ES2221102T3 - Procedimiento de preparacion biotecnologico de delta decalactona y delta dodecalactona. - Google Patents

Procedimiento de preparacion biotecnologico de delta decalactona y delta dodecalactona.

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ES2221102T3 ES98115757T ES98115757T ES2221102T3 ES 2221102 T3 ES2221102 T3 ES 2221102T3 ES 98115757 T ES98115757 T ES 98115757T ES 98115757 T ES98115757 T ES 98115757T ES 2221102 T3 ES2221102 T3 ES 2221102T3
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Abstract

LA INVENCION PRESENTA UN PROCEDIMIENTO DE PREPARACION DE DE DECALACTONA O DE - DODECALACTONA, MEDIANTE LA HIDROGENACION DE 2 - DECEN - 5 - OLIDO Y 2 - DODECEN - 5 - OLIDO, O UN DERIVADO DE LOS MISMOS, POR MEDIO DE UNA BACTERIA CAPAZ DE EFECTUAR DICHA HIDROGENACION, PREFERIBLEMENTE POR MEDIO DE UNA BACTERIA DEL GENERO CLOSTRIDIUM. EN UNA REALIZACION DE LA INVENCION, SE EMPLEA ACIDO 5 - HIDROXI - 2 - DECENOICO O ACIDO 5 - HIDROXI - 2 DODECENOICO, COMO SUSTRATO EN LA REACCION DE HIDROGENACION.

Description

Procedimiento de preparación biotecnológico de \delta decalactona y \delta dodecalactona.
Breve descripción de la invención
La presente invención se refiere al campo de la biotecnología. Más en particular, se refiere a un nuevo procedimiento para la preparación de \delta-decalactona y \delta-dodecalactona por hidrogenación de las correspondientes lactonas insaturadas o un derivado de las mismas utilizando bacterias, en particular bacterias pertenecientes al género
Clostridium.
Antecedentes de la invención
La \delta-decalactona y la \delta-dodecalactona son compuestos aromatizantes muy apreciados. Se encuentran en pequeñas cantidades en productos lácteos tales como mantequilla, y suponen una contribución importante al sabor típico de estos productos. Como consecuencia de las bajas cantidades en las que se encuentran de forma natural y de sus características organolépticas tan apreciadas, que son buscadas en particular para conferir el sabor natural de la mantequilla y otros productos lácteos a la margarina y al yogur, existe la necesidad de procedimientos capaces de proporcionar cantidades industriales de estas lactonas, y con una calidad que cumpla la legislación relativa a productos alimenticios.
La técnica anterior describe procedimientos para la producción de estas lactonas, ya sea por síntesis orgánica o por procedimientos biotecnológicos. En el contexto de la presente invención, se pueden citar tres referencias que describen la preparación biotecnológica de \delta-decalactona y \delta-dodecalactona.
El procedimiento descrito en la solicitud de Patente europea EP-A-409321 consiste en una \beta-oxidación de hidroxi ácidos grasos que se encuentran en la naturaleza en forma de sus ésteres en las raíces o tubérculos de ciertas plantas, como Ipomoea y Convolvulus. Se describe la utilización de varias levaduras, hongos y bacterias para efectuar la \beta-oxidación, perteneciendo los microorganismos preferidos a la especie de Saccharomices cerevisiae. Los hidroxi ácidos obtenidos se transforman en \delta-decalactona y \delta-dodecalactona.
Otras dos referencias describen la utilización de 2-decen-5-olida o, respectivamente, 2-dodecen-5-olida, como substrato. Dichas lactonas se pueden aislar del aceite de corteza del árbol tropical Cryptocarya massoia, y su hidrogenación da por resultado las deseadas lactonas saturadas.
La solicitud de Patente europea EP-A-425 001 describe la preparación de \delta-decalactona y \delta-dodecalactona por una reacción de hidrogenación utilizando determinadas levaduras, de las que las más preferidas pertenecen a la especie Saccharomices cerevisiae
Así mismo, la solicitud de Patente europea EP-A-577 describe la hidrogenación de 2-decen-5-olida y 2-dodecen-5-olida a \delta-decalactona y \delta-dodecalactona, pero utilizando microorganismos diferentes de los citados en la solicitud antes citada. Los mejores resultados se obtienen de nuevo con una levadura perteneciente al género Saccharomices, en particular Saccharomyces delbrueckii.
