 mm Hg) de presión durante dos horas y el 48% de la trietilamina se evaporó desde la disolución. La mezcla remanente se calentó a 110ºC, donde se mantuvo durante 80 minutos. En este punto se evaporó el 96% de la trietilamina. La pureza quiral del material no cambió significativamente.

Este ejemplo muestra la retroextracción de ácido láctico desde el disolvente extractor, y después, la capacidad para evaporar el disolvente de retroextracción para obtener un producto de ácido láctico concentrado.

Ejemplo 6

Se mezcló un exceso de cristales de lactato cálcico pentahidratado durante 2 horas a 30ºC con un disolución que contenía un 9% de ácido láctico y nada de etanol. La disolución acuosa resultante se analizó para iones calcio, para determinar la concentración del lactato cálcico disuelto. Se encontró que era de un 7,49% de lactato cálcico.

Se mezcló un exceso de cristales de lactato cálcico pentahidratado durante 2 horas a 30ºC con un disolución que contenía un 11,26% de ácido láctico y un 10% de etanol. La disolución acuosa resultante se analizó para iones calcio, para determinar la concentración del lactato cálcico disuelto. Se encontró que era de un 5,13% de lactato cálcico.

Se mezcló un exceso de cristales de lactato cálcico pentahidratado durante 2 horas a 30ºC con una disolución que contenía un 18,94% de ácido láctico y un 24,8% de etanol. La disolución acuosa resultante se analizó para iones calcio, para determinar la concentración del lactato cálcico disuelto. Se encontró que era de un 2,99% de lactato cálcico.

Estas medidas de solubilidad muestran la disminución en la concentración de lactato cálcico según aumenta la cantidad de etanol en disolución. En un procedimiento, la adición de etanol al caldo proporciona una fuerza conductora adicional para la cristalización del lactato cálcico a partir del caldo.

Ejemplo 7

Una disolución acuosa de cultivo que contiene un 25% de lactato sódico y 2,9 mol/kg de ácido láctico se extrajo a contracorriente con hexanol a 80ºC. El cociente de la fase acuosa a la fase orgánica fue 1:2:3 peso/peso, y el número de etapas fue de 5. Las concentraciones de ácido láctico en el extracto y en el refinado fueron 1,0 mol/kg y 0,2 mol/kg, respectivamente. El extracto fue retroextraído a contracorriente con agua a 30ºC. El cociente de la fase acuosa a la fase orgánica fue 1:1:6 peso/peso, y el número de etapas fue de 6. La concentración de ácido láctico en el extractor regenerado fue inferior a 0,1 mol/kg, y la de la disolución de producto acuoso resultante fue de aproximadamente 1,6 mol/kg.

Este ejemplo muestra la eficaz recuperación de ácido láctico a partir de una corriente de ácido láctico y sal de lactato usando extracción y retroextracción en agua con un disolvente alcohólico.

Ejemplo 8

Una disolución acuosa de cultivo que contiene un 25% de lactato sódico y 3,0 mol/kg de ácido láctico se extrajo a contracorriente con TBP a 30ºC. El cociente de la fase acuosa a la fase orgánica fue 1:2:3 peso/peso, y el número de etapas fue de 5. Las concentraciones de ácido láctico en el extracto y en el refinado fueron 1,3 mol/kg y 0,2 mol/kg, respectivamente. El extracto fue retroextraído a contracorriente con agua a 85ºC. El cociente de la fase acuosa a la fase orgánica fue 1:1:7 peso/peso, y el número de etapas fue de 6. La concentración de ácido láctico en el extractor regenerado fue de aproximadamente 0,03 mol/kg, y la de la disolución de producto acuoso resultante fue de aproximadamente 2,1 mol/kg.

Este ejemplo muestra la eficaz recuperación de ácido láctico a partir de una corriente de ácido láctico y sal de lactato usando extracción y retroextracción en agua con un compuesto de fósforo oxigenado.

