Εισροές και έξοδοι ζύμωσης γαλακτικού οξέος

Ζύμωση γαλακτικού οξέος

Το άμεσο κόστος που σχετίζεται με τη ζύμωση γαλακτικού οξέος είναι τα σάκχαρα και τα θρεπτικά συστατικά. Άλλα κόστη που σχετίζονται με τη διαδικασία ζύμωσης περιλαμβάνουν τη διαδικασία καθαρισμού και ανάκτησης κατάντη. Στην παραδοσιακή βακτηριακή γαλακτική ζύμωση, προστίθενται θρεπτικά συστατικά όπως το οργανικό άζωτο και οι βιταμίνες του συμπλέγματος Β, και το pH πρέπει να διατηρείται στο εύρος 5-7, σημαντικά πάνω από το pKa του γαλακτικού οξέος. Πρέπει να χρησιμοποιηθούν διάφορα κατάντη στάδια για να διατηρηθεί το pH εντός του αποδεκτού εύρους, όπως οξίνιση ή εξουδετέρωση.

ΑΤΡάση

Η ΑΤΡάση στην παραγωγή γαλακτικού οξέος είναι ένα ένζυμο πολλαπλών υπομονάδων που εμπλέκεται σε αντιδράσεις οξειδοαναγωγής που περιλαμβάνουν αναγωγικά ισοδύναμα, μια μορφή ενέργειας που είναι κρίσιμη για την αερόβια ζύμωση. Η ΑΤΡάση είναι απαραίτητη για την αερόβια ζύμωση επειδή παρέχει ενέργεια για τη σύνθεση αιθανόλης. Οι μεταλλάξεις επηρεάζουν τη λειτουργία της ΑΤΡάσης, μειώνοντας τη δραστηριότητα και αυξάνοντας την τοξικότητα.

Η ΑΤΡάση στην παραγωγή γαλακτικού οξέος είναι ένα ένζυμο πολλαπλών χρήσεων που εμπλέκεται στη μετατροπή σακχάρων με έξι άνθρακα, όπως η γλυκόζη, σε ενέργεια. Τα ένζυμα που είναι υπεύθυνα για αυτή τη μετατροπή υπάρχουν στην κυτταρική μεμβράνη και είναι υπεύθυνα για τη μετατροπή της γλυκόζης σε γαλακτικό, το οποίο είναι το κύριο προϊόν της διαδικασίας ζύμωσης. Η διαδικασία της ζύμωσης παράγει επίσης αλκοόλ και CO2, τα οποία είναι τα υποπροϊόντα της παραγωγής γαλακτικού οξέος.

Η περιστροφή της ΑΤΡάσης διαμεσολαβείται από μια αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων τεσσάρων kBT, η οποία παρέχει την ενέργεια για την F1-ATPase για να οδηγήσει τις αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Στη διαδρομή ισχύος CCW F1-ATPase, τα TDs συμβαίνουν κάθε 36 μοίρες και αντιστοιχούν στην αλληλεπίδραση μεταξύ διαδοχικών c-υπομονάδων του δακτυλίου E. coli c10. Ο δακτύλιος c στα κανάλια εισόδου και εξόδου περιστρέφεται κατά 25 μοίρες επιπλέον. Οι δομές περιστροφικής υποκατάστασης που ελήφθησαν από το κρυο-ΕΜ συγκρίθηκαν με άλλες πρωτεΐνες και ένζυμα.

Το καταλυτικά ενεργό F1Fo υποβάλλεται σε βήματα κατεύθυνσης συνθάσης ATP 11 μοιρών κάθε 36 μοίρες. Σε συγκεντρώσεις κορεσμού ATP, ο κινητήρας F1-ATPase καταλύει την καθαρή υδρόλυση ATP. Στο E. coli, η F1-ATPase δημιουργεί παλμούς ισχύος, οι οποίες αντλούν πρωτόνια κατά μήκος της μεμβράνης στο περίπλασμα. Επιπλέον, οι διαδρομές ισχύος διαχωρίζονται με καταλυτικές θέσεις, οι οποίες διαρκούν μερικά ms, και το ATP υδρολύεται.

