ES2225436T3 - Procedimiento de preparacion de acido lactico mediante cristalizacion por evaporacion. - Google Patents

Procedimiento de preparacion de acido lactico mediante cristalizacion por evaporacion.

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ES2225436T3 ES01401344T ES01401344T ES2225436T3 ES 2225436 T3 ES2225436 T3 ES 2225436T3 ES 01401344 T ES01401344 T ES 01401344T ES 01401344 T ES01401344 T ES 01401344T ES 2225436 T3 ES2225436 T3 ES 2225436T3
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    • C07C51/00Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/02Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides from salts of carboxylic acids

Abstract

Procedimiento de preparación de ácido láctico de alta pureza a partir de una solución acuosa que contiene el citado ácido en forma de sal(es), caracterizado por que: - la solución acuosa se trata con un ácido fuerte, a fin de liberar el ácido láctico en forma libre y de generar las sales del ácido fuerte correspondiente, - las citadas sales del ácido fuerte se cristalizan mediante cristalización por evaporación, - se recupera el ácido láctico en forma libre en solución.

Description

Procedimiento de preparación de ácido láctico mediante cristalización por evaporación.
La presente invención hace referencia a un procedimiento particular de preparación de ácido láctico a partir de una solución acuosa que contiene ácido láctico en forma de sal(es), específicamente a partir de un medio de fermentación.
La presente invención hace referencia igualmente a un procedimiento de preparación de ácido láctico cuya pureza permite su utilización no solamente en sectores tales como el dominio de las aplicaciones alimentarias, las industrias químicas, agroquímicas, los materiales plásticos, los cosméticos, sino también, sobre todo, en el dominio de las aplicaciones farmacéuticas.
Según la invención, un "ácido láctico de alta pureza" se entiende de una calidad de ácido láctico que satisface las normas farmacéuticas de pureza (prueba de estabilidad térmica de "The United States Pharmacopeia") y conforme a las normas del "Food Chemicals Codex".
La preparación de una solución acuosa de ácido láctico en forma de sal(es) se entiende habitualmente como la fermentación de microorganismos de los tipos Lactobacillus (tales como los L. acidophilus, L. delbrüeckii o L. pentosus), Lactococcus, Enterococcus, Pediococcus, Vagococcus, Tetragenococcus, Aerococcus, Rhizopus, Bacillus (tal como el B. coagulans), Screptococcus, Bifidobacterium,...
En efecto, es conocido que el crecimiento de la mayoría de estos microorganismos productores de ácido láctico, e incluso su viabilidad, son inhibidos por el descenso del pH del medio de fermentación, estando provocada esta fuerte acidificación del medio por la producción de ácidos orgánicos, incluyendo el propio ácido láctico.
Por tanto, es necesario regular el pH, y se admite generalmente que es necesario mantenerlo en un valor comprendido entre 4 y 7, preferentemente superior a 4,5, por ejemplo comprendido entre 5,5 y 6,5, mediante aportación de bases tales como los hidróxidos de metales alcalinos o alcalinotérreos, los carbonatos o los bicarbonatos.
El ácido láctico se encuentra por tanto en estos medios de fermentación en forma de sales (lactatos de sodio, de potasio, de calcio o de amonio, solos o mezclados, en función de la base escogida para regular el pH del medio de fermentación).
Por ello, todos los métodos de recuperación de ácido láctico a partir de soluciones acuosas que lo contienen, y en particular cuando esta solución acuosa se halla constituida por un medio de fermentación, deben resolver las mismas dificultades, es decir, llevar a cabo la separación entre la o las sales del ácido láctico, los microorganismos que las han producido y las impurezas del medio de fermentación (azúcares y proteínas sin consumir, así como sales inorgánicas de naturaleza diversa), y además, llevar a cabo la conversión de las sales del ácido láctico en ácido láctico en forma libre, lo que precisa igualmente la posterior eliminación de la base generada correspondiente.
Se han propuesto diversos métodos para la recuperación del ácido láctico a partir de una solución acuosa, y en particular a partir de un medio de fermentación.
Todos estos métodos se basan en el mismo principio, a saber, en la extracción del ácido láctico como tal del medio de fermentación.
