Proceso para la producción en continuo de lactulosa a partir de lactosa utilizando un reactor continuo de lecho fijo y catalizadores básicos heterogéneos.

La presente invención se refiere al empleo de un reactor continuo de lecho fijo para la obtención de lactulosa mediante la isomerización de lactosa.

Para ello se utilizan catalizadores básicos heterogéneos conformados. El proceso permite obtener una corriente continua de una disolución que contiene lactulosa que posteriormente puede ser purificada para su empleo en la industria farmacéutica o alimentaria.

Proceso para la producción en continuo de lactulosa a partir de lactosa utilizando un reactor continuo de lecho fijo y catalizadores básicos heterogéneos.

La invención radica en el uso de un reactor continuo de lecho fijo para la obtención de lactulosa mediante la isomerización de lactosa. Para ello se utilizan catalizadores básicos heterogéneos conformados.

Antecedentes de la invención 10

La lactulosa (4-O-ß-galactopiranosil-D-furanosa) es un disacárido sintético que se obtiene por isomerización del azúcar de la leche, la lactosa. La obtención de lactulosa a partir de lactosa se describió por primera vez en 1930 (E.M. Montgomer y , X.S. Hudson, J. Amer. Chem. Soc. 52, 2101-2111, 1930) mediante catálisis básica homogénea con NaOH. 15 Posteriormente, se describió su obtención utilizando como catalizador otras bases del tipo Ca (OH) 2, Na2CO3, KOH, K2HPO4 y Ba (OH) 2 (SU1392104, US3272705, DE2224680, DE297999, RU21 01358, RU2125611, US4264763) . La primera aplicación industrial del proceso se llevó a cabo a partir de las patentes DE2224680 y FR2147925, donde se describe el empleo de catalizadores homogéneos y rendimientos a lactulosa del 42-48% 20 en peso. No obstante, aunque el proceso resultaba efectivo, el gasto de materias primas y energía resultaba elevado.

Otro proceso industrial que se desarrolló posteriormente se basó en la patente SU737 4626, donde se describe el uso de Ca (OH) 2 como catalizador de isomerización. En este 25 caso, los rendimientos eran ligeramente superiores; sin embargo, se necesitan un número considerable de operaciones (neutralización, complejación, centrifugación e intercambio iónico) que complican bastante el proceso global.

Otros catalizadores que han sido utilizados en la producción de lactulosa mediante la 30 isomerización de lactosa están basados en sulfitos y fosfatos. Destaca la utilización de los primeros en la patente AT288595 donde se describe un rendimiento final a lactulosa del 38.7% en peso. El empleo de mezclas de sulfito e hidróxido sódico o hidrosulfito sódico e hidróxido de magnesio son descritas en la patente US4536221 donde se informa de rendimientos a lactulosa del 35-40% en peso. En cuanto a los catalizadores basados 35 en fosfatos su uso se describe en la patente GB2031430. En este caso la temperatura de reacción utilizada fue de 104ºC y el rendimiento a lactulosa está alrededor del 35-40% en peso.

Otros compuestos que resultan eficientes por su carácter anfótero como catalizadores en 40 la isomerización de lactosa a lactulosa son aluminatos y boratos. La patente US4957564 emplea aluminato sódico para llevar a cabo la reacción entre 50 y 70ºC con rendimientos a lactulosa de 45-55%.

También se ha utilizado tetraborato sódico o trietilamina mezclada con ácido bórico como 45 catalizadores con rendimientos a lactulosa del 50-80% [K. Hicks, D. Raupp, W. Smith, Journal of Agricultural and Food Chemistr y , 32, 288-292, 1984; T. Mizota, Y. Tamura, M. Tomita, S. Okonogi, lnternational Dair y Federation Bulletin 212, 69-76, 1987].

Todas los procesos descritos hasta el momento hacen uso de catálisis básica 50 homogénea, empleando hidróxidos de metales alcalinos o alcalinotérreos, aluminatos, carbonatos, bromatos, etc. Una mejora sustancial puede ser la sustitución de catalizadores básicos homogéneos por otros de la misma fuerza básica pero de naturaleza heterogénea, de manera que puedan ser separados del medio de reacción y regenerados con facilidad.

