乳酸は、L（＋）またはD（-）乳酸の形で、あるいはそのラセミ混合物として生産されます。 L(+)形またはD(-)形を形成する生物は、2つの乳酸脱水素酵素(LDH)を持っており、その立体特異性が異なります。
L. caseiのL-乳酸脱水素酵素は、フルクトース1,6-ビスリン酸（FDP）とのアロステリックな酵素であることがわかっています。 また、Mn2+が補酵素として働く場合もある。 L. caseiと真核生物、L. caseiと脊椎動物のLDHは、それぞれ37%と76%の類似性を示したが、活性部位はそれぞれ70%と86%の類似性を示し、この酵素の本質的な部分が保存されていることがわかった。 脊椎動物の酵素と比較して、L. caseiはN末端に12個のアミノ酸残基を持たないことがわかっている。
一次構造の違いにもかかわらず、結晶学的解析によると、L. caseiのアロステリック酵素と脊椎動物の非アロステリック酵素の全体的な構造は似ています。 したがって、おそらく一次構造のわずかな変化がそのアロステリックな挙動に関与していると考えられる。 N末端の最初の12個のアミノ酸が存在しないことは、エフェクター結合部位の可能性を示しており、Mn2+または(Mn2+ + FDP)の酵素に対する解離阻害効果の原因にもなっている。 4量体の酵素は2量体に解離し、サブユニットの接触領域には存在しないと思われるチロシン残基が自由溶媒に触れることを示している。 トリプトファン残基は、エフェクターの結合によって紫外線吸収やタンパク質の蛍光を発するが、タンパク質の蛍光は臭化ジメチルスルホニウムで破壊されることが判明しており、またFDPの結合にも影響を与えていない。 そのため、どこか離れた場所にあるチロシン残基が原因ではないかと考えられている。 しかし、L. caseiの代謝経路は、入手可能な炭水化物の種類によって制御されていることがわかり、FDPとトリオースリン酸中間体の量を決定する。 これらはLDHなどの酵素の活性を制御し、乳酸以外の代謝物を生成する。 また、L.bulgaricusでは、乳酸脱水素酵素のFDP独立制御が報告されている。 この菌を連続培養すると、pHを酸性からアルカリ性に変化させると、ヘテロ発酵モードで糖をホスホケトラーゼの分割経路で異化するようになる。 このことから、乳酸菌の乳酸脱水素酵素はアロステリックな影響だけでなく、遺伝子発現の制御下にあることが示唆されました。
L（＋）乳酸菌の改良のための遺伝子組み換え乳酸菌
L（＋）とD（-）の両方の乳酸を生産する乳酸菌において、代謝工学的にL（＋）乳酸生産を改良する試みがいくつか行われています。
Lactobacillus helveticusではldhD（D-lactate dehydrogenase遺伝子）を不活性化することで、L（＋）乳酸量が2倍に増加し、乳酸総量が野生型株のレベルに回復しました。 遺伝子置換法により、Lactobacillus helveticusの2つの安定したldhD陰性株を構築した。 1つは、プロモーター領域を内部で欠失させることにより、ldhD遺伝子の転写を阻止した株である。
L-乳酸デヒドロゲナーゼ活性は、野生型株と比較して、2つの改変株でそれぞれ53%と93%増加した。
L(+)乳酸デヒドロゲナーゼをコードする遺伝子は、Lactobacillus plantarumから単離され、Escherichia coliにクローニングされた。 この遺伝子の塩基配列を決定し、ldhLを過剰発現または非発現させたLactobacillus plantarum株の構築に用いた。 ldhL遺伝子を搭載したマルチコピープラスミドをLactobacillus plantarumに発現シグナルを変えずに導入した。 その結果，L-乳酸デヒドロゲナーゼ活性は13倍に増加したが，L（＋）乳酸やD（-）乳酸の生成にはほとんど影響を与えなかった。
Lactococcus lactisでは、ldhL遺伝子を含むlacオペロンのコピー数を増やすと、乳酸生産量がわずかに増加した(Davidson et al., 1995)。
Lactobacillus johnsoniiのD-乳酸デヒドロゲナーゼ遺伝子（ldhD）を単離し、その遺伝子のin vitroでの切断コピーを用いて、野生株のゲノムコピーを不活性化しました。 このため、クローン化されたldhD遺伝子内に8bpの欠失を生じさせ、その機能を不活性化した。 変化したldhDを含むプラスミドを、Lactococcus lactisとの共役固定化によりLactobacillus johnsoniiに導入した。 プラスミドをゲノムのldhD部位にクロスオーバー統合したものを選択し、その構造を適切に解析した結果、D-乳酸デヒドロゲナーゼ活性を完全に欠く変異体が得られた。
大腸菌は、グルコースデヒドロゲナーゼ活性を持つ混合発酵を行う通性嫌気性菌ですが、グルコースでは生育できませんでした。 しかし、アルコールデヒドロゲナーゼ（adh）とホスホトランスアセチラーゼ（pta）の二重変異体は、D-乳酸と少量のコハク酸を生成する乳酸発酵により、グルコース上で嫌気的に生育することができた。 さらに、ホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼ遺伝子に変異を加えると、ギ酸、酢酸、d-乳酸、コハク酸、エタノールを主な生成物とするホモ発酵のように、D-乳酸を生成するようになった。 酢酸生成を担うホスホトランスアセチラーゼを合成できないpta-変異体は、グルコース上で生育することができなかった。 adh-変異体は、乳酸菌でアルコールを持たない（Narayanan et al.