Sin embargo, tal y como se ha mostrado anteriormente, el ácido láctico se halla presente en forma de sal (lactato).
Si la regulación del pH del medio de fermentación se lleva a cabo mediante carbonatos o bicarbonatos de calcio, el ácido láctico en forma libre puede ser recuperado, por ejemplo, mediante acidificación del medio con ácido sulfúrico.
La reacción da lugar entonces a la formación de sulfatos de calcio (yeso) que precipitan, y a la liberación de ácido láctico en forma libre que, por ejemplo, puede ser adsorbido a continuación en un soporte adaptado y posteriormente desorbido (GB-A-907 321).
Tal y como se describe en el documento EP 849.262, para obtener ácido láctico de alta pureza, se realizan generalmente múltiples cristalizaciones, inicialmente de lactatos de calcio para eliminar las impurezas solubles del medio de fermentación, y a continuación de sulfatos de calcio liberados tras el tratamiento con ácido sulfúrico.
Estas etapas de cristalización vienen seguidas de numerosas etapas complementarias de extracción con éter o mediante una amina de cadena larga, combinadas con etapas de purificación por cromatografía de intercambio de iones, electrodiálisis y reacciones de hidrólisis para obtener un ácido láctico de alta pureza.
El primer inconveniente de este método, por lo demás eficaz en términos de rendimiento, es el consumo elevado de ácido sulfúrico, y sobre todo la producción de importantes cantidades de yeso, lo cual genera serios problemas para el medio ambiente en lo que respecta al tratamiento de los desechos y a la biodegradabilidad.
El segundo inconveniente es la complejidad y el elevado número de etapas necesarias para la obtención de un ácido láctico de alta pureza.
Por tanto, se han propuesto otras técnicas que dan como resultado la cristalización de sales del ácido láctico.
Por ejemplo, la patente US 5.641.406 describe, tras la etapa de precipitación de los lactatos de calcio mediante ácido sulfúrico y el tratamiento con sales de ferrocianuro o de hexaferrocianuro para eliminar los iones cobre y hierro, la decoloración mediante carbón activo del ácido láctico "en bruto" así obtenido, y a continuación etapas subsiguientes de purificación para eliminar todas las sales residuales, concentración por evaporación y finalmente cristalización de los lactatos.
Este procedimiento todavía implica un número importante de etapas de purificación, y la manipulación de productos químicos tóxicos.
Una solución a estos problemas se proporciona en la patente US 5.210.296, por el empleo de un procedimiento que consiste en:
- la acidificación de una solución acuosa que contiene lactato de amonio en presencia de un alcohol con 4 ó 5 átomos de carbono utilizado como diluyente, usando ácido sulfúrico (o cualquier otro ácido fuerte) en continuo,
- la eliminación del agua de la mezcla acidificada mediante la destilación de la mezcla azeotrópica agua / alcohol, y simultánea o secuencialmente, la eliminación de los cristales de sulfatos de amonio generados (o las sales del ácido fuerte generadas).
- la destilación y la hidrólisis del éster del ácido láctico liberado para producir un ácido láctico libre de una pureza superior al 99,5%.
No obstante, la dificultad de este procedimiento reside específicamente en la obligación de eliminar los sulfatos de amonio. Por tanto, se menciona que es obligatorio utilizar alcoholes que posean 4 ó 5 átomos de carbono (en este caso el n-butanol) para obtener cristales de sulfato de amonio lo suficientemente gruesos como para facilitar su separación por simple filtración del medio de reacción.
Así, es posible fabricar gracias a ello una mezcla azeotrópica agua / n-butanol que resultará fácil de eliminar mediante destilación en continuo.
Por tanto, es obligatorio pasar por el éster del ácido láctico, su destilación y su hidrólisis para obtener un ácido láctico de una pureza satisfactoria.
Por ello, todos los procedimientos del estado actual de la técnica implican todavía en la práctica esta sucesión de etapas numerosas y pesadas, que hacen particularmente larga y fastidiosa la purificación del ácido láctico a partir de una solución acuosa que contiene ácido láctico en forma de sal(es).
