Acidul lactic

� descoperit de cercetătorul suedez C.W. Scheele în 1780, în laptele acru.

� Pasteur, Lister si Delbrueck au fost cei care au identificat acidul lactic ca fiind un metabolit microbian.

� există în două forme stereoizomere, optic active

Obţinerea industrială prin procese fermentative datează din 1881 şi a fost realizată de Avery în Littleton, MA, SUA. Începând cu 1990, producţia mondială de acid lactic a cunoscut o creştere semnificativă, printre cei mai mari producători de acid lactic prin fermentaţie numărându-se NatureWorks LLC (SUA), Purac (Olanda), Galactic (Belgia), Cargill (SUA) şi câteva companii din China.

Utilizări� Producţia mondială de acid lactic era de 120.000 t la nivelul anului 2006, cu o rată de

creştere anuală de 5-8%. Pentru 2011 este estimat un necesar de 200.000 t, dar rata de creştere poate fi mult mai mare (14-19%) datorită polimerilor biodegradabili obţinuţi din acid lactic.

� Industria alimentar ă 85% : - agent conservant, acidulant, aromatizant sau cu rol de tampon într-o mare varietate de produse alimentare cum ar fi dulciuri, pâine şi produse de panificaţie, băuturi răcoritoare (sucuri de fructe, siropuri, nectaruri), dulceţuri, produse lactate, condimente, maioneze, bere, la prepararea esenţelor, extractelor, precum şi la fabricarea conservelor de legume, fructe, peşte. Sărurile de calciu sau sodiu ale esterilor acidului lactic cu acizi graşi se utilizează drept conservanţi şi emulgatori în panificaţie.

� Industria farmaceutic ă – solutie 90% – reglarea florei intestinale, ca aditiv la prepararea de loţiuni.

� Industria cosmetic ă – la prepararea produselor hidratante, datorita caracterului higroscopic. Lactatul de etil este un important ingredient activ în produsele antiacnee.

� în domeniul compu şilor macromoleculari , la obţinerea acidului polilactic (PLA) şi a unei game variate de copolimeri cu utilizări în medicină la proteze ortopedice, cardiovasculare, fire chirurgicale, sisteme de eliberare controlată a medicamentelor, respectiv în industria alimentară la obţinere de ambalaje alimentare sau sisteme de eliberare controlată a aromelor/aditivilor alimentari.

Alte domenii:� tratarea apelor (dedurizare), ca adjuvant pentru produse peliculogene şi materiale

plastice, respectiv în industria textilă şi pielărie. Este un potenţial intermediar pentru obţinerea unor compuşi oxigenaţi cum ar fi propilenglicol, propilenoxid, acid acrilic, acrilaţi etc.

Microorganisme producătoare� Principalele clase de microorganisme producătoare de acid lactic sunt:

Lactococcus, Lactobacillus (cea mai bogată, cuprinzând peste 125 de specii şi subspecii), Streptococcus, Leuconostoc, Enterococcus, Pediococcus, Aerococcus, Oenococcus, Carnobacterium, Vagococcus, Tetragenococcus, şi Weisella.

� Bacteriile lactice sunt heterotrofe, necesita medii nutritive complexe, cresc în condiţii anaerobe, dar pot supravieţui şi în prezenţa aerului, fiind aerotolerante. Pot creşte la temperaturi de la 5 la 450C şi sunt tolerante la medii acide, fiind capabile să crească şi la un pH = 4.4, chiar dacă domeniul optim de pH este cuprins între 5.5 şi 6.5. Se clasifică în homofermentative, care produc peste 85% acid lactic din glucoza şi heterofermentative, care pe lângă acid lactic, care reprezintă cca 50%, produc şi alţi compuşi precum etanol, diacetil, formiat, acetoina, acid acetic şi dioxid de carbon.

� In procesele industriale de obţinere ale acidului lactic se utilizează doar bacterii lactice homofermentative, cu precădere Lactobacillus lactis, L. delbrueckii, L. helveticus, L. casei, L.bulgaricus, L.leichmanii, aparţinând Lactobacilaceaelor, bacterii Gram-pozitive, nesporulate, aero- şi acido-tolerante, al căror produs majoritar al fermentaţiei de carbohidraţi este acidul lactic.

