Melkzuur wordt geproduceerd in de vorm van L (+) of D (-) melkzuur of als racemisch mengsel daarvan. Organismen die de L (+)- of D (-)-vorm produceren, hebben twee lactaatdehydrogenasen (LDH), die verschillen in hun stereospecificiteit. Sommige Lactobacillen produceren L (+) vorm, die bij accumulatie een racemase induceert, die het omzet in D (-) melkzuur totdat een evenwicht is bereikt.
Het L- lactaatdehydrogenase in L. casei blijkt een allosterisch enzym te zijn met fructose 1,6-bisfosfaat (FDP). In sommige gevallen fungeert Mn2+ als cofactor. De LDH in L. casei en eukaryoten en in L. casei en vertebraten vertonen een overeenkomst van respectievelijk 37% en 76%, maar de actieve sites vertonen een overeenkomst van respectievelijk 70% en 86%, waaruit blijkt dat de essentiële onderdelen van dit enzym bewaard zijn gebleven. In vergelijking met de enzymen van vertebraten ontbreken bij L. casei 12-aminozuurresiduen aan de N-terminus, een gemeenschappelijk kenmerk van bacteriële enzymen, ongeacht het allosterische gedrag. L. casei heeft ook 7 extra aminozuurresiduen aan het C-uiteinde, maar het is niet bekend of dit ook kenmerkend is voor bacteriële enzymen, aangezien er geen complete sequentie van andere bacteriële enzymen beschikbaar is.
Ondanks de verschillen in primaire structuur blijkt uit de kristallografische analyse dat de algemene structuur van de allosterische enzymen in L. casei en de niet-allosterische enzymen in gewervelde dieren vergelijkbaar zijn. Daarom zijn waarschijnlijk de kleine veranderingen in de primaire structuur verantwoordelijk voor het allosterische gedrag. De afwezigheid van de eerste 12 aminozuren aan de N-terminus wijst op een mogelijke bindingsplaats van een effector, hetgeen ook het dissociatieremmende effect van Mn2+ of (Mn2+ + FDP) op het enzym verklaart. Het tetramere enzym dissocieert in dimeren waaruit de vrije oplosmiddel-toegankelijkheid van tyrosineresiduen blijkt, die zich mogelijk niet in het contactgebied van de subeenheid bevinden. Tryptofaanresiduen zijn in UV-absorptie en eiwitfluorescentie door effector binding, maar eiwitfluorescentie bleek te worden vernietigd in dimethylsulfoniumbromide, en ook is er geen invloed op FDP binding. Daarom kan het te wijten zijn aan een of ander afgelegen tyrosineresidu. De metabolische routes van L. casei bleken echter te worden gecontroleerd door het soort koolhydraten dat beschikbaar is, die de hoeveelheid FDP en triosefosfaat-tussenproducten bepalen. Deze regelen de activiteit van LDH en andere enzymen om andere metabolieten dan melkzuur te produceren. Ook FDP-onafhankelijke controle van Lactaatdehydrogenase is gerapporteerd in L. bulgaricus. Wanneer dit organisme in continue cultuur werd gekweekt, leidde een verschuiving van de pH van zuur naar alkalisch ertoe dat het suiker kataboliseerde in een heterofermentatiemodus via de splitsingsroute van fosfoketolase. Dit impliceerde dat lactaatdehydrogenases in melkzuurbacteriën niet alleen onder controle staan van allosterische invloeden, maar ook van genexpressies.
Genetisch gemodificeerde melkzuurbacteriën voor verbeterde L (+) melkzuurbacteriën
Er zijn enkele pogingen ondernomen om de L (+) melkzuurproductie te verbeteren door metabolic engineering in lactobacillen die zowel L (+) als D (-) melkzuur produceren.
In Lactobacillus helveticus leidde inactivering van ldhD (D-lactaatdehydrogenase-gen) tot een tweevoudige toename van de hoeveelheid L (+) melkzuur, waardoor de totale hoeveelheid melkzuur weer op het niveau van de wildtype stam werd gebracht. Twee stabiele ldhD-negatieve stammen van Lactobacillus helveticus werden geconstrueerd door middel van de genvervangingsmethode. Eén stam werd geconstrueerd door een interne deletie van de promotorregio, waardoor de transcriptie van het ldhD-gen werd verhinderd. De tweede constructie werd gemaakt door het ldhD-gen te vervangen door ldhL, waardoor de gendosering werd verdubbeld.
