tecnol. ciencia ed.ciencia(imiq) vol. 23 núm. 2, 2008 · deseable su aprovechamiento para la...

Tecnología, Ciencia, Educación

ISSN: 0186-6036

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Instituto Mexicano de Ingenieros Químicos A.C

México

Gil-Horán, Ricardo Heliodoro; Domínguez-Espinosa, Rosa María; Pacho-Carrillo, Juan Daniel

Bioproducción de ácido láctico a partir de residuos de cáscara de naranja: Procesos de separación y

purificación

Tecnología, Ciencia, Educación, vol. 23, núm. 2, julio-diciembre, 2008, pp. 79-90

Instituto Mexicano de Ingenieros Químicos A.C

Monterrey, México

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Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 23 núm. 2, 2008 79

Bioproducción de ácido láctico a partir de residuos de cáscara de naranja: Procesos de separación y purificación

Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 14 núms.1-2,1999 79Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) 23(2): 79-90, 2008

*Autor a quien debe enviarse la correspondencia(Recibido: Octubre 8, 2008, Aceptado: Diciembre 3, 2008)

Palabras clave: Ácido láctico, biotransformación sólida, Rhizopus oryzae, diseño conceptual, simulación empírica

Key words: Lactic acid, solid biotransformation, Rhizopus oryzae, conceptual design, empiric

RESUMEN

El interés social por la conservación del medio ambiente ha resultado en el endurecimiento de legislaciones ambientales y cambios de política fiscal que buscan impulsar a la industria química y reducir su impacto ambiental. Por tal motivo, la utilización de residuos agroindustriales como materia prima de bajo costo, para la obtención de productos químicos finos por biotransformación está ganando interés. Esta opción de transformar desechos en nuevas materias primas se perfila como una opción atractiva para reducir la dependencia del petróleo y, al mismo tiempo, obtener compuestos que son económica o técnicamente inviables de obtener por síntesis química tradicional. El sureste de México es una de las principales regiones productoras de cítricos del país, donde se genera un gran volumen de desechos sólidos de cítricos (cáscara y bagazo). Este desecho proviene de la obtención de jugo de naranja dulce y, normalmente, se manda a tiraderos a suelo abierto, por lo que generan un problema serio de contaminación. Esta situación hace deseable su aprovechamiento para la generación de productos de alto valor agregado como es el ácido L(+) láctico, el cual es utilizado en la industria alimentaria, farmacéutica y cosmética y como materia prima para la síntesis orgánica o la producción de plásticos biodegradables. En esta investigación se propone un proceso para la obtención de ácido láctico a partir de la biotransformación de cáscara y bagazo de naranja en fase sólida con Rhizopus oryzae. Como producto se obtiene un concentrado que cumple con el estándar del Código Químico de Alimentos (FCC, Food Chemical Codex) en grado alimenticio. Se evaluaron tres técnicas de separación sólido-líquido (prensado mecánico, centrifugación y filtración al vacío), al mismo tiempo que se determinó la máxima cantidad necesaria de agua para llevar a cabo la extracción del ácido láctico presente en el sólido biotransformado. Posteriormente, se evaluó la viabilidad técnica de utilizar operaciones de intercambio iónico como pasos intermedios para la reducción de impurezas. Asimismo, se evaluaron y compararon dos procesos: (a) Esterificación del ácido láctico con 1-butanol y (b) Cristalización evaporativa de sales de sulfato de calcio, como posibles rutas de separación secundaria y concentración. Los resultados experimentales permitieron generar una hoja de proceso para llevar a cabo balances de materia y energía teóricos usando el programa SuperPro Designer® 6.0, apoyándose con los paquetes Aspen Plus y Aspen Split® 11.1 para la estimación de propiedades físicas y termodinámicas, así como del equilibrio de fases en las diferentes unidades del proceso. Dicha simulación permitió identificar que una planta con capacidad de procesamiento de 400 ton/año de cáscara de naranja con 12% p/p de humedad puede transformar los desechos de una planta de jugo de tamaño medio con una producción de 5.5 ton/año de solución de ácido láctico al 36% en masa.