� unele specii de fungi, cum ar fi Mucor, Monilia sau Rhizopus, sunt la rândul lor producătoare de acid lactic, cel mai cunoscut fiind Rhizopus oryzae, care poate produce acid L-lactic cu un randament de peste 70%.

Izomerii acidului lactic produşi de

cele mai utilizate bacterii lactice

Microorganism Acid D(-) lactic Acid L(+) lactic Amestec racemic

L. acidophilus nu nu da

L. lactis da nu nu

L. bulgaricus da nu nu

L. helveticus nu nu da

L. casei nu da nu

L. tolerans nu da nu

L. paracasei nu da nu

L. rhamnosus nu da nu

L. plantarum nu nu da

Lacotococcus lactis nu da nu

Streptococcus thermophilus nu da nu

Leuconostoc da nu nu

Biochimia

acidului lactic

C6H12O6 + 2 ADP + Pa →→→→glucoză

2 CH3CH(OH)COOH+2 ATPacid lactic

Materii prime

� Sursa de C - hidraţi de carbon în stare pură (glucoză, zaharoză, lactoză etc.);- materiale cu conţinut de hidraţi de carbon cum ar fi:

- melasele in prezenta de Enterococcus faecalis, -materiale cu conţinut de amidon din cartofi, tapioca,

grâu, porumb, orz, morcovi.- materialele ligno-celulozice, precum resturile de

trestie de zahăr, tărâţe de cereale, stiuleti/tulpini de porumb etc., pot constitui, de asemenea, atat materii prime dupa pretratare/hidroliza, cat si suporturi ideale pentru fermentaţii în fază solidă, atât în prezenţă de fungi, ca Rhizopus oryzae, dar şi de bacterii lactice, cum ar fi Lactobacillus delbrueckii .

- zer - disponibil in cantitati apreciabile, deoarece aprox. 85% din totalul cantitatii de lapte prelucrat pentru branzeturi se transforma in zer, care prezinta pentru mediu un important factor de poluare afectand structura fizico-chimica a solului (scaderea productiei agricole), sau reduce viata acvatica datorita consumului de oxigen. Aproximativ 50% din producţia mondială de zer se procesează: o parte (45%) se foloseşte ca atare, 30% sub formă de zer pulbere, din 15% se extrage lactoza, iar restul se foloseşte drept concentrat de proteine de zer.Datorita continutului de lactoza si a altor elemente nutritive esentiale cresterii microorganismelor, zerul devine o materie prima importanta in biotehnologie in special pentru obtinere de acid lactic.

- leşia sulfitică este o altă materie primă de viitor.

�Sursa de azot - hidrolizate proteice: extract sau hidrolizat de drojdie, peptone; extractul de porumb poate inlocui partial extractul de drojdie si peptonele; în completarea sursei organice de N în substrat pot fi adăugate săruri de amoniu.

� Vitamine acid folic, riboflavină, acid lipoic, acid nicotinic etc.

Procedee de fermentaţie lactică de biomasa- Procedee discontinue, semi-discontinue, continue, in culturi submerse sau in faza solida, intr-o etapa sau doua de conversie.

� Fermentaţiile discontinue sunt superioare celor continue din toate punctele de vedere, mai puţin cel al productivităţii. Randamentul procesului poate fi mărit prin realizarea de procese discontinuerepetate sau semicontinue, mai ales în cazul substraturilor scumpe.Operarea continuă oferă avantajul maximizării productivităţii.

� O productivitate ridicată, fără reducerea randamentului, poate fi obţinută prin recircularea masei celulare;

� Realizarea fermentaţiei cu celule imobilizate in matrici polimerice, naturale sau sintetice, comparativ cu utilizarea de celule libere, conduce la creşterea productivităţii; dezavantajul este cel de scădere a cantităţii de acid lactic datorită acumulărilor de produse secundare şi a stabilităţii reduse a capsulelor polimerice naturale datorită mediului acid.

Fermentaţia lactică anaerobă operează optim la un pH 5.5 – 6.0, in unele cazuri 6.0-6.5, la care acidul se obţine sub formă de sare. Valori ale pH-ului sub 4.5 inhiba puternic cresterea celulara.

