WO2020021346A1 - Método de obtención de ácido poliláctico (pla) a partir del suero de queso - Google Patents

Método de obtención de ácido poliláctico (pla) a partir del suero de queso Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method of obtaining polylactic acid (PLA) from cheese whey.
  • Lactoserum where approximately 80% of the milk that enters the process ends up being discarded in the form of whey, where it is a residue that pollutes 10 times more than allowed.
  • Lactosuero has several usable properties, but due to lack of technologies and / or studies it is wasted in Colombia, on the other hand, the biopolymer industry in the country is very scarce and unknown, at the national level there is no producer of polylactic acid (PLA ) -from Lactosuero- which is an "environmentally friendly" polymer with great utilities in the plastic or pharmaceutical industry. Additionally, in Colombia, new local policies have been established for the non-use of oil bags and the use of recyclable or biodegradable bags is being encouraged, motivating several sectors to import the PLA for its elaboration.
  • PLA polylactic acid
  • Lactic and polylactic acid and its traditional preparation have been described in different documents, for example in the application with reference number RU2016112880 and entitled "METHOD OF PRODUCING LACTIC ACID AND POLYLACTIC ACID” reveals a method for producing lactic acid that includes filtering a solution aqueous containing lactic acid through a nanofiltration membrane to recover an aqueous solution of lactic acid from the permeate side (Step A); distill the aqueous lactic acid solution to recover lactic acid from the steam side (Step B); and crystallize the lactic acid obtained in Stage B, and perform the solid-liquid separation to recover a crystal (s) of lactic acid (Stage C).
  • Step A filtering a solution aqueous containing lactic acid through a nanofiltration membrane to recover an aqueous solution of lactic acid from the permeate side
  • Step B distill the aqueous lactic acid solution to recover lactic acid from the steam side
  • Step C crystallize the lactic acid obtained in Stage B, and
  • the problem raised in this application is the need to a method to reuse a residue that is highly polluting for water sources known as whey or whey.
  • the present invention postulates a process of transformation of the aforementioned residue, into a polymeric material called polylactic acid (PLA), which has biodegradable, heat-resistant and thermosetting characteristics, guaranteeing the care of the environment, with the collection of serum and Production of a biopolymer that can be used in the plastics industry.
  • PLA polylactic acid
  • the polylactic acid obtained is a material that, in addition to its varied characteristics, proposes different applications, such as the production of bags, packaging, bottles, cigarettes, cloth fibers, 3D prints and knee prostheses.
  • This material solves another environmental problem, the accumulation of plastics in garbage deposits and water sources.
  • the method of obtaining the material consists of five stages, which are: Deproteinization and inoculation, fermentation (Obtaining lactic acid), separation and purification of lactic acid, polymerization of lactic acid and drying of polylactic acid.
  • the present invention develops a biodegradable polymer called polylactic acid from cheese whey.
  • polylactic acid a biodegradable polymer, it degrades in less than 1 year under composting, then the physical characteristics that the material commonly presents are presented.
  • Milk is a colloid that contains different components such as proteins, lactose, fat and water, the chemical composition of milk is shown in Table 2 below.
  • Whey as mentioned above is a waste for the dairy industry and its final disposal is as a dumping for water sources, Decree 3930 of 2010 and resolution 635 of 2015 stipulate that what is allowed for industrial liquid waste in COD indices (Chemical oxygen demand) and BOD (Biological oxygen demand) is between 3,000 and 4,000, whey contains between 30,000 and 40,000 in COD and BOD indices.
  • COD indices Chemical oxygen demand
  • BOD Biological oxygen demand
  • Whey is a residue in the cheese industry that has high lactose, protein and water contents that are remnants of cheese production.
  • the whey from the cheese producing companies is collected and due to the different studies that were carried out, it was discovered that in the process it was better to deproteinize the serum by denaturing the proteins by means of a thermal shock at temperatures above 100 ° C, then proceed to filter and micro filter in order to concentrate the serum by means of a vacuum pump.
