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:

1. Rozkład cukrów złożonych (np. skrobia, celuloza).
2. Fermentacja do kwasu mlekowego.
   • Optymalne warunki produkcji to pH 5,5–6,5 oraz temperatura 30–34°C.

ZASTOSOWANIE KWASU MLEKOWEGO:

1. Przemysł spożywczy:
   • Konserwanty, regulatory kwasowości (np. w napojach, dżemach, konserwach mięsnych).
   • Poprawa smaku marynat, serów, pieczywa.
   • Hamowanie rozwoju niepożądanych mikroorganizmów.
2. Medycyna i kosmetyka:
   • Leki dermatologiczne, stomatologia (np. usuwanie kamienia).
   • Działanie złuszczające na skórę, wygładzanie zmarszczek.
3. Biodegradowalne tworzywa sztuczne:
   • Prekursor kwasu polimlekowego (PLA), wykorzystywanego w eko-opakowaniach
     oraz implantach.
   • Alternatywa dla plastików pochodzenia petrochemicznego.
4. 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:

1. Bioreaktory zbiornikowe z mieszadłem (STR – Stirred Tank Reactor):
   • Zapewniają dobrą homogenizację i kontrolę parametrów fermentacji.
   • Możliwość pracy w trybie okresowym, półciągłym lub ciągłym.
2. Bioreaktory ze złożem unieruchomionym (PBR – Packed Bed Reactor):
   • Bakterie osadzane na nośnikach (np. kuleczki polimerowe, żele alginianowe).
   • Wysoka gęstość komórek i zwiększona wydajność fermentacji.
3. Bioreaktory membranowe:
   • Separacja komórek i produktu za pomocą membran.
   • Umożliwiają ciągłe usuwanie kwasu mlekowego, zwiększając efektywność fermentacji.
4. 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:

1. „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
2. „Mikrobiologiczna produkcja kwasu mlekowego z surowców odnawialnych”
   https://iung.pl/PJA/wydane/16/PJA16str45_56.pdf
3. „Biotechnologiczna produkcja kwasu mlekowego z wykorzystaniem mikroorganizmów modyfikowanych genetycznie”
   https://repo.pw.edu.pl/info/master/WUTfb662d9435b342e1b19595769e74f07c
4. „Mikrobiologiczna produkcja kwasu mlekowego z materiałów odpadowych”
   https://www.kierunekspozywczy.pl/artykul%2C97491%2Cmikrobiologiczna-produkcja-kwasu-mlekowego-z-materialow-odpadowych%2C1.html
5. „Fermentacja mlekowa” (Wikipedia)
   https://pl.wikipedia.org/wiki/Fermentacja_mlekowa
6. „Bioreaktory – innowacyjne narzędzia dla rozwoju alternatywnych źródeł białka”
   https://www.boccard.com/pl/bioreaktory-innowacyjne-narzedzia-dla-rozwoju-alternatywnych-zrodel-bialka
7. „Biotechnologie otrzymywania alkoholi i kwasów organicznych”
   https://chem.pg.edu.pl/documents/175361/28234441/wyklad_6.pdf
8. „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