De L-lactaatdehydrogenase-activiteit was in de twee gemodificeerde stammen respectievelijk 53% en 93% hoger dan in de wildtype stam. De twee D-lactaatdehydrogenase-negatieve stammen produceerden alleen L(+)-lactaat in een hoeveelheid die gelijk was aan de totale hoeveelheid lactaat geproduceerd door de wild-type stam (Nikkila et al. 2000).
Het gen dat codeert voor L(+)-lactaatdehydrogenase werd geïsoleerd uit Lactobacillus plantarum en gekloond in Escherichia coli. Dit gen werd gesequenced en gebruikt om Lactobacillus plantarum-stammen te construeren door ldhL al dan niet tot expressie te brengen. Een multikopie-plasmide met het ldhL-gen werd in Lactobacillus plantarum ingebracht zonder wijziging van de expressiesignalen. Dit verhoogde de L-lactaat dehydrogenase activiteit 13-voudig maar het had nauwelijks effect op de productie van L (+) lactaat of D (-) lactaat. Een stabiele chromosomale deletie in het ldhL-gen resulteerde in de afwezigheid van L-lactaat dehydrogenase activiteit en in de exclusieve productie van het D-isomeer van lactaat (Ferain et al. 1994).
In Lactococcus lactis resulteerde, wanneer het kopieënaantal van het lac-operon waarin het ldhL-gen voorkomt werd verhoogd, dit in een lichte toename van de melkzuurproductie (Davidson et al. 1995).
Het D-lactaat dehydrogenase gen (ldhD) van Lactobacillus johnsonii werd geïsoleerd, en een in vitro afgeknotte kopie van dat gen werd gebruikt om de genomische kopie van de wilde stam te inactiveren. Hiertoe werd een 8-bp deletie gegenereerd binnen het gekloonde ldhD-gen om de functie ervan te inactiveren. Het plasmide dat het gewijzigde ldhD bevat, werd via conjugatieve comobilisatie met Lactococcus lactis overgebracht op Lactobacillus johnsonii. Er werden cross-over integraties van het plasmide op de genomische ldhD plaats geselecteerd, en een aangepaste resolutie van de structuren resulteerde in mutanten die de D-lactaat dehydrogenase activiteit volledig misten. De lager overblijvende L-lactaat dehydrogenase activiteit zette pyruvaat om in L-lactaat met een marginale toename van de secundaire eindproducten acetaldehyde, acetoïne en diacetyl (Lapierre et al. 1999).
E. coli is een facultatieve anaerobe, die gemengde fermentatie van glucose dehydrogenase activiteit uitvoert, was ook niet in staat om te groeien op glucose. Een alcoholdehydrogenase (adh), fosfotransacetylase (pta) dubbelmutant was echter wel in staat anaëroob te groeien op glucose door lactaatfermentatie waarbij D-lactaat en een kleine hoeveelheid succinaat werden geproduceerd. Een bijkomende mutatie in het fosfoenol-pyruvaat-carboxylase-gen deed de mutant D-lactaat produceren als een homofermentatief waarbij de voornaamste producten formiaat, acetaat, d-lactaat, succinaat en ethanol zijn. Een pta-mutant, die niet in staat is fosfotransacetylase te synthetiseren dat verantwoordelijk is voor de vorming van acetaat, was niet in staat te groeien op glucose. Een adh-mutant heeft geen alcohol in melkzuurbacteriën (Narayanan et al. 2004). Een L-lactaat dehydrogenase gen werd ingebracht in deze mutant die het D-lactaat dehydrogenase gen mist, dit resulteerde in de productie van L-lactaat dehydrogenase als het belangrijkste fermentatieproduct (Chang et al. 1999).
Rhizopus oryzae heeft ethanol fermenterende enzymen die de schimmel in staat stellen om voor korte perioden te groeien in afwezigheid van zuurstof. Er werd een mutant geïsoleerd die slechts 5% van de activiteit van het wildtype alcoholdehydrogenase tot expressie bracht onder O2-limiterende omstandigheden. Zo werd pyruvaat omgeleid naar de vorming van melkzuur (Skory et al. 1998).
Ruw materiaal
In de loop der jaren hebben auteurs een groot aantal koolhydraten en stikstofhoudende materialen bestudeerd voor de productie van melkzuur. Ze zijn onderzocht op basis van hun hoge melkzuurrendement, optimale biomassaproductie, verwaarloosbare vorming van bijproducten, snelle fermentatiesnelheid, minder voorbehandeling, gemakkelijke downstreamverwerking, lage kosten, gemakkelijke beschikbaarheid enz. De keuze van de te gebruiken grondstof hangt af van de bestudeerde micro-organismen en ook van het gewenste produkt.