Ejemplo 9

Una disolución acuosa de cultivo que contiene un 0,5 mol/kg de ácido láctico y 0,5 mol/kg de lactato sódico se extrajo a contracorriente con Alamine 336 a 25ºC. El cociente de la fase acuosa a la fase orgánica fue 5:6:1 peso/peso, y el número de etapas fue de 4. Las concentraciones de ácido láctico en el extracto y en el refinado fueron 2,3 mol/kg y 0,1 mol/kg, respectivamente. El extracto fue retroextraído a contracorriente con agua a 160ºC. El cociente de la fase acuosa a la fase orgánica fue 1:1:2 peso/peso, y el número de etapas fue de 4. La concentración de ácido láctico en el extractor regenerado fue de aproximadamente 0,1 mol/kg, y la de la disolución de producto acuoso resultante fue de aproximadamente 2,7 mol/kg.

Este ejemplo muestra la eficaz recuperación de ácido láctico a partir de una corriente de ácido láctico y sal de lactato usando extracción y retroextracción en agua con una trialquilamina. Comparado con la disolución inicial, el producto de la retroextracción acuosa tiene una mayor concentración de ácido láctico.

Ejemplo 10

Una disolución acuosa de cultivo que contiene 4 mol/kg de ácido láctico se extrajo a contracorriente con hexanol a 80ºC. El cociente de la fase acuosa a la fase orgánica fue 1:2:3 peso/peso, y el número de etapas fue de 6. Las concentraciones de ácido láctico en el extracto y en el refinado fueron 1,8 mol/kg y 0,2 mol/kg, respectivamente. El extracto fue retroextraído a contracorriente con agua a 30ºC. El cociente de la fase acuosa a la fase orgánica fue 1:1:5 peso/peso, y el número de etapas fue de 7. La concentración de ácido láctico en el extractor regenerado fue inferior a 0,1 mol/kg, y la de la disolución de producto acuoso resultante fue de aproximadamente 2,7 mol/kg.

Este ejemplo muestra la recuperación de ácido láctico a partir de una disolución acuosa con un disolvente alcohólico.

Ejemplo 11

Una disolución acuosa de cultivo que contiene un 4,5 mol/kg de ácido láctico se extrajo a contracorriente con tributilfosfato (TBP) a 25ºC. El cociente de la fase acuosa a la fase orgánica fue 1:2:3 peso/peso, y el número de etapas fue de 6. Las concentraciones de ácido láctico en el extracto y en el refinado fueron 2,0 mol/kg y 0,2 mol/kg, respectivamente. El extracto fue retroextraído a contracorriente con agua a 85ºC. El cociente de la fase acuosa a la fase orgánica fue 1:1:7 peso/peso, y el número de etapas fue de 8. La concentración de ácido láctico en el extractor regenerado fue de aproximadamente 0,03 mol/kg, y la de la disolución de producto acuoso resultante fue de aproximadamente 3,5 mol/kg.

Este ejemplo muestra la recuperación de ácido láctico a partir de una disolución acuosa con un compuesto de fósforo oxigenado.

Ejemplo 12

Una disolución acuosa de cultivo que contiene un 0,5 mol/kg de ácido láctico se extrajo a contracorriente con Alamine 336 a 25ºC. El cociente de la fase acuosa a la fase orgánica fue 5:6:1 peso/peso, y el número de etapas fue de 4. Las concentraciones de ácido láctico en el extracto y en el refinado fueron 2,3 mol/kg y 0,1 mol/kg, respectivamente. El extracto fue retroextraído a contracorriente con agua a 160ºC. El cociente de la fase acuosa a la fase orgánica fue 1:1:2 peso/peso, y el número de etapas fue de 4. La concentración de ácido láctico en el extractor regenerado fue de aproximadamente 0,1 mol/kg, y la de la disolución de producto acuoso resultante fue de aproximadamente 2,7 mol/kg.