Γλυκόλυση

Κατά τη διάρκεια της ζύμωσης του γαλακτικού οξέος, η γλυκόλυση μετατρέπει τη γλυκόζη σε γαλακτικό οξύ. Αυτό καθιστά διαθέσιμη ενέργεια στα κύτταρα με τη μορφή ATP. Η διάσπαση του πυροσταφυλικού οξέος (υποπροϊόν της γλυκόλυσης) οδηγεί σε αιθανόλη και διοξείδιο του άνθρακα. Αυτά τα προϊόντα ζύμωσης γαλακτικού οξέος μπορούν επίσης να προκαλέσουν ένα αίσθημα κούρασης. Η διαδικασία είναι μια κοινή πηγή ενέργειας για τα κύτταρα και τους μυς της ζύμης. Αυτά τα προϊόντα ζύμωσης γαλακτικού οξέος χρησιμοποιούνται εδώ και αιώνες.

Η γλυκόζη στη διαδικασία ζύμωσης του γαλακτικού οξέος μετατρέπει το γαλακτικό σε πυροσταφυλικό, το οποίο μετατρέπεται σε γαλακτικό οξύ. Αυτή η διαδικασία επιτρέπει την παραγωγή ATP ακόμη και όταν δεν υπάρχει διαθέσιμο οξυγόνο. Αναπληρώνει επίσης το κυτταρικό ΝΑ που απαιτείται για την αντίδραση αφυδρογονάσης της γλυκεραλδεΰδης-3-φωσφορικής, η οποία προηγείται της γλυκόλυσης. Χωρίς ζύμωση γαλακτικού οξέος, οι συγκεντρώσεις ΝΑ θα ήταν πολύ χαμηλές για να προωθήσουν τα επόμενα βήματα στη διαδικασία παραγωγής ΑΤΡ.

Η γλυκόλυση είναι το έκτο βήμα του κύκλου του Krebs και είναι μια κοινή διαδικασία σε πολλά κύτταρα. Είναι επίσης μια ζωτική πηγή ενέργειας για τα φυτά. Χωρίς μονοπάτια ζύμωσης, τα κύτταρα δεν θα μπορούσαν να παράγουν ATP. Η διαδικασία περιλαμβάνει τη διάσπαση της γλυκόζης σε δύο μόρια: το πυροσταφυλικό. Αυτά τα δύο μόρια περιέχουν ATP, το οποίο απαιτείται για την κυτταρική αναπνοή.

Αφού το μόριο της γλυκόζης έχει ζήσει, τα ένζυμα το μετατρέπουν σε NAD+ και ATP. Το καθαρό αποτέλεσμα αυτής της αντίδρασης είναι δύο ATP και δύο μόρια NADH. Η ενέργεια που αποκτάται δεν πραγματοποιείται πλήρως μέχρι το δέκατο ένζυμο. Το ADP είναι ένα σημαντικό μέρος της διαδικασίας ζύμωσης. Αυτή η διαδικασία απελευθερώνει επίσης σημαντική ποσότητα αζώτου στο μέσο ζύμωσης και το NAD+ είναι υπεύθυνο για την ανάπτυξη ζυμομύκητα.

Ζύμωση

γαλακτικού οξέος Η ζύμωση με γαλακτικό οξύ είναι μια βιομηχανική διαδικασία όπου το γαλακτικό οξύ που παράγεται από τη διαδικασία μετατρέπεται σε άλλη μορφή ενέργειας, συνήθως σε λιπαρό οξύ. Αυτή η μορφή ενέργειας παράγεται σε οργανισμούς που δεν έχουν οξυγόνο. Οι άνθρωποι και τα βακτήρια υφίστανται ζύμωση ως μέσο απελευθέρωσης ενέργειας. Είναι επίσης μια φυσική διαδικασία που συμβαίνει στα ανθρώπινα μυϊκά κύτταρα. Ωστόσο, οι διαδικασίες που εμπλέκονται στη ζύμωση του γαλακτικού οξέος είναι διαφορετικές από αυτές της αλκοολικής ζύμωσης.

Σε μια παραδοσιακή διαδικασία βακτηριακής γαλακτικής ζύμωσης, οι εισροές είναι γλυκόζη, πηγή οργανικού αζώτου και βιταμίνες Β. Η διαδικασία ζύμωσης είναι απαραίτητη για να διατηρηθεί το pH του προϊόντος στο εύρος 5-7, το οποίο είναι πολύ πάνω από το pKa του γαλακτικού οξέος. Αυτό απαιτεί δαπανηρά κατάντη βήματα, συμπεριλαμβανομένης της εξουδετέρωσης και της οξίνισης. Η τελευταία διαδικασία αναγεννά το ελεύθερο γαλακτικό οξύ, μια πολύτιμη πηγή για πολλές βιομηχανικές διεργασίες.

