A LACTICO BCID biotechnológiai előállítása
A tejsavat széles körben alkalmazzák többek között az élelmiszeriparban, a vegyiparban, a gyógyszeriparban, a vegyiparban és a kozmetikai iparban. A közelmúltban felgyorsították az L (+) és a D (-), a tejsav biotechnológiai kutatását, annak a biológiailag lebontható poli-tejsavvá (PLA) való átalakulásának lehetősége miatt. A tejsav kutatásának erőfeszítései a termelési költségek csökkentésére összpontosulnak új szubsztrátok, új fermentációs és szétválasztási technológiák, valamint új mikroorganizmusok révén, amelyek képesek elérni a nagy tejsavkoncentrációt, a magas hozamokat és a magas termelékenységet.
BEVEZETÉS
A tejsavat 1780-ban fedezte fel Scheele svéd vegyész, aki izolálta a savanyú tejből, Blonodeaur 1847-ben fermentációs termékként ismerte el, és csak 1881-ben kezdte meg Littlelon az ipari erjedést. Ez egy nagyon sokoldalú vegyület, amelyet a vegyiparban, a gyógyszeriparban, az élelmiszeriparban és a műanyagiparban használnak
Két optikai izomer létezik, a tejsavas D (-) és a tejsav L (+), valamint egy racém forma, amely a D (-) és az L (+) forma ekvimoláris frakcióiból áll. A D (-) izomertől eltérően az L (+) konfigurációt az emberi test metabolizálja.
A tejsav mindkét izomerje polimerizálható, és az összetételtől függően különböző tulajdonságú polimerek állíthatók elő.
A tejsav tulajdonságai
IPARI TERMELÉS
A tejsavat kémiailag vagy biotechnológiailag előállíthatjuk. A kémiai előállítás az acetaldehid hidrogén-cianiddal (HCN) történő reakcióján alapul, és így laktonitrilt kapnak, amely tejsavvá hidrolizálható; egy másik típusú reakció az acetaldehid szén-monoxiddal és vízzel végzett nagynyomású reakcióján alapul kénsav katalizátor jelenlétében. A kémiai szintézisnek az a hátránya, hogy az előállított tejsav D és tejsav keveréke, optimálisan inaktív, amelyhez a világban előállított tejsav 90% -át biotechnológia állítja elő.
A biotechnológiai előállítás szénhidrátban gazdag szubsztrátok baktériumok vagy gombák általi fermentációján alapul, és előnye, hogy optimálisan aktív D (-) vagy L (+) enantiomereket képeznek. A biotechnológiai előállítás az alkalmazott mikroorganizmus típusától, a mikroorganizmus immobilizációjától vagy újrakeringetésétől, a pH-tól, a hőmérséklettől, a szénforrástól, a nitrogénforrástól, az alkalmazott fermentációs módtól és a melléktermékek képződésétől függ.
A tejsav előállítására felhasználható baktériumok a Lactobacillus, Carnobacterium, Leuconostc, Tetragenococus, ...
A tejsavbaktériumok (LAB) összetett táplálkozási igényekkel rendelkeznek, mivel korlátozottan képesek szintetizálni az aminosavakat és a B-vitamint. A legtöbb LAB csak a tejsav izomer formáját termeli. Az Aerococcus nemzetségek fajai, a Carnobacterium csak L izomereket termelnek, míg a Leuconostc nemzetség fajai csak D izomereket termelnek. Néhány LAB azonban racém formákat termel, ahol az uralkodó izomer a levegőztetés változásától, a NaCl mennyiségétől, a fermentáció típusától függ., emelkedik a pH és a szubsztrát koncentrációja.
A szénhidrát fermentáció végtermékei szerint a LAB-kat homofermentatív és heterofermentatív részekre osztják. A homofermentatív anyagcserében elsősorban a tejsav termelődik, és a baktériumokat hexózzal használják. Az ilyen anyagcserét folytató baktériumok közül néhány delbruekii, helveticus stb. A homolitikus fermentáció klasszikus sztöchiometriája a következő:
C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi 2CH3-CHOH-COOH + 2 ATP
Heterobetikus fermentáció során xilulóz-5-foszfát képződik a dehidrogénezett glükóz-6-foszfát rendszer által. A glükózból származó heterolbaktikus sztochimetria a következő:
C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi CH3-CHOH-COOH + CH3CH2OH + CO2 + 2ATP
Ezenkívül a tejsavat kisebb vagy nagyobb mértékben olyan baktériumok is előállíthatják, amelyek általában nem tartoznak a tejsavcsoporthoz, mint például a Bifidobacterium, a Bacillus egyes fajai, Clostridium, ...