Rhizopus oryzaeはエタノール発酵酵素を持っており、酸素がない状態でも短時間であれば生育することができます。 しかし、酸素不足の条件下で、野生型のアルコール脱水素酵素の5％の活性しか発現しない変異体が単離されました。
原材料
長年にわたり、著者らは乳酸の生産のために多くの炭水化物と窒素の材料を研究してきました。 これらは、高い乳酸収率、最適なバイオマス生産、無視できる副産物の生成、速い発酵速度、少ない前処理、容易なダウンストリーム処理、低コスト、入手のしやすさなどに基づいて研究されてきました。
ショ糖（シロップ、ジュース、糖蜜から）、乳糖（ホエーから）、マルトース（特定の酵素によるデンプン変換プロセスで生成）、グルコース（デンプン変換プロセスから）、マンニトールなどが商業的に使用されています。 糖蜜は安価ですが、乳酸の収率が低く、精製に手間がかかります。 乳清も安価で入手しやすいが、糖蜜と同様に精製に手間がかかる。 このため、限外ろ過や電気透析などの最新技術の開発が進められている(Kulozik and Wilde, 1999)。 加水分解されたジャガイモのデンプン、トウモロコシ、ワラ、ホエイ、綿実の殻、グレープフルーツ、亜硫酸塩の廃液なども研究されている。 また、R. oryzaeがコーンスターチとコーンコブを用いて、エアリフト式バイオリアクターと繊維床式バイオリアクターでL(+)乳酸を生産する研究も行われています。
また、マレーシアのサラワク州、リアウ州、インドネシアに豊富にあるサゴのデンプンから、高純度のL（+）乳酸を低コストで生産するための微生物プロセスを開発する研究も行われています。 また、前処理されたアルファ化繊維の糖化と発酵を同時に行うことでも乳酸を生産しています。
ホエイパーミエイト、酵母エキス、モルトスプラウト、モルトコーミングナッツ、グラスエキス、ペプトン、ビーフエキス、カゼイン加水分解物、コーンスティープリカー、N-Z-アミン、大豆加水分解物などの多くの窒素材料が研究されてきましたが、速くて重い成長をさせるためには、炭水化物源を補うためにビタミンを補給する必要があります。 しかし、酵母エキスが最も効果的なサプリメントであると思われる。 11種類の窒素源が試験された。 酵母エキスの代わりに様々な量のビタミンB群が研究された（Hujanen and Linko, 1996）。 これらは回復プロセスを単純化するために最小限のレベルに保たれている。 炭水化物や窒素源が十分な量を欠いている場合には、追加のミネラルが必要になることもあります。
発酵プロセス
乳酸発酵は、解離していない乳酸の形によって最終製品の発酵が阻害されることが知られています。 この問題を克服するために、いくつかの研究が行われてきました。 抽出型乳酸発酵技術を用いると、従来のバッチ式反応器では収量0.83g/l、乳酸生産性0.31g/l/hであったのに対し、0.99g/l、乳酸生産性1.67g/l/hの乳酸が得られることがわかりました（Srivastavaら、1992年）。 乳酸の分離にはイオン交換樹脂アンバーライトIRA-400を使用した。 温度が低いと吸着しやすく、温度が高いと乳酸生成が促進されるため、抽出型乳酸発酵による乳酸生成には39℃の温度が最適であることがわかりました。 イオン交換膜を用いた抽出型発酵システムでは、乳酸-グルコース溶液からの乳酸回収に陰イオン交換法が用いられています（Ziha and Kefung, 1995）。
陰極区画に培養液を循環させる電気透析バイオプロセスでは、水素イオンがLactococcus lactis細胞の代謝に負の影響を与えることが実証されています（Nomura et al. 彼らは、周期的な電気透析によるL-乳酸発酵速度の刺激を調査しました。 電気透析によるバイオプロセスでは、乳酸と酢酸を同時に除去することで、ブロス中の乳酸を低レベルに保ち、最終製品の阻害を抑えることが研究されている。 水素イオンは細胞の代謝を阻害する効果があるため、標準的な電気透析装置を使用することで、培養液が陰極に接触しないように、培養液を透析コンパートメントに循環させることができる。 これにより、より短い時間でキシロースを完全に消費することが可能になりました。