  • the microorganisms used are lactic acid bacteria in the form of lyophilisate, where an inoculation should be carried out that lasts 24 hours at the conditions of 38 ° C to 42 ° C, pH between 5 and 6, depending on the volume to be fermented varies the Stirring, reference is made to the agitation used in dairy processes for yogurt preparation, in a solution of 80% unprotected serum and 20% unprotected serum (pasteurized) the inoculum is performed, which is 10% in total volume which is going to be done fermentation.
  • Fermentation The fermentation process is carried out by adding the inoculum after 24 hours and the total volume is completed with deproteinized serum, the process is anaerobic and the same conditions from 38 ° C to 42 ° C, pH between 5 and 6, depending on the volume to be fermented the stirring varies, to perform a proper pH control, calcium carbonate is added.
  • the fermentation lasts approximately 72 to 96 hours and is carried out in order to obtain lactic acid therefore the bacteria that must be used must be homofermentative and therefore must be lactic acid microorganisms such as: Lactobacillus delbrueckii and Streptococcus thermophilus.
  • the serum was supplemented with 15% excess lactose and 5% yeast extract, which after 72 hours by titratable acidity showed that 13.02 g / L of lactic acid in the form of calcium lactate was obtained. A greater amount than the one obtained in relation to the state of the postulated technique of the degree work "Evaluation of the Synthesis of Polylactic Acid from the Cheese Serum". ) Separation: Upon completion of fermentation, biomass, lactic acid in the form of calcium lactate and water are produced; therefore it is necessary remove the biomass through a centrifugation process at 5000 RPM and vacuum filtration and micro filtration is performed by membranes with a pore size of 1.2 pm.
  • the pH is reduced between 2 or 3 with hydrochloric acid (HCI) in the solution of calcium lactate and water, to produce lactic acid, calcium chloride and water, an adsorption is carried out on activated carbon and anionic zeolite to capture the calcium ions present in the solution.
  • HCI hydrochloric acid
  • Lactic acid and water are compounds at the end, it is for this reason that an exhaustive study has been carried out on the separation and recovery of lactic acid and the evaluation was continued with more solvents.
  • n-pentane because 90% of the lactic acid produced in the fermentation is recovered, where the calculated by titratable acidity was 1,171 .71 g / L, it should also be noted that it is the The first time n-pentane was used to separate lactic acid and it showed the improvement with respect to that obtained with the study of the technique by the separation with diethyl ether proposed by the author J. Cuéllar (Year 2014) and L. Cuervo and J Echeverry (Year 2016).
  • the process used is a liquid-liquid extraction by adding 50% v / v of n-pentane solvent to the water solution and stirring is carried out, so that there is greater contact between the phases, it is expected until evidence two phases and separate into different containers.
  • the lactic acid is separated from the water by a drag of the solvent and in the aqueous phase is the calcium chloride that was obtained by reducing the pH.
  • a recovery of the solvent is carried out, using the boiling point of the pentane; it is important to say that pentane is a solvent totally insoluble in water, which facilitates the interaction of lactic acid with the solvent and this can be removed from the aqueous solution.
  • the ternary diagram used for separation with the n-pentane solvent, carried out with the Aspen Properties program, is presented below.
  • the polymerization process uses the ROP method (Open ring opening), in the state of the art it was found that the ideal percentage for the polymerization of lactic acid is 88 to 92% pure, lactic acid obtained was ideal for polymerization after separation and purification.
  • the first step is the preparation of a pre polymer with lactic acid in a catalytic reaction under vacuum with an acid compound, this pre polymer is called lactide.
  • the second step is a catalytic reaction of tin with the pre polymer and tin chloride is used II (SnCl2) as catalyst.
  • methanol is used as a reaction initiator.
  • the polylactic acid is obtained as mentioned above by a polymerization of the lactic acid by the open ring opening method (ROP), where an esterification is performed with the lactic acid obtained, this process is carried out from a reaction with sulfuric acid from 50% to 80% v / v purity at a heating temperature of 120 ° C to 150 ° C and constant stirring for approximately 8 hours, with constant additions of sulfuric acid, after obtaining the lactic acid diester called lactide carries out the ring opening polymerization reaction (ROP) which consists of a catalytic reaction where the lactide obtained is added, methanol and tin chloride II are added, this reaction occurs between 1 and 4 hours with the generation of a white powder which refers to polylactic acid.
