Polymælkesyre (PLA): Fremmer udbyttet ved mælkesyrefermentering

Moderne plastmaterialer har banet vejen for store fremskridt inden for sikkerhed, effektivitet og produktydelse i næsten alle brancher. Deres holdbarhed, modstandsdygtighed over for nedbrydning og lave produktionsomkostninger har imidlertid også medført et betydeligt pres på miljøet. Plastforurening er blevet et globalt problem, idet den årlige globale produktion og mængden af affald var dobbelt så stor i 2019 som i 2000.

I dag produceres der hvert år omkring 400 millioner tons plast, og denne mængde forventes at være tredoblet inden 2060. Kun 9 % af al plast, der nogensinde er produceret, er blevet genanvendt, mens resten er blevet brændt, deponeret eller udledt i miljøet.

Havøkosystemerne er særligt hårdt ramt, da dårligt håndteret plastaffald hurtigt ender i floder, langs kystlinjer og i det åbne hav. Der ender hvert år omkring 11 millioner ton plast i havet. Det svarer til, at vi hver eneste dag tømmer 2.000 skraldebiler fulde af plast ud i verdenshavene, floder og søer (UNEP, 2025). Ifølge prognoserne kan der i 2050 være mere plast end fisk i havet målt i vægt.

Som svar herpå udgør biobaserede polymerer som f.eks. polymælkesyre (PLA) et troværdigt og skalerbart alternativ til mere bæredygtige materialesystemer. PLA er en biobaseret, biologisk nedbrydelig polymer, der fremstilles af mælkesyre, som udvindes ved fermentering af stivelses- eller sukkerholdige råvarer. Disse materialer udmærker sig ved deres mekaniske styrke, gennemsigtighed og alsidighed i forarbejdningen. Det anvendes i vid udstrækning inden for emballage, tekstiler, forbrugsgoder og 3D-print, herunder PLA-filamenter. I takt med at industrien erstatter plast fremstillet af råolie med bæredygtige alternativer, er PLA blevet et af de mest strategisk vigtige biopolymerer i dagens globale bæredygtighedslandskab.

Ifølge European Bioplastics 2025 Market Data Report forventes den globale produktionskapacitet for biobaseret plast at stige fra 2,31 millioner ton i 2025 til 4,69 millioner ton i 2030, drevet af stigende efterspørgsel og løbende materialeinnovationer. Biobaseret plast udgør i øjeblikket 0,5 % af de 431 millioner ton plast, der hvert år produceres på verdensplan.

I Den Europæiske Unionhar Europa-Kommissionen udstedt en EU-politisk ramme for biobaseret, biologisk nedbrydeligt og komposterbar plast, der fastlægger krav til indkøb, mærkning og anvendelse på tværs af sektorer som emballage, forbrugsvarer og tekstiler.

I USA findes der føderale initiativer såsom USDA BioPreferred-programmet, og EPA's bæredygtige materialestyring der støtter indførelse og ansvarlig anvendelse af biobaserede materialer, herunder PLA. Det samme gør sig gældende i Japan, hvor Miljøministeriet fremmer bioplast såsom PLA som en del af nationale strategier for at mindske afhængigheden af konventionel plast.

På globalt plan betragter FN's Miljøprogram og tilknyttede internationale organer biologisk nedbrydelige polymerer som PLA som centrale materialer i den verdensomspændende indsats for at reducere plastforurening. UNEP's ramme for plaststatistik understreger betydningen af biologisk nedbrydelige og biobaserede alternativer for at fremme cirkulær økonomi og ansvarlig materialehåndtering.

Produktionen af PLA omfatter flere nøje kontrollerede trin:

1. Fermentering: Kulhydratrige råvarer som sukkerrør, majs eller landbrugsaffald fermenteres af mikroorganismer til mælkesyre. Mælkesyrens renhed og koncentration har direkte indflydelse på polymerens kvalitet og processtabiliteten
2. Rensning: Fermenteringsvæsken renses ved hjælp af filtrering, ionbytning og inddampning for at fjerne vand og urenheder. Selv spor af forurenende stoffer kan forringe katalysatorens ydeevne i de efterfølgende processer
3. Laktidsyntese: Renset mælkesyre omdannes til præpolymerer med lav molekylvægt og laktid. Der kræves høj optisk renhed for at opnå den ønskede krystallinitet og de ønskede mekaniske egenskaber
4. Polymerisering: Laktid polymeriseres ved ringåbningspolymerisering til PLA, hvilket gør det muligt at styre molekylvægten og polymerstrukturen til anvendelser som emballage, fibre og 3D-print
5. Processtabilitet: Udsving i pH-værdi, temperatur, renhed eller sammensætning i produktionskæden kan mindske effektiviteten og øge energiforbruget. Stabile driftsforhold er afgørende for produktion af PLA i industriel skala

Procesvariabilitet ved mælkesyrefermentering påvirker ydeevnen på måder, der ikke altid er umiddelbart synlige. Selv inden for de optimale driftsområder kan små ændringer i forholdene påvirke, hvor effektivt sukker omdannes til mælkesyre.

