БИОТЕХНОЛОГИЧНО ПРОИЗВОДСТВО НА LACTICO BCID
Млечната киселина има широко приложение в хранителната, химическата, фармацевтичната, химическата и козметичната индустрия, наред с други. Наскоро изследванията върху L (+) и D (-), млечна киселина, бяха ускорени от биотехнологиите, поради възможността за трансформация в биоразградима поли-млечна киселина (PLA). Усилията в изследванията на млечната киселина са насочени към намаляване на производствените разходи чрез нови субстрати, нови ферментационни и сепарационни технологии и нови микроорганизми, способни да достигнат високи концентрации на млечна киселина, високи добиви и висока производителност.
ВЪВЕДЕНИЕ
Млечната киселина е открита през 1780 г. от шведския химик Scheele, който я изолира от кисело мляко, тя е призната за ферментационен продукт от Blonodeaur през 1847 г. и едва през 1881 г. Littlelon започва ферментация в индустриален мащаб. Това е много гъвкаво съединение, използвано в химическата, фармацевтичната, хранителната и пластмасовата промишленост.
Има два оптични изомера, млечната D (-) и млечната L (+) и рацемичната форма, състояща се от еквимоларни фракции на D (-) и L (+) формите. За разлика от D (-) изомера, L (+) конфигурацията се метаболизира от човешкото тяло.
И двете изомерни форми на млечна киселина могат да бъдат полимеризирани и могат да се получат полимери с различни свойства в зависимост от състава.
Свойства на млечната киселина
ПРОМИШЛЕНО ПРОИЗВОДСТВО
Млечната киселина може да бъде получена химически или биотехнологично. Химичното производство се основава на реакцията на ацеталдехид с циановодородна киселина (HCN) за получаване на лактонитрил, който може да се хидролизира до млечна киселина; Друг тип реакция се основава на реакцията на високо налягане на ацеталдехид с въглероден окис и вода в присъствието на сярна киселина като катализатор. Химичният синтез има недостатъка, че произведената млечна киселина е смес от D и млечна киселина, оптимално неактивна, за която 90% от млечната киселина, произведена в света, се произвежда чрез биотехнологии.
Биотехнологичното производство се основава на ферментацията на субстрати, богати на въглехидрати от бактерии или гъбички и има предимството да образува оптимално активни D (-) или L (+) енантиомери. Биотехнологичното производство зависи от вида на използвания микроорганизъм, обездвижването или рециркулацията на микроорганизма, рН, температурата, източника на въглерод, източника на азот, използвания режим на ферментация и образуването на странични продукти.
Бактериите, които могат да се използват за производството на млечна киселина, са Грам положителни коки и бацили, факултативни анаероби, неспорообразни, неподвижни и каталазно отрицателни, принадлежащи към Lactobacillus, Carnobacterium, Leuconostc, Tetragenococus, ...
Млечнокиселите бактерии (LAB) имат сложни хранителни изисквания поради ограничената им способност да синтезират аминокиселини и витамин В. Повечето LAB произвеждат само изомерна форма на млечна киселина. Видовете от рода Aerococcus, Carnobacterium, произвеждат само L изомери, докато видовете от рода Leuconostc произвеждат само изомери D. Въпреки това, някои LAB произвеждат рацемични форми, при които преобладаващият изомер зависи от промените в аерацията, количеството NaCl, вида на ферментацията, се увеличава в рН и концентрация на субстрата.
Според крайните продукти на въглехидратната ферментация LAB се разделят на хомоферментативни и хетероферментативни. При хомоферментативния метаболизъм се произвежда предимно млечна киселина и хексозата се използва от бактериите. Някои от бактериите, които имат този метаболизъм, са delbruekii, helveticus и др. Класическата стехиометрия на хомолитичната ферментация е следната:
C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi 2CH3-CHOH-COOH + 2 ATP
При хетеробетна ферментация се образува ксилулоза-5 фосфат от дехидрогенираната глюкозо-6 фосфатна система. Хетеробектичната стохиметрия от глюкоза е както следва:
C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi CH3-CHOH-COOH + CH3CH2OH + CO2 + 2ATP
Освен това млечната киселина може да се произвежда в по-голяма или по-малка степен от бактерии, които обикновено не са включени в млечната група, като Bifidobacterium, някои видове Bacillus, Clostridium, ...
