BIOTECHNOLOGICZNA PRODUKCJA KWASU MLEKOWEGO.
Kwas mlekowy został po raz pierwszy wyizolowany w 1780 roku przez szwedzkiego chemika Carla Wilhelma Scheelego z kwaśnego mleka. W XIX wieku Louis Pasteur odkrył, że bakterie kwasu mlekowego są odpowiedzialne za fermentację mleka, co z kolei stanowiło ważny krok w rozwoju mikrobiologii.
W kolejnych dekadach kwas mlekowy znalazł szerokie zastosowanie nie tylko w przemyśle spożywczym, ale również w farmacji i kosmetyce. Na początku XX wieku opracowano pierwsze przemysłowe metody jego syntezy, co pozwoliło na masową produkcję.
Obecnie kwas mlekowy odgrywa istotną rolę w produkcji biodegradowalnych tworzyw sztucznych, takich jak PLA (polilaktyd), oraz jako składnik wielu produktów spożywczych, kosmetycznych i farmaceutycznych. Dzięki postępowi w biotechnologii i nowoczesnym bioreaktorom jego produkcja stała się bardziej efektywna i ekologiczna.
PROCES PRODUKCJI KWASU MLEKOWEGO
- Dominacja fermentacji: Aż 90% światowej produkcji kwasu mlekowego pochodzi z fermentacji, a jedynie 10% z syntezy chemicznej.
- Mikroorganizmy zaangażowane w produkcji: Bakterie, takie jak Lactobacillus i Streptococcus, oraz grzyby, szczególnie Rhizopus oryzae, są wykorzystywane do wytwarzania kwasu mlekowego.
- Zalety grzybów Rhizopus oryzae:
- Większa odporność na trudne warunki środowiskowe.
- Zdolność do wykorzystania odpadów rolniczych (np. słoma, kolby kukurydzy).
- Możliwość produkcji kwasu mlekowego bezpośrednio ze skrobi i celulozy.
ETAPY PROCESU:
- Rozkład cukrów złożonych (np. skrobia, celuloza).
- Fermentacja do kwasu mlekowego.
- Optymalne warunki produkcji to pH 5,5–6,5 oraz temperatura 30–34°C.
ZASTOSOWANIE KWASU MLEKOWEGO:
- Przemysł spożywczy:
- Konserwanty, regulatory kwasowości (np. w napojach, dżemach, konserwach mięsnych).
- Poprawa smaku marynat, serów, pieczywa.
- Hamowanie rozwoju niepożądanych mikroorganizmów.
- Medycyna i kosmetyka:
- Leki dermatologiczne, stomatologia (np. usuwanie kamienia).
- Działanie złuszczające na skórę, wygładzanie zmarszczek.
- Biodegradowalne tworzywa sztuczne:
- Prekursor kwasu polimlekowego (PLA), wykorzystywanego w eko-opakowaniach
oraz implantach. - Alternatywa dla plastików pochodzenia petrochemicznego.
- Prekursor kwasu polimlekowego (PLA), wykorzystywanego w eko-opakowaniach
- Pszczelarstwo i pasze:
- Zwalczanie roztoczy.
- Przyspieszanie zakiszania pasz oraz poprawa ich trwałości.
FAKTY:
- Produkcja kwasu mlekowego może osiągnąć poziom 3,4 mln ton rocznie.
- Może być wytwarzany z odpadów przemysłowych, takich jak ścieki owocowe czy papiernicze.
- Unieruchomienie grzybni może zwiększyć produkcję kwasu mlekowego nawet trzykrotnie.
PRODUKCJA KWASU MLEKOWEGO W BIOREAKTORACH
Produkcja kwasu mlekowego (LA, ang. lactic acid) na skalę przemysłową opiera się na procesach fermentacyjnych prowadzonych w bioreaktorach. Wykorzystuje się do tego głównie bakterie kwasu mlekowego (Lactobacillus, Lactococcus, Pediococcus), które przekształcają węglowodany (np. glukozę, sacharozę, skrobię) w kwas mlekowy.
RODZAJE BIOREAKTORÓW:
- Bioreaktory zbiornikowe z mieszadłem (STR – Stirred Tank Reactor):
- Zapewniają dobrą homogenizację i kontrolę parametrów fermentacji.
- Możliwość pracy w trybie okresowym, półciągłym lub ciągłym.
- Bioreaktory ze złożem unieruchomionym (PBR – Packed Bed Reactor):
- Bakterie osadzane na nośnikach (np. kuleczki polimerowe, żele alginianowe).
- Wysoka gęstość komórek i zwiększona wydajność fermentacji.
- Bioreaktory membranowe:
- Separacja komórek i produktu za pomocą membran.
- Umożliwiają ciągłe usuwanie kwasu mlekowego, zwiększając efektywność fermentacji.
- Bioreaktory fluidyzacyjne:
- Wysoka powierzchnia wymiany masy i energii.
- Stosowane w intensywnych procesach fermentacyjnych.
ZALETY I WYZWANIA:
- Wysoka czystość produktu (szczególnie L(+)-kwasu mlekowego do PLA).
- Wykorzystanie tanich surowców (odpady rolnicze, melasa, hydrolizaty celulozy).
- Wyzwania: neutralizacja kwasu, separacja produktu, wymagania sterylności.
Źródła:
- „Biotechnologiczna produkcja kwasu mlekowego przez grzyby z rodzaju Rhizopus i jego wykorzystanie”
https://e-biotechnologia.pl/artykuly/biotechnologiczna-produkcja-kwasu-mlekowego-przez-grzyby-z-rodzaju-rhizopus-i-jego-wykorzystanie - „Mikrobiologiczna produkcja kwasu mlekowego z surowców odnawialnych”
https://iung.pl/PJA/wydane/16/PJA16str45_56.pdf - „Biotechnologiczna produkcja kwasu mlekowego z wykorzystaniem mikroorganizmów modyfikowanych genetycznie”
https://repo.pw.edu.pl/info/master/WUTfb662d9435b342e1b19595769e74f07c - „Mikrobiologiczna produkcja kwasu mlekowego z materiałów odpadowych”
https://www.kierunekspozywczy.pl/artykul%2C97491%2Cmikrobiologiczna-produkcja-kwasu-mlekowego-z-materialow-odpadowych%2C1.html - „Fermentacja mlekowa” (Wikipedia)
https://pl.wikipedia.org/wiki/Fermentacja_mlekowa - „Bioreaktory – innowacyjne narzędzia dla rozwoju alternatywnych źródeł białka”
https://www.boccard.com/pl/bioreaktory-innowacyjne-narzedzia-dla-rozwoju-alternatywnych-zrodel-bialka - „Biotechnologie otrzymywania alkoholi i kwasów organicznych”
https://chem.pg.edu.pl/documents/175361/28234441/wyklad_6.pdf - „W Orlen Południe ruszyła pilotażowa instalacja do produkcji kwasu mlekowego”
https://www.cire.pl/artykuly/serwis-informacyjny-cire-24/w-orlen-poludnie-ruszyla-pilotazowa-instalacja-do-produkcji-kwasu-mlekowego
CO DALEJ?
Przed inżynierią bioreaktorów stoją nowe wyzwania oraz olbrzymi potencjał rozwoju. Czekamy na przełomowe odkrycia w produkcji biofarmaceutyków, biopaliw i innych produktów biotechnologicznych.