Ενώ οι διαδικασίες ζύμωσης γαλακτικού οξέος είναι αιώνες παλιά, υπήρξαν μόνο μικρές βελτιώσεις στην παραγωγή τους τον εικοστό πρώτο αιώνα. Σήμερα, εξακολουθεί να είναι μια ανταγωνιστική διαδικασία μεταξύ συνθετικών και βιολογικών διεργασιών. Η περισσότερη παραγωγή γαλακτικού οξέος γίνεται σε εγκαταστάσεις ζύμωσης που ανήκουν στην Archer Daniels Midland Company, την Galactic και την PURAC Corporation. Η ζύμωση με γαλακτικό οξύ έχει χρησιμοποιηθεί ιστορικά στη βιομηχανία συντήρησης τροφίμων, αλλά χρησιμοποιείται επίσης και για βιομηχανικούς σκοπούς.

Κατά τη διάρκεια της έντονης άσκησης, το γαλακτικό οξύ συσσωρεύεται στα μυϊκά κύτταρα επειδή το καρδιαγγειακό σύστημα και το αναπνευστικό σύστημα δεν μπορούν να μεταφέρουν επαρκές οξυγόνο στους μύες. Κατά τη ζύμωση του γαλακτικού οξέος, τα βακτηριακά κύτταρα παράγουν γαλακτικό οξύ, μια ένωση που ολοκληρώνει τον κύκλο NADH/NAD+. Η διαδικασία είναι επίσης πηγή μυϊκού πόνου και κόπωσης. Επιπλέον, επιτρέπει την παραγωγή ATP να συνεχιστεί χωρίς διακοπή.

Εφαρμογές του γαλακτικού οξέος

Πολλές έρευνες έχουν γίνει για τη βελτίωση της απόδοσης και της οπτικής καθαρότητας του γαλακτικού οξέος από τη ζύμωση. Έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορες στρατηγικές για την επίτευξη υψηλής απόδοσης και οπτικής καθαρότητας, όπως η προσθήκη θρεπτικών συστατικών ή ο έλεγχος του pH. Η μεταγενέστερη επεξεργασία έχει επίσης αναπτυχθεί για το γαλακτικό οξύ. Σε αυτό το κεφάλαιο, συζητάμε μερικά από τα κύρια θέματα. Για να κατανοήσουμε καλύτερα τη ζύμωση γαλακτικού οξέος, ας δούμε τις διαφορετικές εφαρμογές της. Αυτό το άρθρο θα εισαγάγει επίσης μερικές από τις διαφορετικές τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί για τη βελτίωση της ζύμωσης γαλακτικού οξέος.

Ένα από τα πρώτα παραδείγματα ζύμωσης γαλακτικού οξέος είναι το γιαούρτι. Αυτή η μέθοδος παρασκευής τροφίμων χρησιμοποιεί βακτήρια από το γένος Lactobacillus για την παραγωγή γαλακτικού οξέος. Τα βακτήρια είναι γνωστά ως προβιοτικά και μπορούν να ωφελήσουν το πεπτικό σύστημα. Εκτός από το γιαούρτι, αυτή η μέθοδος ζύμωσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη συντήρηση λαχανικών, όπως κρεμμύδια, σέλινο, καρότα και πιπεριές. Άλλα λαχανικά που έχουν υποστεί αυτή τη διαδικασία περιλαμβάνουν το κουνουπίδι, τις πιπεριές, το σέλινο, τις μπάμιες και το λάχανο. Ο πιο σημαντικός παράγοντας στη ζύμωση των λαχανικών είναι η συγκέντρωση αλατιού.

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, τα βακτήρια γαλακτικού οξέος δεν θεωρούνται απαραίτητα ισχυροί αποικοδομητές. Μέχρι να διεξαχθεί εκτεταμένη έρευνα, δεν μπορεί να προσδιοριστεί ο ακριβής μηχανισμός αποδόμησής τους. Επιπλέον, εξακολουθούν να υπάρχουν περιορισμοί στον τρόπο με τον οποίο αποδομούν τις επιβλαβείς ουσίες στα τρόφιμα, όπως το περιβάλλον. Ωστόσο, αυτές οι προκλήσεις δεν αποθαρρύνουν περαιτέρω έρευνα σχετικά με τις εφαρμογές βακτηρίων γαλακτικού οξέος. Τα πλεονεκτήματά του σε σχέση με τις εναλλακτικές παραμένουν σημαντικά. Εάν ενδιαφέρεστε να μάθετε περισσότερα σχετικά με τις εφαρμογές της ζύμωσης γαλακτικού οξέος, εδώ είναι μερικές σημαντικές λεπτομέρειες που πρέπει να γνωρίζετε.