Las sepiolitas alcalino-sustituidas han sido unos de los primeros catalizadores heterogéneos estudiados en la reacción de isomerización de lactosa [M.A. De la Fuente, M. Juárez, D. de Rafael, M. Villamiel, A. Olano, Food Chemistr y , 66-3, 301-306, 1999]. Parte de los iones Mg de la sepiolita natural se intercambiaron por diferente iones alcalinos (Li+, Na+, K+, Cs+) , alcanzándose en el mejor de los casos conversiones 10 cercanas al 20%. La isomerización de la lactulosa presente en el permeado de leche también ha sido estudiada utilizando sepiolitas intercambiadas con Na y K [M. Villamiel, N. Corzo, M.I. Foda, F. Montes, A. Olano, Food Chemistr y , 76-1, 7-11, 2002]. Conversiones del 20% fueron obtenidas y rendimientos a lactulosa por debajo del 20% en peso. El principal inconveniente de estos catalizadores es que requieren de una etapa de 15 activación a elevadas temperaturas en presencia de hidróxidos alcalinos.

Los últimos estudios que se presentan en la isomerización de lactosa con catalizadores básicos heterogéneos hacen uso de cáscara de huevo (ES2212919 A1) . En este caso se informa de una conversión de lactosa del 27% y rendimientos a lactulosa del 21% en 20 peso.

Todos los catalizadores descritos anteriormente han sido empleados en la isomerización de lactosa utilizando reactores discontinuos tipo tanque agitado. Una alternativa interesante sería el empleo de reactores continuos de lecho fijo. Supondría una 25 importante ventaja para la producción industrial de lactulosa ya que no se necesitaría introducir una etapa de separación del catalizador y permitiría la reutilización del mismo tras una etapa de regeneración, bien mediante lavado con agua, etanol o mezclas de ambos, bien por calcinación en presencia de aire o gas inerte. En la patente US5895814A se realizó un estudio donde se describe un proceso continuo utilizando H3BO3 como 30 catalizador homogéneo en presencia de aminas terciarias o NaOH. El sistema de reacción consiste en dos reactores continuos de tanque agitado seguido de un reactor tubular de doble paso. El H3BO3 forma un complejo con la lactulosa, borato-lactulosa, que después debe ser disgregado para obtener la lactulosa final. Esto conlleva un proceso de purificación complejo y caro compuesto por una acidificación para disminuir el pH, 35 cristalización y filtrado para su separación y, finalmente, evaporación para concentrar el producto. Mediante este proceso se logra alcanzar una conversión del 75%. Para purificar la lactulosa, usando catalizadores homogéneos, es necesario aplicar técnicas de desmineralización por electrólisis y resinas de intercambio iónico para eliminar iones o, incluso, en el caso del H3BO3 se acidifica para eliminarlo. Además, se lleva a cabo una 40 cristalización, se filtra y se evapora para concentrar más el producto final. Por otro lado, en el caso de catalizadores heterogéneos, se simplifica el proceso aplicando únicamente una centrifugación o filtrado y una evaporación; además de la posibilidad de decolorar usando carbón activo. Una ventaja importante de la presente invención es que, además de que la disolución de lactulosa se obtiene de manera continua, no es necesario ningún 45 proceso para eliminar el catalizador ya que se encuentra inmovilizado dentro del lecho del reactor continuo de lecho fijo, por lo que en ningún momento pasa a la disolución final donde se encuentra la lactulosa producida.

Los catalizadores heterogéneos utilizados en el reactor continuo de lecho fijo son 50 catalizadores heterogéneos basados en MgO, CaO y hidróxidos dobles laminares (HDL)

de Ca y Mg. Dichos catalizadores son conformados con el fin de formar un lecho en el reactor que permita el paso de la disolución de lactosa y su isomerización a lactulosa. La conformación de dichos materiales se puede llevar a cabo con los catalizadores sin calcinar o calcinados a temperaturas entre 300ºC y 1500ºC. En la conformación se pueden utilizar los catalizadores puros o combinados con aglomerantes llevando cabo su 5 preparación por extrusión, "coating", "washcoating" o sinterizado laser.