Ricardo Heliodoro Gil-Horán*1, Rosa María Domínguez-Espinosa2, Juan Daniel Pacho-Carrillo2

1UNAM, Facultad de Química, 2Consultores independientesCorreo-e (e-mail): [email protected]

Lactic acid bioproduction from orange rind:Separation and purification processes

ABSTRACT

The social awareness of the process industry environmental impact has resulted in tougher regulations and new fiscal policies that aim to encourage the chemical industry to adopt new production practices to reduce its environmental impact. For this reason, the use of agricultural waste as low cost raw materials for fine chemicals production through biotransformation has attracted much interest. This option of transforming waste into raw materials appears as an attractive development path. It helps to reduce dependency on oil as raw material and also offers a way to obtain compounds that are uneconomical to produce by traditional chemical synthesis. Mexico South East area is a main citric production zone where a large volume of solid waste in the form of peel and bagasse is generated. This waste comes from orange juice factories and it is normally sent to landfills or open air dumps where they represent an important pollution source. This waste can be used to produce high added value chemicals such as L(+) lactic acid. This product is demanded in the food, pharmaceutical, and personal care industries or for the production of biodegradable plastics and organic synthesis. This research deals with a process for the production of lactic acid through solid phase bioconversion of orange peel and bagasse using Rhizopus oryzae. The product complies with the Food Chemical Codex (FCC) regulations. Three different techniques were evaluated for the separation of liquids and solids (mechanical pressing, centrifugation and vacuum filtration), determining the maximum water contents to carry out the lactic acid extraction from the biotransformed solid. The feasibility of using ion exchange to remove impurities was also evaluated. For the recovery of lactic acid, two processes were tested as possible routes for secondary separation and concentration: (a) Esterification with 1-butanol, and (b) Evaporative crystallization of calcium sulfate salts. Based on the experimental results, a flow sheet was created to carry out theoretical mass and energy balances using the computer program SuperPro Designer® 6.0, supported which the packages Aspen Plus and Aspen Split® 11.1, to estimate physical and thermodynamic properties and to carry out detailed phase equilibrium calculations in process units. Based on the simulation, a processing plant with capacity of 400 ton/year of orange peel and bagasse with 12% w/w moisture was identified as suitable for the transformation of the wastea from a medium size juice factory into a production plant for 5.5 ton/year of 14% w/w lactic acid.

80 Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 23 núm. 2, 2008

Figura 1. Secuencia de producción de ácido láctico por síntesis química

INTRODUCCIÓN

Actualmente , la u t i l izac ión de res iduos agroindustriales, como materia prima de bajo

costo, en procesos biotecnológicos para la obtención de productos químicos finos, se perfila como una opción atractiva para reducir la dependencia del petróleo y, al mismo tiempo, obtener nuevos compuestos que son económica o técnicamente inviables de obtener por síntesis química. El sureste de México es una de las principales regiones productoras de cítricos del país y ahí se genera un gran volumen de desechos sólidos (cáscara y bagazo), producto de la obtención de jugo de naranja dulce, siendo deseable su aprovechamiento para la producción de productos de alto valor agregado y la eliminación de una fuente de contaminación importante. Actualmente, existen varios estudios encaminados al aprovechamiento de la fracción sólida de la naranja, como substrato de biorreacción en fase sólida para la producción a bajo costo de ácidos orgánicos, particularmente ácido L(+) láctico.

Ácido láctico

El ácido láctico es el hidroxiácido más sencillo que existe. Su molécula contiene un átomo de carbono asimétrico. Presenta isomería óptica: L(+) o D(-), aunque es más común encontrarlo como mezcla racémica. Está presente en alimentos como yogurt, suero de leche, panes, queso y muchos otros alimentos fermentados (Menéndez-González, 1999) y es uno de los principales intermediarios metabólicos en la mayoría de los organismos vivos, desde procariotas anaerobios hasta humanos. El ácido láctico es ampliamente utilizado en las industrias alimentaria, médica, farmacéutica y cosmética, como materia prima para síntesis orgánica, como purgante en forma de lactato de calcio o lactato de magnesio, como removedor de sales de calcio, en el curtido de pieles, en la producción de plásticos biodegradables, agroquímicos, etc. En soluciones acuosas, el ácido láctico no ionizado existe en equilibrio con los aniones lactato y los iones hidrógeno (Kulprathipanja y Oroskar, 1991). Es fuertemente higroscópico y la presencia de dos grupos funcionales en su estructura (-OH, -COOH) lo hace formar, espontáneamente, dímeros y polímeros de ácido láctico (Bello-Gil, 2007). Es soluble en éter, miscible con agua y alcohol e insoluble en cloroformo, éter del petróleo y disulfuro de carbono. Sus dos grupos funcionales permiten llevar a cabo diferentes reacciones químicas de oxidación, reducción, condensación y substitución del grupo alcohol (Vaidya y col., 2005).