Hay que mencionar que los procedimientos mencionados antes tienen la desventaja de que se obtiene una baja concentración del producto final, en el intervalo de aproximadamente 1,5 g/litro, y tienen un rendimiento volumétrico extremadamente bajo, que comprende entre aproximadamente 0,01 y 0,09 g/litro.hora.
Descripción de la invención
Ahora, los autores de la presente invención han descubierto un procedimiento para la preparación de a \delta-decalactona y \delta-dodecalactona que permite la producción de las citadas lactonas en grandes cantidades y con un mayor rendimiento. El citado procedimiento comprende la hidrogenación de 2-decen-5-olida o 2-dodecen-5-olida, o un derivado de la misma, por una bacteria capaz de efectuar la citada hidrogenación. Según un modo de realización preferido, la citada bacteria es una bacteria anaerobia, en particular del género Clostridium.
Los procedimientos conocidos de las técnicas anteriores se llevan a cabo en condiciones aerobias. En el modo de realización preferido de la invención, los autores de la presente invención utilizan bacterias anaerobias, y la reacción de hidrogenación se lleva a cabo bajo condiciones que excluyen oxígeno La reacción de hidrogenación de ácidos carboxílicos insaturados en condiciones anaerobias, utilizando determinadas cepas de Clostridium, ha sido estudiada por Simon y col. [véase Angew. Chem. Edición Internacional 24 (1985), p. 539]. Ese mismo autor ha podido identificar, en ciertas cepas del género Clostridium, la enzima 2-enoato-reductasa, a la que atribuye la actividad encontrada, por ejemplo catalizar la hidrogenación de ácidos carboxílicos insaturados en la posición \alpha,\beta. Sin embargo, en estas técnicas anteriores no se hace mención alguna de que sean útiles tales bacterias para convertir los substratos de la presente invención.
Las bacterias pertenecientes al género Clostridium serán a su vez un catalizador microbiano apropiado para la hidrogenación de lactonas insaturadas según la presente invención. Como ejemplos de las citadas especies de bacterias, hay que citar Clostridium tyrobutyricum, Clostridium pasteurianum, Clostridium beijierincki, Clostridium acetobutyricum, Clostridium oceanium, Clostridium sticklandii y Clostridium thermobutyricum.
De las especies citadas antes, se prefiere la utilización de las cepas Clostridium tyrobutyricum I-775, Clostridium tyrobutyricum I-776 Clostridium tyrobutyricum CNRZ 556, Clostridium pasteurianum DSM 525, Clostridium beijierincki DSM 6422 y Clostridium acetobutyricum DSM 792, siendo los preferidos en primer lugar Clostridium tyrobutyricum I-776, Clostridium tyrobutyricum I-775 y Clostridium tyrobutyricum CNRZ 556.
En un modo de realización de la invención, se emplean 2-decen-5-olida y 2-dodecen-5-olida como substratos en la reacción de hidrogenación con una bacteria apropiada. En otro modo de realización se emplean ácido 5-hidroxi-2-decenoico o ácido 5-hidroxi-2-dodecenoico como substrato en el procedimiento de la invención, generalmente en la forma de sus sales.
Los autores de la presente invención han encontrado que, dependiendo de las condiciones de reacción, por ejemplo, el pH y las bacterias utilizadas para una reacción de hidrogenación, puede ser preferido utilizar la lactona como tal o la sal del correspondiente ácido como substrato sobre el que actúa la bacteria.
Las sales de los hidroxi ácidos se pueden obtener de 2-decen-5-olida o 2-dodecen-5-olida por la acción de una base apropiada. Como una alternativa, se puede utilizar una enzima, por ejemplo una lipasa, con el propósito de abrir el ciclo de la lactona. También son apropiadas, con este mismo fin, otras enzimas, conocidas por los especialistas en esta técnica.