Sucrose (uit siropen, sappen en melasse), lactose (uit wei), maltose (geproduceerd door specifieke enzymatische zetmeelomzettingsprocessen), glucose (uit zetmeelomzettingsprocessen, mannitol enz. zijn commercieel gebruikt. Melasse is goedkoop maar levert weinig melkzuur op en de zuiveringsprocedures zijn omslachtig. Wei is ook goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar, maar net als melasse zijn de zuiveringsprocedures duur. Dit heeft de ontwikkeling gestimuleerd van moderne technologieën zoals ultrafiltratie en elektrodialyse (Kulozik en Wilde, 1999). Ook gehydrolyseerd aardappelzetmeel, maïs, stro, wei, katoenzaadschillen, grapefruit, sulfietafvalvloeistof enz. zijn onderzocht. Er is ook onderzoek gedaan naar de productie van L (+) melkzuur door R. oryzae met behulp van maïszetmeel en maïskolven in een air-lift bioreactor en vezelbed bioreactor.
Er worden ook studies uitgevoerd om microbiële processen te ontwikkelen voor de produktie van zeer zuiver L (+) melkzuur tegen lage kosten uit sago-zetmeel dat in overvloed aanwezig is in Sarawak, Maleisië, Riau en Indonesië. Melkzuur is ook geproduceerd door gelijktijdige sacharificatie en fermentatie van voorbehandelde alfavezel.
Een aantal stikstofhoudende materialen zoals weipermeaat, gistextract, moutkiemen, moutkamnoten, grasextract, peptonen, runderextract, caseïnehydrolysaat, maïssteelwater, N-Z-amine, sojahydrolysaat met toevoeging van vitaminen ter aanvulling van koolhydraatbronnen om een snelle en zware groei te geven, zijn bestudeerd. Gistextract lijkt echter het meest effectieve supplement te zijn. Elf verschillende stikstofbronnen werden getest. Verschillende hoeveelheden B-vitaminen werden bestudeerd ter vervanging van gistextract (Hujanen en Linko, 1996). Deze worden op minimale niveaus gehouden om het herstelproces te vereenvoudigen. Extra mineralen zijn soms nodig wanneer de koolhydraat- en stikstofbronnen niet voldoende hoeveelheden bevatten.
Gistingsprocessen
Melkzuurfermentatie staat bekend als een eindproduct dat wordt geremd door een niet-gescheiden vorm van melkzuur. Er zijn verschillende studies uitgevoerd om dit probleem te verhelpen. Men heeft ontdekt dat het gebruik van extractieve melkzuurfermentatietechniek een melkzuuropbrengst van 0,99 g/l en een melkzuurproductiviteit van 1,67 g/l/h kon opleveren, vergeleken met een conventionele batchreactor die een opbrengst van 0,83 g/l en een melkzuurproductiviteit van 0,31 g/l/h opleverde (Srivastava et al. 1992). Ionenwisselaarhars amberlite IRA-400 werd gebruikt voor lactaatscheiding. Aangezien een lagere temperatuur de adsorptie bevordert en een hogere temperatuur de melkzuurproductie, werd een temperatuur van 39ºC optimaal bevonden voor melkzuurproductie door extractieve melkzuurfermentatie. Anionenwisselmethode is gebruikt voor melkzuurherwinning uit melkzuur-glucose oplossing in een ionenuitwisselingsmembraan-gebaseerd extractief fermentatiesysteem (Ziha en Kefung, 1995). Roychoudhury et al. 1995 hebben de verschillende extractieve melkzuurfermentatieprocessen beschreven.
Het is aangetoond dat waterstofionen een negatief effect hadden op het metabolisme van Lactococcus lactis-cellen tijdens een elektrodialyse bioproces, waarbij het cultuurfiltraat door het kathodecompartiment werd gecirculeerd (Nomura et al. 1998). Zij onderzochten de stimulatie van de snelheid van L-lactaatfermentatie door periodieke elektrodialyse. Elektrodialyse bioprocessen werden bestudeerd waarbij lactaat en acetaat gelijktijdig verwijderd worden, waardoor een laag lactaatgehalte in de bouillon behouden blijft, wat remming van het eindproduct vermindert. Waterstofionen hebben een remmende werking op het metabolisme van de cellen; daarom maakt het gebruik van een standaard elektrodialyser het mogelijk het cultuurfiltraat door het dialysecompartiment te laten circuleren, zodat de cultuur niet in contact komt met de kathode. Dit maakte een volledig verbruik van xylose in kortere tijd mogelijk.