  • ROP open ring opening method
  • Polylactic acid is obtained by two polymerization methods, which are direct polycondensation and the ROP method.
  • the advantages of performing the ROP method is that they generate a high molecular weight polymer, this process is determined by the method of polymerization index and X-ray diffraction test, this is compared with the state of the art and authors such as J Cortés (Year 2016) and P. Pagesa (Year 2010), it was found that the polymer has crystallinity characteristics and when performing the X-ray diffraction test and comparing it with that obtained by the aforementioned authors, it demonstrated the characteristic peak where it measures the intensity and the angle at which it presents this property, this angle is between 15 and 20 °, the PLA obtained by the Present invention is at 18 °.
  • the reaction mechanism is shown below by the two polymerization methods that exist.
  • the separation process includes an adsorption process in a tower packed with activated cationic zeolite, which performs an exchange of H + for Ca + .
  • N-pentane is used as a solvent in the extraction of lactic acid, a solvent that, due to its insolubility characteristics and low boiling point, has improved the process with respect to the prior art. Since 90% of the lactic acid obtained by fermentation was recovered.
  • the main advantage of the process being from whey is that it proposes to use a highly polluting waste and generate a substitute for plastic materials, mitigating both pollution to river sources by dumping the residue, and the accumulation of conventional plastics .
  • the material decomposes and degrades in less than 1 year under compost.

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Abstract

La solicitud revela un método para la obtención de ácido poliláctico (PLA) a partir del suero de queso que comprende, entre otros, los pasos de desproteinización e inóculo, fermentación: separación: polimerización: y secado. Dentro del proceso reclamado se incluye la utilización de microorganismos como Lactobacillus Delbrueckii y Streptococcus Thermophilus. Además, la etapa de separación incluye un proceso de adsorción en una torre empacada de zeolita catiónica activada, la cual realiza un intercambio de H+ por Ca+ y en la etapa de separación se utiliza el solvente n-pentano en la extracción del ácido láctico, donde se recupera 90% del ácido láctico obtenido por vía fermentativa.

Description

MÉTODO DE OBTENCIÓN DE ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA) A PARTIR
DEL SUERO DE QUESO
CAMPO TÉCNICO
La presente invención está relacionada con un método de obtención de ácido poliláctico (PLA) a partir del suero de queso.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Actualmente el residuo más significante de la industria quesera es el Lactosuero donde aproximadamente el 80% de la leche que ingresa al proceso termina siendo desechada en forma de suero de leche, donde es un residuo que contamina 10 veces más que lo permitido. El Lactosuero tiene varias propiedades aprovechables, pero por falta de tecnologías y/o estudios se desaprovecha en Colombia, por otro lado, la industria de los biopolímeros en el país es muy escasa y desconocida, a nivel nacional no existe productor de ácido poliláctico (PLA) -proveniente del Lactosuero- el cual es un polímero "amigable con el medio ambiente" con grandes utilidades en la industria plástica o farmacéutica. Adicionalmente en Colombia se han instaurado nuevas políticas locales para el no uso de bolsas provenientes del petróleo y se está incentivando el empleo de bolsas reciclables o biodegradables motivando a varios sectores a importar el PLA para su elaboración.
De otro lado, mediante los decretos propuestos por el Instituto Nacional de Vigilancia de Medicamentos y Alimentos (INVIMA- Entidad Regulatoria en Colombia) que regulan los vertimientos y problemas ambientales, decretan que el suero es un residuo que contamina 10 veces más que lo permitido. Las empresas queseras grandes contratan otras empresas para que hagan la disposición final del residuo, las empresas pequeñas por el contrario diluyen el suero y lo vierten, esto acarrea multas y sanciones por el ente regulador.
Publicaciones de investigaciones han demostrado el uso del ácido láctico, así como la forma polimérica del ácido láctico, el ácido poliláctico que es empleado para compostaje. Así mismo, se encuentra que el ácido poliláctico tiene aplicación como plástico biodegradable en la industria alimenticia, cosmética y medicina.