Asigurarea unei concentratii celulare ridicate este esentiala pentru obtinerea unor productivitati ridicate.

Producţiile tradiţionale realizează procesul fermentativ concomitent cu neutralizarea acidului cu compuşi de calciu (hidroxid sau carbonat), realizând precipitarea lactatului de calciu, uşor de separat, iar acidul se pune în libertate ulterior prin acidulare cu acid sulfuric.

Procedeu discontinuu pe substraturi de amidon sau glucoză

- Concentratia sursei de C in substrat - 5-18%;- Temperatura se stabileste functie de microorganismul

producator, de ex. Lactobacillus delbrueckii şi L. leichmanii folosite pe substraturi de glucoză, maltoză sau zaharoză - 50-520C, Lactobacillus bulgaricus pe substrat de zer - 40-450C, L. casei şi Streptococcus lactis - 30-350C;

- pH = 5,5-6,0 mentinut prin adaos de CaCO3;- Fermentaţia se declanşează după cca 6 ore de la

însămânţare;- Durata procesului, functie de materia prima, 2-8 zile;- Conditii anaerobe;- Fermentatoare cu capacitati de 20-110m3, prevăzute cu

sisteme de agitare, încălzire şi răcire.

Parametri de proces:

Procedee de separare a acidului lactic din mediul de fermentatie

� Procedeul clasic – se ridică temperatura mediului de fermentație la 80-100ºC, iar pH-ul la 10-11, ceea ce are ca efect distrugerea microorganismelor, coagularea proteinelor, solubilizarea lactatului de Ca și distrugerea unor zaharuri neasimilate, urmată de decantarea și filtrarea mediului. Separarea acidului lactic din lactat se face prin acidulare cu acid sulfuric, concentrare, adsorbtie pe carbune activ / schimbatori de ioni a impuritatilor; dezavantaj: manipularea de solide şi nămoluri, consum de calcar sau lapte de var, respectiv acid sulfuric şi producere de gips (1 t/t de acid lactic produs), costul operaţiilor de separare şi purificare ridicându-se la cca. 50% din costul de producţie;

� transformarea acidului lactic într-un derivat uşor separabil şi purificabil, spre exemplu într-un ester ; eficienţa economică a procedeului propus fiind susţinut de posibilitatea recuperării şi recirculării alcoolului într-o proporţie de peste 85%.

schimbător de ion modificat cu SnCl2

RH

� Extrac ţia reactiv ă este o altă variantă de recuperare a acidului lactic din mediu de fermentaţie folosind amine terţiare în soluţii alcoolice; dezavantaj consumul relativ ridicat de solvenţi organici, al căror caracter toxic asupra celulelor microbiene nu este neglijabil.

� Separarea prin schimb ionic , utilizând anioniţi, în special în cazul proceselor care se desfăşoară într-o singură etapă (cu zaharificare şi fermentaţie simultană) în fază solidă, când în mediu se obţine preponderent acidul liber. Dezavantaj, prezenţa în mediul de fermentaţie şi a altor specii de anioni (SO4

2-, Cl-), care intră în competiţie cu anionii de lactat, iarîndepărtarea acestora din mediu pe parcursul fermentaţiei este nedorită.

� Separarea acidului lactic din mediul de fermentaţie utilizând site moleculare de tip Silicalite (de tip zeolitic) , care prezintă un diametru de pori adecvat pentru separare, prezintă afinitate scăzută pentru apă şi se caracterizează prin stabilitatea termică şi hidrotermică ridicată. Rezultatele obţinute relevă o capacitate de reţinere ceva mai mică decât pe alţi absorbanţi polimerici. Cu toate acestea simplitatea procedeului prezintă un mare avantaj.

Procese membranare de separare

Modulul membranar: micro-, ultra-, nanofiltrare, osmoza inversa, electrodializa

Membranele de microfiltrare, datorită dimensiunii porilor (0.1-0.2 µm), pot separa celulele microbiene, permiţând recircularea lor ulterioară, asigurând astfel o concentraţie celulară ridicată în fermentator.