Met name de twee reactorsystemen resulteren in hoge opbrengsten en productiviteiten van melkzuur: – een continu cel-recyclage fermentatieproces (figuur 1) en een gevoede batch fermentatie (figuur 2). Een hoge volumetrische productiviteit van 117 g/l/h met gebruikmaking van membraancelrecyclagebioreactor is gerapporteerd, maar resulteert niet in een hoge productconcentratie, en wordt uitgevoerd op continue wijze met voortdurende ontluchting van cellen om de verandering in vloeibaarheid te voorkomen die optreedt wanneer de celconcentratie te hoog wordt. Om dit probleem op te lossen, zijn CSTR in serie gebruikt (Kulozik et al. 1992). Dit verhoogde de produktiviteit en de concentratie van melkzuur. De verhoogde melkzuuropbrengst bleek ook ten koste te gaan van de vorming van biomassa in een laatste stadium, Een hoge zuiverheid van het melkzuurachtige isomeer L (+) melkzuur nam ook toe via een verhoogde populatie van verse cellen. De prestaties van een cascadereactor met zeven fasen en celrecyclage werden onderzocht. Membraancelrecyclingbioreactoren (MCRB) in serie zijn bestudeerd waarbij een hoge celdichtheid met een hoge melkzuurproductiviteit van 5,7 g/l/u en 92 g/l melkzuurconcentratie werden verkregen (Kwon et al. 2001). De continue productie van ammoniumlactaat in een reactor met 3 fasen is onderzocht (Borgardts et al. 1998). Verschillende onderzochte retentietijden toonden een hogere lactaatproductiviteit en een hogere lactosebenutting. Continue fermentaties met weipermeaat zijn gerapporteerd met hoge productiviteiten. Experimenten met celrecyclage zijn bestudeerd. Een volumetrische productiviteit van 76 kg/m3/uur werd bepaald met een melkzuurconcentratie in het effluent. De melkzuurproductie is bestudeerd met geïmmobiliseerde celsystemen. Lactobacillus delbreuckii werden geïmmobiliseerd in calciumalginaatkorrels en gebruikt in continue-kolomreactoren en hebben een opbrengst van 0,97 g/g melkzuur verkregen. Lactobacillus delbreuckii werden geïmmobiliseerd in een holle vezel reactor. 100 kg/m3/h lactaatproductiviteit werd waargenomen. Overmatige groei van de organismen verminderde de werking van het reactorsysteem op lange termijn. De kinetiek van de groei en de melkzuurproductie van Lactobacillus casei en Lactobacillus lactis werd bestudeerd voor lignocellulose-hydrolysaat van geplette maïskolven in de celbehoud-continucultuur met een ultrafiltratiemodule die alle biomassa vasthoudt en de continue verwijdering van metabolieten mogelijk maakt (Melzoch et al. 1996). Biofilms zijn een natuurlijke vorm van celimmobilisatie. Aangetoond is dat de melkzuurproductie werd verhoogd wanneer biofilmfermentatie werd uitgevoerd met chips van kunststofcomposietdragers PCS die 75% (m/m) polypropyleen (PP) en 25% (m/m) landbouwmateriaal bevatten (Demirci en Pometto, 1995). 24 PCS-schijfmengsels met 50% (w/w) PP en 50% landbouwmateriaal werden gebruikt voor L (+) melkzuur biofilmfermentatie in minimale media zonder pH-regeling. Elk PCS-mengsel werd geëvalueerd op biofilmontwikkeling, langzame afgifte van nutriënten, oppervlaktecontacthoek, hydrofobe compatibiliteit met Lactobacillus casei, porositeit en melkzuurabsorptie. De PCS-schijf die consistent de hoogste prestaties vertoonde, bevatte 50% (g/g) PP, 35% (g/g) sojahullen, 5% (g/g) gistextract, 5% (g/g) gedroogde runderalbumine en minerale zouten. De biofilmpopulatie wordt beïnvloed door de contacthoek en de relatieve hydrofobiciteit van de dragers. Het gebruik van kunststof composietdragers gaf een hoge biofilmpopulatie, celdichtheid en melkzuurconcentraties.
