Odpady do mikrobiologicznej produkcji kwasu mlekowego
W produkcji mikrobiologicznej kwasu mlekowego niezwykle istotny jest surowiec. Z racji tego, że bakterie kwasu mlekowego wytwarzają go bezpośrednio z glukozy niezbędne jest właśnie źródło węglowodanów. Bakterie LAB są również w stanie wykorzystywać do tego celu inne cukry niż glukoza, np. ksylozę czy laktozę. Wiele odpadów przemysłowych, w tym spożywczych, zawiera wspomniane węglowodany, a więc mogą zostać one wykorzystane do produkcji kwasu mlekowego. Wpisuje się to w politykę symbiozy przemysłowej (ang. industrial symbiosis), a więc wykorzystania odpadu do produkcji jako surowca.

Najczęściej wykorzystywanym surowcem w ubiegłej dekadzie była serwatka oraz melasa. Pierwsza z nich zawiera laktozę, a więc dwucukier, który może być metabolizowany przez bakterie kwasu mlekowego. Powstaje po produkcji serów i twarogów, więc może mieć odczyn bliżej obojętnego lub kwaśny, co ma znaczący wpływ na produkcję kwasu mlekowego, gdyż najoptymalniej zachodzi ona przy pH ok. 6.8. Drugi to melasa, będąca produktem ubocznym w produkcji cukru. Jest bardzo bogata w sacharozę (ok. 40%), podczas gdy serwatka zawiera średnio ok. 4% laktozy. Podobnie jak w przypadku laktozy, bakterie kwasu mlekowego również są zdolne rozkładać sacharozę z racji możliwości wytwarzania enzymu inwertazy.

Obecnie jednak odchodzi się od tych surowców w racji tego, że stają się cennymi produktami i przestają być postrzegane jako odpady. Z serwatki powstają koncentraty białkowe, które są produktem samym w sobie lub dodatkiem do produktów żywnościowych. Podobnie melasa – z racji oryginalnego słodkiego smaku i znacznie lepszych właściwości odżywczych niż sam cukier stosowana jest jako substancja słodząca.

Szuka się więc surowców będących odpadami i niekonkurujących z przemysłem spożywczym. Do takiej grupy należą m.in. odpady celulozowe, jedne z najczęściej występujących na świecie. Zawierają w swej strukturze polimery cukrowe, tj. celulozę i hemicelulozę. Cukry w nich obecne są w większości niedostępne dla organizmów żywych i wymagają uwolnienia poprzez odpowiednią obróbkę technologiczną, m.in. hydrolizę (chemiczną bądź enzymatyczną), która powoduje rozerwanie wiązań we wspomnianych polimerach i uwolnienie cukrów prostych, które w następującej po niej fermentacji mogą zostać wykorzystane. Odpady takie to nie tylko materiały pochodzące z przemysłu drzewnego czy papierniczego, ale i browarniczego – powstające po procesie młóto browarnicze, przede wszystkim łuski po ziarnie. Z racji bardzo zwartej i długiej struktury polimerów celulozy oraz hemicelulozy proces ich rozkładu nie jest łatwy i wymaga specyficznych warunków i katalizatorów. Jednak względy ekonomiczne i ogólna dostępność do tego materiału oraz wysokie stężenie cukrów fermentacyjnych po procesie rozkładu celulozy, czynią ją bardzo atrakcyjnym surowcem w produkcji kwasu mlekowego.

Innymi przykładami materiałów celulozowych są m.in. odpady z obróbki trzciny cukrowej, słoma, papier, tektura, drewno i materiały z roślinnych włókien celulozowych, takich jak konopie, trzcina olbrzymia, drzewo eukaliptusowe i miskant. Ten pierwszy odpad zasługuje na szczególną uwagę z racji faktu, że poza obecnością celulozy posiada pozostałości po sacharozie, która właśnie pozyskiwana jest w wyniku przetwarzania trzciny cukrowej.

Drugim odpadem, który raczej nie znajduje swojego zastosowania w przemyśle spożywczym, są wytłoki owocowe. W tym przypadku to materiał o dużej zawartości błonnika, pektyn oraz cukrów w postaci fruktozy. Charakteryzują się również niską trwałością i stabilnością, głównie z powodu dużej wilgotności. Jednak to ten fakt sprawia jednocześnie, że są bardzo dobrym materiałem jako pożywka mikrobiologiczna. Wytłoki owocowe w przeciwieństwie do opadów celulozowych mogą być stosowane bezpośrednio jako pożywka fermentacyjna, chociaż ich wstępne rozłożenie, np. hydroliza, może fermentację usprawnić. Największe wydajności procesowe uzyskuje się stosując przede wszystkim wytłoki jabłkowe.

W tym miejscu warto zauważyć, że podobnie jak w przypadku wzbogaconych o sacharozę odpadów celulozowych po obróbce trzciny cukrowej, bardzo duży potencjał kryją w sobie wytłoki pochodzące z obróbki buraków cukrowych, które również są dodatkowo bogate w sacharozę.

Duży potencjał posiadają odpady żywnościowe (z gospodarstw domowych czy restauracji). Tego rodzaju odpady produkowane są w ogromnych ilościach, a z racji kompleksowego składu bardzo często nie wymagają suplementacji przy wykorzystaniu ich w procesie produkcyjnym, która najczęściej polega na dodatku do hodowli ekstraktu drożdżowego. Powodem jest konieczność suplementacji bakterii LAB witaminami z grupy B oraz aminokwasami, które są w nim obecne. Odpady żywnościowe mają w swym składzie duże ilości węglowodanów: od cukrów prostych, przez złożone, po skrobię a nawet celulozę. Dodatkowo zawierają ekstrakt drożdżowy sam w sobie (wiele produktów spożywczych jest wzbogacanych w ten składnik), ale i bezpośrednio witaminy z grupy B czy aminokwasy. Problemem w przypadku stosowania tego typu surowca jest jego zmienność pod względem składu, a przede wszystkim zawartości cukrów.

Wspominana suplementacja ekstraktem drożdżowym również może zostać wpisana w trend symbiozy przemysłowej poprzez wykorzystanie drożdży odpadowych z różnych gałęzi przemysłu spożywczego – od browarniczego po piekarniczy. Sam ekstrakt uzyskuje się przez autolizę, plazmolizę, hydrolizę kwasową oraz ekstrakcję wodną, powstałych po procesie osadów drożdżowych. Wykorzystywane mogą być do tego proste bioreaktory, gdzie nie jest wymagane dodatkowe napowietrzanie, co znacząco obniża koszty i usprawnia przeprowadzenie całego procesu. Są to procesy beztlenowe, jednak o zmiennym pH. Wytwarzany kwas mlekowy zakwasza środowisko hodowlane, więc hodowle zazwyczaj wymagają regulacji pH, zwykle przy pomocy roztworów zasadowych.

 

***

Podsumowując, produkcja kwasu mlekowego może łączyć ze sobą wytwarzanie go z utylizacją opadów bardzo często o wysokich wskaźnikach ChZT5 oraz BZT, co jest w zasadzie paradoksalnie ich zaletą w przypadku wykorzystania jako surowiec fermentacyjny (wysoki ładunek biologiczny – wysoka zawartość węgla).