乳製品廃棄物からの乳酸生産の促進

乳酸は、いろんな産業で多くの用途がある化学物質だよ。食品生産、医療、化粧品、クリーニング製品、乳製品に重要なんだ。最近、乳酸の市場が成長してるのは、ポリ乳酸（PLA）に変えられるからで、いろんな製品を作るのに役立つんだ。

乳業からの副産物である酸ホエイは、貴重な資源になり得るよ。これには、発酵してより良い製品（バイオ燃料など）を作るための物質が含まれてる。乳酸はこの発酵の結果の一つだよ。

乳酸は色々な方法で作られるけど、一般的な方法の一つは、バクテリアを使った発酵だよ。この方法は、油から乳酸を作るよりも、より純粋な乳酸を生成できるし、環境にも優しいことが多いんだ。世界中で生産される乳酸のほとんどは、コントロールされた方法で使われるバクテリアから来てるよ。

#オープンカルチャーの重要性

オープンカルチャーは、いろんな微生物のミックスを使ってるから、純粋なバクテリアを使うよりもコストがかからないことが多いんだ。このカルチャーは、複雑な廃棄物を事前に滅菌することなく分解できるから、乳酸を作るには大きな利点なんだよ。

乳酸生産の改善は、発酵プロセスを連続的に行うことで実現できるよ。これにより、プロセスを止めたり始めたりせず、常に稼働させることができて、より早く乳酸を生産できるんだ。連続プロセスは、混合物に特定の物質が多すぎることで起こる問題を避けるのにも役立つよ。

ただ、オープンカルチャーはまだ人気がないんだ。科学者たちは、混合物の中のバクテリアの種類をコントロールすることに挑戦してるんだ。これがうまくできないと、エタノールや二酸化炭素などの不要な生成物ができちゃうこともあるんだ。

連続発酵を行っているときに、混合物中のすべての糖が使われなかったり、バクテリアが洗い流されすぎたりすると問題が起こることがあるよ。良い結果を得るためには、バクテリアの数を高く保つ方法を見つけることが重要なんだ。

#乳業における乳酸生産

乳業は、ヨーロッパの経済にとって重要な部分なんだ。ヨーロッパで生産されるミルクのほとんどは、チーズやバターを作るために使われていて、少量だけがヨーグルトのような酸性製品に使われてるよ。

でも、これらの製品を作るときに、特に酸ホエイという多くの廃棄物が出るんだ。この廃棄物には、処理が難しい高レベルの有機物が含まれているから、乳業は財務的にも技術的にも課題に直面しているよ。

酸ホエイは、ヨーグルトや特定のチーズを作るときに多く出る重要な廃棄物なんだ。ヨーロッパでは、チーズ産業が年間約4000万トンの酸ホエイを生み出してると推定されているよ。

酸ホエイには、乳糖やガラクトースのような糖が含まれているから、バクテリアによって発酵されて乳酸が生産できるんだ。この研究では、酸ホエイを基質として乳酸を作ることに焦点を当てたよ。

集めた酸ホエイから乳酸を生産するために、どの反応器のセットアップが最適かを見るために、いろいろな反応器を使ったんだ。バクテリアをシステムに保つ方法がそれぞれ違う三つの反応器タイプを比較したよ。

#乳酸生産のための反応器システム

ヨーグルト生産からの生の酸ホエイを集めたんだ。このホエイは、実験に使うまで冷やしておいたよ。ホエイを低温で保ちつつ、一定に混ぜるシステムを使用したんだ。

三つの異なる反応器を設置したよ：

1. 上昇流無酸化スラッジブランケット（UASB）反応器
2. 無酸素フィルター反応器（AFR）
3. 特別な膜を使ってバクテリアを反応器内に保つ無酸素連続撹拌槽反応器（CSTR）

それぞれの反応器には、乳酸生産を効果的に行うために重要なバクテリアをシステムに保つ方法があったんだ。

UASB反応器は高さが0.6メートルで、基質を均等に分配するのを助ける特別な材料が含まれてた。AFRは構造は似ているけど、プロセスをさらに助けるフィルター材料が入ってたよ。