От LABs Lactobacillus delbrueckii е най-широко използваният микроорганизъм в мащабното производство на млечна киселина, тъй като има предимството да произвежда само L (+) изомери, ефективно да консумира глюкоза и да е термофилен микроорганизъм с оптимална температура на растеж 41,5 єC, което намалява разходите за охлаждане и стерилизация, както и рисковете от микробиологично замърсяване във ферментатора. Този микроорганизъм расте добре при рН между 5,5 и 6,5, така че произвежданата киселина трябва непрекъснато да се неутрализира.
Гъбите, използвани в производството на млечна киселина, са плесени и дрожди, принадлежащи към родовете Rhizopus, Zymomonas, Saccharomyces. От края на 80-те години Rhizopus oryzae е широко проучен за биотехнологично производство на млечна киселина, тъй като има предимството, че не се нуждае от източник на органичен азот за растежа си, той има способността да произвежда директно големи количества L (+ ) млечна киселина от нишесте и лесно се отделя от ферментационната среда в процеса на възстановяване и пречистване. Трудността при производството на плесенясала млечна киселина е физическата й форма, тъй като големият размер на мицелия или техните агрегати може да доведе до увеличаване на вискозитета на ферментационната среда, което води до голямо увеличение на потребността от кислород и устойчивост на трансфер на маса в процеса на ферментация, което от своя страна увеличава времето на ферментация, увеличава страничните продукти, образувани особено етанол, и намалява добивите от превръщането.
При биотехнологичното производство на млечна киселина с бактерии или гъби, захароза от захарна тръстика и захарно цвекло се използват като субстрати, но тъй като чистата захар е скъпа, други субстрати са изследвани (отпадъчно земеделие) за намаляване на производствените разходи. Производството на млечна киселина от тези възобновяеми източници обаче изисква следните стъпки:
1) Хидролиза на субстрата до ферментиращи захари.
2) Ферментация на захари до млечна киселина.
3) Отделяне на биомаса и твърди частици от ферментационната среда.
4) Пречистване на получената млечна киселина.
При търговско производство с млечни бактерии към чистия субстрат се добавя източник на витамини и кофактори, използва се смес от 10 до 15% глюкоза, по-малки количества амониев фосфат, екстракт от мая и 10% неутрализатор. Средата се инокулира и се разклаща без проветряване, за да се оптимизира неутрализацията на образуваната киселина. Ферментацията продължава между 2 и 4 дни и завършва, когато се консумира цялата захар, за да се улесни пречистването. В края на ферментацията средата се регулира до рН 10 и ако се използва калциев карбонат, средата се нагрява, за да се разтвори калциевият лактат и да коагулира наличните протеини. Впоследствие средата се филтрира за отстраняване на неразтворими вещества, както и биомаса. Свободната киселина се получава чрез добавяне на сярна киселина, последвано от филтруване за отстраняване на образувания калциев сулфат. След това млечната киселина се концентрира чрез изпаряване.
Тъй като описаният тип ферментация (периодично) е ограничен от увреждането, което клетките страдат от натрупването във ферментационната среда на недисоциирана форма на киселина, са изследвани други начини на ферментация като периодична ферментация с периодично подаване и непрекъсната ферментация и разработени са редица процеси, основаващи се на отстраняване на продукта чрез филтриране и концентриране на клетките с помощта на задържаща единица. Партидната ферментация с периодично подаване е процес, при който би-реакторът се подава непрекъснато или последователно със субстрат, без да се елиминира ферментационната среда, докато при непрекъсната ферментация продуктовият поток има същия състав като течността, присъстваща в реактора. Непрекъснатата ферментация дава в повечето случаи по-високи концентрации и по-високи добиви в сравнение с периодичната ферментация.
