Do produkcji kwasu cytrynowego na skalę przemysłową wykorzystuje się czyste kultury
Prawidłowa jest odpowiedź z pleśniami, bo w przemyśle do produkcji kwasu cytrynowego standardowo wykorzystuje się czyste kultury pleśni z rodzaju Aspergillus, głównie Aspergillus niger. To jest klasyczny przykład biotechnologicznej fermentacji tlenowej prowadzonej w dużych bioreaktorach. Z punktu widzenia technologii produkcji ważne jest, że te pleśnie mają bardzo wysoką wydajność syntezy kwasu cytrynowego z tanich surowców węglowodanowych, np. z melasy buraczanej, syropów glukozowych czy innych produktów przemysłu cukrowniczego. Dzięki temu proces jest opłacalny i stabilny. W praktyce przemysłowej używa się tzw. czystych kultur, czyli ściśle kontrolowanych szczepów, najczęściej wyselekcjonowanych i często ulepszonych metodami klasycznej hodowli lub inżynierii genetycznej. Chodzi o to, żeby mikroorganizm dawał powtarzalny, wysoki uzysk kwasu, a jednocześnie nie produkował zbyt wielu niepożądanych metabolitów ubocznych. W bioreaktorach kontroluje się pH, temperaturę (zwykle ok. 30°C), napowietrzanie i stężenie cukru, bo to wszystko wpływa na wydajność i czystość produktu. Z mojego doświadczenia w szkolnych ćwiczeniach często pokazuje się uproszczony schemat: surowiec cukrowy → sterylizacja → zaszczepienie czystą kulturą Aspergillus niger → fermentacja → filtracja biomasy → oczyszczanie i krystalizacja kwasu cytrynowego. W zakładach przemysłu spożywczego trzyma się przy tym ścisłych zasad GMP i HACCP, bo mimo że produkt jest otrzymywany z pleśni, końcowy kwas cytrynowy musi mieć bardzo wysoką czystość, spełniać normy farmakopealne i spożywcze (np. odpowiednie wymagania FAO/WHO, Codex Alimentarius, normy PN-EN). Co ciekawe, historycznie kwas cytrynowy pozyskiwano z cytryn, ale metoda pleśniowa całkowicie wyparła ekstrakcję z owoców właśnie dzięki lepszej wydajności i niższym kosztom. Moim zdaniem to jeden z lepszych przykładów, jak biotechnologia mikrobiologiczna zmieniła skalę i ekonomię produkcji dodatków do żywności.
W produkcji kwasu cytrynowego na skalę przemysłową kluczowe jest zrozumienie, który typ mikroorganizmu daje najlepszą wydajność i stabilność procesu. Intuicyjnie można pomyśleć o różnych grupach: glony też przecież rosną na pożywkach, bakterie kojarzą się z wieloma fermentacjami, a drożdże z przemysłem spożywczym. Jednak w tym konkretnym przypadku takie skojarzenie prowadzi na manowce. Glony, mimo że są ciekawym kierunkiem w nowoczesnej biotechnologii (np. do produkcji biomasy białkowej czy lipidów), nie są standardowo wykorzystywane do syntezy kwasu cytrynowego. Ich metabolizm i wymagania środowiskowe są zupełnie inne, a typowe procesy algowe opierają się na fotosyntezie, światle i dużych powierzchniach upraw, co kompletnie nie pasuje do klasycznej, intensywnej produkcji kwasu organicznego w głębokich fermentorach. Bakterie z kolei rzeczywiście mają ogromne znaczenie w przemyśle spożywczym, np. przy produkcji kwasu mlekowego, octowego czy w fermentacjach mleczarskich. Ale dla kwasu cytrynowego bakterie są po prostu mniej wydajne i mniej korzystne technologicznie. Pleśnie z rodzaju Aspergillus mają specyficzne szlaki metaboliczne i regulację, które pozwalają im gromadzić duże ilości kwasu cytrynowego w pożywce przy odpowiednio dobranych warunkach pH, stężenia cukru i mikroelementów. Drożdże to kolejna częsta pułapka myślowa, bo większości osób automatycznie kojarzą się z fermentacją i produkcją alkoholu czy CO₂. Rzeczywiście istnieją drożdże zdolne do syntezy różnych kwasów organicznych, ale w praktyce przemysłowej to nie one są „złotym standardem” dla kwasu cytrynowego. Ich wydajność i profil produktów ubocznych są mniej korzystne niż u pleśni Aspergillus niger. W dobrych praktykach przemysłu spożywczego i biotechnologicznego dąży się do wyboru takiego mikroorganizmu, który daje maksymalny uzysk, łatwość kontroli procesu i zgodność z normami jakości. Dlatego właśnie w podręcznikach technologii żywności, normach branżowych i opisach linii produkcyjnych pojawia się konsekwentnie informacja o czystych kulturach pleśni jako podstawie procesu. Typowym błędem jest myślenie: „skoro to fermentacja, to na pewno drożdże albo bakterie”, bez sprawdzenia, jaki organizm jest faktycznie stosowany w nowoczesnych instalacjach przemysłowych.