En reduceret omdannelse på dette trin ændrer mælkesyrekoncentrationen og den samlede sammensætning af fermenteringsvæsken. Dette øger belastningen på den efterfølgende rensning og kan forringe polymeriseringseffektiviteten. Dette medfører, at udbyttet, produktionskapaciteten og den endelige kvalitet af polymælkesyren bliver uensartet.

Disse effekter skyldes samspillet mellem flere procesparametre såsom pH, temperatur og tilgængeligheden af substrat. Når procesparametrene afviger, bevæger processen sig gradvist væk fra de optimale betingelser.

Uden et pålideligt overblik over disse faktorer kan operatørerne ikke rette op på afvigelser, så snart de opstår. Dette medfører, at der opstår ineffektivitet i hele processen, hvilket i sidste ende påvirker den samlede produktionsydelse.

• Faldende mælkesyrekoncentration ved høst: Dette indikerer en ufuldstændig omdannelse af sukker, hvilket mindsker udbyttet og øger produktionsomkostningerne
• Øget dannelse af uønskede biprodukter: Reducerer det effektive mælkesyreudbytte og øger kompleksiteten i rensningsprocessen samt energiforbruget og kemikalieforbruget
• Langsommere fermenteringscyklusser og længere batchtider: Reducerer reaktorens produktivitet og begrænser anlæggets samlede kapacitet
• Vanskeligheder ved at opretholde den ønskede pH-profil: Forstyrrer mikroorganismernes metabolisme, hvilket fører til svingende produktivitet og varierende batchkvalitet
• Indtrængning af ilt eller ustabile anaerobe forhold: Ændrer fermenteringsforløbet, øger dannelsen af biprodukter og påvirker PLA's stereokemiske konsistens
• Ikke-optimeret plan for råvarer: Fører til uensartede udbytter og tabte batches

De tidlige tegn på en afvigelse i en bioproces er ofte usynlige for operatørerne og skyldes sjældent en enkelt procesparameter. I stedet afspejler de de komplekse biologiske processer, der ændrer sig og påvirker hinanden over tid.

• pH-ustabilitet, der påvirker mikrobiel metabolisme og mælkesyreproduktion: Selv små ændringer i pH-værdien ændrer enzymaktiviteten og mindsker effektiviteten af omdannelsen af sukker til mælkesyre
• Temperaturudsving, der ændrer reaktionskinetikken og forsinker fermenteringen: Ustabile temperaturforhold påvirker mikroorganismernes væksthastighed og forlænger fermenteringstiden
• Uoptimeret foder medfører variationer og tabte batches: Variationer i råmaterialet forhindrer en stabil metabolisk aktivitet og medfører forskelle mellem de enkelte batches
• Oxygenpåvirkning, der forstyrrer de anaerobe fermenteringsprocesser: Indtrængning af ilt ændrer fermenteringsforløbet og øger dannelsen af biprodukter
• Skumdannelse, der reducerer den effektive reaktorvolumen: Overdreven skumdannelse begrænser det anvendelige fermenteringsvolumen og forstyrrer masseoverførslen
• Manglende realtidsindsigt i mælkesyredannelsen: Afhængighed af indirekte indikatorer eller forsinkede laboratorieanalyser kan forhindre tidlig opdagelse af afvigelser, hvilket giver risiko for, at der opstår udbytte- og kvalitetstab, inden der iværksættes korrigerende foranstaltninger

Tilsammen viser disse faktorer, at fermenteringsresultatet afhænger af et lille antal tæt forbundne variabler. For at opretholde stabiliteten kræves der løbende overvågning og præcis regulering af disse parametre. Det er derfor afgørende at fastlægge de rette målepunkter for at sikre en effektiv kvalitetskontrol af PLA-processen, hvilket sikrer ensartet kvalitet og effektiv produktion i stor skala.