El ácido láctico y poliláctico y su obtención tradicional se han descrito en diferentes documentos, por ejemplo en la solicitud con numero de referencia RU2016112880 y titulada“METHOD OF PRODUCING LACTIC ACID AND POLYLACTIC ACID” revela un método para producir ácido láctico que incluye filtrar una solución acuosa que contiene ácido láctico a través de una membrana de nanofiltración para recuperar una solución acuosa de ácido láctico del lado del permeado (Etapa A); destilar la solución acuosa de ácido láctico para recuperar ácido láctico del lado del vapor (Etapa B); y cristalizar el ácido láctico obtenido en la Etapa B, y realizar la separación sólido-líquido para recuperar un cristal (es) de ácido láctico (Etapa C).A pesar de lo anterior, en este proceso no se revelan todas las condiciones expuestas en nuestra solicitud con las ventajas y resultados que expondremos más adelante.
DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA INVENCIÓN
El problema planteado en la presente solicitud, consiste en la necesidad de un método para reutilizar un residuo que es altamente contaminante para las fuentes hídricas conocido como suero lácteo o Lactosuero.
Para solucionar este problema la presente invención postula un proceso de transformación del residuo anteriormente mencionado, en un material polimérico denominado ácido poliláctico (PLA), que presenta características biodegradables, termorresistentes y termoestables garantizando el cuidado del medio ambiente, con la recolección del suero y la producción de un biopolímero que puede ser usado en la industria plástica. Con el producto se espera darle un valor agregado al suero, este proviene de la producción de queso y es considerado un subproducto.
Un aspecto importante de la invención es que el ácido poliláctico obtenido es un material que además de sus variadas características propone diferentes aplicaciones, como son la elaboración de bolsas, empaques, botellas, pitillos, fibras de tela, impresiones en 3D y prótesis de rodilla. Este material resuelve otro problema ambiental, la acumulación de plásticos en depósitos de basuras y fuentes hídricas. El método de obtención del material consta de cinco etapas, las cuales son: Desproteinización e inoculación, fermentación (Obtención de ácido láctico), separación y purificación de ácido láctico, polimerización del ácido láctico y secado del ácido poliláctico.
LISTADO DE TABLAS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con los ejemplos preferentes de la realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un grupo de tablas y gráficas donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: Tabla 1 Propiedades físicas del ácido poliláctico. 5
Tabla 2 Composición de la leche . 5
Tabla 3 Composición del suero de queso . 6
Gráfica 1. Diagrama ternario de los componentes en la separación . 10
Ilustración 1 Mecanismos de reacción del ácido poliláctico . 12
Ilustración 2 Diagrama de flujo del proceso . 13
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención desarrolla un polímero biodegradable denominado ácido poliláctico a partir del suero de queso. Básicamente, el problema que resuelve el producto en estudio es de contaminación ambiental tanto por el vertimiento del suero lácteo como disposición final, como la acumulación de plásticos convencionales en vertederos y en depósitos de basura. El ácido poliláctico es un polímero biodegradable, este se degrada en menos de 1 año bajo compostaje, a continuación, se presentan las características físicas que presenta el material comúnmente.
De acuerdo, a lo anterior, se presenta la obtención de ácido poliláctico y policoprolactona (Copolimero del PLA), donde a partir del almidón de yuca, se realiza un método de hidroxipopilación del almidón para que se pueda llevar a cabo el proceso fermentativo Tabla 1 Propiedades físicas del ácido poliláctico.
Formula (C3H402)n
Peso molecular (Kda) 50 - 750
Punto de fusión (°C) 178
Densidad (g/cm3) 1.25
%Cristalinidad 15-74
Fuerza de tensión (Mpa 40-60
Módulo de tensión (Gpa 3 - 4
Temperatura Max. Usad 50 - 125
(°C)
Tg temperatura de trans 60 - 65
vitrea
Figure imgf000006_0001
Fuente: L. Serna C y colaboradores Et. Al. Año 2003
Se presenta a continuación el método de obtención del material a partir del suero de queso, con características químicas que aportan el suero, como materia prima en el proceso de obtención.