A LAB-k közül a Lactobacillus delbrueckii a legelterjedtebb mikroorganizmus a tejsav nagyméretű előállításában, mivel annak az előnye, hogy csak L (+) izomereket termel, hatékonyan fogyasztja a glükózt, és termofil mikroorganizmus, optimális növekedési hőmérsékletű. 41,5єC., ami csökkenti a hűtési és sterilizálási költségeket, valamint a fermentorban a mikrobiológiai szennyeződés kockázatát. Ez a mikroorganizmus 5,5 és 6,5 közötti pH-n jól növekszik, ezért a keletkező savat folyamatosan semlegesíteni kell.
A tejsav előállításához használt gombák a Rhizopus, Zymomonas, Saccharomyces nemzetséghez tartozó penészgombák és élesztők. Az 1980-as évek vége óta a Rhizopus oryzae-t széles körben tanulmányozták a tejsav biotechnológiai előállítására, mivel előnye, hogy növekedéséhez nem szükséges szerves nitrogénforrás, képes nagy mennyiségű L (+) közvetlen előállítására. ) tejsav keményítőből, és a visszanyerési és tisztítási folyamat során könnyen elválasztható a fermentációs közegtől. A penészes tejsav előállításának nehézségét azonban fizikai formája képezi, mivel a micéliumok vagy azok aggregátumainak nagy mérete megnövelheti a fermentációs közeg viszkozitását, ami nagy mértékben megnöveli az oxigénigényt és a tömeggel szembeni ellenállást. transzfer a fermentációs folyamatban, ami megnöveli az erjedési időt, növeli a képződött melléktermékeket, különösen az etanolt, és csökkenti a konverziós hozamokat.
A tejsav baktériumokkal vagy gombákkal történő biotechnológiai előállításánál a cukornádból és a cukorrépából származó szacharózt használják szubsztrátként, de mivel a tiszta cukor drága, más szubsztrátumokat (hulladék mezőgazdaság) vizsgáltak a termelési költségek csökkentése érdekében. A tejsav előállításához ezekből a megújuló forrásokból azonban a következő lépéseket kell megtenni:
1) A szubsztrát hidrolízise fermentálható cukrokká.
2) A cukrok tejsavvá való fermentálása.
3) A biomassza és a szilárd részecskék elválasztása a fermentációs közegtől.
4) A kapott tejsav tisztítása.
Tejbaktériumokkal történő kereskedelmi gyártás során vitaminok és kofaktorok forrását adják a tiszta szubsztrátumhoz, 10-15% glükóz, kisebb mennyiségű ammónium-foszfát, élesztő kivonat és 10% semlegesítő anyag keverékét használják. A közeget beoltjuk és levegőztetés nélkül rázzuk a képződött sav semlegesítésének optimalizálása érdekében. Az erjedés 2–4 napig tart, és az összes cukor elfogyasztása után fejeződik be a tisztítás megkönnyítése érdekében. A fermentáció végén a táptalaj pH-ját 10-re állítjuk be, és ha kalcium-karbonátot használunk, a tápközeget melegítjük a kalcium-laktát szolubilizálására és a jelenlévő fehérjék koagulálására. A táptalajt ezt követően szűrjük, hogy eltávolítsuk az oldhatatlan anyagokat, valamint a biomasszát. A szabad savat kénsav hozzáadásával, majd szűréssel eltávolítják a képződött kalcium-szulfát eltávolításához. A tejsavat ezután bepároljuk.
Mivel a leírt fermentációs típust (szakaszosan) korlátozza az a károsodás, amelyet a sejtek a disszociálatlan savforma felhalmozódása miatt szenvednek a fermentációs közegben, más fermentációs módokat, például szakaszos fermentációt is vizsgáltak, szakaszos táplálással és folyamatos fermentációval, valamint folyamatok sorozatát dolgozták ki, amelyek a termék szűréssel történő eltávolításán és a sejtek retenciós egység alkalmazásával történő koncentrálásán alapultak. A szakaszos adagolás szakaszos adagolással olyan folyamat, amelyben a bi-reaktort folyamatosan vagy egymás után táplálják szubsztráttal, anélkül, hogy megszüntetnék a fermentációs közeget, míg folyamatos fermentáció esetén a termékáram összetétele megegyezik a reaktorban jelenlévő folyadékkal. A folyamatos erjesztés a legtöbb esetben magasabb koncentrációkat és magasabb hozamokat eredményez, mint a szakaszos fermentáció.
HASZNOSÍTÁS ÉS TISZTÍTÁS
A fermentációs közegből nyert tejsav elválasztása, tisztítása és előkoncentrálása nehéz a sav vízhez való nagy affinitása és alacsony illékonyságának köszönhetően. A legtöbb eljárásban a tejsavat kalcium-laktát formájában nyerik ki, és a további kezelések a kívánt tisztaságtól függenek, és magukban foglalják: aktív szénnel történő kezelést, ioncserélő gyantákkal történő tisztítást, oldószeres extrakciót vagy metanollal végzett észterezést, majd desztillálást és hidrolízist.