CSTRは、バクテリアを反応器内に常に保つために、膜を使った特別なシステムで設計されてるんだ。それぞれの反応器は、乳酸生産のために適切な条件を維持するために注意深くモニタリングされてたよ。

#実験プロセスと条件

私たちは、外部のバクテリアを追加することなく、各反応器を始めたんだ。代わりに、酸ホエイに既に存在するバクテリアを使用したの。最初はバッチモードで反応器を稼働させて、バクテリアが成長して環境に適応できるようにしたんだ。

条件を確立した後、約50℃、pH約5の温度で反応器を連続的にテストしたよ。基質が反応器にどれくらいの時間いるかを示す水力保持時間を変えて、乳酸生産のベストな条件を見つけたんだ。

実験中は、乳酸の生産状況を監視するために反応器から定期的にサンプルを取ったよ。これらのサンプルを分析して、発酵中に生成された糖や生成物を特定したんだ。

#乳酸生産試験の結果

私たちは、すべての糖が反応器で完全に乳酸に変換されているわけではないことを発見したよ。効率にいくつかの進展があったものの、三つの反応器構成はすべて、目標を下回る乳酸変換率を示したんだ。

AFR反応器は、他の反応器と比べて最も良いパフォーマンスを示したよ。最も多くの乳酸を生成し、変換効率も良かったんだ。しかし、最も良い設定でも、全体の変換率は理想的ではなく、60%以上の糖が完全に使われていない状態だったよ。

試験を通じて、水力保持時間を短くすることで、乳酸生産率が一般的に改善されることが観察されたよ。新鮮な酸ホエイを投入する速度も、生成できる製品の量に影響を与えていたんだ。

さらに短い保持時間を試したとき、乳酸変換率が高くなることが分かったけど、それでも私たちが望んでいたレベルには達しなかったよ。

結果は、反応器内の解離していない乳酸のレベルが高いと発酵プロセスを抑制する可能性があることを示しているよ。低いpHレベルでは、変換効率が大幅に低下したんだ。

#バクテリアコミュニティとその生産への役割

酸ホエイに存在するバクテリアは、乳酸生産がどれだけうまくいくかに大きな役割を果たしたんだ。最初は、最も豊富なバクテリアが乳酸生産に理想的な株ではなかったんだ。

実験が進むにつれて、特に保持時間が短いと、Lactobacillus種が反応器内で優勢になっていくことに気づいたよ。これらのバクテリアは酸性条件で繁殖できることで知られているんだ。

乳酸生産に対する貢献をよりよく理解するために、さまざまな種類のバクテリアを分析したよ。酸ホエイの中の優勢なバクテリアは時間と共に変化し、Lactobacillus種が最も注目される生物になり、乳酸の効率に大きく影響したんだ。

#結論と推奨事項

私たちの研究を通じて、酸ホエイを基質として使用することで乳酸を効果的に生産できることがわかったよ。特に連続発酵方法を通じてね。

無酸素フィルター反応器や細胞保持モジュール付きの連続撹拌槽反応器を選ぶことで、UASB反応器よりも高い乳酸生産率を維持できたよ。

水力保持時間を短くして、酸ホエイを希釈することで、乳酸による抑制を管理でき、全体の効率が向上したんだ。

反応器内の条件に微生物を適応させることで効果を高められるし、将来の戦略では、これらの適応を利用して乳酸生産を改善することもあるかもしれないね。

今後、発酵の初めに低pH条件を使うことで、より効果的な乳酸生産バクテリアを選択するのに役立つかもしれないよ。バクテリアの個体群を理解し管理することが、酸ホエイからの乳酸生産を最適化するための鍵になるんだ。

要するに、この研究は、乳酸の出力を最大化するために特定の反応器設計と酸ホエイの管理を利用することを支持していて、廃棄物管理にもプラスになるし、貴重な製品の生産にも寄与するんだ。