Este ejemplo muestra la eficaz recuperación de ácido láctico a partir de una disolución acuosa usando una trialquilamina. Comparado con la disolución inicial, el producto de la retroextracción acuosa tiene una mayor concentración de ácido láctico.

Ejemplo 13

Una disolución acuosa de cultivo que contiene 2 mol/kg de ácido láctico se extrajo con Alamine 336 a 25ºC en una etapa única. El cociente de la fase acuosa a la fase orgánica fue 1:1 peso/peso. Se formaron tres fases: una fase inferior acuosa y dos fases orgánicas. Las concentraciones de ácido láctico en el extracto orgánico combinado y en el refinado fueron 2,3 mol/kg y 0,4 mol/kg, respectivamente. El extracto orgánico combinado fue retroextraído a contracorriente con agua a 160ºC. El cociente de la fase acuosa a la fase orgánica fue 1:1:2 peso/peso, y el número de etapas fue de 4. La concentración de ácido láctico en el extractor regenerado fue de aproximadamente 0,1 mol/kg, y la de la disolución de producto acuoso resultante fue de aproximadamente 2,7 mol/kg.

Este ejemplo muestra que puede extraerse una cantidad significativa de ácido láctico en una etapa única usando una trialquilamina como disolvente. Este sistema tiene la ventaja de ser un sistema trifásico que se forma cuando un disolvente extractor tiene una elevada cantidad de Alamine 336 y otro compuesto no polar, como queroseno, y una mínima cantidad de disolventes oxigenados, como hexanol o metilisobutilcetona.

Ejemplo 14

Se añadió a un vaso de precipitados una fase orgánica que contenía 3,13 mol/kg de láctico en Alamine 336. El vaso de precipitados se calentó en una placa de calefacción a 150-160ºC y presión atmosférica, y se mantuvo a esas condiciones durante 7 horas. Se tituló una muestra del contenido con hidróxido sódico 0,1 N, y se encontró que contenía 0,639 mol/kg de ácido. La caída en la concentración del ácido en la fase orgánica es el resultado de la conversión de las moléculas de ácido láctico en oligómeros de ácido láctico. La eficacia de la conversión de ácido láctico en oligómero fue de un 79%.

Este ejemplo muestra la posibilidad de fabricar oligómeros de ácido láctico a presión atmosférica en un disolvente de trialquilamina.

Ejemplo 15

Se calentaron 17,7 g de una disolución que contenía 1,92 mol/kg de Alamine 336, 1,98 mol/kg de ácido láctico y una gota de antioxidante en un vaso de precipitados situado en un baño de aceite a 135-150ºC, y se mantuvo a esa temperatura durante 42 horas. Se burbujeó nitrógeno a través de la disolución durante el periodo de calentamiento. El vaso de precipitados se conectó a una columna de destilación que estaba conectada a un sifón lleno de agua. Al final del experimento, mientras todavía estaba a elevada temperatura, sólo había una fase en el vaso de precipitados. Tras el enfriamiento se observaron dos fases orgánicas, 1,59 gramos de una fase inferior viscosa y 11,4 gramos de una fase superior. Se determinaron las concentraciones de amina y protones en la fase inferior mediante titulación con una disolución de ácido clorhídrico 0,1 N y una disolución de hidróxido sódico 0,1 N, respectivamente. Contenía 1 mol/kg de amina y 0,957 mol/kg de protones. Dado que la fase orgánica pesada sólo contiene la amina y el oligómero de ácido láctico, estas cifras nos permiten calcular el peso molecular del oligómero. Se encontró que era aproximadamente de 635, equivalente al de un oligómero consistente en 8 monómeros de ácido láctico. El espectro IR apoya las conclusiones basadas en este cálculo. Se determinó que las concentraciones de amina y protones en la fase superior eran de 2,54 mol/kg y 0,02 mol/kg, respectivamente.

