Mleczan, powszechnie określany jako kwas mlekowy, jest jednym z najważniejszych biologicznych produktów przemiany materii wykorzystywanych na szeroką skalę w przemyśle spożywczym, chemicznym oraz w produkcji materiałów biodegradowalnych. Jako biosurowiec pełni rolę zarówno końcowego produktu fermentacji, jak i wyjściowego monomeru do syntezy polimerów, przede wszystkim PLA (kwasu polimlekowego). Artykuł przedstawia charakterystykę mleczanu, metody jego produkcji biologicznej, możliwe surowce, zastosowania, aspekty ekonomiczne i środowiskowe oraz aktualne trendy rynkowe i technologiczne.
Charakterystyka chemiczna i biochemiczna
Molekuła mleczanu to kwas organiczny o wzorze C3H6O3; występuje w dwóch izomerach optycznych: L-(+) i D-(-). Różnice w konfiguracji stereochemicznej są krytyczne z punktu widzenia zastosowań, zwłaszcza przy produkcji PLA, gdzie stosunek izomerów determinuje właściwości mechaniczne i termiczne polimeru. Mleczan powstaje w wyniku fermentacji cukrów przez bakterie mlekowe i inne mikroorganizmy, ale może też być syntetyzowany chemicznie. W praktyce przemysłowej coraz większą uwagę przykłada się do metod biologicznych — bardziej zrównoważonych i opartych na odnawialnych surowcach.
Surowce i strategie produkcji biologicznej
Podstawowe substraty
Biologiczna produkcja mleczanu wykorzystuje różnorodne substraty w zależności od dostępności surowców lokalnych oraz ekonomii procesu. Do najczęściej stosowanych należą:
- skrobia kukurydziana (po enzymatycznym hydrolizowaniu do glukozy),
- cukier trzcinowy lub buraczany,
- melasa i inne produkty uboczne przemysłu cukrowniczego,
- hydrolizaty lignocelulozowe (biomasa drzewna, słoma) — surowce drugiej generacji,
- odpady spożywcze i oleje odpadowe po odpowiednim przekształceniu.
Zastosowanie odpadów i surowców lignocelulozowych rośnie ze względu na ograniczenia związane z konkurencją o grunty i żywność oraz chęć redukcji emisji CO2.
Procesy fermentacyjne
Tradycyjna produkcja mleczanu odbywa się przez fermentację cukrów za pomocą organizmów z rodzaju Lactobacillus, Lactococcus, Streptococcus czy świeżo wykorzystywany Bacillus coagulans. Procesy dzieli się na:
- fermentacje batche (partie),
- fermentacje ciągłe lub półciągłe,
- fermentacje w reaktorach z kontrolą pH i temperatury,
- fermentacje przy użyciu szczepów inżyniersko zmodyfikowanych w celu zwiększenia wydajności, odporności na inhibicję produktem oraz tolerancji na surowce drugiej generacji.
Istotnym parametrem jest utrzymanie odpowiedniego pH — kwas w procesie obniża pH medium i hamuje dalszą produkcję, dlatego tradycyjnie doda się zasady (np. Ca(OH)2 lub NaOH), co prowadzi do powstania soli (np. mleczanu wapnia). Dalsze oczyszczanie ma na celu regenerację wolnego kwasu mlekowego.
Selekcja i inżynieria szczepów
Dążenie do produkcji wysokiej czystości izomerów L- lub D-lactic acid wymaga wyboru specyficznych szczepów lub inżynierii genetycznej. Nowoczesne podejścia obejmują:
- selekcję naturalnie homofermentacyjnych szczepów o wysokiej konwersji cukrów do mleczanu,
- inżynierię metaboliczną w celu blokowania szlaków ubocznych (etanol, kwas octowy),
- adaptację do substratów lignocelulozowych i inhibitorów hydrolysatów,
- wykorzystanie organizmów termofilnych do obniżenia ryzyka zanieczyszczeń i oszczędności energetycznej.