主に次の2つのリアクターシステムで、乳酸の高い収率と生産性が得られました。すなわち、連続的な細胞リサイクル発酵プロセス（図1）とフィードバッチ発酵（図2）です。 膜型細胞リサイクルバイオリアクターを用いた場合、117g/l/hという高い容積生産性が報告されているが、製品濃度は高くならず、また、細胞濃度が高くなりすぎた場合に生じる流動性の変化を防ぐために、細胞を連続的にブリーディングしながら連続運転している。 この問題を解決するために、CSTRを直列に並べて使用している(Kulozik et al. 1992)。 これにより、乳酸の生産性と濃度が向上しました。 乳酸収量の増加は、後段のバイオマス形成を犠牲にしていることもわかった。また、乳酸異性体L（＋）乳酸の純度が高いと、新鮮な細胞の数が増えて、乳酸が増加する。 細胞リサイクルを用いた7段のカスケード反応器の性能を調べました。 MCRB（Membrane Cell Recycle Bioreactors）を直列に配置した研究では、高い細胞密度と5.7 g/l/hの高い乳酸生産性、92 g/lの乳酸濃度が得られています（Kwon et al.2001）。 3段式反応器による乳酸アンモニウムの連続生産が研究されている（Borgardtsら、1998年）。 様々な保持時間を検討した結果、高い乳酸生産性と高い乳糖利用率が得られた。 乳清の透過液を用いた連続発酵では、高い生産性が報告されている。 細胞のリサイクルに関する実験が研究されている。 76kg/m3/hwasの容積生産性が排水中の乳酸濃度で決定されました。 固定化された細胞システムによる乳酸生産が研究されています。 Lactobacillus delbreuckiiをアルギン酸カルシウムビーズに固定化し、連続フローカラム反応器で使用したところ、0.97g/gの乳酸を得ることができました。 Lactobacillus delbreuckiiを中空糸反応器に固定化しました。 100kg/m3/hの乳酸生産性が確認された。 生物の過剰な増殖は、リアクターシステムの長期的な運用を低下させた。 Lactobacillus caseiおよびLactobacillus lactisの増殖および乳酸生産の動態は、すべてのバイオマスを保持し、代謝物の連続的な除去を可能にする限外濾過モジュールを用いた細胞保持連続培養で、粉砕したコーンコブのリグノセルロース加水分解物について研究されている（Melzochら、1996）。 バイオフィルムは、細胞を固定化する自然な形態である。 75%(w/w)のポリプロピレン(PP)と25%(w/w)の農業資材を含むプラスチック複合支持体PCSのチップを用いてバイオフィルム発酵を行うと、乳酸の産生が促進されることが実証されている(Demirci and Pometto, 1995)。 24枚のPCSディスクブレンドは、50%(w/w)のPPと50%の農業材料を含み、pHコントロールなしの最小培地でL(+)乳酸バイオフィルム発酵を行った。 各PCSブレンドは、バイオフィルムの形成、栄養分の徐放、表面接触角、Lactobacillus caseiとの疎水性互換性、多孔性、乳酸吸収について評価された。 常に最高のパフォーマンスを示したPCSディスクは、50%(w/w)のPP、35%(w/w)の大豆外皮、5%(w/w)の酵母エキス、5%(w/w)の乾燥牛アルブミンとミネラル塩を含んでいた。 バイオフィルムの集団は、支持体の接触角と相対的な疎水性に影響される。
溶媒抽出は、乳酸やコハク酸などのカルボン酸の精製に使用されてきました。
乳酸やコハク酸などのカルボン酸の精製には、溶媒抽出が用いられてきましたが、これらの溶媒をin-situで使用すると、細胞膜が破れて代謝物が流出するという毒性があります。 1-オクタノールや1-デカノールなどの長鎖アルコールは、他の希釈剤に比べて毒性が低いことがわかった。 また、コロイド状の液体アプロン（CCA）は、溶媒だけの場合と平衡分布にほとんど差がないことがわかっている。