Ανάμεσα στα σημαντικότερα οφέλη αυτής της μεθόδου ζύμωσης είναι η βελτιωμένη διατροφή των τροφίμων. Η χρήση βακτηρίων γαλακτικού οξέος στην παραγωγή τροφίμων μπορεί να βελτιώσει την πεπτικότητα των πρωτεϊνών και να αυξήσει τη θρεπτική τους αξία. Μπορούν επίσης να μειώσουν τη συσσώρευση μυκοτοξινών και να μειώσουν την ποσότητα τους στα τρόφιμα. Ο Pediococcus pentosaceus είναι ικανός να παράγει ισταμίνη, η οποία είναι τοξική για τον άνθρωπο. Το τελευταίο όφελος είναι ιδιαίτερα σημαντικό όταν ένα προϊόν προορίζεται για κατανάλωση.

Κόστος παραγωγής γαλακτικού οξέος

Σε αυτή τη μελέτη, το κόστος παραγωγής γαλακτικού οξέος υπολογίστηκε με βάση ένα βασικό σενάριο που χρησιμοποιεί μέσες τιμές για παραμέτρους εισόδου. Πραγματοποιήσαμε επίσης μια ανάλυση ευαισθησίας για να αναλύσουμε τον αντίκτυπο των διακυμάνσεων στις παραμέτρους εισόδου. Εξετάσαμε τις πιο αισιόδοξες και απαισιόδοξες τιμές για κάθε παράμετρο εισόδου. Στη συνέχεια, υπολογίσαμε τον απαραίτητο εξοπλισμό, την εργασία και τις υπηρεσίες κοινής ωφέλειας για την ολοκλήρωση της μετατροπής. Αυτή η μελέτη περιελάμβανε επίσης μια εκτίμηση του μεικτού περιθωρίου.

Υπολογίσαμε το κόστος παραγωγής γαλακτικού οξέος λαμβάνοντας υπόψη διάφορους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένου του κόστους της πρώτης ύλης και της προεπεξεργασίας. Άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν το κόστος παραγωγής περιλαμβάνουν την επιλογή των οργανισμών ζύμωσης και τις προμήθειες λειτουργίας. Το συνολικό κόστος εξαρτάται από το πόσο θα κοστίσει η πρώτη ύλη. Στη συνέχεια, εξετάζουμε τις επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας, συμπεριλαμβανομένου του ηλεκτρισμού, του ατμού και του νερού ψύξης. Λαμβάνουμε επίσης υπόψη τη συνολική επένδυση κεφαλαίου. Τέλος, λαμβάνουμε υπόψη το λειτουργικό κόστος, το οποίο είναι επίσης κρίσιμο στοιχείο παραγωγής.

Το κόστος των εγκαταστάσεων και των χημικών ουσιών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή γαλακτικού οξέος εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον ρυθμό μετατροπής γλυκόζης σε γαλακτικό οξύ. Το κόστος αυτό σχετίζεται άμεσα με το μέγεθος της μονάδας παραγωγής. Ένα μεγαλύτερο μέγεθος μονάδας επιτρέπει οικονομίες κλίμακας, γεγονός που μειώνει το κόστος ανά μονάδα. Το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας, του νερού και του γύψου είναι μεταξύ των άλλων συστατικών της παραγωγής γαλακτικού οξέος. Το κόστος εργασίας είναι ένας σημαντικός παράγοντας στο συνολικό κόστος της παραγωγής γαλακτικού οξέος.

Το κόστος των πρώτων υλών και της εργασίας είναι σημαντικοί παράγοντες που επηρεάζουν την κερδοφορία της παραγωγής γαλακτικού οξέος. Ορισμένες οδοί ζύμωσης χρησιμοποιούν μαγιά ή βακτήρια, ενώ άλλες χρησιμοποιούν μαγιά. Δεν είναι ξεκάθαρο ποιο είναι το καλύτερο, καθώς και τα δύο απαιτούν πολλές πρώτες ύλες και υψηλή εργασία. Επιπλέον, η παραγωγή γαλακτικού οξέος είναι πολύ ακριβή. Αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στην αυξημένη τιμή των πρώτων υλών που χρησιμοποιούνται. Αυτή η έρευνα δείχνει ότι το κόστος της ζύμωσης της πρώτης ύλης δεν είναι ο μόνος παράγοντας.

Leave a Reply

Your email address will not be published.