La leche es un coloide que contiene diferentes componentes como proteínas, lactosa, grasa y agua, a continuación se muestra la composición química de la leche en la tabla 2.
Tabla 2 Composición de la leche
Figure imgf000006_0002
En la industria quesera se utiliza solo el 20% de la leche, donde se realiza el queso a partir de la caseína, por precipitación ya sea acida o un agente enzimático denominado quajo o quimosina. Lo restante de la leche es suero se presenta la composición química en la tabla, este contiene un alto contenido de nutrientes y sobretodo lactosa, lo que lo hace ideal para un proceso fermentativo.
Tabla 3 Composición del suero de queso
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Figure imgf000007_0001
El suero como se ha mencionado antes es un desecho para la industria láctea y su disposición final es como vertimiento para las fuentes hídricas, el decreto 3930 del 2010 y la resolución 635 de 2015 estipulan que lo permitido para residuos líquidos industriales en los índices de DQO (Demanda química de oxigeno) y DBO (Demanda biológica de oxigeno) es entre 3000 y 4000, el suero lácteo contiene entre 30000 y 40000 en índices de DQO y DBO.
Por lo mencionado anteriormente, se realizó un estudio a nivel laboratorio en el cual y un estudio preliminar de un proceso de escalamiento, donde se llevaron a cabo ciertos procesos químicos al suero que se obtuvo a partir de la producción quesera para lograr el polímero en cuestión. MÉTODO DE OBTENCIÓN DE ÁCIDO POLILÁCTICO A PARTIR DEL SUERO DE QUESO
A continuación se propone un proceso de ingeniería básica para la producción de ácido poliláctico a partir del lactosuero, cabe resaltar que nunca se ha utilizado para la elaboración de ácido poliláctico como materia prima este residuo, las etapas del proceso son:
1 ) Desproteinización e inoculo: El suero es un residuo en la industria quesera que tiene altos contenidos de lactosa, proteínas y agua que son remanentes de la producción de queso. Se recolecta el suero de las empresas productoras queseras y debido a los diferentes estudios que se realizaron se descubrió que en el proceso era mejor desproteinizar el suero sometiendo a desnaturalización las proteínas mediante un choque térmico a temperaturas superiores de los 100°C, luego se procede a filtrar y micro filtrar con el objetivo de concentrar el suero mediante la ayuda de una bomba de vacío. Los microorganismos utilizados son bacterias ácido lácticas en forma de liofilizado, donde se debe realizar una inoculación que dura 24 horas a las condiciones de 38°C a 42°C, pH entre 5 y 6, dependiendo del volumen que se vaya a fermentar varia la agitación, se tiene como referencia la agitación que se utiliza en procesos lácteos de preparación de yogurt, en una solución de 80% suero desproteinizado y 20% suero sin desproteinizar (pasteurizado) se realiza el inoculo, el cual es el 10% en volumen total que se va a realizar de fermentación.
2) Fermentación: El proceso de fermentación se realiza adicionando el inoculo pasadas las 24 horas y se completa el volumen total con suero desproteinizado, el proceso es anaerobio y se utilizan las mismas condiciones de 38°C a 42°C, pH entre 5 y 6, dependiendo del volumen que se vaya a fermentar varía la agitación, para realizar un adecuado control de pH, se agrega carbonato de calcio. La fermentación dura aproximadamente de 72 a 96 horas y se realiza con el fin de obtener ácido láctico por lo tanto las bacterias que se deben utilizar deben ser homofermentativas y por ende deben ser microorganismos ácido lácticos como lo son: Lactobacillus delbrueckii y Streptococcus thermophilus.
Es importante resaltar que por vía fermentativa se produce una mezcla racémica de enantiomeros D (-) y L (+) del ácido láctico. La producción de ácido láctico se evaluó mediante espectrofotometría IR y prueba de acides titulable con la norma NTC 4978. La prueba con espectrofotómetro IR demostró la existencia de solo isómeros L (+) de ácido láctico. Se realizó la fermentación en un biorreactor de capacidad de 2.5L, con un agitador tipo RUSHTON utilizando un motor de 12V, donde se automatizó y se realizó un control de temperatura mediante un micro controlador Arduino y un intercambio de calor, controlando una resistencia calefactora mediante un relé.