Extractie met oplosmiddelen is gebruikt voor de zuivering van carbonzuur zoals melkzuur en barnsteenzuur. Maar deze oplosmiddelen zijn in-situ toxisch omdat zij het celmembraan scheuren waardoor de metaboliet naar buiten lekt. Lange-keten alcoholen zoals 1-octanol en 1-decanol bleken minder toxisch te zijn dan andere verdunningsmiddelen. Er is ook aangetoond dat Colloïdale Vloeibare Approns (CCA) weinig verschil veroorzaken in de evenwichtsverdeling met het oplosmiddel alleen. Zij verminderen de toxiciteit van oplosmiddelen op de cellen.
Een hoge produktiviteit kan worden verkregen door gebruik te maken van een membraanrecyclingreactor, maar deze heeft als potentieel nadeel dat hij vervuilt. Bij hoge celdichtheden komen de cellen onder druk te staan en beginnen ze het D-isomeer van het product te produceren. Hoge celdichtheden kunnen worden verkregen door gebruik te maken van geïmmobiliseerde cellen, maar een gecontroleerde pH is een eerste vereiste. Een geroerde tankreactor biedt efficiënte controle over de pH maar leidt vaak tot uitputting van de drager. Een adhesieve stam van L. casei werd geïnoculeerd op twee gepakte bedreactoren die continu werkten. In gepakte bedreactoren worden grote pH-gradiënten gegenereerd en een aanzienlijk deel van de cellen ervaart geen optimale pH. Adsorptie aan een drager zorgt voor een eenvoudigere en betere insluiting van de cellen. De zich vermenigvuldigende cellen worden aan het medium afgegeven, zodat de cellen in suspensie in het medium aanwezig zijn (Bruno et al. 1999).
L (+) melkzuur wordt commercieel geproduceerd in fermentatieprocessen waarbij melkzuurbacteriën of schimmels zoals Rhizopus oryzae in submerse cultuur worden gebruikt. Rhizopus sp. kan L (+) melkzuur produceren uit zetmeel maar de opbrengst is zeer gering in vergelijking met melkzuurbacteriën. Met behulp van een air-lift bioreactor onder optimale omstandigheden kon L (+) melkzuur worden geproduceerd met een opbrengst van 85%. De morfologie van de myceliën, die niet bevorderlijk is voor de fermentatie omdat zij de viscositeit van het medium verhoogt, wikkelt zich rond de waaiers en veroorzaakt verstoppingen tijdens de bemonstering en in de overloopleidingen. Door de concentratie geënte sporen in de voorkweek te regelen, werden kleine myceliumpellets van R. oryzae geproduceerd. De pellets hebben echter het probleem van onvoldoende massaoverdracht. Minerale dragers kunnen worden gebruikt om een katoenachtige vlokmorfologie te verkrijgen (Sun et al. 1999).
Perfusiekweek van micro-organismen is een efficiënte techniek om een hoge productiviteit van extracellulaire producten te bereiken. De geroerde keramische membraanreactor (SCMR), uitgerust met een asymmetrische membraanbuis, bleek doeltreffend te zijn om gedurende lange perioden een hoge permeabiliteit te handhaven. De productiesnelheid daalde echter geleidelijk tijdens de herhaalde batchfermentatie. Niettemin maakte de langdurige, hoge filtreerprestatie van de SCMR het mogelijk om het kweeksupernatant in korte tijd aan te vullen (Ohashi et al. 1999).
Verschillende opties voor melkzuur/lactaatzoutscheiding; voor- en nadelen
Het gefermenteerde medium bevat ofwel zuivere melkzuurhulp ofwel het zout ervan of het mengsel van de twee. Een klasse van voordelige verwerkingsmethoden omvat het verwijderen van melkzuur uit de fermentatiebouillon of een ander mengsel, terwijl het oplosbare lactaat achterblijft in de fermentatiebouillon. De scheiding kan in sommige gevallen plaatsvinden in de fermentor of het kan worden uitgevoerd op oplossingsmateriaal dat uit de fermentor wordt verwijderd.
Er kan een aantal benaderingen worden gebruikt voor het scheiden van lactaatzout uit gefermenteerd medium, namelijk extractie door oplosmiddelen, ionenuitwisselingsscheiding, scheiding door adsorptie, scheiding door vacuümdestillatie, en de membraanscheiding (Eyal et al. 2001). Elk van deze scheidingsprocessen heeft voor- en nadelen die ook eerder in dit overzicht bij fermentatieprocessen zijn beschreven. De keuze van het scheidingsproces moet worden gebaseerd op het efficiënte en economische gebruik van deze extractanten (Roychoudhury et al. 1995).