En cuanto a las reacciones de condensación, las más importantes, por los altos rendimientos de producto, son: Esterificación, deshidratación y aminólisis (Kirk-Othmer, 2001).

El ácido láctico puede producirse por biotransformación (biorreacción) o síntesis química. Normalmente, la síntesis química requiere de caros y complejos procedimientos de obtención y separación para lograr la pureza deseada del producto final, así como costos significativos asociados con la disposición de los desechos (Yin y col., 1997). La producción de ácido láctico se ha incrementado en épocas recientes, llegando a alcanzar en el año 2002 una producción mundial de 100,000 ton/año en los sectores farmacéutico, cosmético y químico (Purac, 2002). Esta demanda ha venido aumentando con un incremento del 5 al 8% anual, especialmente debido al desarrollo de los polilactatos (PLA), por lo que hoy en día solamente el ácido L(+) láctico es el de mayor importancia comercial.

Producción por síntesis química

La síntesis química comercial (Figura 1) se lleva a cabo con la reacción en fase líquida y a presión atmosférica de cianuro de hidrógeno y acetaldehído, catalizada por una base, para formar lactonitrilo, el cual es recuperado por destilación e hidrolizado a ácido láctico utilizando HCl o H2SO4 concentrado para producir ácido láctico crudo y sal de amonio. El ácido láctico crudo es esterificado con metanol, produciendo lactato de metilo, para luego ser recuperado y purificado por destilación e hidrolizado con agua bajo un catalizador ácido para producir ácido láctico puro y reciclar el metanol. Este producto es un


líquido incoloro, estable al calor. La principal desventaja que presenta este método es la obtención de mezclas racémicas de ácido D(-) y L(+) láctico (Kirk-Othmer, 2001; Yin y col., 1997).

Producción por biotransformación1

Otras de las vías para producir ácido láctico es mediante la biotransformación de substratos carbonosos complejos. La forma más rentable de obtener el isómero L (+) es por medio de la glucólisis (transformación de carbohidratos o hidratos de carbono a ácidos). La estereo-especificidad deseada del producto depende del uso previsto; sin embargo, el isómero L(+) del ácido láctico es utilizado para la mayoría de las aplicaciones (Skory, 2000; Vaidya y col., 2005). Las reacciones estequiométricas 1 a 4 son algunas de las involucradas en la biorreacción (Figura 2).

Durante estas reacciones el pH disminuye bruscamente, por lo que para mantenerlo cercano a la neutralidad se adicionan álcalis como: Hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos, lo cual aumenta el contenido iónico en el medio biológico. Esto es necesario porque a valores de pH ácidos disminuye la viabilidad y el desarrollo de la mayoría de los microorganismos y, por tanto, disminuye el rendimiento de ácido láctico. La

1 El término fermentación fue acuñado por Louis Pasteur y se refería exclusivamente a la reacción anaerobia de la glucosa para formar etanol y CO2, empleando levaduras del género Saccharomyces. Con el advenimiento de la biotecnología, los investigadores empezaron a llamar fermentación a cualquier reacción bioquímica. Sin embargo, desde la década de los 80 del siglo XX se ha tratado de modificar ese uso y emplear el término biorreacción o biotransformación en lugar de fermentación (Nota de los editores)

Figura 2. Algunas de las reacciones estequiométricas involucradas en la biorreacción de producción de L(+) ácido láctico

(1)

(2)

(3)

(4)

Biorreacción

Biorreacción

Biorreacción

Biorreacción

Dextrosa oglucosa

Maltosa

Sacarosa

Lactosa

mayoría de los procesos utilizan carbonato de calcio para mantener el pH entre 5.5 y 6.5 mediante la formación de una sal de lactato. Después de la biorreacción, el medio (el cual contiene sales de lactato) se filtra para remover la biomasa, se trata con carbón activado, se evapora y, finalmente, se acidifica con H2SO4 para convertir la sal en ácido láctico y sulfato de calcio insoluble, el cual es removido por filtración.

