Produkcja kwasu mlekowego z biomasy stanowi jedno z kluczowych zagadnień we współczesnej biotechnologii i gospodarki o obiegu zamkniętym. Wykorzystanie odnawialnych surowców roślinnych oraz odpadowych frakcji organicznych otwiera nowe możliwości dla zrównoważonego rozwoju przemysłu chemicznego i spożywczego. Niniejszy artykuł przybliża najważniejsze etapy procesu produkcyjnego, charakterystykę stosowanych materiałów oraz najnowsze osiągnięcia w zakresie optymalizacji wydajności i czystości końcowego produktu.
Źródła biomasy i ich przygotowanie
Dobór odpowiedniej biomasy stanowi podstawę efektywnej syntezy kwasu mlekowego. W praktyce do fermentacji wykorzystuje się różnorodne surowce, w tym:
- uprawy energetyczne: trzcina cukrowa, buraki cukrowe, zboża;
- odpady rolno-spożywcze: skórki owoców, pulpy po wycisku olejów, pozostałości po produkcji napojów;
- odpadki agroprzemysłowe: łuski, słoma, resztki po produkcji mieszanki paszowej;
- odpady komunalne ulegające biodegradacji: resztki żywności, odpady zielone.
Aby zbić koszty i zwiększyć opłacalność, kluczowe jest wstępne przygotowanie surowców. Proces ten obejmuje:
- mielenie lub rozdrabnianie – zmniejszenie wielkości cząstek, co przyspiesza hydrolizę;
- termochemiczne traktowanie – uwalnianie złożonych polisacharydów z lignocelulozy;
- hydrolizę enzymatyczną lub kwasową – rozkład celulozy i hemicelulozy do monomerów cukrów;
- separację stałych frakcji – oczyszczenie brzeczki fermentacyjnej z nierozpuszczalnych cząstek.
Proces fermentacji i czynniki wpływające na wydajność
Fermentacja jest sercem technologii produkcji kwasu mlekowego. W zależności od zastosowanych mikroorganizmów i warunków procesu wyróżnia się fermentację homofermantacyjną oraz heterofermantacyjną. W praktyce częściej używa się szczepów bakterii z rodzaju Lactobacillus oraz genetycznie modyfikowanych drobnoustrojów, które wykazują podwyższoną odporność na inhibitory i wyższe stężenia produktu.
Parametry procesu
- temperatura: optymalna dla większości szczepów waha się między 30 a 45 °C;
- pH: kontrolowane na poziomie 5,0–6,0 za pomocą buforów lub automatycznego dozowania zasad;
- C:N ratio: stosunek węgla do azotu ma wpływ na tempo wzrostu i metabolizm komórek;
- napowietrzanie: w fermentacji homolaktycznej warunki beztlenowe, a w heterolaktycznej można wprowadzać mikroaerację;
- czas trwania procesu: zwykle 24–72 godziny w zależności od koncentracji substratu i aktywności enymatycznej.
Optymalizacja parametrów prowadzi do zwiększenia wydajności i szybkości produkcji. Wdrożenie fermentacji w trybie ciągłym bądź półciągłym pozwala dodatkowo na redukcję przestojów i lepsze zarządzanie zasobami bioreaktora.
Oczyszczanie i izolacja kwasu mlekowego
Po zakończeniu fermentacji brzeczka zawiera oprócz kwasu mlekowego także białka komórkowe, sole mineralne, niesfermentowane cukry i produkty uboczne. Etap oczyszczania jest kluczowy dla uzyskania kwasu o wymaganej czystości, szczególnie przy produkcji do zastosowań farmaceutycznych i spożywczych.
Metody izolacji
- filtracja i micro-/ultrafiltracja – usuwanie komórek i cząstek stałych;
- wytrącanie osadu – obniżenie stężenia zanieczyszczeń białkowych;
- ekstrakcja rozpuszczalnikowa – separacja kwasu przy pomocy odpowiednich rozpuszczalników;
- jonowymienna chromatografia – selektywne wiązanie i elucja kwasu mlekowego;
- krystalizacja lub zagęszczanie próżniowe – uzyskanie pożądanego stężenia.
W zależności od zastosowanego ciągu technologicznego, końcowy etap może obejmować dodatkowe etapy dekontaminacji termicznej lub ultrawysokociśnieniowej, aby zapewnić produkt o najwyższej czystości.
Zastosowania i perspektywy rozwoju
Kwas mlekowy znajduje zastosowanie w wielu branżach przemysłu, co stymuluje dynamiczny rozwój technologii jego wytwarzania na skalę przemysłową. Najważniejsze obszary wykorzystania to:
- przemysł spożywczy – jako regulator kwasowości, konserwant oraz składnik probiotycznych produktów;
- produkcja polilaktydu (PLA) – biodegradowalnych bioplastików;
- kosmetyka – składnik peelingów chemicznych i preparatów nawilżających;
- farmacja – surowiec do syntezy leków i nośników leków;
- rolnictwo – organiczne nawozy i środki stymulujące rozwój roślin.
Przyszłość branży leży w dalszej innowacji: rozwijane są szczepy bakterii o wyższej tolerancji na produkty uboczne, metody recyrkulacji enzymów oraz hybrydowe procesy łączące fermentację z katalizą chemiczną. W perspektywie globalnej kluczowe będzie obniżanie kosztów operacyjnych oraz zwiększanie skali produkcji, aby kwas mlekowy z biomasy stał się konkurencyjny wobec surowców petrochemicznych.