Este ejemplo muestra que el ácido láctico extraído puede convertirse en oligómero de ácido láctico mientras está en el extractor. También muestra la capacidad del sistema de Alamine 336 y oligómero de ácido láctico de separar sus fases espontáneamente tras el enfriamiento de la mezcla de reacción. El análisis de estas fases muestra que la significativamente mayor fase superior es prácticamente toda Alamine 336, y la fase inferior más pequeña es producto oligómero y Alamine 336.

Ejemplo 16

Se preparó una fase orgánica que contenía 1,63 mol de ácido láctico en Alamine 336. Se calentó en una placa calefactora, en una vasija abierta de vidrio, hasta 140-150ºC, y se mantuvo a esa temperatura durante 6 horas. Entonces se añadió una gota de 2-etilhexanoato de estaño, la disolución se calentó a 180ºC y se mantuvo a esa temperatura durante 3,5 horas. Parte de los vapores que destilaron durante el calentamiento se condensaron en un vidrio frío (mantenido sobre la vasija calentada). El condensado se lavó del vidrio con cloroformo y se realizó el espectro de RMN de la disolución de cloroformo. El espectro de RMN confirmó que el cloroformo contenía lactide como principal producto láctico en el cloroformo.

Se añadió una gota del catalizador 2-etilhexanoato de estaño a una disolución que contenía 1,02 mol/kg de oligómero de ácido láctico de DP4-5 en Alamine 336. Esta mezcla de calentó en una placa calefactora dentro de un vaso de precipitados conectado a un sifón, a 170-190ºC, y se mantuvo a esa temperatura durante 5 horas. El condensado se lavó del sifón con cloroformo, y se realizó el espectro IR de la disolución de cloroformo. Según estos espectros, uno puede concluir que el condensado recogido del sifón contiene una cantidad significativa de lactide.

Estos dos ejemplos muestran que puede fabricarse lactide a partir de ácido láctico en presencia de una trialquilamina, en este caso, la producción de lactide tuvo lugar a presión atmosférica.

Ejemplo 17

Se mezclaron 16,2 g de octanol y 0,222 g de ácido fosfórico durante 15 minutos a 25ºC con 0,936 g de una disolución que contenía 1,19 mmol de Alamine 336 y 0,74 mmol de oligómero de ácido láctico (DP8-9). Tras sedimentar durante 4 horas en un refrigerador se observaron dos fases. Las titulaciones ácido-base mostraron que el 65% de la amina total estaba presente en la fase ligera y había una cantidad significativa de oligómero presente en la fase pesada.

Se mezclaron 16 g de isopropanol y 0,468 g de ácido fosfórico durante 15 minutos a 25ºC con 1,156 g de una disolución que contenía 1,66 mmol de Alamine 336 y 1,5 mmol de oligómero de ácido láctico (DP8-9). Tras sedimentar durante 4 horas en un refrigerador se observaron dos fases. Las titulaciones ácido-base mostraron que el 73% de la amina total estaba presente en la fase ligera y que había una cantidad significativa de oligómero presente en la fase pesada.

Se mezclaron 3,06 g de isopropanol y 0,324 g de ácido acético durante 15 minutos a 25ºC con 0,733 g de una disolución que contenía 1,04 mmol de Alamine 336 y 0,57 mmol de oligómero de ácido láctico (DP8-9). Tras sedimentar durante 4 horas en un refrigerador se observaron dos fases. Las titulaciones ácido-base mostraron que el 82% de la amina total estaba presente en la fase ligera y que había una cantidad significativa de oligómero presente en la fase pesada. Estos tres ejemplos muestran que la adición de un disolvente alcohólico y bien un ácido relativamente fuerte (ácido fosfórico) o un ácido débil (ácido acético) puede separar trialquilaminas de oligómeros de ácido acético mediante una extracción o una separación de fases.

