БІОТЕХНОЛОГІЧНЕ ВИРОБНИЦТВО ЛАКТИКО BCID

виробництві молочної

Молочна кислота має широке застосування серед харчової, хімічної, фармацевтичної, хімічної та косметичної промисловості. Нещодавно дослідження біотехнологій прискорили дослідження L (+) та D (-), молочної кислоти, завдяки можливості перетворення в біологічно розкладається полімолочну кислоту (PLA). Зусилля у дослідженні молочної кислоти зосереджені на зменшенні виробничих витрат за допомогою нових субстратів, нових технологій бродіння та сепарації та нових мікроорганізмів, здатних досягати високих концентрацій молочної кислоти, високих урожаїв та високої продуктивності.

ВСТУП

Молочна кислота була відкрита в 1780 р. Шведським хіміком Шееле, який виділив її з кислого молока, Блонодеавр визнав продуктом бродіння в 1847 р., І лише в 1881 р. Літлолон розпочав бродіння в промислових масштабах. Це дуже універсальна сполука, яка використовується в хімічній, фармацевтичній, харчовій та пластмасовій промисловості

Є два оптичні ізомери, D (-), молочнокислий та L (+) молочнокислий і рацемічна форма, що складається з еквімолярних фракцій форм D (-) та L (+). На відміну від ізомеру D (-), конфігурація L (+) метаболізується організмом людини.

Обидві ізомерні форми молочної кислоти можуть бути полімеризовані, а полімери з різними властивостями можуть бути отримані залежно від складу.

Властивості молочної кислоти

ПРОМИСЛОВЕ ВИРОБНИЦТВО

Молочну кислоту можна отримати хімічним або біотехнологічним способом. Хімічне виробництво засноване на реакції ацетальдегіду з синильною кислотою (HCN) з отриманням лактонітрилу, який може гідролізуватися до молочної кислоти; Інший тип реакції заснований на реакції високого тиску ацетальдегіду з окисом вуглецю та водою в присутності сірчаної кислоти як каталізатора. Хімічний синтез має той недолік, що вироблена молочна кислота є сумішшю D та молочної кислоти, оптимально неактивною, для якої 90% молочної кислоти, що виробляється у світі, виробляється за допомогою біотехнології.

Біотехнологічне виробництво засноване на ферментації субстратів, багатих вуглеводами, бактеріями або грибами та має ту перевагу, що утворює оптимально активні D (-) або L (+) енантіомери. Біотехнологічне виробництво залежить від типу використовуваного мікроорганізму, іммобілізації або рециркуляції мікроорганізму, рН, температури, джерела вуглецю, джерела азоту, використовуваного режиму бродіння та утворення побічних продуктів.

Бактерії, які можуть бути використані для виробництва молочної кислоти, - це грампозитивні коки та палички, факультативні анаероби, неспороносні, нерухомі та каталазно-негативні, що належать до Lactobacillus, Carnobacterium, Leuconostc, Tetragenococus, ...

Молочнокислі бактерії (ЛАБ) мають складні харчові потреби через їх обмежену здатність синтезувати амінокислоти та вітамін В. Більшість ЛАБ виробляють лише ізомерну форму молочної кислоти. Види родів Aerococcus, Carnobacterium, продукують лише ізомери L, тоді як види роду Leuconostc виробляють лише ізомери D. Однак деякі LAB продукують рацемічні форми, де переважний ізомер залежить від змін аерації, кількості NaCl, типу бродіння, збільшується рН та концентрація субстрату.

За кінцевими продуктами вуглеводного бродіння ЛАБ поділяють на гомоферментативні та гетероферментативні. В гомоферментативному метаболізмі переважно виробляється молочна кислота, а гексоза використовується бактеріями. Деякі з бактерій, які мають цей метаболізм, - це дельбрукії, гельветики тощо. Класична стехіометрія гомолітичного бродіння така:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi 2CH3-CHOH-COOH + 2 ATP

При гетеробетичному бродінні відбувається утворення ксилулози-5 фосфату за допомогою дегідрованої глюкозо-6 фосфатної системи. Гетеробактічна стохіметрія з глюкози така:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi CH3-CHOH-COOH + CH3CH2OH + CO2 + 2ATP

Крім того, молочну кислоту можуть виробляти більшою чи меншою мірою бактерії, які зазвичай не входять до молочної групи, такі як Bifidobacterium, деякі види Bacillus, Clostridium, ...

