Milchsäure

Die chemische Substanz wurde 1780 das erste Mal von dem schwedischen Chemiker Carl Wilhelm Scheele beschrieben. Er entdeckte die Substanz zuerst in saurer Milch, worauf er ihr den bekannten Namen gab. Es dauerte noch weitere 77 Jahre bis L. Pasteur feststellte, dass es kein Produkt aus der Milch ist, sondern die Milchsäure von einzelnen Mikroorganismen hergestellt wird. Hier dient sie als Zwischen – oder Abbauprodukt von chemischen und physiologischen Reaktionen. Ein bekanntes Beispiel ist der „Muskelkater“ nach dem Sport: der Körper gewinnt kurzfristig Energie durch anaerobe Verbrennung von Pyruvat. Ein Abfallprodukt ist die Milchsäure, die weiterführend zu den bekannten Symptomen führt. Auch wenn chirale Enzyme im Körper eine Umwandlung in beide Richtungen vollziehen können, so nutzt der Körper meist nur die L (+) Form. In der Lebensmittelindustrie wird aus diesem Grund vermehrt die L (+) Form eingesetzt, da der metabolische Abbau somit schneller erfolgt.

Der Bedarf an Milchsäure wächst kontinuierlich und hat bereits im Jahr 2018 ein weltweites Volumen von 2,64 Millarden USD erreicht. Es wird bis 2025 mit einem Marktwachstum von 18,7% gerechnet.

Zur industriellen Herstellung gibt es zwei etablierte Systeme: die chemische Herstellung oder mittels Fermentation (biologisch).

Die chemische Gewinnung nutzt Kohle, Erdölprodukte oder Erdgas als Ausgangsprodukt. Obwohl es viele chemische Wege zur Herstellung von Milchsäure gibt, hat sich hier das sog. Acrylnitrilverfahren etabliert. Hier werden die Ausgangsprodukte Cyanwasserstoff und Acetaldehyd unter hohem Druck und mit Hilfe eines basischen Katalysators zu Lactonitril verbunden. Nach einem Reinigungsschritt wird dem gewonnen Lactonitril Schwefelsäure zugesetzt, um so durch Hydrolyse Milchsäure und Ammoniumsalze zu gewinnen. Über mehrere Destillier- und Aufbereitungsschritte wird so die fertige Milchsäure gewonnen. Wichtig ist, dass bei dieser chemischen Synthese immer ein Racemat erhalten wird, das bei Bedarf noch weiter in die einzelnen Isomere aufgetrennt werden muss.

Über 90% der weltweiten Milchsäure wird heute mittels Fermentation hergestellt. Hauptausgangsstoff ist die Glukose, die aus Mais oder stärkehaltigen Pflanzen (Weizen, Gerste, Kartoffeln, etc.) gewonnen wird. Hier gilt: desto höher die Ausgangsstoffe sind, desto höher ist das Endprodukt: hohe Reinheit erhält man z.B. mit Saccharose aus Zuckerrohr oder Zuckerrüben. Bei hohem Reinheitsgehalt sind die später nachgeschalteten Aufbereitungsschritte einfacher und somit kostengünstiger. Die eigentliche Herstellung erfolgt dann meist im sog. Batchverfahren: vereinfacht dargestellt werden in einem großen Behälter einer Glukoselösung Mikroorganismen zugesetzt. Bei spezifischen Reaktionsparametern, wie beispielsweise Temperatur, wandeln die Mikroorganismen die Glukose in Ethanol, Zitronen- und Milchsäure um. Mit Mikroorganismen werden hier meist einfach Bakterien oder Pilzarten gemeint. Klassische Bakterienstämme sind: Lb. Lactis BME5-18M, B. coagulans LA204, Bacillus sp. Strain, u.a., wobei die durchschnittliche Produktivität von 0,25-2,5 g/l/h variieren kann. Auch die Ausbeute ändert sich je nach Bakterienstamm und Ausgangsprodukt von 36-97%. Wird die Milchsäure mittels Fermentation produziert, werden ebenfalls Racemate gewonnen, die jedoch einen sehr hohen Anteil an einem Isomer enthalten. Im gewonnenen Gemisch muss nun die Milchsäure durch Verfahren getrennt werden: Fällung, Filtration, Verdampfung und Kristallisation sind nur einige Verfahren, die hier erwähnt werden sollen. Die Anzahl der Verarbeitungsschritte hat einen starken Einfluss auf die Qualität und den Preis des Produktes. Trotz der vielen Aufbereitungsschritte ist die Herstellung mittels Fermentation einfacher und somit kostenintensiver als bei der chemischen Herstellung.

Es gibt jedoch mehrere Nachteile bei der biologischen Herstellung: so werden für die Aufbereitungsschritte große Mengen an Wasser benötigt, die im Nachgang intensiv aufbereitet werden müssen. Die Fällung der Milchsäure erfolgt meist mit Caliumsulfat, was im Verhältnis pro gewonnener Tonne Milchsäure 1:1 entspricht. Auch hier muss eine teure Abwasserbehandlung nachgeschalten werden. Neue Methoden versuchen diese Probleme mit sog. Membranverfahren zu lösen oder andere Ausgangsstoffe zu verwenden (z.B. Aminiumlaktate zur Herstellung von hochreiner Milchsäure).