De todo lo que precede se deduce que existe una necesidad no satisfecha de disponer de un procedimiento más simple y menos costoso que permita la separación, concentración y purificación de un ácido láctico de alta pureza, todo ello con un excelente rendimiento, a partir de una solución acuosa que contiene ácido láctico en forma de sal(es).
Deseosa de desarrollar un procedimiento que responda mejor que los ya existentes a las limitaciones de la práctica, la Sociedad Solicitante ha constatado que este objetivo podría alcanzarse mediante un procedimiento que consiste en efectuar en una solución acuosa que contiene ácido láctico en forma de sal(es) una acidificación de la citada solución acuosa y una cristalización en condiciones particulares de las sales del ácido fuerte así generadas, lo que permite obtener directamente un ácido láctico libre de alta pureza.
La Sociedad Solicitante ha vencido así los prejuicios técnicos según los cuales el empleo de una etapa de cristalización en un protocolo de purificación de ácido láctico a partir de una solución acuosa que contiene ácido láctico en forma de sal(es):
- debe entenderse como la cristalización de la sal del ácido láctico para extraerla del citado medio, y solamente después de su acidificación para precipitar las sales del ácido fuerte y generar el ácido láctico en forma libre, o
- si debe entenderse como la cristalización de las sales del ácido fuerte, lo que debe darse imperativamente en un medio alcohólico, a fin de generar cristales lo suficientemente coagulados como para permitir su eliminación del citado medio, con la formación simultánea de éster del ácido láctico.
El procedimiento de preparación de ácido láctico de alta pureza a partir de una solución acuosa que contiene ácido láctico en forma de sal(es) de acuerdo con la invención de la Sociedad Solicitante se caracteriza por que:
- la solución acuosa se trata con un ácido fuerte, a fin de liberar el ácido láctico en forma libre y de generar las sales del ácido fuerte correspondiente,
- las citadas sales del ácido fuerte se cristalizan mediante cristalización por evaporación,
- el ácido láctico se recupera en forma libre en solución.
La primera etapa del procedimiento según la presente invención consiste en tratar la solución acuosa que contiene el ácido láctico en forma de sal(es) con la ayuda de un ácido fuerte, a fin de liberar el ácido láctico en forma libre y de generar las sales del ácido fuerte correspondiente.
En un modo preferente de realización del procedimiento según la presente invención, se utiliza una solución acuosa que contiene el ácido láctico en forma de sales, obtenida a partir de un medio de fermentación de un microorganismo productor de ácido láctico. Este medio de fermentación es despojado de los citados microorganismos mediante cualquier técnica conocida, por otra parte, por el experto en la materia.
Los microorganismos productores de ácido láctico se seleccionan de manera indiferente y específicamente del grupo constituido por los Lactobacillus, Lactococcus, Enterococcus, Pediococcus, Vagococcus, Tetragenococcus, Aerococcus, Rhizopus, Bacillus, Streptococcus y Bifidobacterium. La composición de su medio de fermentación se describe ampliamente en el estado actual de la técnica.
El ajuste del pH del medio de fermentación a un valor comprendido, por ejemplo, entre 5 y 7 se lleva a cabo alimentando en continuo el medio de fermentación de una base escogida preferentemente del grupo constituido por NaOH, MgCO_{2}, Na_{2}CO_{3}, Ca(OH)_{2}, CaCO_{3}, KOH y NH_{4}OH, y es preferentemente NH_{4}0H o NaOH.
El ácido láctico está presente en forma de una sal de metal alcalinotérreo escogido del grupo constituido por el amonio, el magnesio, el calcio, el sodio y el potasio, y es preferentemente amonio o sodio.
Según la presente invención, el ácido láctico contenido en el medio de fermentación se encuentra parcial o totalmente en forma de sal(es) de amonio o de sal(es) de sodio.
En cuanto a la separación de los citados microorganismos productores de ácido láctico de otros componentes del medio de fermentación, ésta puede consistir en una microfiltración, un centrifugado o una precipitación de los citados microorganismos mediante agentes floculantes. Estas técnicas también pueden combinarse.