З LAB Lactobacillus delbrueckii є найбільш широко використовуваним мікроорганізмом у великомасштабному виробництві молочної кислоти, оскільки він має перевагу у виробленні лише L (+) ізомерів, ефективному споживанні глюкози та термофільному мікроорганізмі з оптимальною температурою росту 41,5єС., Що зменшує витрати на охолодження та стерилізацію, а також ризики мікробіологічного забруднення у ферментері. Цей мікроорганізм добре росте при рН від 5,5 до 6,5, тому утворену кислоту потрібно постійно нейтралізувати.

Гриби, що використовуються у виробництві молочної кислоти, - це цвілі і дріжджі, що належать до родів Rhizopus, Zymomonas, Saccharomyces. З кінця 1980-х років Rhizopus oryzae широко вивчався для біотехнологічного виробництва молочної кислоти, оскільки має ту перевагу, що для її росту не потрібне джерело органічного азоту, він має здатність безпосередньо виробляти велику кількість L (+ ) молочна кислота з крохмалю і легко відокремлюється від середовища бродіння в процесі відновлення та очищення. Однак складність у виробництві запліснявілої молочної кислоти полягає у її фізичній формі, оскільки великі розміри міцелію або їх агрегатів можуть спричинити збільшення в’язкості ферментаційного середовища, що спричиняє значне збільшення потреби в кисні. масообмін в процесі бродіння, що, в свою чергу, збільшує час бродіння, збільшує побічні продукти, що утворюються, особливо етанол, і зменшує вихід конверсії.

При біотехнологічному виробництві молочної кислоти з бактеріями або грибами сахароза з цукрового очерету та цукрових буряків використовується як субстрат, але оскільки чистий цукор є дорогим, інші субстрати досліджувались (відходи сільського господарства) для зниження виробничих витрат. Однак виробництво молочної кислоти з цих відновлюваних джерел вимагає наступних етапів:

1) Гідроліз субстрату до ферментованих цукрів.

2) Зброджування цукрів до молочної кислоти.

3) Відділення біомаси та твердих частинок від ферментаційного середовища.

4) Очищення отриманої молочної кислоти.

При комерційному виробництві молочнокислих бактерій до чистого субстрату додають джерело вітамінів та кофакторів, використовують суміш 10-15% глюкози, менші кількості фосфату амонію, екстракт дріжджів та 10% нейтралізатор. Середовище інокулюють і струшують без аерації для оптимізації нейтралізації утвореної кислоти. Ферментація триває від 2 до 4 днів і закінчується, коли споживається весь цукор, щоб полегшити очищення. В кінці ферментації середовище доводять до рН 10, і якщо використовується карбонат кальцію, середовище нагрівають для солюбілізації лактату кальцію та коагуляції наявних білків. Потім середовище фільтрується для видалення нерозчинних речовин, а також біомаси. Вільну кислоту отримують додаванням сірчаної кислоти з подальшою фільтрацією для видалення утвореного сульфату кальцію. Потім молочна кислота концентрується випаровуванням.

Оскільки описаний тип бродіння (періодичним) обмежений пошкодженнями, які зазнають клітини від накопичення у ферментаційному середовищі недисоційованої форми кислоти, досліджувались інші способи бродіння, такі як періодичне бродіння. був розроблений ряд процесів, заснованих на видаленні продукту фільтрацією та концентруванням клітин за допомогою блоку утримування. Серійна ферментація з періодичною подачею - це процес, при якому бі-реактор подається безперервно або послідовно із субстратом, не усуваючи ферментаційного середовища, тоді як при безперервному бродінні потік продукту має такий самий склад, як рідина, присутня в реакторі. Постійне бродіння дає у більшості випадків вищі концентрації та вищі врожаї порівняно із періодичним бродінням.