Es posible también utilizar como substrato un éster apropiado del 5-hidroxi ácido \alpha,\beta-insaturado, por ejemplo un éster de un alcohol de 1 carbono a 4 carbonos. Estos ésteres se obtienen por lo general por transesterificación. Métodos de esterificación apropiados son los conocidos por cualquier especialista en estas técnicas, comprendiendo estos métodos, por ejemplo, la esterificación química (utilizando, por ejemplo, el respectivo alcohol y un catalizador ácido) y la esterificación biotecnológica (utilizando una enzima, por ejemplo una lipasa) de la 2-decen-5-olida ó 2-dodecen-5-olida o la sal del correspondiente ácido.
La reacción de hidrogenación de la 2-decen-5-olida ó la 2-dodecen-5-olida o, respectivamente, la sal o el éster del ácido 5-hidroxi-2-decenoico o ácido 5-hidroxi-2-dodecenoico, tendrá lugar en un medio que tiene un pH comprendido entre aproximadamente 4,5 y 8,5, preferiblemente comprendido entre aproximadamente 6,5 y 7,0. El pH se puede ajustar utilizando solución de NH_{4}OH, que tiene la ventaja de satisfacer la necesidad de nitrógeno de los microorganismos. Si es necesario, se añade una solución tampón al medio de reacción para mantener el pH a un valor constante.
Cuando se utilizan los 5-hidroxi ácidos \alpha,\beta-insaturados o, respectivamente, sus correspondientes sales, como producto de partida, se obtendrán, como función de las condiciones de reacción elegidas, en particular el pH, la sal del 5-hidroxi ácido saturado, el ácido libre, incluso la lactona saturada, o una mezcla que contiene dos o tres de estos productos. Al final de la reacción, el producto bruto se puede transformar fácilmente en las lactonas por acidificación de la solución que da lugar a una ciclación espontánea.
En el caso de utilizar los ésteres de los 5-hidroxi ácidos \alpha,\beta-insaturados, los ésteres saturados obtenidos se saponifican por adición de un ácido y también es observada la ciclación antes mencionada.
El procedimiento de la presente invención queda explicado en el siguiente esquema para el caso particular de la utilización de bacterias del género Clostridium:
1
\newpage
R^{1} = H, alquilo de C_{1}-C_{4}
\hskip0.7cm
R = n-C_{5}H_{11} ó n-C_{7}H_{15}
En técnicas anteriores, no se encuentra mención alguna a la utilización de bacterias del género Clostridium para la hidrogenación de 2-decen-5-olida o 2-dodecen-5-olida. Además, no ha sido ni descrito ni sugerido en ningún lugar el empleo de bacterias para hidrogenar ácido 5-hidroxi-2-decenoico o ácido 5-hidroxi-2-dodecenoico. En particular, no ha sido descrito o sugerido en ningún lugar el empleo de bacterias del género Clostridium con este propósito. Los autores de la presente invención han descubierto ahora que, según la invención, es posible llevar a cabo con éxito esta reacción biocatalítica y, en particular, obtener grandes tasas de rendimiento y altas concentraciones de los productos deseados, más altas que las observadas anteriormente. Esto es un resultado inesperado. Un efecto muy conocido es que estas lactonas, que son componentes del aceite esencial de la planta Cryptocarya massoia, son probablemente la razón para la toxicidad de este aceite esencial frente a un buen número de microorganismos. La toxicidad de estas lactonas ha sido además invocada como razón de las bajas velocidades de conversión en la reacción de hidrogenación de estas lactonas utilizando los microorganismos descritos en las solicitudes de Patente EP-A-425 001 y EP-A-577 463, incluso si los substratos 2-decen-5-olida y 2-dodecen-5-olida se emplean a muy bajas concentraciones.
Los autores de la presente invención han establecido ahora que, sorprendentemente, según el procedimiento de la presente invención, se pueden emplear altas concentraciones de las lactonas insaturadas sin intoxicación de los microorganismos, resultando velocidades de conversión claramente más altas que las obtenidas con las levaduras o los hongos descritas en técnicas anteriores. Más sorprendente ha sido incluso encontrar que hay bacterias, en particular las utilizadas en la presente invención, que son capaces de reducir tanto la lactona (quedando intacto el anillo lactónico) como el correspondiente hidroxi ácido \alpha,\beta-insaturado o, respectivamente, su sal o éster (con el anillo lactónico que se rompe). Se ha encontrado que las velocidades de conversión eran de un orden similar de magnitud en ambos casos. A la vista del efecto bien conocido de que incluso cambios mínimos en la estructura del substrato pueden tener un efecto muy importante sobre la reactividad del microorganismo en reacciones microbiológicas, los resultados obtenidos eran totalmente inesperados.