Układy oczyszczania i separacji
Po fermentacji mleczan musi zostać oczyszczony, szczególnie gdy celem jest zastosowanie farmaceutyczne, kosmetyczne lub polimerowe. Technologie oczyszczania obejmują:
- neutralizację i krystalizację soli mleczanowych (np. mleczan wapnia),
- zastosowanie elektrodializy do odzysku kwasu i soli,
- procesy adsorpcyjne i chromatograficzne dla wysokiego stopnia czystości,
- oddzielanie za pomocą membran (ultrafiltracja, nanofiltracja) do wstępnej klarifikacji,
- destylacja reakcyjna lub chemiczne metody regeneracji wolnego kwasu.
Oczyszczanie jest często największym kosztem w produkcji kwasu mlekowego; stąd prace badawcze skupiają się na minimalizacji etapów oraz na technologiach bezsolnych (produkcja bez neutralizacji), co upraszcza downstream i obniża koszty.
Zastosowania i przeznaczenie
Branża spożywcza i farmaceutyczna
Największym tradycyjnym rynkiem jest przemysł spożywczy — kwas mlekowy pełni funkcję konserwantu, regulatora kwasowości, i środka aromatycznego. Znajduje zastosowanie w:
- przetworach mięsnych i rybnych — kontrola pH i wzrostu mikroorganizmów,
- produktach mleczarskich i napojach fermentowanych,
- wyrobach piekarniczych oraz napojach energetycznych,
- przemyśle farmaceutycznym jako składnik maści, roztworów i buforów.
Produkcja bioplastików — PLA
Jednym z najbardziej perspektywicznych obszarów zastosowań jest przemiana mleczanu w kwas polimlekowy (PLA), biodegradowalny polimer wykorzystywany do opakowań, włókien, tworzyw do drukarek 3D oraz komponentów medycznych (szwy, implanty absorbowalne). Jakość PLA zależy wprost od optycznej czystości monomeru — obecność przeciwnego izomeru wpływa na krystaliczność i wytrzymałość. Dzięki odnawialnemu pochodzeniu i biodegradowalności PLA staje się alternatywą dla niektórych konwencjonalnych tworzyw sztucznych.
Przemysł chemiczny i inne zastosowania
Kwas mlekowy jest wykorzystywany także jako prekursor do szeregu związków chemicznych: estery jako rozpuszczalniki, mleczany metali do garbarstwa, dodatki w kosmetyce jako składnik peelingów (kwas mlekowy jako AHA), środki do uzdatniania wody, a także w rolnictwie jako regulator pH i poprawiacz pasz. W medycynie kwas mlekowy stosowany jest w płynach do odkażania i kosmetykach o działaniu nawilżającym.
Rynek globalny i dane statystyczne
Rynek biologicznego kwasu mlekowego dynamicznie rośnie, napędzany popytem na PLA i bioprodukty. Szacunki z ostatnich lat sugerują, że globalna produkcja mleczanu i jego pochodnych osiągała poziomy rzędu setek tysięcy ton rocznie, a wartość rynku mierzona w USD wynosiła miliardy dolarów. Różne źródła raportowały wielkość rynku kwasu mlekowego (w tym technicznego i farmaceutycznego) w przedziale 1,5–3 mld USD w pierwszej połowie lat 2020., z prognozami wzrostu dwucyfrowego ze względu na rosnący popyt na bioplastiki i zastosowania specjalistyczne.
Najwięksi producenci to międzynarodowe koncerny i wyspecjalizowane firmy biotechnologiczne, m.in. Corbion (wcześniej Purac), Galactic i producenci PLA tacy jak NatureWorks czy Total Corbion PLA. Geograficznie największe moce produkcyjne skoncentrowane są w Ameryce Północnej, Azji (szczególnie Chiny) oraz Europie. Rosnące inwestycje w Azji Południowo-Wschodniej i Brazylii świadczą o próbach lokalizacji produkcji blisko surowców (np. trzciny cukrowej) i rynków zbytu.