El ácido láctico reconstituido se pasa entonces a través de columnas de carbón activado y de intercambio iónico y se evapora para producir los grados deseados de pureza y concentración. Como hasta este punto el ácido láctico no es estable al calor, se esterifica con metanol o etanol, para luego recuperar por destilación el éster formado, rehidrolizarlo con agua en medio ácido y llevar a cabo nuevamente una etapa de evaporación para obtener la concentración deseada, pudiendo reciclar el alcohol empleado (Figura 3). Este proceso de separación produce un producto altamente puro, el cual es similar al producto obtenido por síntesis química (Kirk-Othmer, 2001; Yin y col., 1997).

Con base en estos antecedentes, en esta investigación se diseñó un proceso para la obtención de ácido láctico a partir de la biorreacción en fase sólida de cáscara y bagazo de naranja, con Rhizopus oryzae.


Carbónactivado

Intercambioiónico

Concentraciónpor evaporación

Remociónde sólidosy biomasa

EvaporaciónAcidificación

con H2SO

4

Esterificacióncon alcohol

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Evaporación

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Filtración

Figura 3. Secuencia de separación y concentración de ácido láctico luego de la biorreacción

MATERIALES Y MÉTODOS

La cepa utilizada fue Rhizopus oryzae (NRRL-1710), que ha sido usada para producir ácido L(+)-láctico de manera estereoespecífica en algunos procesos comerciales debido a que no requiere nitrógeno orgánico y es más fácil su separación del cultivo en el proceso de recuperación y purificación (Miura y col., 2003; Saito y col., 2003; Soccol y col., 1994; Yin y col., 1997; Zacchi y Akerberg, 2000).

La biotransformación en estado sólido (BES) de cáscara y bagazo de naranja con Rhizopus orizae para la producción de ácido láctico, se llevó a cabo en un biorreactor horizontal de capacidad de 1000cc siguiendo la metodología descrita en la literatura (Gil-Horán, 2007; Pacho-Carrillo y Domínguez-Espinosa, 2005). Los residuos sólidos de naranja dulce obtenidos de una fábrica local de jugo fueron cortados de manera gruesa y secados a 50ºC hasta alcanzar una humedad de 12% (base seca). Posteriormente, la cáscara seca fue molida en un molino de platos dentados y luego tamizada para obtener diámetros de partícula entre 1.18-2.36 mm. Lotes de 400 g de harina de naranja fueron adicionados con (NH4)2SO4 como fuente de nitrógeno y CaCO3 como regulador de pH para ajustar el pH inicial a 5. Se inocularon con una solución de esporas de Rhizopus oryzae correspondiente a 107 esporas/mL (1mL/10g), para luego ser incubados durante 192 horas (8 días) a 30ºC de acuerdo con la literatura (Ramachandran y col., 2004). La actividad de agua, aW, del medio fue ajustada a 0.9. Una vez listo el medio e inoculada la cepa, la cáscara fue homogeneizada nuevamente mediante mezclado. La biorreacción se llevó a cabo en un reactor horizontal de vidrio con 4 paletas internas de acero inoxidable de construcción propia con aireación constante (1 v/v) con aire estéril saturado y bajo mezclado intermitente

de 10 minutos con intervalos de espera de 60 minutos entre cada periodo de mezclado, a 20ºC. Por otro lado, las etapas de evaporación al vacío se llevaron a cabo a 65 ºC y 285 mbar abs. (Gil-Horán, 2007).

La determinación del ácido láctico se realizó por medio de cromatografía líquida de alta presión CLAR (HPLC, en inglés) usando un cromatógrafo Agilent 110 con integrador automático y una columna Zorbax SB-Aq, 4.6 x 150 mm, 5 µm de fase reversa, de acuerdo con el instructivo del fabricante.

Para la extracción del ácido de la materia sólida biotransformada, se evaluaron tres técnicas para la separación de las fases líquida y sólida del producto de la biorreacción (prensado mecánico, centrifugación y filtración al vacío). Al mismo tiempo, se determinó la máxima cantidad de agua que puede ser añadida para llevar a cabo la extracción del ácido láctico presente en la fase sólida. Los azúcares residuales se midieron siguiendo las metodologías señaladas en la literatura (Gil-Horán, 2007).

