Nuevo proceso para la producción biotecnológica de ácido lácticointegración de tecnologías de filtración con membranas

Zusammenfassung

La producción de Ácido Láctico (C3H6O3) se cifró en 490 000 toneladas a nivel mundial en 2017, lo que representa un gran aumento respecto de las 370 000 toneladas de 2011. Además de su uso en múltiples aplicaciones dentro de sectores diversos como alimentación, farmacia o industria química, este incremento en la producción responde principalmente a la creciente demanda de la industria plástica donde, en 2016 se produjeron 210 000 toneladas de Ácido Poliláctico (PLA), lo que representa un 10.3% de los bioplásticos producidos en el mundo. Se espera que el negocio que representa este plástico biodegradable pase de los 1 290 millones de dólares actuales a los 6 500 millones en el año 2025. La producción biológica de Ácido Láctico, que hace referencia al uso de microorganismos para fermentar sustancias ricas en monosacáridos o disacáridos para su producción, es actualmente la más utilizada industrialmente por las ventajas que presenta i) al poder producir selectivamente los dos enantiómeros de ácido, de los cuales el Ácido L-Láctico goza de preferencia frente al Ácido D-Láctico al ser el primero el único biocompatible, y ii) no necesitar recursos provenientes de combustibles fósiles como ocurre en la vía química. Sin embargo, la producción biológica no está exenta de problemas: i) Por un lado, requiere de la adición compuestos químicos, con el fin de mantener un pH en el caldo fermentativo adecuado para el crecimiento bacteriano, ya que este se acidifica a medida que la concentración de ácido aumenta en el reactor (e.g. CaCO3). ii) Necesita el uso de agentes químicos adicionales para la reconversión del lactato, producido al neutralizar, en Ácido Láctico y para eliminar mediante precipitación el exceso de químicos adicionados (e.g. H2SO4). iii) El resultado es la generación y necesidad de gestión de elevadas cantidades de productos residuales (e.g. CaSO4.2H2O). Todo ello aumenta la complejidad de las etapas de separación, purificación y posterior concentración del ácido láctico, necesarias para alcanzar los niveles de concentración y pureza exigidas en sus aplicaciones industriales, a la vez que incrementa los costes de operación y de gestión de residuos. A modo de ejemplo, cuando se utiliza carbonato cálcico (CaCO3) para la neutralización del ácido en el reactor de fermentación y ácido sulfúrico (H2SO4) para la precipitación y reconversión del lactato, se produce una corriente de una tonelada de yeso (CaSO4.2H2O) por cada tonelada de ácido láctico (C3H6O3) producido. Por otro lado, el significativo aumento en la demanda de Ácido Láctico ha potenciado la investigación y desarrollo en la utilización de nuevos productos como sustratos. Además de las fuentes convencionales de mono y disacáridos, se ha abierto la investigación a compuestos ricos en sustratos fermentables generados como subproductos o residuos en otros procesos, permitiendo aplicar de forma práctica el concepto de economía circular. La amplia revisión del estado del arte realizada en esta Tesis Doctoral ha permitido identificar, entre otros, a residuos de celulosa, orujo de uva, residuos municipales o suero de quesería como fuentes de azucares para la fermentación con resultados alentadores en cuanto a su aprovechamiento en la producción de Ácido Láctico. Partiendo de estos antecedentes, en esta Tesis Doctoral, desarrollada en el Departamento de Ingenierías Química y Biomolecular de la Universidad de Cantabria, dentro del cual se ha desarrollado una amplia trayectoria en la investigación básica y aplicada en procesos con membranas, se pretende contribuir a la generación de conocimiento en el desarrollo de nuevos procesos de producción biotecnológica de Ácido Láctico que eviten las limitaciones de los procesos convencionales anteriormente descritos. La propuesta se basa en la integración de tecnologías de membrana a la producción biotecnológica de ácido láctico como estrategia para evitar o minimizar las etapas de neutralización, precipitación y gestión de residuos. Con objeto de facilitar el tránsito hacia una aplicación real del proceso propuesto el estudio se ha realizado con membranas comerciales. En la tesis se explora además la viabilidad de aprovechamiento del suero de quesería proveniente de la fabricación de queso como sustrato, el cual, a pesar de su alto contenido en Lactosa, es gestionado habitualmente como un residuo debido a su alta concentración de Demanda Química de Oxígeno (DQO). De esta manera se introduce de forma práctica