ВЪЗСТАНОВЯВАНЕ И ПРЕЧИСТВАНЕ
Разделянето, пречистването и преконцентрацията на млечна киселина, получена от ферментационната среда, е трудно поради високия афинитет на киселината към водата и ниската й летливост. В повечето процеси млечната киселина се възстановява под формата на калциев лактат и последващите обработки ще зависят от желаната чистота и включват: обработка с активен въглен, пречистване с йонообменни смоли, екстракция с разтворители или естерификация с метанол, последвана от дестилация и хидролиза.
Въпреки това, за да се изчистят остатъците, генерирани в процеса, са разработени други методи за възстановяване и пречистване, включително избистряне на ферментационната среда чрез микрофилтрация с кръстосан поток, обработка със смола, наред с други.
В сравнение с техниките на адсорбция, утаяване или мембранна филтрация, методът на екстракция с разтворител с органофосфатни компоненти, третични амини или четвъртични амонии е по-селективен и подобрява ефективността на процеса и чистотата на получения продукт. Органичните разтворители обаче създават два проблема: те са токсични за микроорганизмите и оптималното рН на екстракция и ферментация не съвпадат, поради което се предлага използването на целулозни триацетатни полимерни мембрани с кватернерни амониеви соли като фаза. Мобилен и о-нитрофенилоктил етер като пластификатор, за in situ отделяне на млечна киселина.
Що се отнася до електродиализата, това е процес, който е предназначен за отделяне, пречистване и концентриране на соли на киселини от ферментационна среда. Методът позволява киселината да се отделя, докато се произвежда, елиминирайки необходимостта от добавяне на неутрализиращи агенти. Концентрацията на киселина в хранителната среда от тази система остава на много ниски нива, за което е оценена модификация с помощта на периодична електродиализа, съчетана със система за контрол на рН, което води до повишаване на концентрацията. Лактат в средата и времето на ферментация са намалява. С този метод на ферментация производителността се увеличава 1,5 пъти в сравнение с конвенционалната електродиализа.
Електродиализа може да се използва и след периодична ферментация и по-наскоро се предлагат непрекъснати системи, които имат предимството да поддържат обема на ферментационната среда постоянен и да намалят загубите на глюкоза във възстановения разтвор, чрез този метод се постига 19,5 пъти повече млечна киселина, отколкото при конвенционалната електродиализа и 9,7 пъти повече млечна киселина в сравнение с периодична електродиализа.
Въпреки всички тези постижения, повечето индустрии, произвеждащи млечна киселина, все още използват валежи за пречистване на млечна киселина, която генерира един тон гипс за всеки произведен млечна киселина, който се изхвърля в околната среда като отпадъци.
УПОТРЕБА И СПЕЦИФИКАЦИИ
Млечната киселина и нейните производни, като соли и естери, се използват широко в хранителната, химическата, фармацевтичната, пластмасовата, текстилната, селската и фуражната индустрия, наред с други.
В хранителната промишленост се използва като подкислител и консервант. Химическата промишленост го използва като разтворител и като средство за контрол на рН. При производството на бои и смоли може да се използва като биоразградим разтворител. В пластмасовата промишленост се използва като предшественик на полимлечната киселина (PLA), биоразградим полимер с интересна употреба в индустрията и медицината; Това се счита за основното приложение на киселината и причината, поради която нейното търсене се е увеличило значително.
ЗАКЛЮЧЕНИЯ
Въпреки че индустриалното производство на млечна киселина започва преди повече от 100 години, изследванията все още са много активни, основно това се дължи на два фактора: новите приложения, които са открити за киселината поради възможността, която тя предлага да полимеризира и произвежда биоразградими пластмаси; и цената, която е висока за мащабни приложения. Изследователите предлагат да се намалят производствените разходи чрез използването на по-евтини субстрати като агропромишлени отпадъци, чрез използване на по-ефективни микроорганизми и чрез конфигуриране на интегрирани процеси на пречистване, които позволяват получаването на L (+) и D (-) млечна киселина чиста . От друга страна, ефикасността на биотехнологичния процес, който се измерва по отношение на концентрацията на млечна киселина, добива на продукта, свързан с консумирания субстрат и скоростта на производство, е много разнообразна и тези параметри са значително зависими от използвания микроорганизъм, от източника на въглерод, източник на азот, рН, температура и режим на ферментация.