Posteriormente, se evaluó la viabilidad técnica de utilizar operaciones de intercambio iónico (zeolita catiónica ácida y/o carbón activado) como pasos intermedios para la reducción de impurezas. Asimismo, se evaluaron y compararon dos procesos: (a) Esterificación del ácido láctico con 1-butanol (Figura 4A) y (b) Cristalización evaporativa de sales de sulfato de calcio (Figura 4B), como posibles rutas de separación secundaria y concentración. La descripción de los procesos de separación y sus condiciones de operación se encuentran descritos de manera prolija en la literatura (Gil-Horán, 2007). Los resultados experimentales permitieron plantear una secuencia de producción, separación, reducción de impurezas y concentración de ácido láctico, la cual se integró en una hoja de simulación en SuperPro Designer® 6.0, apoyándose con los paquetes Aspen Plus® y Aspen Split® 11.1 para la estimación de propiedades físicas y termodinámicas, así como del equilibrio de fases en las diferentes unidades del proceso.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Etapa experimental

Luego de la biorreacción, se obtuvo ácido láctico en forma de lactato de calcio. El producto obtenido presentó un pH de 3.4 con alto grado de hidrólisis. El rendimiento másico obtenido de ácido láctico en la biotransformación fue de 8.2 mg/g equivalente al 0.82%. La duración de la biorreacción de 192h puede ser extendida para lograr una mayor hidrólisis del material biotransformable; sin embargo, para el propósito de


esta investigación, que no era el de optimizar esta fase del proceso, el tiempo de biorreacción definido fue adecuado para producir cantidades adecuadas del producto. Naturalmente, se tuvo la desventaja de la presencia de los productos no deseados de la hidrólisis del material biotransformable como azúcares, proteínas, ácidos orgánicos secundarios, cationes Ca+2 y NH4

+1 y aniones CO3

-2 y SO4-2. Así mismo, el producto sólido

obtenido presentó un exceso de azúcares no consumidos por el Rhizopus oryzae (13,722.95 ppm p/v), el cual también debe tomarse en cuenta para una segunda etapa de optimización de la biotransformación a nivel de laboratorio.

En las pruebas de separación sólido-líquido resultó que el mejor método para la recuperación de la fase líquida del producto de biorreacción fue el prensado mecánico (Figura 5A). Adicionalmente, se obtuvo que la máxima cantidad de agua que puede ser utilizada para la homogeneización del producto sólido para la posterior recuperación de la fase líquida es de 8 mL por cada gramo de sólido en base seca (Figura 5B), obteniendo así una recuperación máxima en el prensado mecánico del 85% del ácido láctico producido en la biotransformación.

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Figura 4. Metodología de separación secundaria y concentración del ácido láctico. A) Ruta 1: Proceso de esterificación con 1-butanol. B) Ruta 2: Proceso de cristalización evaporativa de sales de sulfato de calcio. Las operaciones de intercambio iónico corresponden a una etapa de intercambio con zeolita catiónica seguida de blanqueado con carbón activado


Tabla 1Retención de impurezas y pérdida de ácido láctico en tratamientos con carbón activado y zeolita catiónica ácida

Operación Principales impurezas retenidas

33.12

58.16

62.66

Azúcares, ésteres, proteínas, Ca+2,color, ácidos orgánicos secundariosNH+1 y Ca+2, proteínas, ácidos orgánicos secundariosTodas las anteriores

Carbón activado(CA)

Zeolita catiónica(ZC)

CA + ZC

% de pérdida deácido láctico

(A) (B)

Relación Agua-Sólidos (mL/g)

Figura 5. Recuperación de ácido láctico obtenido en la separación de la fase líquida: A) Por prensado mecánico, centrifugación y filtración al vacío. B) En función de la relación de dilución utilizada para la homogeneización del producto sólido

En la reducción de impurezas con carbón activado y zeolita catiónica fue posible observar que ambos son capaces de retener un alto porcentaje de impurezas (Tabla 1). Así mismo, se hizo evidente que para poder utilizar el intercambio con zeolita catiónica es necesario aplicar previamente un tratamiento de blanqueado con carbón activado, con el fin de reducir primeramente el contenido de azúcares y proteínas y eliminar el color del líquido.

Respecto de los ácidos orgánicos secundarios, tanto la zeolita catiónica como el carbón activado demostraron excelente retención (resultando mejor el carbón activado), tal y como se observa en los cromatogramas de la Figura 6, obtenidos por cromatografía de líquidos (HPLC, por sus siglas en inglés).