el concepto de economía circular dotando de valor añadido a lo que ahora se considera un residuo, de difícil gestión en muchas ocasiones. Para la realización de este estudio se requirió del diseño, construcción y puesta en marcha de una planta piloto a escala semi-industrial, capaz de trabajar en todas las condiciones de trabajo, presión, caudal de alimentación y temperatura, de las tecnologías de membrana estudiadas, Ultrafiltración (UF), Nanofiltración (NF) y Ósmosis Inversa (OI). Además, se desarrollaron protocolos de limpieza y esterilización tanto para la planta piloto como para las membranas imprescindibles para abordar la experimentación propuesta. El proceso propuesto contempla dos etapas en las que se integran las tecnologías de membranas en el proceso biotecnológico: i) la separación del ácido láctico del caldo fermentativo y ii) la purificación y concentración del ácido láctico producido para su posterior aplicación. Con este objetivo y tras un análisis crítico del estado del arte, se han determinado experimentalmente la viabilidad y condiciones de operación más adecuadas de las membranas comerciales ESP04 (UF), AFC30, AFC40 y AFC80 (NF) y AFC99 (OI), utilizando disoluciones modelo de ácido láctico, lactosa y mezclas complejas de ambos, tomando el rechazo como parámetro de seguimiento. Seleccionándose la membrana de nanofiltración AFC40 para las etapas de separación del ácido láctico del caldo fermentativo y purificación y la membrana de Osmosis inversa AFC99 para las etapas de concentración. Así mismo, en colaboración con el grupo DairySafe (Instituto de Productos Lácteos de Asturias (IPLA)-Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)) se seleccionaron las cepas bacterianas para la producción de ácido láctico a partir de suero de quesería a pH libre. Dentro de las especies de Lactobacillus casei estudiadas se seleccionó la cepa YK para realizar ensayos en planta piloto debido a su alta productividad especialmente en los momentos iníciales de la fermentación y a su alto porcentaje de producción de ácido L-láctico superior al 96%. Una vez acometidas las etapas anteriores, las bacterias Lactobacillus casei YK y las membranas comerciales seleccionadas se evaluaron utilizando suero de quesería reconstituido al 5.5 % p/v para estudiar experimentalmente la viabilidad del proceso fermentación-separación-concentración integrando membranas de nanofiltración para la separación del ácido láctico del tanque fermentativo y membranas de ósmosis inversa para la concentración en continuo del Ácido Láctico. En esta etapa se trabajó en un reactor de 100 litros de capacidad. Acabado el proceso fermentativo y la separación del Ácido Láctico del caldo, se identificaron y cuantificaron las impurezas obtenidas en la corriente permeada. Atendiendo a la necesidad de etapas posteriores de concentración del Ácido Láctico producido se determinó la necesidad de reducir la concentración en lactosa y sales minerales del permeado obtenido, con el fin de evitar que en las etapas de concentración se alcancen concentraciones que comprometan las propiedades requeridas para las aplicaciones posteriores del Ácido Láctico, lo que se acometió a través de etapas de nanofiltración usando la membrana comercial AFC40. En las condiciones experimentales aplicadas se obtuvieron concentraciones finales de ácido láctico referidas al suero empleado de 21,0 g.L-1, que se encuentran en el intervalo de producción de los métodos convencionales, reduciéndose la concentración de lactosa un 62% desde el 4.6 hasta el 1.6 % p/v, manteniéndose los niveles de concentración de microrganismos y caldo fermentativo en el reactor y evitando además la utilización de neutralizantes y la generación de las corrientes residuales que estos conllevan. La Tesis Doctoral ha permitido así mismo validar la viabilidad y utilidad del protocolo de limpieza y esterilización aplicado a la planta piloto y a las membranas AFC40 y AFC99 y ha demostrado que las bacterias cepa Lactobacillus casei YK utilizadas mantienen poblaciones elevadas y constantes (1010 UFC) en el rango de pH que se en el proceso fermentativo (3,7-6) y sin influencia apreciable de las etapas de separación mediante nanofiltración. Los resultados obtenidos en esta Tesis Doctoral abren por tanto el camino a validar a una mayor escala, más cercana a la producción industrial, la viabilidad del proceso propuesto, a la vez que aportan una interesante propuesta para el aprovechamiento de un subproducto de la industria láctea, el suero de quesería, que a pesar de sus innegables propiedades no goza aún de un aprovechamiento adecuado.