El suero se suplemento con 15% de lactosa en exceso y 5% de extracto de levadura, que pasadas las 72 horas mediante acidez titulable se demostró que se obtuvo 13.02 g/L de ácido láctico en forma de lactato de calcio. Una mayor cantidad a lo obtenido frente al estado de la técnica postulado del trabajo de grado“Evaluación de la Síntesis de ácido poliláctico proveniente del suero de quesería”. ) Separación: Al terminar la fermentación se produce biomasa, ácido láctico en forma de lactato de calcio y agua; por lo tanto es necesario remover la biomasa mediante un proceso de centrifugación a 5000 RPM y se realiza un filtración y micro filtración al vacío por membranas de un tamaño de poro de 1 .2 pm.
Posteriormente se reduce el pH entre 2 o 3 con ácido clorhídrico (HCI) en la solución de lactato de calcio y agua, para producir ácido láctico, cloruro de calcio y agua, se realiza una adsorción en carbón activado y en zeolita aniónica para capturar los iones de calcio presentes en la solución. El ácido láctico y el agua son compuestos a fines, es por esta razón que se ha realizado un estudio exhaustivo en la separación y recuperación del ácido láctico y se continuó la evaluación con más solventes.
Sorprendentemente el solvente que mejores resultados arrojó fue n- pentano debido a que se recupera el 90% del ácido láctico producido en la fermentación donde lo calculado por medio de acidez titulable fue del 1 1 .71 g/L, además cabe resaltar que es la primera vez que se utiliza n-pentano para separar ácido láctico y demostró la mejora con respecto a lo obtenido con el estudio de la técnica por la separación con éter dietílico propuesto por el autor J. Cuéllar (Año 2014) y L. Cuervo y J. Echeverry (Año 2016). El proceso empleado es una extracción líquido-líquido adicionando en una proporción al 50% v/v de solvente n-pentano a la solución de agua y se realiza una agitación, a fin que haya mayor contacto entre las fases, se espera hasta que se evidencia dos fases y se separan en recipientes diferentes. Se separa el ácido láctico del agua por un arrastre del solvente y en la fase acuosa queda el cloruro de calcio que se obtuvo al reducir el pH. Luego, mediante una destilación de una sola etapa se realiza una recuperación del solvente, utilizando el punto de ebullición del pentano; es importante decir que el pentano es un solvente totalmente insoluble en agua, lo que facilita la interacción del ácido láctico con el solvente y este puede ser removido de la solución acuosa. Se presenta a continuación el diagrama ternario utilizado para la separación con el solvente n-pentano, realizado con el programa Aspen Properties.
Gráfica 1. Diagrama ternario de los componentes en la separación.
Figure imgf000011_0001
Fuente: Programa Aspen Properties.
4) Polimerización: El proceso de polimerización se utiliza el método ROP (Apertura abierta del anillo), en el estado de la técnica se encontró que el porcentaje ideal para la polimerización de ácido láctico es del 88 al 92% de pureza, el ácido láctico obtenido fue ideal para la polimerización después de separado y purificado. El primer paso es la elaboración de un pre polímero con el ácido láctico en una reacción catalítica al vacío con un compuesto ácido, este pre polímero se denomina lactida. El segundo paso es una reacción catalítica de estaño con el pre polímero y se utiliza cloruro de estaño II (SnCl2) como catalizador. Además, se utiliza metanol como iniciador de la reacción.
El ácido poliláctico es obtenido como se mencionó anteriormente mediante una polimerización del ácido láctico por el método de apertura abierta del anillo (ROP), donde se realiza una esterificación con el ácido láctico obtenido, este proceso se realiza a partir de una reacción con ácido sulfúrico de 50% a 80% v/v de pureza a una temperatura de calentamiento de 120°C a 150°C y agitación constante durante aproximadamente 8 horas, con adiciones constantes de ácido sulfúrico, una vez obtenido el diéster de ácido láctico llamado lactida se lleva a cabo la reacción de polimerización por apertura abierta del anillo (ROP) la cual consiste en una reacción catalítica donde se adicionan la lactida obtenida, se añaden metanol y cloruro de estaño II, esta reacción ocurre entre 1 y 4 horas con la generación de un polvo blanco el cual hace referencia al ácido poliláctico.