En el procedimiento según la presente invención, se prefiere una técnica de microfiltración que utiliza una membrana de microfiltración cuya porosidad se halla adaptada al tamaño de los microorganismos considerados, por ejemplo membranas TECHSEP de 0,1 \mum de porosidad para microorganismos productores de ácido láctico del tipo Lactobacillus.
Se procede ventajosamente a continuación a una etapa de eliminación de los componentes poco o no iónicos del medio de fermentación que aún están presentes en la solución acuosa ya despojada de microorganismos, mediante una técnica escogida de entre el grupo de las técnicas de nanofiltración y/o electrodiálisis convencional, tal y como se explicará mediante un ejemplo más adelante.
Se entiende aquí que estos componentes no iónicos son proteínas y azúcares no completamente asimilados por los microorganismos productores de ácido láctico.
La etapa de electrodiálisis convencional consiste, por ejemplo, en tratar, en un módulo de electrodiálisis convencional, un medio de fermentación despojado de su biomasa que contiene entre un 5 y un 15% en peso de lactato y de coproductos de la fermentación, con el fin de recuperar una solución enriquecida en lactatos y en sales, despojada de sus componentes poco o no iónicos.
La solución de lactato de amonio o de sodio que se recupera de esta manera a la salida de la electrodiálisis convencional presenta, por ejemplo, una materia seca comprendida entre el 4 y el 15% en peso, preferentemente entre el 5 y el 10% en peso.
Esta solución se concentra ventajosamente a continuación hasta alcanzar una materia seca de al menos un 30% en peso, preferentemente de entre el 30 y el 50% en peso, mediante cualquier técnica conocida por el experto en la materia.
La solución de lactato de amonio o de sodio así concentrada se acidifica entonces con la ayuda de un ácido fuerte. Se escoge ventajosamente el ácido sulfúrico al 98%, y se lleva el pH del medio de la reacción a un valor comprendido entre 2 y 4, preferentemente a un valor de 2,5.
Esta reacción de acidificación hace que se separe el ácido láctico en forma libre y que se generen las sales del ácido fuerte correspondiente, en este caso los sulfatos de amonio o los sulfatos de sodio.
La segunda etapa del procedimiento según la presente invención consiste por su parte en cristalizar por evaporación las citadas sales del ácido fuerte, más en particular, en este caso, los sulfatos de amonio o de sodio.
Esta etapa consiste en llevar a cabo una cristalización por evaporación o evapocristalización de la solución acuosa que contiene la mezcla de ácido láctico libre y de sulfatos de amonio o de sulfatos de sodio, con el fin de permitir la cristalización específica de los sulfatos de amonio o de sodio, dejando el ácido láctico libre en solución en la solución acuosa
madre.
La reacción se detiene cuando el sistema parece no evaporar más agua.
La masa cristalina así obtenida puede ser separada a continuación del ácido láctico libre en solución mediante una técnica escogida del grupo de las técnicas de filtración y de centrifugado, preferentemente la técnica de centrifugado.
Las condiciones de evapo-cristalización se escogen con el fin de obtener una fracción constituida de ácido láctico libre con una materia seca de un valor al menos igual al 70% en peso, preferentemente al menos igual al 90% en peso, y una fracción que contiene al menos el 90% en peso de sulfato de amonio o de sodio en forma cristalizada, tal y como se describirá más adelante.
Finalmente, puede llevarse a cabo una última etapa que consiste en eliminar las últimas impurezas presentes en la fracción constituida de ácido láctico libre con una materia seca llevada a un valor al menos igual al 10% en peso, preferentemente al menos igual al 25% en peso. Las citadas impurezas están compuestas principalmente de iones, por ejemplo de amonio, que los diferentes tratamientos anteriormente mencionados no han sido capaces de eliminar completamente, así como de sulfatos residuales.
También es posible, ventajosamente:
a) desmineralizar la solución así obtenida sobre una resina catiónica fuerte, y a continuación en una resina aniónica débilmente básica,
b) concentrar el ácido láctico purificado de esta manera.
La primera etapa consiste en eliminar el conjunto de sales inorgánicas mediante el paso por dos resinas, una catiónica fuerte y a continuación una aniónica débil.
En la segunda etapa, se procede a la concentración de la solución resultante con el fin de llevarla hasta una materia seca al menos igual al 90% en peso.