Aspekty ekologiczne i gospodarka obiegu zamkniętego
Produkcja biologiczna kwasu mlekowego z surowców odnawialnych ma potencjał do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych w porównaniu z chemicznymi alternatywami. Niemniej jednak, ocena cyklu życia (LCA) zależy mocno od wyboru surowca i technologii oczyszczania. Wykorzystanie odpadów i surowców drugiej generacji (np. lignoceluloza) zmniejsza presję na żywność i grunty rolne, ale wymaga dodatkowych etapów przedfermentacyjnych, co wpływa na koszty.
Komercyjne wdrożenia recyklingu mechanicznego i chemicznego PLA (m.in. depolimeryzacja do mleczanu) tworzą możliwości zamknięcia pętli materiałowej, jednak skala recyklingu jest wciąż ograniczona. Standardy certyfikacyjne dotyczące pochodzenia biomas i kompostowalności (np. EN 13432) wpływają na zaufanie klientów i adopcję bioplastików w dużych łańcuchach dostaw.
Wyzwania technologiczne i ekonomiczne
Przemysłowe bariery obejmują:
- konkurencję o surowce z sektorem spożywczym i biopaliwami,
- koszty oczyszczania i separacji — szczególnie gdy wymagane są wysokie czystości,
- utrzymanie optycznej czystości i wydajności przy pracy z surowcami z odpadów,
- skalowanie technologii drugiej generacji (lignoceluloza) i integracja z istniejącymi łańcuchami wartości,
- regulacje dotyczące GMO i akceptacja rynku dla produktów pochodzących ze zmodyfikowanych szczepów.
W odpowiedzi na te wyzwania prowadzone są intensywne prace badawcze nad nowymi procesami, takimi jak fermentacje bezneutralizacyjne, integracja fermentacji z membranami w celu bezpośredniego usuwania produktu, czy też zastosowanie katalizatorów chemicznych do depolimeryzacji i recyklingu PLA.
Trendy i perspektywy rozwoju
Główne kierunki rozwoju branży obejmują:
- przejście na surowce drugiej generacji oraz odpadowe w celu poprawy zrównoważenia,
- optymalizację kosztów downstream poprzez innowacyjne metody separacji,
- rozwój szczepów odpornych na inhibitory i zdolnych do fermentacji mieszanek cukrów,
- integracja produkcji kwasu mlekowego z produkcją PLA i recyklingiem,
- rosnący udział zastosowań specjalistycznych (medycyna, biochemia) oraz opakowań o podwyższonych wymaganiach środowiskowych.
W krótkim i średnim terminie popyt na bioplastiki, w tym PLA, oraz regulacje ograniczające plastik z ropy naftowej, będą nadal napędzać rozwój rynku mleczanu. Inwestycje w skalowalne, tanie i efektywne procesy biologiczne oraz w technologie recyklingu będą kluczowe dla długoterminowej konkurencyjności tego biosurowca.
Podsumowanie techniczno‑praktyczne
Mleczan jako biosurowiec ma unikalne miejsce w gospodarce opartej na odnawialnych źródłach: jest prostym, ale wszechstronnym produktem fermentacji, który łączy tradycyjne zastosowania w spożywstwie z rolą kluczowego monomeru dla bioplastików. Produkcja biologiczna, oparta na odnawialnych substratach i nowoczesnych szczepach, oferuje realną ścieżkę dekarbonizacji i zastąpienia nieodnawialnych surowców. Jednak osiągnięcie pełnego potencjału wymaga rozwiązań integrujących efektywność ekonomiczną, zrównoważone pozyskanie surowców oraz rozwinięte systemy recyklingu i certyfikacji. W obliczu rosnącego zapotrzebowania na tworzywa biodegradowalne i chemikalia zrównoważone, biotechnologia produkcji mleczanu pozostaje jednym z kluczowych obszarów innowacji przemysłowych.