Volgens Eyal et al. 2001; een voorkeursproces voor de melkzuurproducten uit het mengsel dat vrij melkzuur en het opgeloste lactaatzout bevat, bestaat uit de volgende stappen: – a) verlaging van de pH van gefermenteerde bouillon (3,0 tot 4,2); b) gebruik van hydrofiel membraan en de vluchtige amine zwakke base (VAWB) om melkzuur te scheiden van de gefermenteerde bouillon door het hydrofiele membraan naar VAWB; c) regeneratie van melkzuur uit zouten van zwakke amine base door selectief verdampen van de vluchtige amine base. Dit proces kan worden herhaald om te zorgen voor een efficiënte scheiding van vrij melkzuur en het zout daarvan.
Melkzuurpolymeren door polycondensatie
Lelkzuurpolymeren bestaan hoofdzakelijk uit lactyleenheden, van slechts één stereoisovorm of combinaties van D- en L-lactyleenheden in verschillende verhoudingen. Een nadeel van polycondensatie is dat een polymeer met lage molaire massa wordt verkregen. Er zijn studies geweest om een polymeer met hoge molaire massa te verkrijgen door het evenwicht tussen melkzuur, water en polymelkzuur in een organisch oplosmiddel te manipuleren (Ajioka et al. 1995) of er is een multifunctionele vertakkingsagent gebruikt om stervormige polymeren te verkrijgen (Kim en Kim, 1999). In aanwezigheid van bifunctionele agentia (dipolen en diaciden) vormen zij telechelic polymeren, die verder kunnen worden gekoppeld om polymeren met hoge molaire massa te verkrijgen met behulp van koppelingsagentia zoals diisocynaat (Hiltunen et al. 1997). Een overzicht van de verschillende op melkzuur gebaseerde polymeren die zijn bereid door polycondensatie en polycondensatie gevolgd door ketenverlenging is te vinden in tabel 2.
Melkzuurpolymeren door ringopeningpolymerisatie
De ringopeningspolymerisatieroute omvat polycondensatie van melkzuur gevolgd door depolymerisatie tot het gedehydrateerde cyclische dimeer, lactide, dat ringopeningspolymeer kan worden tot polymeren met hoge molaire massa. De depolymerisatie wordt gewoonlijk uitgevoerd door de polycondensatietemperatuur te verhogen en de druk te verlagen en het geproduceerde lactide af te destilleren. Oplossingspolymerisatie, bulkpolymerisatie, smeltpolymerisatie en suspensiepolymerisatie zijn de verschillende methoden voor ringopeningspolymerisatie (Niewenhuis, 1992). Het polymerisatiemechanisme kan kationisch, anionisch, coördinatie of vrije-radicaalpolymerisatie zijn. Het wordt gekatalyseerd door verbindingen van overgangsmetalen: – tin, aluminium, lood, zink, bismut, ijzer en yttrium (Nijenhuis et al. 1992). Andere ringvormige monomeren kunnen ook in het polymeer op basis van melkzuur worden opgenomen door ringopeningscopolymerisatie. De meest gebruikte comonomeren zijn glycolide, caprolacton, valerolacton, dioxypenon en trimethylcarbonaat. Het voordeel van ringopeningspolymerisatie is dat de chemie van de reactie nauwkeurig kan worden geregeld, zodat de eigenschappen van het resulterende polymeer op een meer gecontroleerde wijze kunnen worden gewijzigd.
Verschillende auteurs hebben de synthese van polymeren met een verschillend molecuulgewicht bestudeerd. Er is gerapporteerd dat polylactisch zuur met een hoog molecuulgewicht kan worden gesynthetiseerd door polycondensatie in één stap wanneer geschikte azeotropische oplosmiddelen worden gebruikt. De katalysatorconcentratie, de polymerisatietijd en de temperatuur hebben een grote invloed op de polymeeropbrengst, het molecuulgewicht en de optische draaiing.
De synthese van polymelkzuur door polycondensatie van het melkzuurmonomeer gaf gemiddelde molecuulgewichten lager dan 1,6 x 104, terwijl ringopeningspolymerisatie van lactiden gemiddelde molecuulgewichten van 2 x 104 tot 6,8 x 105 gaf (Hyon et al. 1997). De monomeerconversie en het gemiddelde molecuulgewicht vertonen een maximum bij een katalysatorconcentratie van 0,05% loooctoaat. Zij nemen lineair toe met de polymerisatietijd tot een monomeerconversie van 80% tot een maximum, maar bij langere polymerisatietijden bij hogere polymerisatietemperaturen wordt thermische depolymerisatie van de resulterende polylactiden waargenomen.