El ácido poliláctico se obtiene por dos métodos de polimerización, los cuales son policondensación directa y el método ROP. Las ventajas de realizar el método ROP, es que generan un polímero de alto peso molecular, este proceso se determina por el método de índice de polimerización y prueba de difracción de rayos X, este es comparado con el estado de la técnica y autores como J. Cortés (Año 2016) y P. Pagesa (Año 2010), se encontró que el polímero presenta características de cristalinidad y al realizar la prueba por difracción de rayos X y compararlo con lo obtenido por los autores anteriormente mencionados demostró el pico característico donde se mide la intensidad y el ángulo al cual éste presenta esta propiedad, este ángulo esta entre 15 y 20°, el PLA obtenido por la presente invención está en 18°. Se muestra a continuación el mecanismo de reacción por los dos métodos de polimerización que existen.
Ilustración 1 Mecanismos de reacción del ácido poliláctico.
Figure imgf000013_0001
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Fuente: Artículo Polimerización ácido láctico Biopolímeros extraído
Figure imgf000013_0002
5) Secado: Al terminar la polimerización y evaporar el etanol, se adiciona acetona en el polvo para retirar impurezas y se lleva a una centrífuga a 5000 rpm, posteriormente se realiza una filtración al vacío y se lleva a un desecador el polvillo para obtener el PLA totalmente seco.
A continuación, se presenta el diagrama de flujo del proceso desde la obtención del suero hasta el polímero. Ilustración 2 Diagrama de flujo del proceso
Figure imgf000014_0001
Fuente: Los Autores programa DIAW
Ventajas del proceso inventivo:
1 ) El proceso fermentativo se llevó acabo en un termentador, y se acondicionó el sustrato para obtener un porcentaje de rendimiento 34%, utilizando los microorganismos ( Lactobacillus Delbrueckii y Streptococcus Thermophilus).
2) El Proceso de separación incluye un proceso de adsorción en una torre empacada con zeolita catiónica activada, la cual realiza un intercambio de H+ por Ca+. Se utiliza n-pentano como solvente en la extracción del ácido láctico, solvente que por sus características de insolubilidad y bajo punto de ebullición han mejorado el proceso con respecto al estado de la técnica. Puesto que se recuperó el 90% del ácido láctico obtenido por vía fermentativa. 3) El proceso de polimerización, al realizarse por el método ROP, con cloruro de estaño como catalizador representa un rendimiento del 99% con respecto al ácido láctico obtenido en la fermentación, este material ha demostrado cumplir con propiedades físicas que posee el PLA comercial, es soluble en cloroformo, tiene un punto de ebullición de 121 °C, es cristalino y posee el pico característico en pruebas de difracción de rayos X. La ventaja sobre la polimerización ROP al método de policondensación directa es no solo en tiempo, gasto energético sino en la producción de un polímero de alto peso molecular. Diferente a los procesos convencionales donde se realiza la obtención por el método de policondensación directa para la obtención del ácido poliláctico, el cual tiene más etapas y producen un polímero de bajo peso molecular.
4) La ventaja mayor del proceso al ser proveniente del suero de quesería, es que propone utilizar un residuo altamente contaminante y generar un sustituto de los materiales plásticos, mitigando tanto en contaminación a fuentes fluviales por vertimiento del residuo, como la acumulación de plásticos convencionales. El material se descompone y se degrada en menos de 1 año bajo compost.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Método de obtención de ácido poliláctico (PLA) a partir del suero de queso que comprende las siguientes etapas:
1 ) Desproteinización e inoculo:
a. Someter a desnaturalización las proteínas mediante un choque térmico a temperaturas superiores de los 100°C, luego
b. Filtrar y microfiltrar para concentrar el suero con la ayuda de una bomba de vacío.
c. Inocular: La fase de inoculación dura 24 horas a las condiciones de 38°C a 42°C, pH entre 5 y 6, empleando como microorganismos bacterias ácido lácticas en forma de liofilizado. Se somete a agitación en una solución de 80% suero desproteinizado y 20% suero sin desproteinizar (pasteurizado). Esta fase es el 10% en volumen total que se va a realizar de fermentación.