ВІДНОВЛЕННЯ ТА ОЧИЩЕННЯ

Виділення, очищення та концентрування молочної кислоти, отриманої із ферментаційних середовищ, утруднене через високу спорідненість кислоти до води та низьку летючість. У більшості процесів молочна кислота відновлюється у формі лактату кальцію, і подальші обробки залежатимуть від бажаної чистоти і включатимуть: обробку активованим вугіллям, очищення іонообмінними смолами, екстракцію розчинниками або етерифікацію метанолом з подальшою перегонкою та гідролізом.

Однак для очищення залишків, що утворюються в процесі, були розроблені інші способи відновлення та очищення, включаючи освітлення ферментаційних середовищ шляхом поперечної мікрофільтрації, обробку смолою, серед іншого.

Порівняно з методами адсорбції, осадження або мембранної фільтрації, метод екстракції розчинником з фосфорорганічними компонентами, третинними амінами або четвертинним амонієм є більш селективним та сприяє ефективності процесу та чистоті отриманого продукту. Однак органічні розчинники створюють дві проблеми: вони токсичні для мікроорганізмів, а оптимальний рН екстракції та бродіння не збігається, саме тому пропонується використання полімерних мембран триацетату целюлози із солями четвертинного амонію як мобільних та о-нітрофенілоктилу ефір як пластифікатор для розділення молочної кислоти in situ.

Що стосується електродіалізу, це процес, який був розроблений для відокремлення, очищення та концентрування солей кислот із середовищ бродіння. Метод дозволяє розділяти кислоту у міру її утворення, усуваючи необхідність додавання нейтралізуючих агентів. Концентрація кислоти в живильному середовищі за цією системою залишається на дуже низьких рівнях, для чого була оцінена модифікація за допомогою періодичного електродіалізу в поєднанні з системою контролю рН, що призводить до збільшення концентрації. Лактату в середовищі та часу ферментації зменшився. За допомогою цього методу бродіння продуктивність збільшується в 1,5 рази порівняно зі звичайним електродіалізом.

Електродіаліз також може бути використаний після періодичного бродіння, і нещодавно були запропоновані безперервні системи, які мають перевагу підтримувати постійний об'єм ферментаційного середовища та зменшувати втрати глюкози у відновленому розчині, завдяки цьому методу досягають 19,5 разів більше молочної кислоти, ніж при звичайному електродіалізі, і в 9,7 разів більше молочної кислоти порівняно з періодичним електродіалізом.

Незважаючи на всі ці досягнення, більшість виробництв молочної кислоти все ще використовують процеси опадів для очищення молочної кислоти, яка утворює одну тонну гіпсу на кожну тонну виробленої молочної кислоти, яка утилізується в навколишнє середовище як відходи.

ВИКОРИСТАННЯ ТА ТЕХНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Молочна кислота та її похідні, такі як солі та складні ефіри, широко використовуються серед харчової, хімічної, фармацевтичної, пластмасової, текстильної, сільського господарства та кормів для тварин.

У харчовій промисловості використовується як підкислювач та консервант. Хімічна промисловість використовує його як солюбілізатор і як засіб, що контролює рН. При виробництві фарб та смол його можна використовувати як біорозкладаний розчинник. У пластмасовій промисловості він використовується як попередник полімолочної кислоти (PLA), біологічно розкладаного полімеру, що має цікаве використання в промисловості та медицині; Це вважається основним застосуванням кислоти та причиною того, чому її попит значно зріс.

ВИСНОВКИ

Хоча промислове виробництво молочної кислоти розпочалося більше 100 років тому, дослідження все ще є дуже активними, в основному це пов'язано з двома факторами: новим застосуванням, яке було знайдено для кислоти завдяки можливості її полімеризації та виробництва біорозкладаних пластмас; та вартість, яка висока для великомасштабних додатків. Дослідники пропонують зменшити виробничі витрати за рахунок використання більш дешевих субстратів, таких як агропромислові відходи, використання більш ефективних мікроорганізмів та конфігурації інтегрованих процесів очищення, що дозволяють отримувати L (+) та D (-) молочну кислоту. чистий. З іншого боку, ефективність біотехнологічного процесу, який вимірюється через концентрацію молочної кислоти, вихід продукту, пов'язаний із споживаним субстратом та швидкістю виробництва, дуже різноманітна, і ці параметри помітно залежать від використовуваного мікроорганізму та джерела вуглецю, джерела азоту, рН, температури та режиму бродіння.