Utilizando el procedimiento de la invención, los autores de la presente invención pudieron obtener con éxito 5-decalactona y 5-dodecalactona a concentraciones de hasta 13 g/litro y productividades volumétricas que pueden alcanzar 1g/litro.hora.
Las lactonas se pueden utilizar como tales en la reacción de la invención, por ejemplo en estado puro o como se encuentran en el extracto de Massoia. Cuando se prefiere utilizar los substratos en forma de sal de ácido 5-hidroxi decenoico ó 5-hidroxi dodecenoico, un método conveniente para obtenerlos es el señalado a continuación.
Se calienta la lactona deseada a 60ºC y después se valora lentamente con solución de NaOH hasta apertura completa del anillo. La sal de sodio así obtenida se emplea entonces directamente para la reacción de bioconversión.
Según un modo de realización preferido de la reacción de la invención, es ventajoso someter las bacterias a una etapa de crecimiento o cultivo antes de la adición al substrato.
En general, el medio de cultivo para estas bacterias contiene extracto de levadura, (NH_{4})_{2}SO_{4}, KH_{2}SO_{4}, MgSO_{4} y FeSO_{4}. A veces es necesario añadir vitaminas, como biotina o p-aminobenzoato. La temperatura favorable al proceso de crecimiento está comprendida entre 25ºC y 37ºC. Como fuente de carbono, se puede utilizar glucosa, que se mantiene a una concentración comprendida entre aproximadamente 5 y 50 g/litro, preferiblemente aproximadamente 20 g/litro por la adición de una solución concentrada de glucosa. La esterilidad y la anaerobiosis del sistema se mantienen por utilización de materiales apropiados; al comienzo, se purgan las fases líquidas y gaseosas del cultivo con nitrógeno. Se agita el medio de reacción.
En una operación típica, se mantienen 4-5 ml del medio de cultivo del microorganismo en tubos de cultivo bajo condiciones anaerobias a -40ºC. Se descongela uno de los tubos y se utiliza para inocular un frasco de penicilina que contiene 50 ml de medio. Al cabo de 48 horas de cultivo, se puede utilizar el inóculo para sembrar un bioreactor de 2 litros o dos frascos de 1 litro que contienen 800 ml del medio. Estos últimos pueden utilizarse a su vez, después de otras 24 horas de crecimiento, para sembrar un bioreactor que tiene un volumen de 15 litros.
La etapa de cultivo puede, naturalmente, omitirse, lo que da lugar a un tiempo de conversión más prolongado.
La biotransformación está terminada cuando el potencial redox del medio comienza a crecer rápidamente, o cuando no se observa más desprendimiento de mezcla de H_{2}/CO_{2}. La mezcla se acidifica entonces a un pH de 2 - 3. El producto de la biotransformación se aisla entonces por métodos tradicionales, por ejemplo por extracción, para lo que puede utilizarse éter diisopropílico. Las emulsiones formadas por la abundancia de biomasa se pueden destruir por centrifugación. Como el éter también contiene ácido butírico producido por el Clostridium, se lava con solución de una base débil, por ejemplo solución acuosa saturada de NaHCO_{3}. El disolvente se seca con un agente apropiado, por ejemplo sulfato de sodio anhidro, luego se evapora, y el producto que queda se destila. De esta forma, se obtienen un producto del 99% de pureza.
La invención se ilustrará ahora con más detalle con los siguientes ejemplos en que las temperaturas se indican en grados centígrados y las abreviaturas tienen el significado convencional en la técnica. Algunos ejemplos no se realizan en las condiciones óptimas, lo que explica las bajas conversiones obtenidas. Cuando la sal del 5-hidroxi ácido insaturado se utiliza como substrato, el producto bruto obtenido después de la hidrogenación se citará siempre como ácido 5-hidroxi-2-decanoico o 5-hidroxi-2-dodecanoico, aunque el producto puede contener o estar compuesto de la sal o lactona respectiva, como se especifica de antemano.