Membranele de ultrafiltrare, cu dimensiuni de pori mai mici decât cele de microfiltrare, asigură reţinerea nu numai a celulelor microbiene ci şi a proteinelor.

Membranele de nanofiltrare, având dimensiunile porilor între cele de ultrafiltrare şi osmoză inversă (diametru mediu de 1 nm), separă celule, proteine, nutrienţi, săruri şi sursă de carbon neasimilată de acid lactic.

Osmoza inversă, cunoscută ca metodă de separare cu membrane neporoase, în care separarea se realizează prin mecanism difuzional, reţine aceiaşi componenţi ca şi în cazul nanofiltrării, cu deosebirea că presiunile de operare sunt mult mai ridicate.

În cazul utilizării electrodializei, separarea se bazează pe electromigrarea ionilor prin membranele anionice, respectiv cationice.

� Separarea prin electrodializ ă conduce la reducerea inhibiţiei de produs prin recuperarea directă a acidului lactic din mediul de fermentaţie, fără a mai necesita utilizarea vreunui agent de neutralizare. De asemenea, a fost dovedit efectul de intensificare a procedeului asupra productivităţii.Dezavantaje: reducerea eficienţei separării în timp, datorită aderării celulelor la membranele separatoare, trecerea şi a altor anioni concomitent cu cel de lactat, ceea ce impune purificări ulterioare, costurile aferente construcţiei unităţilor de electrodializă sunt ridicate in cazul operării la scară mare.

Proces Factorii majori de cost Avantaje şi dezavantaje majore

Fermentaţie convenţională

Costuri de capital, operare, energie, reactivi chimici, mentenanţă; costurile de operare reprezintă 50% din totalul costurilor

Preţ scăzut al materiilor prime, obţinere de produs de înaltă puritate, dar printr-o tehnologie poluantă (generare de 1 t de deşeu/ t acid)

Fermentaţie integrată cu osmoză inversă

Costul membranei reprezintă 28% din costuri

Productivitate ridicată, obţinere de produs pur, tehnologie nepoluantă (ecologică)

Fermentaţie integrată cu electrodializă

Operaţii multiple, reprezentând 80% din costuri

Obţinere de produs pur, tehnologie nepoluantă (ecologică)

Fermentaţie integrată cu ultrafiltrare, osmoză inversă, schimb ionic

Concentrarea şi fermentaţia reprezintă 40%, respectiv 47% din costul total

Obţinere de produs pur, tehnologie nepoluantă

Fermentaţie integrată cu osmoză inversă, nanofiltrare

Exceptând costurile membranelor, celelalte costuri (energie, operare, echipamente) sunt scăzute

Productivitate ridicată, ibţinere de produs de înaltă puritate, tehnologie nepoluantă

Analiz ă comparativ ă a diferitelor procese de ob ţinere ale acidului lactic

Procedee de fermentaţie lactică a zeruluiProcedeu discontinuu

Materii prime : - zer, zer deproteinizat, zer hidrolizat, permeat de zer, lapte degresat si fara cazeina; - mediul necesita suplimentare cu surse de azot: extract de drojdie, autolizat de drojdie, extract de porumb sau peptone;- suplimentarea mediului cu Mn (MnSO4ּH2O) are un rol important fiind un constituent al lactat-DH, de asemenea, prin adaos de Mn se reduce necesarul de extract de drojdie mentinand conversia ridicata a substratului.

Inoculul se obţine pe substrat de lapte, pentru a acomoda bacteria cu mediul de fermentaţie. Se utilizează diferite tulpini de lactobacili Lactobacillus bulgaricus, L. helveticus, L. casei, L. acidophilus. Pe substrat de lapte este utilizat de preferinţă L. helveticus deoarece este un microorgnism homofermentativ, care produce de două ori mai mult acid lactic, amestec dextrogir comparativ cu alte bacterii lactice homofermentative.

� Fermenta ţia de regim se conduce anaerob, în fermentatoare confecţionate din lemn sau V2A, având capacităţi cuprinse între 20 şi 30 m3. Fermentatoarele sunt prevăzute pe lângă sistemele de agitare cu o conductă de abur, utilizată atât pentru încălzirea mediului de fermentaţie în faza iniţială, cât şi pentru coagularea microorganismelor lactice în faza finală. Instalaţiile moderne de fermentaţie sunt prevăzute cu sisteme automate de reglare a temperaturii.