膜リサイクルリアクターは高い生産性を得ることができますが、ファウリングという潜在的な欠点があります。
膜リサイクルリアクターは高い生産性が得られますが、ファウリングの問題があります。 固定化された細胞を用いることで高い細胞密度を得ることができるが、pHの制御が必須条件となる。 撹拌槽型反応器はpHを効率的に制御できるが、支持体の消耗が激しい。 連続運転している2つの充填床反応器に、L. caseiの接着性菌株を接種した。 充填床反応器では、大きなpH勾配が発生し、かなりの割合の細胞が最適なpHを得られないことがある。 支持体への吸着は、細胞をより単純かつ良好に捕捉することができる。 増殖した細胞は培地に放出され、培地中に浮遊する細胞が存在することになる(Bruno et al. 1999)。
L（＋）乳酸は、乳酸菌やRhizopus oryzaeなどの真菌を用いた水中培養による発酵プロセスで商業的に生産されています。 Rhizopus sp.はデンプンからL(+)乳酸を生産することができますが、乳酸菌に比べて収量が非常に少ないのが現状です。 エアリフト式バイオリアクターを用いて最適な条件で培養すると、L（＋）乳酸を85％の収率で生産することができた。 菌糸の形態は、培地の粘性を高めるため発酵には適しておらず、インペラーに巻き付き、サンプリング時やオーバーフローラインでの閉塞の原因となる。 前培養で植菌された胞子の濃度を調整すると、R. oryzaeの小さな菌糸体ペレットができる。 しかし、このペレットでは物質移動が不十分であるという問題がある。 ミネラルサポートを使用することで、綿のようなフロックの形態を得ることができる(Sun et al. 1999)。
微生物のパーフュージョン培養は、細胞外生成物の高い生産性を達成するための効率的な技術です。 非対称膜管を備えた撹拌型セラミック膜リアクター（SCMR）は、長期間にわたって高い透過性を維持するのに有効であることがわかった。 しかし、バッチ発酵を繰り返すうちに、生産量は徐々に低下していった。
乳酸/乳酸塩分離のための様々なオプション、利点と欠点
発酵した培地は純粋な乳酸助剤かその塩、またはその2つの混合物を含んでいます。 有利な処理アプローチのクラスは、発酵ブロスまたは他の混合物から乳酸を除去し、一方で可溶性の乳酸を発酵ブロスに残すことを含みます。
発酵媒体から乳酸塩を分離するには、溶媒による抽出、イオン交換による分離、吸着による分離、真空蒸留による分離、膜による分離など、さまざまなアプローチがあります（Eyalら、2001年）。 これらはそれぞれいくつかの利点と欠点を示しているが、これらはこのレビューで先に述べた発酵プロセスでも説明されている。
Eyal et al. 2001によると、遊離乳酸と溶解した乳酸塩を含む混合物から乳酸生成物を得るための好ましいプロセスは、以下のステップからなるという。 – a）発酵ブロスのpHを下げる（3.0～4.2）；（b）親水性膜と揮発性アミン弱塩基（VAWB）を使用して、発酵ブロスから親水性膜を介してVAWBに乳酸を分離する；（c）揮発性アミン弱塩基を選択的に気化させて、アミン弱塩基の塩から乳酸を再生する。
重縮合による乳酸ポリマー
乳酸ポリマーは、主にラクチル単位からなり、1つの立体異性体のみ、またはDとLのラクチル単位を様々な比率で組み合わせたものです。 重縮合のデメリットは、低モル質量のポリマーが得られることです。 有機溶媒中の乳酸，水，ポリ乳酸の平衡を操作することで，高モル質量のポリマーを得る研究（Ajioka et al. 二官能剤（双極子や二酸）の存在下ではテレケリックポリマーを形成し、さらにジイソシネートのような連結剤を用いて高モル質量のポリマーを与えることができる（Hiltunenら、1997年）。
開環重合による乳酸ポリマー