Modos de realización de la invención Ejemplo 1
Se añadió ácido 5-hidroxi-2-decenoico, en la forma de una solución de su sal sódica, a un cultivo de Clostridium tyrobutyricum 1-776 hasta que se alcanzó una concentración de 0,5 g/l de la citada sal. Después de 24 horas, se observó una conversión de 100% a ácido 5-hidroxi-2-decanoico.
Ejemplo 2
Se repitió el procedimiento descrito en el Ejemplo 1, con la excepción de que se utilizó Clostridium tyrobutyricum 1-775. La conversión fue del 100%
Ejemplo 3
Se repitió el procedimiento descrito en el Ejemplo 1, con la excepción de que se utilizó Clostridium tyrobutyricum CNRZ 556. La conversión fue del 100%.
Ejemplo 4
Se repitió el procedimiento descrito en el Ejemplo 1, con la excepción de que se utilizó Clostridium pasteuranium DSM 525. La conversión fue del 17%.
Ejemplo 5
Se repitió el procedimiento descrito en el Ejemplo 1, con la excepción de que se utilizó Clostridium beijerincki DSM 6422. La conversión fue del 12,3%.
Ejemplo 6
Se repitió el procedimiento descrito en el Ejemplo 1, con la excepción de que se utilizó Clostridium acetobutylicum DSM 792. La conversión fue del 6%.
Ejemplo 7
Se sembró un bioreactor de 2 litros que contenía 1 litro de medio de pH 6 y 35ºC con un inóculo de 50 ml de Clostridium Tyrobutyricum 1-776. La mezcla se agitó a 300/min y se mantuvieron estrictas condiciones anaerobias y estériles. Al cabo de varias horas, cuando el cultivo comenzó a crecer, lo que quedaba indicado por el desprendimiento de gas desde la solución, se alimentó el medio con la sal de sodio del ácido 5-hidroxi-2-decenoico. Al cabo de 52 horas, se obtuvo ácido 5-hidroxi-decanoico en una concentración de 1,75 g/litro, correspondiente a una conversión del 27%. Se puede obtener \delta-decalactona por acidificación del producto primario.
Ejemplo 8
Se repitió el procedimiento descrito en el Ejemplo 7, con la excepción de que el medio tenía un pH de 7. La cantidad de 5-hidroxi-2-decanoico obtenida fue de 4,95 g (conversión del 99%), de donde puede obtenerse \delta-decalactona por acidificación.
Ejemplo 9
Se repitió el procedimiento descrito en el Ejemplo 8, siendo reemplazada la sal sódica del ácido 5-hidroxi-2-decanoico por la sal sódica del ácido 5-hidroxi-2-dodecanoico. Al cabo de 52 horas, se obtuvieron 1,1 g/litro de ácido 5-hidroxi-2-dodecanoico, correspondiente a una conversión del 57%. El ácido se transformó en \delta-decalactona por acidificación.
Ejemplo 10
Se sembró un bioreactor de 15 litros que contenía 10 litros de medio con 2 x 800 ml de un inóculo de Clostridium tyrobutyricum I-776. Se mantuvieron condiciones anaerobias y estériles estrictas. El pH se mantuvo a 6,5, la temperatura a 35ºC, la velocidad de agitación a 300/min; la concentración inicial de glucosa era de 90 g/litro. Cuando se agotó la glucosa (48 horas), se aglomeraron las células por centrifugación durante 30 minutos a 4ºC, por ejemplo a 10000 x g. La masa húmeda de células se aglomeró y se colocó en un reactor de 2 litros en condiciones estériles y anaerobias estrictas. Se ajustó el volumen a un total de 1 litro con una solución tampón de pH 7. El medio contenía aproximadamente 90 g/l de materia seca. Se añadió NH_{4}OH para mantener un pH de 7, y se añadió también una solución de glucosa de 500 g/l, para ajustar la concentración de glucosa a aproximadamente 20 g/l. Se añadió de forma semicontinua 2-decen-5-olida. Al cabo de 40 horas, se obtuvo \delta-decalactona en una concentración de 7 g/litro, que corresponde a una conversión del 72%.
Ejemplo 11
Se repitió el procedimiento descrito en el Ejemplo 10, con la excepción de que se añadió la sal de sodio de ácido 5-hidroxi-2-decenoico. Al cabo de 22 horas, se obtuvieron 13 g/l de ácido 5-hidroxi-2-decanoico, que corresponde a una conversión del 100%. El ácido puede convertirse en \delta-decalactona por acidificación.