Milchsäure wird in biologischen Prozessen als Zwischen- oder Abbauprodukt hergestellt. Es ist ein Produkt, das somit bioabbaubar ist und der Ökologie nicht schadet.

Es wurde seit mehreren Jahrhunderten dazu verwendet, Lebens- Futtermittel zu konservieren. Ein bekanntes Beispiel ist die Herstellung von Silage, um den Gras- Maisschnitt über den Winter haltbar zu machen. Die Milchsäure wird nur unter Luftausschluss gebildet, was einen zu einem Absenken des pH-Wertes führt. Schädliche Mikroorganismen können somit nicht überleben und das Gras kann über längere Zeit (unter Luftausschluss) gelagert werden.

Ein ähnliches Prinzip macht man sich in der Pharmazie zu Nutze: Milchsäure verhindert auch hier das Wachstum von schädlichen Mikroorganismen bei Salmonellen. Hierbei wird der Zucker Lactulose als Vorstufe gegeben, der durch Darmbakterien in Milch-; Essigsäure und kurzkettige Fettsäuren gespalten wird. Die Stoffe führen zu einem Absenken des pH-Wertes und einer Reizung des Darmtraktes. Schädliche Mikroorganismen, wie beispielsweise Salmonellen, können somit schwer überleben. Ein weiterer Effekt ist die erhöhte Darmperistaltik aufgrund lokaler Reizungen der Darmschleimhäute. Diesen Effekt macht man sich bei arzneimittelbedingten Nebenwirkungen wie Verstopfung zunutze.

Medikamente können sogar in eine Milchsäurematrix eingebettet werden und als Implantate verabreicht werden. Wirkstoffe werden somit konstant und über einen längeren Zeitraum im Körper freisetzen. Eine tägliche Einnahme der Medikamente wird überflüssig und kann eine Therapie sicherer/ erträglicher machen.

Auch die Kosmetikindustrie verwendet die Säure aufgrund ihrer feuchtigkeitsspenden, antimikrobiellen und verjüngenden Wirkung in Hygiene- und ästhetischen Hautprodukten.

Mit 35% der weltweiten Nachfrage (Stand 2013) ist die Lebensmittelindustrie einer der größten Abnehmer. Die Milchsäure wird dort nicht nur zu Konservierungszwecken genutzt, sondern auch um den pH-Wert einzustellen. Dank ihres milden sauren Geschmacks wird sie sogar als Aromastoff eingesetzt. Weitere Anwendungsfelder sind in der Ledergerbereiindustrie, bei Entzunderungsprozessen oder in der Textilindustrie als Beize (Fixiermittel).

Den größten Marktanteil trägt die Produktion von Polymeren aus Milchsäure. Um diese Stoffe zu gewinnen wird der Milchsäure unter Gegenwart eines Säurekatalysators Wasser entzogen, wobei Lactide als Zwischenprodukt entstehen. Diese Lactide werden weiter nun miteinander zu verkettet. Dieser Herstellungsschritt wird auch Polymerisation genannt und ermöglicht es stabile Polymere herzustellen, die bioabbaubar sind. Die gewonnen Stoffe werden auch Polymilchsäuren (englisch: poly lactid acid oder kurz PLA) genannt. Sie dienen als Ersatz für konventionelle Kunststoffmaterialien. Die PLA Stoffe sind transparent und zeigen eine hohe Zugfestigkeit, weshalb sie gerne in der Verpackungsindustrie eingesetzt werden. Durch Steuerung der PLA- Molekulargewichte können die Eigenschaften je nach Kundenwunsch eingestellt werden. Trotz der Vorteile werden biokompatible Stoffe im Verhältnis zu herkömmlichem Plastik aus Erdöl nur in homöopathischen Dosen hergestellt. Grund hierfür ist der hohe Energieaufwand bei der Gewinnung.

Milchsäure liegt meist als Lösung vor, da diese eine hohe Affinität zu Wasser besitzt und bei hohen Konzentrationen Laktatdimere bildet.

Durch hohe Beschaffungskosten der Ausgangsprodukte, hohe Aufbereitungskosten und mögliche Verunreinigungen im Herstellungsprozess wurde die chemische Herstellung weitgehend von der Fermentation abgelöst. Heute hergestellte Milchsäure wird zu 90% aus mikrobieller Fermentation gewonnen.

Die weltweite Nachfrage nach Milchsäure ist stetig am Wachsen, weshalb vermehrt an effizienteren Herstellungsmethoden geforscht wird. Ein Ansatz versucht organische Lebensmittelreste zu verwerten, da diese oftmals noch sehr viel Stärke enthalten. Ein weiterer versucht die Stärke direkt durch Lignocellulose-Biomasse zu ersetzen. Vorteile wären die ubiquitären Ressourcen. Nachteile sind jedoch die hohen Vorbereitungskosten der Lignocellulose und die Aufbereitung der Milchsäure. Neue Forschung versucht Glycerin, ein Nebenprodukt bei der Biodieselherstellung, mit Hilfe von Katalysatoren in Milchsäure umzuwandeln.