- factori semnificativi: cantitatea de inocul şi mediul de precultură, care joacă un rol important în cantitatea de acid lactic produsă, temperatura şi pH-ul, specifice tulpinilor de microorganisme. De ex. productivitate maximă în culturi de L. helveticus se obţin la 420C şi un pH=5.5-5.8, în timp ce pentru L.casei productivitatea maximă se obţine la 370C şi un pH 5.5.

În vederea menţinerii acidităţii totale a mediului în jurul a 0,2% la fiecare 6 ore se adaugă o suspensie de lapte de var. Prin acest procedeu de neutralizare în timp, bacteriile se menţin pe toată durata procesului în activitate maximă. În final aciditatea se reduce la 0,1%. După coagularea bacteriilor lactice la o temperatură de 950C şi decantarea acestora, lichidul limpede, respectiv filtratul după separarea masei celulare, se decoloreazăîn trepte prin tratare cu cărbune activ sau kieselgur. Produsul brut decolorat se concentrază în vid, iar lactatul de calciu va cristaliza la 10-150C în decurs de 10-12 ore. Lactatul de calciu se purifică prin cristalizări repetate.

Dezavantajul proceselor discontinue: - perioada de lag si de fermentatie indelungata, volum mare de utilaje, costuri ridicate de operare, consum de reactivi de neutralizare (saruri de Ca sau amoniu).

Procedeul continuu

- cunoscut încă din 1931. Fermentatorul de regim, care este elementul central al instalaţiei, este prevăzut

cu sistem automat de reglare a temperaturii (43 ± 10C) şi sisteme de dozare automată a zerului sterilizat, respectiv a suspensiei de lapte de var. Debitul de zer se reglează funcţie de conţinutul de acid lactic al mediului, care se elimină continuu din fermentator. Mediul din fermentator se colectează într-un rezevor intermediar şi parcurge etapele de coagulare, decantare şi prelucrări ulterioare.

Reducerea perioadei de lag, viteze mari de creştere, consum rapid de lactoză şi obţinerea unor concentraţii mari de acid lactic s-au obţinut prin suplimentarea mediului cu extract de drojdie şi microaerarea mediului.

Principalul neajuns al procedeului continuu constă în scăderea randamentului datorită timpului redus de fermentaţie. Creşterea randamentului se poate obţine prin:- recircularea biomasei, care permite realizarea unor concentratii celulare ridicate in fermentator, obtinerea unor cantitati sporite de acid lactic la un timp de stationare mic. In acest mod de operare productivitatea acidului lacric se poate dubla prin cresterea vitezei de dilutie;- trecerea mediului din fermentator în celula catodică a unei unităţi de electrodializă, unde are loc separarea acidului lactic format şi recircularea mediului în fermentator;- utilizarea ultrafiltrarii pentru separarea acidului lactic pe masura formarii.

Dezvoltarea tehnologiilor de imobilizare a atras dupa sine o serie de avantaje:

- realizarea unor densitati celulare crescute in fermentator;- cresterea stabilitatii;- posibilitatea reutilizarii si operarii in flux continuu;- procesare post-fermentare simplificata. Metoda cea mai eficienta si utilizata de imobilizare este cea

de incapsulare in matrici polimerice naturale sau sintetice.

Au fost testate si alte materiale naturale mai ieftine, cum ar fi: chipsuri de lemn, materiale lemnoase delignifiate, coaja de ou, bucati de fructe (mere), pe care imobilizarile s-au realizat prin adsorbtie.

Matrici utilizate pentru imobilzari de bacterii lactice

Microorganism Matrice de incapsulare

L. casei agar-agar, perle de sticla siterizata poroasa,chipsuri de lemn, coaja de ou, bucati de mere, gel pectina, poliacrilamida

L. lactis alginat, k-carageenan, agar-agar, poliacrilamida

L. helveticus alginat, k-carageenan/guma vegetala,

L. brevis material celulozic delignifiat

L. bulgaricus k-carageenan, fibre capilare