2) Fermentación: en un biorreactor de capacidad de 2,5 L, se siguieron las siguientes fases:
a. Adicionar el inoculo obtenido en la etapa anterior, después de 24 horas
b. Completar a volumen total con suero desproteinizado c. Agregar carbonato de calcio para lograr un pH entre 5 y 6. d. Agitar empleando un agitador tipo RUSFITON
e. El suero obtenido se suplemento con 15% de lactosa en exceso y 5% de extracto de levadura, donde se obtuvo 13,02% de ácido láctico en forma de lactato de calcio Las condiciones de esta etapa son: 38°C a 42°C, tiempo de fermentación 72 a 96 horas, microorganismos ácido lácticos empleados: Lactobacillus delbrueckii y Streptococcus thermophilus.
3) Separación:
a. Separar la biomasa obtenida después de la fermentación, del ácido láctico en forma de lactato de calcio y agua, mediante centrifugación
b. Filtrar y microfiltrar al vacío
c. Agregar ácido clorhídrico (HCI) en solución de lactato de calcio y agua, para producir ácido láctico, cloruro de calcio y agua, a un pH entre 2 o 3.
d. Adsorber en carbón activado y en zeolita aniónica para capturar los iones de calcio presentes en la solución. e. Separar el ácido láctico de agua, mediante adición del solvente n-pentano en una proporción al 50% v/v, por extracción líquido-líquido
f. Agitar hasta evidencia de dos fases y separar el ácido láctico del agua por arrastre del solvente y en la fase acuosa queda el cloruro de calcio que se obtuvo al reducir el pH
g. Destilar en una sola etapa donde se recupera el solvente, mediante el punto de ebullición del solvente n-pentano.
4) Polimerización:
a. Elaborar un pre-polímero (denominado lactida) con el ácido láctico en una reacción catalítica al vacío con un compuesto ácido.
b. Reacción catalítica de estaño con el pre-polímero y se utiliza cloruro de estaño II (SnCl2) como catalizador. Emplear metanol como iniciador de la reacción, en un tiempo entre 1 a 4 horas.
c. Esterificar con el ácido láctico obtenido, mediante reacción con ácido sulfúrico de 50% a 80% v/v de pureza a una temperatura de calentamiento de 120°C a 150°C y agitación constante, con adiciones constantes de ácido sulfúrico.
5) Secado:
a. Evaporar el etanol
b. Adicionar acetona en el polvo obtenido para retirar impurezas c. Llevar a centrifugación
d. Filtrar al vacío
e. Llevar a desecador para obtener el PLA totalmente seco. 2. Método de obtención de ácido poliláctico (PLA) a partir del suero de queso de la Reivindicación 1 , en donde la etapa de fermentación se lleva a cabo en un termentador y se acondicionó el sustrato donde el rendimiento fue de 34% 3. Método de obtención de ácido poliláctico (PLA) a partir del suero de queso de la Reivindicación 1 , donde los microorganismos utilizados fueron: Lactobacillus Delbrueckii y Streptococcus Thermophilus.
4. Método de obtención de ácido poliláctico (PLA) a partir del suero de queso de la Reivindicación 1 , donde la etapa de separación incluye un proceso de adsorción en una torre empacada de zeolita catiónica activada, la cual realiza un intercambio de H+ por Ca+
5. Método de obtención de ácido poliláctico (PLA) a partir del suero de queso de la Reivindicación 1 , en donde en la etapa de separación se utiliza el solvente n-pentano en la extracción del ácido láctico, donde se recupera 90% del ácido láctico obtenido por vía fermentativa.
6. Método de obtención de ácido poliláctico (PLA) a partir del suero de queso de la Reivindicación 1 , donde la etapa de polimerización se realiza por el método ROP, con cloruro de estaño como catalizador.
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