Sin embargo, ambos métodos de intercambio provocaron una pérdida de ácido láctico por retención en la zeolita catiónica y el carbón activado, lo cual redujo el rendimiento de recuperación. Por otro lado, no es posible prescindir de la operación de blanqueado con carbón activado, puesto que sin ésta no sería posible obtener un producto incoloro, al mismo tiempo que es el carbón activado el que retiene las principales impurezas.

En las etapas de evaporación al vacío se obtuvo degradación y precipitación de proteínas, así como coloración del líquido por concentración y degradación de los azúcares remanentes en la solución. Por otro lado en estas etapas no hubo pérdida apreciable de ácido láctico por polimerización o volatilización. Realizando una comparación entre los dos procesos de separación secundaria y concentración aquí evaluados, fue posible observar que la esterificación del ácido láctico realmente brinda un mayor rendimiento global del proceso. Sin embargo, se requiere de un mayor número de operaciones. En los datos comparativos presentados en la Tabla 2 se muestra que el proceso de esterificación con 1-butanol permitió un mayor porcentaje de recuperación de ácido láctico que el proceso de cristalización evaporativa de sales de sulfato de calcio, pudiéndose alcanzar hasta 82% de recuperación al prescindir de la etapa de intercambio con zeolita catiónica. La principal razón de esto y por la cual la esterificación toma ventaja sobre el segundo proceso, es por la baja afinidad que el carbón activado presentó hacia el lactato en su forma de éster de lactato de 1-butilo.


Figura 6. Cromatogramas de la solución acuosa extraída del producto sólido, obtenidos por CLAR (HPLC) en fase reversa. Columna Zorbax SB-Aq 4.6 x 150 mm, 5 µm. (A) Producto de la separación sólido-líquido por prensado mecánico. (B) Líquido tratado sólo con zeolita catiónica. (C) Líquido tratado sólo con carbón activado

A pesar de haberse alcanzado una mayor concentración de ácido láctico en el proceso de cristalización evaporativa de sales de sulfato, la alta concentración de iones sulfato al final de su secuencia de operaciones fue el principal factor que evitó que el producto obtenido por este método cumpliera con las especificaciones del Código Químico de Alimentos (FCC, Food Chemical Codex), a diferencia del producto obtenido en el proceso de esterificación con 1-butanol, el cual sí logró cumplir con las especificaciones de dicha norma (Tabla 2). Por ello, este último fue considerado como el mejor de los procesos probados.

Diseño conceptual y simulación en SuperPro Designer® 6.0 del proceso propuesto

Con base en los resultados experimentales y las observaciones derivadas de ellos, se planteó una secuencia de separación, reducción de impurezas y concentración de ácido láctico a partir de la biotransformación sólida de cáscara y bagazo de naranja, utilizando la esterificación con 1-butanol y posterior hidrólisis del ácido láctico (Figura 7).

El proceso se inicia al homogeneizar el sólido obtenido por biotransformación mediante mezclado utilizando una relación de agua-sólido en base seca de 8:1, el cual se hace pasar por una etapa de prensado mecánico para separar las fases líquida y sólida. El líquido obtenido se filtra para remover partículas suspendidas y se evapora al vacío a 65ºC. El licor concentrado se acidifica con H2SO4, precipitando así sulfato de calcio insoluble (Reacción 6, Figura 8). El líquido acidificado se evapora nuevamente al vacío a 65ºC en un equipo de evaporación-cristalización, con formación simultánea de cristales insolubles de sulfato de calcio y agentes degradados y precipitados por efecto del pH (en su mayoría proteínas). Posteriormente, el producto se filtra removiendo los cristales junto con los agentes insolubles y partículas suspendidas. Los sólidos retenidos son lavados con agua, la cual es recirculada. El licor concentrado se evapora al vacío a 67.5ºC y luego se esterifica con 1-butanol (Reacción 7, Figura 8), con lo cual precipitan azúcares insolubles, los cuales son removidos por filtración.

A continuación, la mezcla heterogénea se decanta, separando la fase rica en 1-butanol de la fase rica en agua. La fase ligera correspondiente al alcohol se recircula a la etapa de esterificación.