A folyamat során keletkező maradványok megtisztítása érdekében azonban más visszanyerési és tisztítási módszereket dolgoztak ki, ideértve többek között a fermentációs közeg keresztáramú mikrofiltrálással történő tisztítását, gyantakezeléseket.
Az adszorpciós, kicsapási vagy membránszűrési technikákkal összehasonlítva az organofoszfát-komponensekkel, tercier aminokkal vagy kvaterner ammóniumokkal végzett oldószeres extrakciós módszer szelektívebb, és kedvez az eljárás hatékonyságának és a kapott termék tisztaságának. A szerves oldószerek azonban két problémát vetnek fel: mérgezőek a mikroorganizmusokra, és az extrakció és az erjedés optimális pH-értéke nem esik egybe, ezért javasolták cellulóz-triacetát polimer membránok és kvaterner ammóniumsók fázisának alkalmazását. Mobil és o-nitrofeniloktil éter lágyítószerként a tejsav in situ elválasztására.
Ami az elektrodialízist illeti, ez egy olyan eljárás, amelyet a savak sóinak elválasztására, tisztítására és koncentrálására fejlesztettek ki az erjesztő közegtől. Az eljárás lehetővé teszi a sav szétválasztását a keletkezéskor, így nincs szükség semlegesítő szerek hozzáadására. A tápközegben a savkoncentráció ebben a rendszerben továbbra is nagyon alacsony szinten marad, ezért értékelték annak pH-szabályozó rendszerrel összekapcsolt periodikus elektrodialízissel történő módosítását, amely növeli a tápközegben a laktát koncentrációját és az erjedési időket csökkent. Ezzel a fermentációs módszerrel a termelékenység 1,5-szeresére nő a hagyományos elektrodialízishez képest.
Az elektrodialízist szakaszos fermentáció után is fel lehet használni, és újabban olyan folyamatos rendszereket javasolnak, amelyek előnye, hogy állandó szinten tartják a fermentációs közeg térfogatát és csökkentik a visszanyert oldatban a glükózveszteséget, ezzel a módszerrel 19,5-szeres értéket érnek el. több tejsav, mint a hagyományos elektrodialízissel, és 9,7-szer több tejsav az intermittáló elektrodialízishez képest.
Mindezen előrelépések ellenére a legtöbb tejsavat előállító ipar még mindig kicsapási eljárásokat alkalmaz a tejsav tisztításához, amely minden tonna előállított tejsavhoz egy tonna gipszet termel, amelyet hulladékként juttatnak a környezetbe.
HASZNÁLATOK ÉS SPECIFIKÁCIÓK
A tejsavat és származékait, például a sókat és észtereket széles körben használják többek között az élelmiszeriparban, a vegyiparban, a gyógyszeriparban, a műanyagiparban, a textiliparban, a mezőgazdaságban és az állati takarmányiparban.
Az élelmiszeriparban savanyító és tartósítószerként használják. A vegyipar oldószerként és pH-szabályozó szerként használja. Festékek és gyanták előállításánál biológiailag lebontható oldószerként használható. A műanyagiparban a politejsav (PLA), biológiailag lebomló polimer prekurzoraként használják, érdekes felhasználási lehetőségekkel az iparban és az orvostudományban; Ezt tekintik a sav fő alkalmazásának, és ennek az oka annak, hogy a kereslet jelentősen megnőtt.
KÖVETKEZTETÉSEK
Annak ellenére, hogy az ipari tejsavgyártás több mint 100 évvel ezelőtt kezdődött, a kutatások továbbra is nagyon aktívak, alapvetően ennek két tényező köszönhető: az új alkalmazások, amelyek a sav polimerizálódásának és előállításának lehetősége miatt megtalálhatók biológiailag lebomló műanyagok; és a költségek, amelyek nagyok a nagyszabású alkalmazásoknál. A kutatók azt javasolják, hogy csökkentse az előállítási költségeket olcsóbb szubsztrátok, például agrár-ipari hulladék, hatékonyabb mikroorganizmusok és integrált tisztítási folyamatok konfigurálása révén, amelyek lehetővé teszik az L (+) és D (-) tejsav előállítását. tiszta. Másrészt a biotechnológiai folyamat hatékonysága, amelyet a tejsavkoncentráció, az elfogyasztott szubsztráthoz kapcsolódó termékhozam és a termelés sebessége alapján mérnek, nagyon változatos, és ezek a paraméterek jelentősen függenek az alkalmazott mikroorganizmustól, a forrástól szén, nitrogénforrás, pH, hőmérséklet és fermentációs mód.