Modelling of malic acid production in bacillus methanolicus MGA3 and technoeconomic analysis

Abstract

Bu tez çalışmasında, metilotrof bakteri Bacillus metanolicus MGA3 ile endüstriyel ölçekte L-malik asit üretim prosesi tasarlanmış ve tasarlanan prosesin üretim verimi, uygulanabilirliği ve fizibilitesi değerlendirilmiştir. Tezin hesaplamaları, indirgeyici TCA döngüsü yoluyla 45 g/ L ve 100 g/ L L-malik asit üretimi için tasarlanan varsayımsal Bacillus metanolicus suşlarına dayanmaktadır. Aşırı üretimin, Pirüvat ve fosfoenolpirüvat karboksilazların heterolog ekspresyonu ve kanalize CO2 akışı ile gerçekleştirileceği varsayılmıştır. Nihai işlem akış şeması, kesikli modda çalışan bir biyoreaktörle başlayıp, ardından fermantasyon sıvısının hücrelerden ayrımıyla devam etmektedir. Bunu reaktif ekstraksiyon ve yeniden ekstraksiyon izlemektedir. Döner vakum filtrasyonu, aşağı akış sürecinin son birimidir. Akış sürecinde bir geliştirme olarak, sisteme geri dönüşüm akışları entegre edilmiştir ve ana biyoreaktörün önüne bir tohum reaktörü yerleştirilmiştir. Tasarlanan bu biyoproses, SuperPro Designer® (Intelligen, Inc.) yazılımı sürüm 12 kullanılarak simüle edilmiştir. Bu süreç kullanılarak parti başına 25.66 ton L-malik elde etmek ve yılda 162 parti tamamlamak mümkün olmuştur. Aşağı akış adımlarından sonraki genel verim ~ %72 olarak hesaplanmıştır. Bu işlem kullanılarak yılda toplam 4157 ton L-malik asit üretilebilir ve bu, 2022'deki küresel L-malik asit pazar hacminin %5,19'una eşdeğerdir. Bu sürecin doğrudan sabit sermayesi 65.036.000 $, toplam sermaye yatırımı ise 70.336.000 $ olarak tahmin edilmiştir. Minimum L-malik asit satış fiyatı ise 11,25 $/ kg olarak belirlenmiştir. Bu satış fiyatı, piyasa fiyatının çok üzerindedir; bu nedenle, bu süreç ancak devlet veya çevreye duyarlı şirketlerin sübvansiyonları ile uygulanabilir hale gelebilir. Ancak bu, döngüsel karbon ekonomisine geçişi hızlandırmak için fosil bazlı üretimi terk etmek için bir başlangıç çabası olabilir.

In this thesis study, industrial scale production process of L-malic acid by the methylotrophic bacterium Bacillus methanolicus MGA3 was designed and production yield, applicability as well as feasibility of the designed process were evaluated. The calculations of the thesis were based on hypothetical Bacillus methanolicus strains engineered for 45 g/ L and 100 g/ L L-malic acid production through the reductive TCA cycle. It was hypothesized that overproduction would be accomplished by heterologous expression of pyruvate and phosphoenolpyruvate carboxylases and channelling CO2 flux. The final process flowsheet started with a bioreactor operating in batch mode followed with filtration to separate fermentation broth from the cells. This was followed by reactive extraction and re-extraction. Rotary vacuum filtration was the final unit of the downstream process. As an improvement, recycle streams were integrated to the process and a seed reactor was placed to precede the main bioreactor. This designed bioprocess was simulated using SuperPro Designer® (Intelligen, Inc.) software version 12. Using this process, it was possible to obtain 25.66 tons of L-malic per batch and to complete 162 batches per year. The overall yield after the downstream steps was calculated as ~ 72 %. A total of 4157 tons of L-malic acid could be produced per year using this process and this is equivalent to the 5.19 % of the global L-malic acid market volume in 2022. Direct fixed capital of this process was estimated as 65,036,000 $ and the total capital investment was 70,336,000 $. The minimum L-malic acid selling price was determined as: 11.25 $/ kg. This selling price is far beyond the market price; therefore, this process can only become feasible with subsidies from the government or environmentally conscious companies. However, this could be an initial effort to abandon fossil-based production, to accelerate the transition to circular carbon economy.