Tabla 2Datos comparativos de concentración y eficiencia de recuperación en los procesos de (a) Esterificación del ácido láctico con 1-butanol y (b) Cristalización evaporativa de sales de sulfato de calcio

EvaluaciónCumplecon elFCC*

2112.72

3208.10

2722.52

3626.67

Esterificación + Zeolita

Esterificación sin zeolita

Crist. evaporativa + Zeolita

Crist. evaporativa sin zeolita

Sí

Sí

No

No

% eficiencia derecuperación de

ácido láctico

53.6%

81.56%

42.78%

57.31%

Conc. ácido láctico(mg/L)

*Código Químico de Alimentos (FCC, Food Chemical Codex)


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Figura 8. Reacciones que ocurren en la secuencia de separación, reducción de impurezas y concentración de ácido láctico a partir de la biotransformación sólida de cáscara y bagazo de naranja, utilizando la esterificación con 1-butanol y posterior hidrólisis del ácido láctico

Por otro lado, la fase rica en agua se enfría hasta temperatura ambiente y se pasa a una etapa de desacidificación en la que el pH es llevado hasta un mínimo de 3.5 con CaCO3 en polvo, para nuevamente formar sulfato de calcio insoluble (Reacción 8, Figura 8) y reducir el exceso de aniones sulfato, los cuales se remueven por filtración junto con partículas suspendidas. Los sólidos recuperados se lavan con agua, recirculando esa agua al proceso. El líquido desacidificado se mezcla con carbón activado para ser blanqueado. La mezcla se filtra para recuperar el carbón activado y la fase líquida se envía a una nueva etapa de evaporación al vacío a 67.5ºC. Debido al grado de saturación alcanzado, es posible la formación de cristales de sulfato de calcio que no se hayan logrado eliminar en etapas previas, por lo que la mezcla se enfría hasta temperatura ambiente para aumentar la saturación y, posteriormente, se filtra. Debido a la formación de color en la solución, ésta es nuevamente mezclada con carbón activado en una segunda etapa de blanqueado y filtración, recuperando el carbón activado, el cual es reutilizado en la primera etapa de blanqueado. La fase líquida recuperada de la segunda etapa de blanqueado se mezcla con agua y HCl al 35% v/v para catalizar la hidrólisis del lactato de 1-

butilo (Reacción 9, Figura 8). Posteriormente, el líquido hidrolizado se evapora al vacío a 67.5ºC reduciendo el volumen a 25% del inicial. La fracción evaporada se recircula al proceso y el producto de fondos obtenido es ácido láctico concentrado cuya pureza cumple el estándar del FCC.

Posteriormente, se construyó un modelo de simulación del proceso utilizando el simulador SuperPro Designer 6.0 (Figura 9). Para el balance de materia se consideró una capacidad de procesamiento por lote (batch) de 10 toneladas de cáscara de naranja con una humedad másica del 12% y un rendimiento de producción de ácido láctico durante la biotransformación de 8.2 mg por cada gramo de cáscara de naranja en base seca.

Los datos físicos y termodinámicos del lactato de butilo fueron estimados con el módulo Aspen Plus User Interface 11.1, obteniéndose correlaciones de capacidad calorífica a presión constante para las fases líquido y vapor, y de densidad para la fase líquida, ambas en función de la temperatura, así como las constantes de Antoine para el cálculo de presión de vapor en función de la temperatura, cuyos parámetros fueron luego ingresados en el SuperPro Designer® 6.0.

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Análisis de equilibrio líquido-líquido para la etapa de decantación

Dado que luego de la esterificación se obtiene una mezcla heterogénea, se incluyó una etapa de decantación con la finalidad de evitar evaporar el butanol excedente y disminuir así el consumo energético del proceso.

Para ello se evaluó la distribución del ácido láctico y del lactato de butilo en las dos fases líquidas, con la intención de conocer la composición másica normalizada de las mezclas “lactato de butilo - 1, butanol – agua” y “ácido láctico - 1, butanol – agua”, de forma que estos datos puedieran ser ingresados en el SuperPro Designer® 6.0 y con ello realizar el balance de materia en la etapa de decantación. Para esto se obtuvieron los diagramas de equilibrio líquido-líquido correspondientes a estas mezclas a 25 y 65°C (Figura 10) utilizando el módulo Aspen Split® 11.1 y el modelo termodinámico NRTL-RK (Non Random Two-Liquid [Renon]/Redlich-Kuong con ley de Henry). Esta evaluación mostró que a 65°C se obtiene una mejor recuperación del lactato de butilo y del ácido láctico, en la etapa de decantación, que a temperatura ambiente, por lo que no es necesario enfriar luego de la etapa de esterificación.

