ביorefineries נטולות מזון: המרת מים חומציים מתירס לחומצה לקטית על ידי Bacillus licheniformis OP16-2 בתנאים תרמיים-אלקליים והערכת היקף בפיילוט

הפיכת תוצר לוואי של תירס לכימיקל ירוק בעל ערך

חומצה לקטית היא מרכיב מרכזי בכלכלת המודרנית: היא מסייעת בשימור מזון, מרגיעה את העור בקוסמטיCAליים ומהווה אבני בניין לייצור פלסטיקים מתכלים. עם זאת, ייצור המוני שלה באופן בר-קיימא וזול עדיין מהווה אתגר. מחקר זה בוחן גיבור בלתי צפוי—מים חומציים מתירס, תוצר לוואי עשיר בחומרי תזונה מתהליך טחינת התירס הרטובה—ומראה כיצד חיידק עמיד מן הקרקע יכול להמיר את השפך הנוזלי הזה לחומצה לקטית יקרת ערך ללא תוספת מזון, בתנאים חמים ואלקליים שמגבילים באופן טבעי זיהומים.

משאב חבוי בתעשיית התירס

כאשר מעבדים תירס במפעלי תעשייה, הגרעינים משרים במים חמים עם די־תחמוצת גופרית כדי לרכך ולשחרר עמילן. הנוזל הנותר, המכונה מים חומציים מתירס, עשיר בסוכרים, חומצות אמינו, ויטמינים ומינרלים. מסורתית משתמשים בו בכמויות קטנות כתוספת בתסיסות בלבד. חוקרי המאמר שאלו שאלה שאפתנית יותר: האם ניתן להשתמש במים החומציים עצמם, ללא תוספות מזון, כמקור יחיד לתזונה למיקרואורגניזמים לייצור חומצה לקטית, וכך להמיר תוצר לוואי בעל ערך נמוך למקור מרכזי בביו־רפיינרי "נטול מזון"?

מציאת חיידק עמיד לחום ובסיסיות

תסיסות תעשייתיות מתמודדות לעיתים קרובות עם שתי בעיות: עלות הסוכרים המזוקקים וסיכון לזיהום על ידי מיקרובים בלתי רצויים. כדי להתמודד עם שתיהן, החוקרים חיפשו דגימות קרקע מארצות שונות במצרים לחיידקים שמעדיפים טמפרטורות גבוהות (בסביבות 50–60 °C) ותנאי בסיסיות (בסביבות pH 9). תנאים קשים אלה מרחיקים במידה רבה מיקרואורגניזמים מזיקים שכיחים. מתוך 50 מועמדים, בלט זן אחד, שאובחן מאוחר יותר כ‑Bacillus licheniformis OP16-2. הזן גדל ביעילות במים החומציים מתירס, עמד בפני מעכבים כגון מלחים והתרכבותי־גופרית שנותרו מתהליך העיבוד, והמיר בעקביות את הסוכרים הזמינים לחומצה לקטית בתשואה גבוהה מאוד.

כיוונון המתכון לתפוקה מקסימלית

לאחר בחירת הזן המבטיח, הצוות כיוון באופן שיטתי את מתכון התסיסה. הם בחנו רמות סוכר שונות במים החומציים, טמפרטורות, כמויות התחליות של חיידקים ונקודות pH שונות. בנוסף השוו שתי שיטות לשמירת pH כשהחומצה הלקטית מצטברת: הוספת נתרן הידרוקסיד (NaOH) או שימוש בסידן פחמתי מוצק. לאחר מכן נעשה שימוש בכלים סטטיסטיים מתקדמים כדי להעריך כיצד כל הגורמים פועלים יחד, ולא בנפרד. גישה זו חשפה "נקודת מתוק" אופטימלית: כ‑80–83 ג'/ל של סוכרים ממים החומציים, טמפרטורה סביב 45 °C, pH מעט אלקליני של כ‑8.5–9.0 וכמות התחלתית של חיידקים בינונית־גבוהה. בתנאים אלה המיקרואורגניזם המיר בערך 94% מהסוכר הנצרך לחומצה לקטית—תשואה מרשימה במיוחד.

הגדלה ממבחנות לניסוי פיילוט

מבחנות מעבדה שימושיות לגילוי, אך ההשפעה במציאות תלויה בביצועים במכלים גדולים. לכן החוקרים עברו לביוריאקטור בנפח 50 ליטר, והזינו אותו רק במים חומציים מתירס בלתי מטופלים, מותאמים לרמת הסוכר ו‑pH הנכונים. בהרצת סדרתית סטנדרטית הגיעו לכ‑74–76 ג'/ל חומצה לקטית, בהתאמה לחיזויים הסטטיסטיים שלהם. כדי לדחוף את התפוקה הלאה, עברו לאסטרטגיית "הזנה מרובה־דופק" (multi-pulse fed-batch): במקום להוסיף את כל הסוכר בבת אחת, הזינו בהדרגה מים חומציים מרוכזים כאשר החיידקים צרכו את הסוכרים. שיטה זו שמרה על רמת סוכר נוחה למיקרובים והימנעה מלחץ מריכוזים גבוהים. במשך כשבוע פעילות טיפסו רמות החומצה הלקטית לכ‑153 ג'/ל, עדיין בתשואה גבוהה ובפרודוקטיביות יציבה.

מדוע זה חשוב לחומרים ברי-קיימא

חומצה לקטית שמקורה במשאבים מתחדשים מרכזית בייצור פלסטיקים מתכלים כגון פולילקטיד (PLA), וכן בממיסים ידידותיים לסביבה ורכיבים למזון. מחקר זה מראה כי חיידק יחיד ועמיד, הגדל בתנאים חמים ואלקליים, יכול להמיר מים חומציים מתירס—שלעתים נחשבים לשפך—ישר לחומצה לקטית ללא תוספת תמציות שמרים או מזונות יקרים אחרים. בהפחתת עלויות חומרי הגלם והצריך סטריליזציה, התהליך התרמלי‑אלקלי הנטול מזון מקרב אותנו לייצור נגיש בקנה מידה גדול של כימיקלים ירוקים ממוצרי לוואי חקלאיים, והופך פסולת למרכיב בעל ערך למוצרים צרכניים ברי‑קיימא יותר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: תסיסת חומצה לקטית, מים חומציים מתירס, ביורפיינרי, Bacillus licheniformis, ביופלסטיקים