Ejemplo 12
Se sembró un bioreactor de 15 litros que contenía 10 litros de medio con 2 x 800 ml de un inóculo de Clostridium tyrobutiricum I-776. Se mantuvieron condiciones anaerobias y estériles estrictas. El pH se mantuvo a 6,0, la temperatura a 35ºC, la velocidad de agitación a 300/min; la concentración inicial de glucosa fue de 90 g/litro. Cuando se agotó la glucosa (48 horas), se aglomeraron las células por centrifugación durante 30 minutos a 4ºC, por ejemplo a 10000 x g. La masa húmeda de las células se aglomeró y colocó en un reactor de 2 litros en condiciones estériles y anaerobias estrictas. Se ajustó el volumen a un total de 1 litro con una solución tampón de pH 7. El medio contenía aproximadamente 90 g/l de materia seca. Se añadió NH_{4}OH para mantener un pH de 7, y se añadió también una solución de glucosa de 500 g/l, para ajustar la concentración de glucosa a aproximadamente 40 g/l. Se añadió de forma semicontinua 2-dodecen-5-olida. Al cabo de 44 horas, se obtuvo \delta-dodecalactona en una concentración de 9,6 g/litro, que corresponde a una conversión del 99%.
Ejemplo 13
Se repitió el procedimiento descrito en el Ejemplo 12, con la excepción de que se añadió sal sódica de ácido 5-hidroxi-2-dodecenoico. Al cabo de 52 horas, se obtuvieron 5,1 g/litro de ácido 5-hidroxi-2-dodecanoico, correspondiente a una conversión del 78%. El ácido puede convertirse en \delta-decalactona por acidificación.

Claims (10)

1. Procedimiento para la preparación de \delta-decalactona y \delta-dodecalactona que comprende la hidrogenación de 2-decen-5-olida y 2-dodecen-5-olida respectivamente, o ácido 5-hidroxi-2-decenoico y ácido 5-hidroxi-2-dodecenoico respectivamente, o una sal del citado ácido, por una bacteria del género Clostridium.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde se utiliza 2-decen-5-olida ó 2-dodecen-5-olida en la reacción de hidrogenación.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, donde se utiliza ácido 5-hidroxi-2-decenoico o ácido 5-hidroxi-2-dodecenoico, o una sal de ellos, en la reacción de hidrogenación, y a esta última sigue la respectiva acidificación del ácido 5-hidroxi-2-dodecanoico o 5-hidroxi-2-decanoico obtenidos respectivamente, para proporcionar la correspondiente lactona.
4. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a 3, donde la bacteria se selecciona del grupo que consiste en Clostridium tyrobutyricum, Clostridium pasteurianum, Clostridium beijierincki, Clostridium acetobutyricum, Clostridium oceanium, Clostridium sticklandii y Clostridium thermobutyricum.
5. Procedimiento según la reivindicación 4, donde la bacteria se selecciona del grupo que consiste en cepas de Clostridium tyrobutyricum I-775, Clostridium tyrobutyricum I-776 Clostridium tyrobutyricum CNRZ 556, Clostridium pasteurianum DSM 525, Clostridium beijierincki DSM 6422 y Clostridium acetobutyricum DSM 792.
6. Procedimiento según la reivindicación 5, donde la cepa de bacteria es Clostridium tyrobutyricum I-775, Clostridium tyrobutyricum I-776 o Clostridium tyrobutyricum CNRZ 556.
7. Procedimiento según la reivindicación 1 o la 3, donde la citada sal de ácido 5-hidroxi-2-decenoico o ácido 5-hidroxi-2-dodecenoico se obtiene por tratamiento de 2-decen-5-olida o 2-dodecen-5-olida con una base o una enzima.
8. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 3, donde se emplea un éster de C_{1} a C_{4} de ácido 5-hidroxi-2-decenoico o de ácido 5-hidroxi-2-dodecenoico en la reacción de hidrogenación.
9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde en el curso de la reacción de hidrogenación, el pH se mantiene a un valor que comprende entre 4,5 y 8,5.
10. Procedimiento según la reivindicación 9, donde el pH se mantiene en un valor comprendido entre 6,5 y 7,0.
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