De synthese van stervormige copolymeren is afhankelijk van de verhouding tussen monomeer en initiator, monomeer en katalysator en de monomeerconversie (Dong et al. 2001). Voor de polymerisatie van polylactide met methylglycolide met behulp van trimethylolpropaan-initiator is de molaire verhouding tussen monomeer en initiator en de monomeerconversie bepalend voor de productie van drie- of vierarmige stervormige polymeren.
Er is een interessante studie geweest voor de selectie > 99:1 van stereoisomeren van melkzuur. Diels-Alder reacties van het acrylaat van ethyllactaat met cyclopentadieen verlopen met diastereoface-selectiviteit tot 85:15 (niet gekatalyseerd) en 93:7 (TiCL4 bevorderd). Afhankelijk van het lewiszuur worden producten van inverse configuratie verkregen. Dit kan worden gebruikt als een methode voor grootschalige praktische toepassingen van de asymmetrische Diels Alder reactie. De invloeden van het relatieve aandeel van lactide en glycolide in het mengsel en de katalysatorconcentraties bleken statistisch significant te zijn. De invloed van tijd, temperatuur en laurylalcohol op het moleculaire gewicht, de samenstelling en de ketenstructuur is ook bestudeerd door auteurs (Dorta et al. 1993).
De inspanningen voor de productie van melkzuur en polymeren op basis van melkzuur
Technologische vooruitgang in de belangrijkste procescomponenten – fermentatie, primaire en secundaire zuivering, polymerisatie, chemische omzetting van melkzuur en zijn derivaten zou een goedkope, groot volume en milieuvriendelijke productie van melkzuur mogelijk maken. Recente ontwikkelingen op het gebied van membraanscheiding en -zuivering zouden het mogelijk maken melkzuur te produceren zonder zout- of gipshoudende bijprodukten te produceren. In recent gepubliceerde octrooien, een osmotolerante stam van melkzuurbacteriën en een configuratie van ontzoutende elektrodialyse, watersplitsende elektrodialyse en ionenuitwisselende zuivering, kan een geconcentreerd melkzuurproduct met minder dan 0,1% eiwitachtige componenten worden geproduceerd door een koolhydraatfermentatie. Dit proces geeft geen bijprodukt zout gips maar slechts een kleine hoeveelheid zout bij de regeneratie door ionenwisseling. Ook is naar verluidt weinig energie nodig.
Ecochem, een samenwerkingsverband van Dupont en ConAgra, heeft een terugwinnings- en zuiveringsproces ontwikkeld dat een bijprodukt ammoniumzout oplevert, dat als meststof kan worden verkocht (Anon, 1992). Deze fabriek heeft een capaciteit van 1000 ton/jaar. Er is een continuprocédé ontwikkeld voor de vervaardiging van lactidepolymeren met een gecontroleerde optische zuiverheid (Gruber, 1992). Het proces maakt gebruik van een configuratie van meerfasige verdamping gevolgd door polymerisatie tot een prepolymeer met een laag moleculair gewicht, dat vervolgens katalytisch wordt omgezet in dilactide. Het gezuiverde dilactide wordt teruggewonnen in een destillatiesysteem met gedeeltelijke condensatie en recycling. Het dilactide kan worden gebruikt om polymeren en copolymeren met een hoog molecuulgewicht te maken. Er is een nieuw procédé ontwikkeld om cyclische esters, dilactide en glycolide te maken. Dit proces maakt gebruik van een inert gas om de cyclische esters uit de reactiemassa te verwijderen en vervolgens wordt de vervluchtigde ester teruggewonnen en gezuiverd door wassen met een geschikt organisch zuur en tenslotte wordt de cyclische ester van de vloeistof gescheiden door precipitatie of kristallisatie en filtratie van de vaste stof waarbij lactide van hoge zuiverheid wordt geproduceerd met minimale verliezen door racemisatie. Recyclage en hergebruik van het melkzuurgedeelte in de verschillende processtromen zouden haalbaar zijn.