En effektiv PLA-produktion afhænger af nøjagtig overvågning og styring af nøglevariabler gennem hele fermenteringsprocessen og den efterfølgende forarbejdning. Mælkesyrefermentering er meget følsom over for biologiske og termiske udsving, hvilket gør måling afgørende for at opretholde stabile driftsforhold. Følgende målepunkter er afgørende for at opnå en effektiv kvalitetskontrol af PLA-processen og sikre ensartet ydeevne i hele produktionskæden.

• Flowmåling ved tilførsel af sukker, næringsstoffer og buffere sikrer en stabil tilgængelighed af substrat og forhindrer overtilførsel eller undertilførsel, som forstyrrer mikroorganismernes metabolisme
• Overvågning af densitet eller koncentration i tilførselsstrømme gør det lettere at opdage udsving i råvarernes kvalitet og understøtter reguleringen af substratkoncentrationen
• Overvågning af tilførselstemperaturen sikrer, at substraterne føres ind i bioreaktoren inden for det rette temperaturområde for at undgå metabolisk stress

• pH-måling er afgørende for at opretholde en optimal mikrobiel aktivitet og sikre mælkesyreproduktionen gennem hele batchen
• Temperaturovervågning stabiliserer fermenteringskinetikken og forhindrer udbyttetab som følge af temperaturudsving
• Måling af turbiditet eller biomasse kombineret med data fra overvågning af mælkesyrekoncentrationen giver indsigt i mikrobielle vækstmønstre og tidlige tegn på faldende fermenteringsydelse
• Trykovervågning muliggør kontrolleret CO₂-udledning og påviser gasophobning eller blokeringer i udstødningsvejene
• CO₂-overvågning, der er en valgfri funktion, giver yderligere indsigt i den metaboliske aktivitet og fermenteringsforløbet
• Overvågning af næringsstoffer og metabolitter er afgørende for, at man konsekvent kan nå procesudbyttemålene fra batch til batch

• Overvågning af ledningsevnen påviser resterende salte eller ioniske urenheder, som påvirker rensningseffektiviteten i de efterfølgende processer
• Fermenteringsvæskens kemiske sammensætning afslører råvarens sammensætning og de vigtigste urenheder
• Flowmåling stabiliserer overførselsforholdene og sikrer en jævn tilførsel til rensningsenhederne

• Temperaturmåling under dannelsen af laktider og polymeriseringen sikrer en stabil reaktionskinetik og forhindrer ukontrolleret transesterificering eller nedbrydning
• Vakuumovervågning og -styring sikrer effektiv fjernelse af vand og lavkogende komponenter
• Måling af målmolekyler giver oplysninger om sammensætning og molekylær struktur i realtid

Pålidelige målinger er forskellen mellem en fermenteringsproces, der reagerer på problemer, og en, der konsekvent leverer et højt udbytte. Når de vigtigste procesvariabler måles nøjagtigt og kontinuerligt, får operatørerne mulighed for at holde mælkesyrefermentering inden for det optimale driftsinterval. Dette forhindrer, at små afvigelser hober sig op, og sikrer udbyttet, batchvarigheden og ydeevnen i de efterfølgende processer i PLA-produktionen.

• Lavere produktionsomkostninger pr. kg som følge af mindre dannelse af biprodukter, mindre affaldsproduktion og forbedret ressourceeffektivitet
• Reduceret kemikalieforbrug, herunder neutraliseringsmidler, buffere og næringsstoffer, opnået gennem en mere præcis pH-regulering
• Færre uplanlagte driftsstop og fejl i batches understøttet af tidlig opdagelse af afvigelser og forbedret kontrol med anaerobe processer
• Mindre behov for efterfølgende forarbejdning, da en ensartet sammensætning af fermenteringsvæsken mindsker filtreringsbelastningen og rensningsintensiteten
• Forbedret driftseffektivitet med kortere cyklustider, højere anlægsudnyttelse og kontrollerede batchvarigheder
• Færre risici i forhold til sikkerhed og manglende overholdelse takket være bedre overblik over iltindtrængning, CO₂-udledning og trykforhold, hvilket understøtter målene for genanvendelse af PLA og cirkulær økonomi

De følgende spørgsmål omhandler, hvordan afvigelser i de indledende processtrin, målemetoder og driftsmæssige valg påvirker laktidsyntesen, polymeriseringsresultatet og den samlede processtabilitet. Sammen fremhæver de de vigtigste faktorer for produktion af PLA i industriel skala.