Nährstofffreie Bioraffinerie von Corn-Steep-Wasser zu Milchsäure durch Bacillus licheniformis OP16-2 unter thermo-alkalischen Bedingungen mit einer Pilotmaßstabsbewertung

Aus einem Nebenprodukt des Maisanbaus eine wertvolle grüne Chemikalie machen

Milchsäure ist ein Arbeitspferd der modernen Wirtschaft: Sie hilft bei der Konservierung von Lebensmitteln, wirkt hautberuhigend in Kosmetika und ist ein zentraler Baustein für biologisch abbaubare Kunststoffe. Große Mengen nachhaltig und kostengünstig herzustellen, ist jedoch weiterhin eine Herausforderung. Diese Studie untersucht einen unerwarteten Helden – Corn-Steep-Wasser, ein nährstoffreiches Nebenprodukt der nassmechanischen Maisverarbeitung – und zeigt, wie ein robuste Bodenbakterium diese flüssigen Abfälle ohne zusätzliche Nährstoffe in hochwertige Milchsäure umwandeln kann, und zwar unter heißen und alkalischen Bedingungen, die Kontaminationen von vornherein einschränken.

Eine verborgene Ressource in der Maisindustrie

Wenn Mais in großen Fabriken verarbeitet wird, werden die Körner in warmem Wasser mit Schwefeldioxid eingeweicht, um sie zu erweichen und die Stärke freizusetzen. Die verbleibende Flüssigkeit, bekannt als Corn-Steep-Wasser, ist reich an Zucker, Aminosäuren, Vitaminen und Mineralien. Traditionell wurde sie nur in geringen Mengen als Zusatz in Fermentationen verwendet. Die Autoren dieser Arbeit stellten eine ehrgeizigere Frage: Könnte Corn-Steep-Wasser selbst, ohne zugefügte Nährstoffe, als alleinige Nahrungsquelle für Mikroben dienen, um Milchsäure zu produzieren und so ein niederwertiges Nebenprodukt in einen zentralen Rohstoff für eine „nährstofffreie“ Bioraffinerie zu verwandeln?

Die Suche nach einem wärme- und alkali-resistenten mikrobiellen Arbeitstier

Industrielle Fermentationen kämpfen oft mit zwei Problemen: den Kosten veredelter Zucker und dem Risiko, dass unerwünschte Mikroben die Brühe verderben. Um beidem zu begegnen, suchten die Forscher in Bodenproben aus ganz Ägypten nach Bakterien, die bei hoher Temperatur (etwa 50–60 °C) und unter alkalischen Bedingungen (etwa pH 9) gedeihen. Solche harten Umgebungen schrecken gängige Kontaminanten von vornherein ab. Von 50 Kandidaten stach ein Stamm hervor, später als Bacillus licheniformis OP16-2 identifiziert. Er konnte in Corn-Steep-Wasser kräftig wachsen, tolerierte Inhibitoren wie Salze und schwefelhaltige Verbindungen aus der Maisverarbeitung und wandelte die verfügbaren Zucker beständig mit sehr hoher Effizienz in Milchsäure um.

Das Rezept für maximale Ausbeute feinjustieren

Nach der Auswahl dieses vielversprechenden Stamms passte das Team das Fermentationsrezept systematisch an. Sie testeten verschiedene Zuckerkonzentrationen im Corn-Steep-Wasser, Temperaturen, Anfangsinokula und pH-Werte. Außerdem verglichen sie zwei Methoden zur pH-Kontrolle, während Milchsäure anfiel: Zugabe von Natriumhydroxid (NaOH) oder Verwendung von festem Calciumcarbonat. Anschließend nutzten sie fortgeschrittene statistische Werkzeuge, um zu bewerten, wie all diese Faktoren zusammenwirken, statt einzeln betrachtet zu werden. Dieser Ansatz offenbarte einen optimalen ‚Sweet Spot‘: etwa 80–83 g/L Zucker im Corn-Steep-Wasser, eine Temperatur nahe 45 °C, ein leicht alkalischer pH von etwa 8,5–9,0 und eine mäßig-hohe Anfangsbiomasse. Unter diesen Bedingungen konvertierte das Mikroorganismus etwa 94 % des verbrauchten Zuckers in Milchsäure — eine bemerkenswert hohe Ausbeute.

Vom Kolben zum Pilotbioreaktor hochskalieren

Laborkolben sind nützlich für Entdeckungen, doch reale Wirkung hängt von der Leistung in größeren Behältern ab. Daher wechselten die Forscher zu einem 50-Liter-Bioreaktor und fütterten ihn ausschließlich mit unbehandeltem Corn-Steep-Wasser, angepasst auf die richtige Zuckerkonzentration und den passenden pH-Wert. In einem Standard-Batchlauf erreichten sie etwa 74–76 g/L Milchsäure, was ihren statistischen Vorhersagen entsprach. Um die Produktion weiter zu steigern, setzten sie eine ‚multi-pulse fed-batch‘-Strategie ein: Anstatt den gesamten Zucker auf einmal zuzugeben, fütterten sie konzentriertes Corn-Steep-Wasser schrittweise nach, während die Bakterien Zucker verbrauchten. So blieb die Zuckerkonzentration in einem für die Mikroben günstigen Bereich und Stress durch hohe Konzentrationen wurde vermieden. Über etwa eine Woche Betrieb stieg der Milchsäurespiegel auf rund 153 g/L, bei weiterhin hoher Ausbeute und stabiler Produktivität.

Warum das für nachhaltige Materialien wichtig ist

Aus erneuerbaren Rohstoffen gewonnene Milchsäure ist zentral für die Herstellung biologisch abbaubarer Kunststoffe wie Polymilchsäure (PLA) sowie umweltfreundlicher Lösungsmittel und Lebensmittelzusatzstoffe. Diese Studie zeigt, dass ein einzelnes robustes Bakterium, das unter heißen und alkalischen Bedingungen wächst, Corn-Steep-Wasser — das oft als Abfallstrom behandelt wird — direkt ohne zugegebenes Hefeextrakt oder andere teure Nährstoffe in Milchsäure umwandeln kann. Durch die Reduzierung sowohl der Rohstoff- als auch der Sterilisationskosten rückt dieser thermo-alkalische, nährstofffreie Prozess näher an eine erschwingliche, großskalige Produktion grüner Chemikalien aus landwirtschaftlichen Nebenprodukten heran und verwandelt Abfälle in einen wertvollen Bestandteil für nachhaltigere Konsumgüter.

Zitation: Selim, M.T., Salem, S.S., El-Belely, E.F. et al. Nutrient-free biorefinery of corn steep water into lactic acid by Bacillus licheniformis OP16-2 under thermo-alkaline conditions with a pilot-scale assessment. Sci Rep 16, 4357 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35828-4

Schlüsselwörter: Milchsäuregärung, Corn-Steep-Wasser, Bioraffinerie, Bacillus licheniformis, Biokunststoffe