Hasta el momento no se tiene conocimiento de la existencia de patentes, artículos de investigación o procesos industriales que lleven a cabo la producción de lactulosa a partir de lactosa utilizando catalizadores heterogéneos conformados basados en CaO, MgO o 10 HDL (Ca y Mg) y reactores continuos de lecho fijo.

Descripción de la invención

La invención consiste en el empleo de un reactor continuo de lecho fijo para la obtención 15 de lactulosa por isomerización de lactosa, utilizando catalizadores básicos heterogéneos conformados del tipo CaO, MgO o HDL de Mg y Ca con relaciones molares AI/[AI+Ca (Mg) ] entre 0.2 y 0.33. La conformación se puede llevar a cabo utilizando los catalizadores sin calcinar o calcinados a temperaturas entre 300ºC y 1500ºC. Para la conformación se pueden utilizar los catalizadores puros o combinados con aglomerantes 20 de tipo polimérico (por ejemplo: resinas celulósicas, alcoholes polivinílicos, resinas epoxi, resinas de vinil ester, resinas fenólicas, resinas de polifenol, cianatos, fluoruro de polivinilideno o cloruro de polivinilideno) o tipo cerámico (por ejemplo: caolines, feldespatos, mullita o talco) . En cuanto... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento caracterizado por la producción en continuo de lactulosa a partir de lactosa mediante el uso de catalizadores sólidos heterogéneos conformados utilizando un reactor continúo de lecho fijo. 5

2. Un procedimiento según la reivindicación 1 donde los catalizadores sólidos heterogéneos son del tipo MgO.

3. Un procedimiento según la reivindicación 1 donde los catalizadores sólidos 10 heterogéneos son del tipo CaO.

4. Un procedimiento según la reivindicación 1 donde los catalizadores sólidos heterogéneos son del tipo hidróxidos dobles laminares (HDL) de Ca y Mg caracterizados por presentar una relación molar AI/[AI+Ca (Mg) ] que puede variar entre 0.2 y 0.33. 15

5. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde los catalizadores pueden ser utilizados en la isomerización de lactosa sin calcinar o calcinados a temperaturas que pueden variar entre 300ºC y 1500ºC.

6. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la conformación de los catalizadores descritos se puede llevar a cabo con los catalizadores sin calcinar.

7. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la 25 conformación de los catalizadores descritos se puede llevar a cabo con los catalizadores calcinados a temperaturas entre 300ºC y 1500ºC.

8. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde para la conformación de los catalizadores se puede utilizar los catalizadores puros. 30

9. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde para la conformación de los catalizadores se puede utilizar los catalizadores combinados con aglomerantes de tipo polimérico como resinas celulósicas, alcoholes polivinílicos, resinas epoxi, resinas de vinil ester, resinas fenólicas, resinas de polifenol cianatos, fluoruro de 35 polivinilideno o cloruro de polivinilideno.

10. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde para la conformación de los catalizadores se puede utilizar los catalizadores combinados con aglomerantes de tipo cerámico como caolines, feldespatos, mullita o talco. 40

11. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la conformación de los catalizadores se puede llevar a cabo mediante procesos de extrusión, "coating", "washcoating" o sinterizado laser.

12. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde los catalizadores conformados pueden presentar formas cilíndricas, esféricas, cúbicas y de panal de abeja.

13. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la 50 obtención de lactulosa se lleva a cabo utilizando disoluciones diluidas de lactosa semejantes a los permeados de las industrias queseras y lácteas (3-10% en peso de lactosa) , disoluciones más concentradas (10-80% en peso de lactosa) o permeado industrial real.

14. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la 5 obtención de lactulosa se lleva a cabo utilizando temperaturas de reacción entre 40ºC y 200ºC.

15. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la obtención de lactulosa se lleva a cabo utilizando unos tiempos de contacto que pueden 10 variar entre 5 y 80 minutos.

16. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la solución de lactulosa obtenida de manera continua se enfría a temperatura ambiente y la lactosa que queda sin reaccionar es separada por extracción líquido-líquido utilizando 15 etanol.

17. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde el catalizador desactivado puede ser regenerado bien mediante lavado con agua, etanol o una mezcla de ambos, bien mediante calcinación en presencia de aire o gas inerte a 20 temperaturas entre 100ºC y 1000ºC.