De manera sorprendente e inesperada, el análisis del ácido láctico así separado y purificado revela una calidad satisfactoria según las normas farmacéuticas de pureza (de conformidad con "The United States Pharmacopeia") y conforme a las normas del "Food Chemicals Codex".
Otras características y ventajas de la invención aparecerán en la lectura de los siguientes ejemplos. No obstante, éstos no se proporcionan aquí más que a título ilustrativo y no limitativo.
Ejemplo 1
Se parte de un medio de fermentación de Lactococcus que contiene 82 g/l de ácido láctico en forma de lactatos de amonio, un 0,8% de proteínas y un 0,5% de azúcares residuales, despojado de sus microorganismos por microfiltración.
650 l de esta solución alimentan un módulo de electrodiálisis del tipo EUR6B EURODIA, equipado con membranas de intercambio de iones (NEOSEPTA-TO-KUYAMA SODA) del tipo catiónico CMX-S y aniónico AMX Sb con 5,6 m^{2} de superficie activa, siguiendo los parámetros de funcionamiento definidos por el constructor, a 35ºC, a fin de obtener una tasa de recuperación de ácido láctico en forma de lactatos de amonio del 98%.
La solución así sometida a electrodiálisis permite recuperar de la fracción enriquecida con lactatos de amonio un 90% de ácido láctico en forma de sal.
Esta solución se concentra por evaporación en vacío a una presión de 0,9 bar y a una temperatura de 60ºC en un evaporador de película descendente del tipo WIEGAND.
La solución concentrada así obtenida (120 l con un 40% de peso seco) es acidificada con H_{2}SO_{4} al 98% hasta un pH de 2,5.
Esta solución acidificada es sometida entonces a una etapa de cristalización por evaporación que consiste en trasegar en vacío el agua residual por agitación, a una presión fija de 0,8 bar y a una temperatura de 60ºC.
La cristalización por evaporación se lleva a cabo durante 10 h.
Tras la cristalización por evaporización, se obtienen 52 kg de una masa cristalizada que contiene un 36% en peso de cristales individualizados de sulfatos de amonio.
Una etapa de centrifugado en una centrifugadora horizontal del tipo ROUSSELET permite separar los cristales de los sulfatos de amonio de la solución láctica en forma libre purificada.
La citada solución de ácido láctico se recupera con una materia seca del 95% para una riqueza del 95% en ácido láctico.
La citada solución se lleva a continuación a un 25% en peso de materia seca y se desmineraliza en resinas catiónicas fuertes y aniónicas débiles mediante cualquier método conocido en sí mismo por el experto en la materia.
Él ácido láctico así desmineralizado se concentra por evaporación con el fin de alcanzar una materia seca del 90% en peso.
El ácido láctico así separado y purificado reveló una calidad satisfactoria según las normas farmacéuticas de pureza (de conformidad con "The United States Pharmacopeia") y conforme a las normas del "Food Chemicals Codex". Más en particular, el análisis reveló una concentración en ácido L-láctico del 97,5%, y un contenido en cenizas inferior al 0,1%. Además, las pruebas de "sustancia fácilmente carbonizable" ("substance aisément carbonisable"), "ácidos orgánicos" ("acides organiques") y "contenido en azúcares reductores" ("teneur en sucres réducteurs") resultaron conformes a las especificaciones requeridas.
Ejemplo 2
Se procede igual que como se ha descrito en el ejemplo 1, partiendo de un medio de fermentación de Lactococcus que contiene 80 g/l de ácido láctico en forma de lactatos de sodio, un 0,9% de proteínas y un 0,4% de azúcares residuales, despojado de sus microorganismos por microfiltración.
207 l de esta solución alimentan un módulo de electrodiálisis del tipo EUR6B EURODIA, equipado con membranas de intercambio de iones (NEOSEPTA-TO-KUYAMA SODA) del tipo catiónico CMX-S y aniónico AMX Sb con 5,6 m^{2} de superficie activa, siguiendo los parámetros de funcionamiento definidos por el constructor, a 35ºC, a fin de obtener una tasa de recuperación de ácido láctico en forma de lactatos de sodio del 97%.