Rendimiento de producción y eficiencia de recuperación

En la etapa de biotransformación, se estimó que por cada 10 Ton de cáscara de naranja al 12% de

humedad másica, es posible producir 72 (72.16) kg de ácido láctico, de los cuales, al final del proceso, es posible recuperar 51 (50.95) kg como ácido láctico y 1 (1.07) kg como lactato de 1-butilo. Con base en esto, el rendimiento másico global de producción fue de 6 (5.79) g de ácido láctico por cada kg de cáscara y bagazo de naranja en base seca. Por otro lado, la eficiencia global de recuperación de ácido láctico del proceso de separación y purificación, resultó ser de 70 (70.61)%. Esto es debido a que tan sólo en la etapa de filtración y prensado del sólido producido se pierde aproximadamente el 15% del ácido láctico generado en la biorreacción debido a la retención de líquido en la cáscara hidrolizada. El factor de concentración de lactato alcanzado al final del proceso fue de 46.75 veces respecto a la concentración a la salida de la etapa de filtración y prensado mecánico. Con un solo biorreactor, el proceso completo tendría una duración de 284 (283.87) h/lote, pudiéndose realizar un total de 39 lotes al año. Esta cantidad podría incrementarse con el uso de dos o más biorreactores operados secuencialmente, lo cual aumentaría la producción y reduciría los tiempos de espera.

Mediante la simulación se estimó que, para una capacidad de procesamiento de 10 Ton por lote de cáscara de naranja (400 Ton/año) y un solo biorreactor, es posible producir 5.5 toneladas (5498kg) al año de solución de ácido láctico al 36% masa (Tabla 3), equivalente a 45 m3 (44564 litros) a una concentración de 45 (44.6) g ácido/L.

Agua - Butanol - Lactato de butilo Agua - Butanol - Ácido láctico

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Figura 10. Diagramas de equilibrio líquido-líquido (fracciones masa) para las fases heterogéneas formadas por las mezclas: A) Agua-1,butanol-lactato de butilo y B) Agua-1,butanol-ácido láctico. Evaluación a las temperaturas de 25 y 65ºC


Tabla 3Composición y concentración de la corriente de producto final del proceso

Componente Concentración(g/L)

0.831.330.760.024.03

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36.140.160.23

55.050.93

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67.911.15

Composición baseseca (% masa)

1.842.971.690.048.96

0.580.60

80.400.350.50----2.07

Composición basehúmeda (% masa)

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Se desarrolló experimentalmente un proceso de obtención de ácido L(+) láctico por medio de la biotransformación en medio sólido de residuos de naranja. En este proceso la biotransformación y la secuencia de separación juegan papeles muy importantes en el diseño. El prensado mecánico resultó ser la mejor operación de separación sólido-líquido, utilizada en conjunto con una relación de homogeneizado de 8:1 agua-sólido en base seca para la extracción del ácido láctico hacia la fase líquida. Así mismo, se mostró que es indispensable el uso de carbón activado como método de remoción de color e impurezas en el efluente. Por otro lado, aunque la zeolita catiónica demostró ser adecuada para la remoción de impurezas, no se recomienda su uso debido al alto grado de pérdida de ácido láctico que provoca. El proceso de esterificación con 1-butanol permitió obtener la mayor recuperación y pureza de ácido láctico. Es indispensable que el acido láctico sea esterificado antes de la remoción de color e impurezas con carbón activado, para evitar pérdidas en esta etapa.

El diseño de separación y purificación propuesto permitió obtener un producto que cumple con el estándar del Código Químico de Alimentos (FCC) para ácido láctico grado alimenticio, demostrándose que el proceso es técnicamente viable. El modelo de simulación obtenido permitió llevar a cabo estudios de escalamiento de producción y estudios de caso de operatividad y es una base indispensable para el mejoramiento del proceso con base a parámetros económicos.

Se recomienda llevar a cabo estudios más detallados encaminados a obtener mejores condiciones de biorreacción que lleven al Rhizopus oryzae a consumir los azúcares degradados durante la hidrólisis de la

cáscara de naranja, y que, al mismo tiempo, permitan ofrecer un mayor rendimiento de producción de ácido láctico durante su desarrollo. Asimismo, la optimización global del proceso debe llevarse a cabo, en particular, atendiendo al entorno económico actual que ofrece incentivos económicos claros para el establecimiento de biorrefinerías.

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