開環重合のルートには、乳酸の重縮合に続いて、脱水された環状の二量体であるラクチドへの解重合が含まれます。 重縮合の温度を上げて圧力を下げ、生成したラクチドを蒸留することで解重合を行うのが一般的です。 開環重合の方法には，溶液重合，バルク重合，溶融重合，懸濁重合などがある(Niewenhuis, 1992)。 重合メカニズムには，カチオン重合，アニオン重合，配位重合，フリーラジカル重合などがある。 遷移金属の化合物：-スズ、アルミニウム、鉛、亜鉛、ビスマス、鉄、イットリウム-によって触媒される(Nijenhuis et al. 1992)。 他の環状モノマーも、開環共重合によって乳酸系ポリマーに組み込むことができる。 最も利用されるコモノマーは、グリコリド、カプロラクトン、バレロラクトン、ジオキシペノン、トリメチルカーボネートである。 開環重合の利点は、反応の化学的性質を正確に制御することができ、結果として得られるポリマーの特性をより制御された方法で変化させることができることです。
さまざまな著者が、異なる分子量のポリマーの合成を研究しています。 適当な共沸溶媒を用いれば、高分子量のポリ乳酸を一段階重縮合で合成できることが報告されています。 触媒濃度，重合時間，温度は，ポリマーの収率，分子量，旋光性に大きな影響を与えます。
乳酸モノマーの重縮合によるポリ乳酸の合成では、重量平均分子量が1.6×104以下であったのに対し、ラクチドの開環重合では、平均分子量が2×104から6.8×105の範囲であった(Hyon et al. 1997)。 モノマー転化率および平均分子量は、オクト酸スタンナスの触媒濃度が0.05%のときに最大となった。 重合時間とともに直線的に増加し、モノマー転化率は80%で最大となりますが、重合温度を高くして時間を長くすると、得られたポリラクチドの熱分解が観察されます。
星型共重合体の合成は、モノマーと開始剤、モノマーと触媒の比率やモノマーの転化率に依存する（Dong et al.2001）。
ポリ乳酸とメチルグリコリドをトリメチロールプロパン開始剤を用いて重合する場合、モノマーと開始剤のモル比とモノマー変換率に依存し、3つまたは4つの腕を持つ星型ポリマーが得られます。
乳酸の立体異性体を> 99:1で選択するという興味深い研究があります。 乳酸エチルのアクリレートとシクロペンタジエンとのディールスアルダー反応は、最高で85:15(無触媒)、93:7(TiCL4促進)のジアステレオフェース選択性で進行する。 また、ルイス酸に応じて逆配置の生成物が得られます。 これは、不斉Diels Alder反応の大規模な実用化のための方法として利用できます。 混合物中のラクチドとグリコリドの相対比率と触媒濃度の影響は、統計的に有意であることがわかった。
乳酸および乳酸系ポリマーの製造における取り組み
乳酸およびその誘導体の発酵、一次および二次精製、重合、化学変換といった主要なプロセスコンポーネントにおける技術的進歩は、低コストで大量の、そして環境に優しい乳酸の製造を可能にします。 膜を使った分離・精製の最近の進歩は、塩や石膏の副産物を作らずに乳酸を生産することを可能にします。 最近発行された特許では、耐浸透性乳酸菌株と、脱塩電気透析、水分解電気透析、イオン交換精製の構成により、0.1％以下のタンパク質性成分を含む濃縮乳酸製品を炭水化物発酵により製造することができる。 このプロセスでは、副産物の塩石膏は発生しませんが、イオン交換再生時に少量の塩が発生します。
Dupont ConAgra社と提携しているEcochem社は、副産物のアンモニウム塩を生成する回収・精製プロセスを開発しましたが、これは肥料として販売することができます（Anon, 1992）。 このプラントの生産能力は1,000トン/年である。 光学純度を制御したラクチドポリマーの製造のための連続プロセスが開発された（Gruber, 1992）。 このプロセスでは、多段式蒸発の後、重合して低分子量のプレポリマーを作り、これを触媒でラクチドに変換するという構成を採用している。 精製されたダイラクチドは、部分的に凝縮して再利用する蒸留システムで回収される。 