Bezosobowa biorefineria wody po moczeniu kukurydzy do kwasu mlekowego przez Bacillus licheniformis OP16-2 w warunkach termo-zasadowych z oceną w skali pilotażowej

Przekształcenie ubocznego produktu kukurydzy w wartościowy, zielony chemiczny surowiec

Kwas mlekowy jest motorem współczesnej gospodarki: pomaga konserwować żywność, łagodzi skórę w kosmetykach i stanowi kluczowy budulec biodegradowalnych tworzyw sztucznych. Wytwarzanie go w dużych ilościach w sposób tani i zrównoważony wciąż stanowi wyzwanie. W tym badaniu przyjrzano się zaskakującemu bohaterowi — wodzie po moczeniu kukurydzy, bogatemu w składniki ubocznemu powstającemu przy mokrym przemiale kukurydzy — i pokazano, jak wytrzymała bakteria glebowa może przekształcić ten ciekły odpad w wysoko ceniony kwas mlekowy bez dodatku substancji odżywczych, w warunkach wysokiej temperatury i zasadowych, które naturalnie ograniczają skażenia.

Ukryte bogactwo w przemyśle kukurydzianym

Gdy kukurydzę przetwarza się w dużych zakładach, ziarna są moczone w ciepłej wodzie zawierającej dwutlenek siarki, by je zmiękczyć i uwolnić skrobię. Pozostała ciecz, znana jako woda po moczeniu kukurydzy, jest pełna cukrów, aminokwasów, witamin i minerałów. Tradycyjnie używano jej jedynie w niewielkich ilościach jako dodatku do fermentacji. Autorzy tej pracy postawili ambitniejsze pytanie: czy sama woda po moczeniu kukurydzy, bez dodatku składników odżywczych, może służyć jako jedyne źródło pokarmu dla mikroorganizmów produkujących kwas mlekowy, przekształcając produkt uboczny o niskiej wartości w centralny surowiec dla „bezodżywczej” biorefinerii?

Wybór mikroba tolerującego wysoką temperaturę i zasadę

Fermentacje przemysłowe często borykają się z dwoma problemami: kosztem rafinowanych cukrów oraz ryzykiem zepsucia wsadu przez niepożądane mikroorganizmy. Aby rozwiązać oba, badacze przeszukali próbki gleby z całego Egiptu w poszukiwaniu bakterii, które dobrze rosną w wysokiej temperaturze (około 50–60 °C) i w warunkach zasadowych (około pH 9). Takie surowe warunki naturalnie zniechęcają typowe mikroorganizmy zanieczyszczające. Spośród 50 kandydatów wyróżnił się jeden szczep, później zidentyfikowany jako Bacillus licheniformis OP16-2. Potrafił intensywnie rosnąć w wodzie po moczeniu kukurydzy, tolerować inhibitory takie jak sole i związki siarki pozostałe po przetwarzaniu kukurydzy, i konsekwentnie przekształcać dostępne cukry w kwas mlekowy z bardzo wysoką efektywnością.

Dopasowanie przepisu dla maksymalnej wydajności

Po wyborze obiecującego szczepu zespół systematycznie optymalizował skład procesu fermentacji. Testowali różne poziomy cukrów w wodzie po moczeniu kukurydzy, temperatury, początkowej liczby bakterii i wartości pH. Porównali też dwa sposoby kontrolowania pH w miarę narastania kwasu mlekowego: dodawanie wodorotlenku sodu (NaOH) lub stosowanie stałego węglanu wapnia. Następnie użyli zaawansowanych narzędzi statystycznych, by ocenić, jak wszystkie te czynniki współdziałają, zamiast badać je osobno. Podejście to ujawniło optymalny „słodki punkt”: około 80–83 g/L cukrów w wodzie po moczeniu kukurydzy, temperatura bliska 45 °C, lekko zasadowe pH około 8,5–9,0 oraz umiarkowanie wysoki początkowy zasiew bakterii. W tych warunkach mikroorganizm przekształcił około 94% spożytego cukru w kwas mlekowy — niezwykle wysoka wydajność.

Skalowanie od kolb do bioreaktora pilotażowego

Kolby laboratoryjne są użyteczne do odkryć, ale rzeczywisty wpływ zależy od wydajności w większych zbiornikach. Dlatego badacze przeszli do 50-litrowego bioreaktora, podając jedynie nieprzetworzoną wodę po moczeniu kukurydzy, skorygowaną do odpowiedniego poziomu cukru i pH. W standardowym procesie wsadowym osiągnęli około 74–76 g/L kwasu mlekowego, co zgadzało się z ich prognozami statystycznymi. Aby zwiększyć produkcję, przeszli na strategię „wielokrotnego dokarmiania” (multi-pulse fed-batch): zamiast dodawać cały cukier jednocześnie, stopniowo dolewali skoncentrowaną wodę po moczeniu kukurydzy w miarę zużywania cukrów przez bakterie. Dzięki temu poziom cukru utrzymywano w komfortowym zakresie dla mikroorganizmów, unikając stresu związanego z wysokimi stężeniami. W ciągu około tygodnia pracy poziom kwasu mlekowego wzrósł do około 153 g/L, nadal przy wysokiej wydajności i stabilnej produktywności.

Dlaczego to ma znaczenie dla zrównoważonych materiałów

Kwas mlekowy pochodzący ze źródeł odnawialnych jest kluczowy do produkcji biodegradowalnych tworzyw, takich jak polomlekowy kwas (PLA), a także ekologicznych rozpuszczalników i składników spożywczych. Badanie pokazuje, że pojedyncza, odporna bakteria, rosnąca w warunkach wysokiej temperatury i zasadowych, może przekształcić wodę po moczeniu kukurydzy — często traktowaną jako strumień odpadów — bezpośrednio w kwas mlekowy bez dodatku ekstraktu drożdżowego czy innych kosztownych składników odżywczych. Dzięki ograniczeniu zarówno kosztów surowca, jak i kosztów sterylizacji, ten termo-zasadowy, bezodżywczy proces przybliża nas do przystępnej cenowo, skalowalnej produkcji zielonych chemikaliów z produktów ubocznych rolnictwa, zamieniając odpady w wartościowy składnik bardziej zrównoważonych produktów konsumenckich.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: fermentacja kwasu mlekowego, woda po moczeniu kukurydzy, biorefineria, Bacillus licheniformis, bioplastyki