Ejemplo 18

Se mezclaron 4,66 g de una disolución que contenía 1,69 mol/kg de oligómero de ácido láctico (DP-5) y 1,16 mol/kg de Alamine 336 con 2,618 g de hexano. Después se añadieron 0,585 g de una disolución de amoniaco concentrado (12,4 mmol de amoniaco). Después de mezclar y sedimentar se observaron dos fases. La fase ligera se tituló con HCl y con NaOH para determinar las concentraciones de amina/amoniaco y protones (como oligómero de ácido láctico), respectivamente. Se encontraron 0,19 mmol de prepolímero y 3,27 mmol de amina/amoniaco en dicha fase ligera. Basándose en el hecho de que la solubilidad del amoniaco en hexano es insignificante, la concentración de base en la fase ligera representa la separación de aproximadamente un 60% de oligómero desde la amina en una etapa única.

Este ejemplo muestra que la adición de una base como amoniaco puede forzar la formación de una segunda fase y extraer el oligómero de ácido láctico desde la trialquilamina.

Ejemplo 19

Se añadieron 1,79 g de una disolución de ácido fosfórico de 8,7 mol/kg a una mezcla de 5,48 g de lactato cálcico pentahidratado y 20,25 g de agua. La disolución se mezcló durante 2,5 horas a 85ºC. Se encontraron una fase sólida y una fase líquida. La fase sólida se filtró, se lavó con agua y se muestreó. Se encontró que el sólido estaba prácticamente libre de material láctico, y contenía un 80,2% y un 77,0% de fosfato y calcio total, respectivamente. La disolución acuosa remanente contenía un 77% de material de lactato en forma de ácido libre, y un 23% de material de lactato en forma de sal de lactato cálcico.

Se añadieron 2,84 g de una disolución de ácido fosfórico de 8,7 mol/kg y 16,46 g de butanol a una mezcla de 7,83 g de lactato cálcico pentahidratado y 20,6 g de agua. La mezcla se mezcló durante 30 minutos a 20ºC. Se encontraron tres fases, una sólida y dos líquidas. Las fases se separaron y se lavó el sólido con agua. Se encontró que el sólido estaba prácticamente libre de material de lactato, y contenía un 68,7% y un 72,3% del fosfato y calcio total, respectivamente. La fase acuosa inferior contenía un 66,9% del material de lactato, un 31% del fosfato total y un 26,7% del calcio total. La fase orgánica contenía un 33% de material de lactato total. Así, una cantidad significativa de sal de lactato se acidificó y extrajo simultáneamente hacia la fase orgánica.

Estos ejemplos muestran la posibilidad de acidular con ácido fosfórico y formar una sal de fosfato cálcico. El ácido láctico acidulado puede entonces ser extraído con un disolvente adecuado o aislado desde el acuoso por otros medios.

Ejemplo 20

Se obtuvo un caldo de fermentación con un valor final de pH de 3,87 y una concentración total de material de lactato de 79 g/l, según se determinó mediante cromatografía líquida de alta resolución. Se puso en contacto una variedad de disolventes con el caldo para determinar la recuperación del ácido láctico en una etapa única. La cantidad de ácido láctico libre en cada fase se determinó mediante titulación con una disolución acuosa de hidróxido sódico. Para el disolvente 100% Alamine 336 se aislaron y titularon dos fases orgánicas, cuyos valores se detallan. En coeficiente de partición no se detalla para este sistema.

	% en peso de la	% en peso de la	Coeficiente
Mezcla de disolventes	fase acuosa	fase orgánica de	de
	ácido láctico	ácido láctico	partición
TOPO al 30% en peso	2,24	2,36	1,05
MIBK al 70% en peso
A336 al 82% en peso	1,52	5,09	3,35
OctOH al 10% en peso
IPK al 8% en peso

(Continuación)

	% en peso de la	% en peso de la	Coeficiente
Mezcla de disolventes	fase acuosa	fase orgánica de	de
	ácido láctico	ácido láctico	partición
A336 al 100%	2,34	13,8	N.A.
		0,84
A336 al 89% en peso	4,76	1,84	2,6
DodecOH al 9% en peso
IPK al 2% en peso
Clave: TOPO = óxido de trioctilfosfina
\hskip1cm A336 = Alamine 336
\hskip1cm MIBK = metilisobutil cetona
\hskip1cm OctOH = 1-octanol
\hskip1cm JPK = IsoPar K
\hskip1cm DodecOH = 1-dodecanol

Este ejemplo muestra que un número de diferentes disolventes extractores dan valores del coeficiente de partición adecuados para procedimientos industriales.