このダイラクチドは、高分子量のポリマーやコポリマーの製造に使用することができます。 環状エステル、ダイラクチド、グリコリドを製造する新しいプロセスが開発されました。 このプロセスでは、不活性ガスを使用して反応マスから環状エステルを一掃した後、適切な有機酸でスクラブして揮発したエステルを回収・精製し、最後に沈殿または結晶化して固体をろ過することで液体から環状エステルを分離し、ラセミ化による損失を最小限に抑えた高純度のラクチドを製造することができます。 様々なプロセスストリームにおける乳酸部分のリサイクルと再利用が可能であると主張しています。
有機酸やエステルからアルコールを製造する水素化分解反応の技術も最近進歩しており、新しい触媒やプロセスによって高い選択性と速度が得られ、中程度の圧力で動作します。 この技術は、無水マレイン酸から1,4ブタンジオール、テトラヒドロフランなどの炭素数4の化学中間体を製造するために実用化されています。
L-乳酸ベースのポリマーは、分子サイズ>70kDaのリニアホモポリマーであるポリマーを生成する可能性があります。 乳酸系ポリマーの主な応用分野は医療分野であり、多くの企業が乳酸系ポリマーやその製品の製造に力を入れています。 これらの医療用途には、引っ張り強度、粘度、純度などの異なる特性を持ったものが使用されています。 ポリ乳酸ポリマーには、骨の隙間を埋めるのに使える固体、縫合糸を作るのに使える引っ張り強度のある固体、そして主に人間の膜や薄皮を接合するのに使われる接着剤の3つの異なる形態がある(Sikinami et al. 2002)。 ポリ乳酸のもう一つの重要な特性は、紫外線に対して高い強度を持つことである。 Dow ChemicalsとCargillは、米国Blairに年間140,000トンの生産能力を持つ最大のポリ乳酸（PLA）製造会社を有している（Anon, 1992）。 PLAはROPによって生産され、その主な用途は繊維、包装材、溶剤である。 ROPは、オランダのPURAC社と合弁で、トウモロコシ製粉工場で乳酸を生産している。 また、三菱ポリマーとPLAの事業開発で提携しています。 ドイツのApack社は、旧Nestle Chemicals社のポリ乳酸技術を、フィンランドのFortum Oyj社と共同で使用している食品包装会社である(Kivimaki, 2000)。 ベルギーのGalactic社は、甜菜糖から年間1500トンの乳酸を生産している。 Galactic社の子会社であるBrussels Biotech社は、乳酸製品の研究開発を行っている（Bronnbann and Yoshida, 2000）。 オランダのHycail社は、米国のDairy Farmers社とオランダのGroningen州立大学との合弁会社で、ホエーから年間400トンの乳酸を製造し、その乳酸をPLAに変換するパイロットプラントの建設を計画している。 日本の三井化学は、直接重縮合法でPLAを製造しています。 島津製作所はROPでPLAを製造しています。
乳酸関連材料の研究は、ヨーロッパ、アジア、アメリカのいくつかの大学や研究機関を魅了している。
ポリ乳酸の生産については、小規模な生産設備がいくつかあります。
純粋なL(+)乳酸ポリマー産業と言っても、中国ではYipu、Dahuachem International、Sinochem Hebei Qinhuangdao Imp and Exp Corp.、Zechem、Qingdao FTZ united International Inc.など、アメリカではPURAC、Macropore Biosurgery、ECOCHEMなど、わずかな名前しかありません。 これらの企業の多くは、L（＋）乳酸ポリマーの製造に半天然法を採用している。 このプロセスは、発酵によって生成された混合物からL（＋）乳酸を分離するために酵素プロセスを採用し、その後、高価な高速液体クロマトグラフィー（HPLC）技術（米国のOxoid社、米国のCargill社）を用いて分離することで構成されています。