La solución así sometida a electrodiálisis permite recuperar de la fracción enriquecida con lactatos de sodio un 90% de ácido láctico en forma de sal.
Esta solución se concentra por evaporación en un vacío a una presión de 0,9 bar y a una temperatura de 60ºC en un evaporador de película descendente del tipo WIEGAND.
La solución concentrada así obtenida (41,5 l con un 40% de peso seco) es acidificada con H_{2}SO_{4} al 98% hasta un pH de 2,5.
Esta solución acidificada es sometida entonces a una etapa de cristalización por evaporación que consiste en trasegar en vacío el agua residual por agitación, a una presión fija de 0,8 bar y a una temperatura de 60ºC.
La cristalización por evaporación se lleva a cabo durante 10 h.
Tras la cristalización por evaporación, se obtienen 19 kg de una masa cristalizada que contiene un 40% en peso de cristales individualizados de sulfatos de sodio.
Una etapa de centrifugado en una centrifugadora horizontal del tipo ROUSSELET permite separar los cristales de los sulfatos de sodio de la solución láctica en forma libre purificada.
La citada solución de ácido láctico se recupera con una materia seca del 95% para una riqueza del 95% en ácido láctico.
La citada solución se lleva a continuación a un 25% en peso de materia seca y se desmineraliza en resinas catiónicas fuertes y aniónicas débiles mediante cualquier método conocido en sí mismo por el experto en la materia.
Él ácido láctico así desmineralizado se concentra por evaporación con el fin de conducirlo hasta una materia seca del 90% en peso.
El ácido láctico así separado y purificado reveló una calidad satisfactoria según las normas farmacéuticas de pureza (de conformidad con "The United States Pharmacopeia") y conforme a las normas del "Food Chemicals Codex". Más en particular, el análisis reveló una concentración en ácido L-láctico del 98%, y un contenido en cenizas inferior al 0,1%. Además, las pruebas de "sustancia fácilmente carbonizable" ("substance aisément carbonisable"), "ácidos orgánicos" ("acides organiques") y "contenido en azúcares reductores" ("teneur en sucres réducteurs") resultaron conformes a las especificaciones requeridas.

Claims (10)

1. Procedimiento de preparación de ácido láctico de alta pureza a partir de una solución acuosa que contiene el citado ácido en forma de sal(es), caracterizado porque:
- la solución acuosa se trata con un ácido fuerte, a fin de liberar el ácido láctico en forma libre y de generar las sales del ácido fuerte correspondiente,
- las citadas sales del ácido fuerte se cristalizan mediante cristalización por evaporación,
- se recupera el ácido láctico en forma libre en solución.
2. Procedimiento, según la reivindicación 1, caracterizado porque la solución acuosa que contiene el ácido láctico en forma de sal(es) es un medio de fermentación despojado de sus microorganismos.
3. Procedimiento, según la reivindicación 2, caracterizado porque el medio de fermentación se somete a una etapa de electrodiálisis con el fin de obtener una solución acuosa sometida a electrodiálisis despojada de componentes no iónicos del medio de fermentación.
4. Procedimiento, según la reivindicación 3, caracterizado porque la solución acuosa sometida a electrodiálisis se concentra hasta una materia seca de al menos el 30%.
5. Procedimiento, según la reivindicación 4, caracterizado porque la solución acuosa sometida a electrodiálisis se concentra hasta una materia seca de entre el 30 y el 50%.
6. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el ácido fuerte es ácido sulfúrico al 98%.
7. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque los cristales de sales del ácido fuerte se separan del ácido láctico en forma libre mediante una técnica escogida del grupo de las técnicas de filtración y centrifugado.
8. Procedimiento, según la reivindicación 7, caracterizado porque los cristales de sales del ácido fuerte se separan del ácido láctico en forma libre mediante la técnica de centrifugado.
9. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el ácido láctico se halla presente en forma de una sal de metal alcalinotérreo escogido del grupo constituido por el amonio, el magnesio, el calcio, el sodio y el potasio.
10. Procedimiento, según la reivindicación 9, caracterizado porque el ácido láctico se halla presente en forma de una sal de metal alcalinotérreo que es el amonio o el sodio.
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