Ejemplo 21

Se obtuvo un caldo de fermentación con un valor final de pH de 3,87 y una concentración total de material de lactato de 79 g/l, según se determinó mediante cromatografía líquida de alta resolución. El caldo se puso en contacto tres veces con disolvente extractor fresco consistente en 89% en peso de Alamine 336, 336,9% en peso de dodecanol y 2% en peso de IsoPar K, con un cociente de la fase acuosa a la fase orgánica de 3.0. Se determinó la concentración de ácido láctico libre en cada fase mediante titulación con una disolución acuosa de hidróxido sódico.

	% en peso de la	% en peso de la	Coeficiente de
Etapa	fase acuosa de	fase orgánica de	de
	ácido láctico	ácido láctico	partición
1	1,55	3,9	2,5
2	1,09	1,36	1,25
3	0,88	0,74	0,84

Este ejemplo muestra cómo el coeficiente de partición, que es una mediada de la eficacia de la extracción, disminuye según se extrae más ácido láctico desde el caldo, es decir, según aumenta el pH del caldo remanente.

Claims

1. Un procedimiento para la producción de productos de ácido láctico a partir de una mezcla que contiene ácido láctico libre y/o sal de lactato disuelta, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:

(a): incubar un cultivo de microorganismos productores de lactato ácido tolerantes en un medio nutriente a un pH de incubación medio no mayor de 4,8, en el que si la fermentación se lleva a cabo hasta un punto en el que el pH y/o la concentración de ácido láctico inhiben adicionalmente la producción de lactato, el "pH de incubación medio" se determina según una media de valores de pH medidos a diez (10) o más intervalos iguales de tiempo durante el periodo de tiempo necesario para producir el 90% de la concentración de lactato limitante; o si la fermentación no se lleva a cabo hasta un punto en el que se alcance una concentración de lactato limitante, el "pH de incubación medio" se determina según una media de valores de pH medidos a diez (10) o más intervalos iguales de tiempo durante el curso de la fermentación, para producir una mezcla acuosa que incluya, al menos, 40 g/l de material de lactato que comprenda ácido láctico, sal de lactato o una mezcla de los mismos; y

(b): separar la mezcla acuosa de los microorganismos productores de lactato ácido tolerantes; y

(c): preferentemente, separar el ácido láctico de la mezcla para formar una corriente que contenga ácido láctico.

2. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que la etapa de incubación se realiza a un pH de incubación medio no mayor de 4,3.

3. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que la etapa de incubación se realiza a un pH de incubación medio no mayor de 4,0.

4. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que la etapa de separación preferente de ácido láctico desde la mezcla acuosa se elige entre:

(a): extraer el ácido láctico desde la mezcla hacia una primera fase no acuosa;

(b): adsorber el ácido láctico sobre un adsorbente sólido;

(c): destilar el ácido láctico desde la mezcla acuosa; y

(d): pasar el ácido láctico a través de una membrana.

5. Un procedimiento según la reivindicación 4, en el que la etapa de extracción hacia una primera fase no acuosa incluye la extracción del ácido láctico desde la mezcla hacia una primera fase no acuosa que comprende una amina terciaria.

6. Un procedimiento según la reivindicación 5, que comprende adicionalmente una etapa de separación del ácido láctico desde la fase no acuosa enriquecida en ácido láctico, en el que la etapa de separación del ácido láctico desde la fase no acuosa enriquecida en ácido láctico se elige entre:

: (a) extraer en retorno el ácido láctico desde la fase no acuosa enriquecida en ácido láctico hacia una segunda fase no acuosa que comprende un disolvente orgánico polar, y separar el ácido láctico desde el disolvente orgánico polar;

: (b) extraer en retorno el ácido láctico desde la fase no acuosa enriquecida en ácido láctico hacia una segunda fase acuosa;

: (c) separar el ácido láctico desde la fase no acuosa enriquecida en ácido láctico mediante destilación.

7. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, que comprende adicionalmente una etapa de condensación del ácido láctico para formar oligómero de ácido láctico.

8. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que:

(a): la etapa de separación preferente del ácido láctico incluye una etapa simultánea de separación preferente de la sal de lactato hacia una corriente que contiene sal de lactato.

9. Un procedimiento para la producción de productos de ácido láctico a partir de una mezcla que contiene ácido láctico libre y/o sal de lactato disuelta, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:

(c): preferentemente, separar la sal de lactato de la mezcla para formar una corriente que contenga sal de lactato.

10. Un procedimiento según la reivindicación 9, en el que la etapa de incubación se realiza a un pH de incubación medio no mayor de 4,3.

11. Un procedimiento según la reivindicación 9, en el que la etapa de incubación se realiza a un pH de incubación medio no mayor de 4,0.

12. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9-11, en el que la etapa de separación preferente de la sal de lactato se elige entre:

(a): extraer la sal de lactato de la mezcla hacia una primera fase no acuosa;

(b): adsorber el anión lactato sobre un adsorbente sólido;

(c): electrodiálisis; y

(d): cristalizar la sal de lactato desde la mezcla.

13. Un procedimiento según la reivindicación 12, en el que:

(a): la etapa de cristalización de la sal de lactato comprende una etapa de cristalización de lactato cálcico.

14. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 9-13, en el que:

(a): la etapa de separación preferente de la sal de lactato incluye una etapa simultánea de separación preferente del ácido láctico hacia una corriente que contiene ácido láctico.

15. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14, en el que el material de lactato incluye 40 g/l de L-lactato o 40 g/l de D-lacato.

16. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-15, en el que el material de lactato incluye 75 g/l de L-lactato o 75 g/l de D-lacato.

17. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-16, en el que el material de lactato tiene una pureza óptica de al menos 50%.

18. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-17, en el que el material de lactato tiene una pureza óptica de al menos 75%.

19. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-18, que comprende adicionalmente la etapa de:

(a): modificar la mezcla acuosa mediante la adición de un ácido a la misma antes de la etapa de separación del ácido láctico o la sal de lactato desde la mezcla.

20. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-19, que comprende adicionalmente una etapa de:

(a): añadir ácido fosfórico a la mezcla acuosa para obtener al menos una sal cálcica de ácido fosfórico antes de la etapa de separación del ácido láctico o la sal de lactato desde la mezcla.

21. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-20, en el que la etapa de incubación incluye la incubación de un cultivo de microorganismos productores de lactato ácido tolerantes elegidos entre bacterias productoras de lactato, levaduras productoras de lactato y hongos productores de lactato.

22. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-21, en el que la etapa de incubación incluye la incubación de un cultivo de microorganismos productores de lactato ácido tolerantes que incluye microorganismos recombinantes.

23. Un procedimiento según las reivindicaciones 21 ó 22, en el que

(a): la etapa de incubación comprende la incubación de un cultivo que incluye levaduras productoras de lactato ácido tolerantes.

24. Un procedimiento según las reivindicaciones 21 ó 22, en el que

(a): la etapa de incubación comprende la incubación de un cultivo que incluye bacterias productoras de lactato ácido tolerantes.

25. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-24, en el que

: (a) la etapa de incubación comprende la incubación de un cultivo de microorganismos productores de lactato ácido tolerantes a un pH de incubación medio de 3,0 a 4,8.

26. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-25, que comprende adicionalmente una etapa de adición de sal de lactato al medio nutriente durante la etapa de incubación.

27. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-26, en el que la etapa de separación de la mezcla acuosa del microorganismo productor de lactato ácido tolerante incluye una etapa de filtrado de la mezcla acuosa.