Hydrogenolyse-reactietechnologie om alcohol te produceren uit organische zuren of esters heeft onlangs ook vooruitgang geboekt, nieuwe katalysatoren en processen leveren hoge selectiviteit en snelheden en werken bij matige druk. Deze technologie is gecommercialiseerd om 1,4 butaandiol, tetrahydrofuraan en andere chemische tussenproducten met vier koolstofatomen te produceren uit maleïnezuuranhydride. In de toekomst zouden dergelijke technologieën kunnen worden geïntegreerd met goedkope processen voor de productie van melkzuur om propyleenglycol en andere chemische tussenproducten te maken.
De polymeren op basis van L-melkzuur kunnen een polymeer produceren dat een lineair homopolymeer is met een molecuulgrootte >70 kDa. Het voornaamste toepassingsgebied van melkzuurpolymeer zijn medische toepassingen en een aantal bedrijven heeft zich ingespannen voor de produktie van polymeren op basis van melkzuur en de produkten daarvan. Deze medische toepassingen omvatten het gebruik ervan als het verschillende eigenschappen heeft in termen van treksterkte, viscositeit, zuiverheid enz. L-melkzuur polymeer bestaat in drie verschillende vormen vaste stof die kan worden gebruikt voor het opvullen van gaten in botten, vaste stof met treksterkte voor het maken van hechtingen (hechtmateriaal), en de lijmvorm die vooral wordt toegepast bij het verbinden van membranen of dunne huiden bij mensen (Shikinami et al. 2002). Een andere belangrijke eigenschap van polylactisch zuur is zijn hoge weerstand tegen UV-straling. De biosorbeerbare lijm of kleverige vorm van melkzuur bestaat uit copolymeren van twee of meer biosorbeerbare monomeren: – L-melkzuur met dioxanon, met tri-methyleen carbonaat en met e-caprolactone.Dow Chemicals en Cargill hebben het grootste polylactide (PLA) producerende bedrijf met een jaarlijkse capaciteit van 140.000 ton gevestigd in Blair, USA (Anon, 1992). PLA wordt geproduceerd door ROP en de belangrijkste toepassing ervan is in vezels, verpakkingsmaterialen en als oplosmiddel. Het heeft een joint venture met PURAC, Nederland, voor de produktie van melkzuur in een maïsmalenfabriek. Het is een samenwerkingsverband aangegaan met Mitsubishi Polymers voor de ontwikkeling van PLA. Apack, Duitsland, is een bedrijf dat voedingsmiddelen verpakt en gebruikt de polylactidetechnologie van het vroegere Nestle Chemicals in samenwerking met Fortum Oyj, Finland (Kivimaki, 2000). Galactic, België produceert jaarlijks 1500 ton melkzuur uit bietsuiker. Brussels Biotech, een dochteronderneming van Galactic werkt aan de onderzoeks- en ontwikkelingsaspecten van melkzuurproducten (Bronnbann en Yoshida, 2000). Hycail, Nederland, een joint venture tussen Dairy Farmers, USA en de Rijksuniversiteit Groningen, is voornemens een proeffabriek te bouwen voor de productie van melkzuur met een capaciteit van 400 ton per jaar uit wei en de omzetting van het melkzuur in PLA. Mitsui Chemicals, Japan, produceert PLA via een directe polycondensatieroute. Shimadzu Corporation, Japan, produceert PLA via ROP. Birmingham Polymers, USA en Phusi, Frankrijk zijn enkele van de andere actieve producenten van PLA (Ohrlander et al. 1999).
Het onderzoek naar met melkzuur verwante materialen heeft verschillende universiteiten en instituten in Europa, Azië en de USA aangetrokken. Er zijn een aantal kleinschalige productiefaciliteiten van polymelkzuur.
Als we het hebben over zuivere L (+) melkzuurpolymeerindustrieën, hebben we slechts enkele namen zoals Yipu, Dahuachem International, Sinochem Hebei Qinhuangdao Imp and Exp Corp., Zechem, en Qingdao FTZ united international Inc. in China; en PURAC, Macropore Biosurgery, ECOCHEM etc. in de VS. De meeste van hen hebben het semi-natuurlijke proces voor de productie van L (+) melkzuurpolymeer toegepast. Het proces bestaat uit de isolatie van L (+) melkzuur uit zijn recemisch mengsel geproduceerd via fermentatie door het aannemen van een enzymatisch proces voor L (+) melkzuur productie uit zijn recemische mengsels, gevolgd door scheiding met behulp van dure High performance liquid Chromatography (HPLC) technieken (Oxoid, USA; en Cargill Co, USA).