شبیه سازی و بهینه سازی راکتور بیولوژیکی تولیدکننده بوتانول
تخمیر نیمه پیوسته، روشی کارا و سودمند جهت تولید محصولات متابولیکی ارزشمند مانند سوخت های زیستی می باشد. مدلسازی ریاضی بیوراکتورهای نیمه پیوسته با توجه به طبیعت گذرا و ناپایای تخمیر و همچنین پیچیدگی متابولیسم سلولی، مسأله ای بسیار دشوار و پیچیده است. در این زمینه برخی از محققین مدل هایی ساخت یافته ارائه کرده اند که نسبت به مدل های غیر ساخت یافته دقت و بازده بیشتری دارند. در این تحقیق، مدل ساختار یافته دقیق و کارای موازنة فلاکس پویا برای توصیف رفتار باکتری کلستریدیوم استوبوتیلیکوم) (clostridium acetobutylicum مطرح شده است. این مدل حاصل تلفیق مدل پایای متابولیسم درون سلولی و معادلات موازنة جرم پویا بر روی اجزای اصلی برون سلولی می باشد. مدل پویای مذکور بر پایة شبکة متابولیکی بازسازی شدة 824_cellb بیان شده است. در مدلسازی فرایند تخمیر نیمه پیوسته، جهت همبستگی تولید بوتانول و رشد میکروارگانیسم، ژن های CoATدر مدل 824_cellb حذف شده و ژن AAD بیش از حالت طبیعی بیان شده و شرایط اولیه و پارامترهای عملیاتی بهینه برای تولید بیشینه محصول مطلوب، مورد استفاده قرار گرفته است. این پارامترها عبارتند از: زمان نهایی عملیات، حجم اولیه راکتور و دبی خوراک ورودی. روند کلی عملیات نیمه‌پیوسته به دو فاز عملیاتی اسیدی (جهت رشد و تکثیر باکتری‌ها از غلظت کم تا غلظتی قابل توجه) و خنثی (جهت افزایش غلظت توده زیستی و جهت افزایش تولید بوتانول) با نرخ خوراک ورودی ثابت تقسیم‌بندی شده است. بهینه سازی در حالت نیمه پیوسته صورت گرفته است. شایان ذکر است که نتایج به خوبی اهمیت حدف ژن و بیان بیش از حد ژن را در تعیین شرایط عملیاتی فرایندهای نیمه پیوسته نشان می دهد، در واقع می توان گفت که حدف ژن و بیان بیش از حد ژن در شرایط بی هوازی با حفظ سایر پارامترها نسبت به حالت بهینه، موجب افزایش میزان محصول مطلوب(بوتانل) و کاهش میزان تولید محصول نامطلوب(اتانول و استون) خواهد شد. استفاده از مدلهای ساختار یافته مبتنی بر آنالیز موازنه فلاکس، بدون نیاز به اطلاعات سینتیکی آنزیمی، قادر به مدلسازی دقیق رفتار میکرو ارگانیسم ها می باشند.
فهرست
1- مقدمه. 2
1- 1- مقدمه‌ای بر بیوتکنولوژی.. 2
1-2- بیوتکنولوژی- یک هسته مرکزی با دو جزء 4
1-3- مقدمه‌ای بر فرآیند‌های تخمیری.. 5
1-3-1- بخش‌های اصلی فرایند تخمیری.. 7
1-3-2- محیط کشت تخمیر صنعتی.. 8
2- مروری بر کارهای گذشته. 11
2-1- مروری بر کاربردهای کشت نیمه‌پیوسته (غیر مداوم خوراک‌دهی شده) 11
2-2- مروری بر تولید بوتانل از طریق کشت میکروبی.. 13
2-3- مروری بر بهینه‌سازی فرایندهای تخمیر نیمه‌پیوسته. 13
3- فرایند. 16
3-1- طراحی فرمانتور 17
3-2- کشت نیمه پیوسته (غیر مداوم خوارک‌دهی‌شده) 19
3-2-1- مزایای کشت نیمه پیوسته (غیر مداوم خوارک‌دهی‌شده) 20
3-3- بوتانول(بوتیل الکل) 22
3-3- 1- روش های تولید بوتانول.. 25
3-3-2-1- استفاده از بوتانول به عنوان جایگزین سوخت های فسیلی.. 25
3-3-1-2-تحقیقات انجام شده در زمینه تولید بیولوژیکی بوتانول 27
فصل چهارم. 29
4- مدلسازی.. 30
4-1- مدل بیوراکتور نیمه پیوسته. 30
4-2- مدلهای رشد میکروارگانیسم‌ها 31
4-2-1- مدلهای ساختار نیافته. 31
4-2-1-1- مدلهای مونود، هالدن، کناک، تیسیر و موزر 31
4-2-1-2- مدل شبکه عصبی.. 33
4-2-2- مدلهای ساختاریافته. 33
4-2-2-1- مدلهای مبتنی بر آنالیز موازنه فلاکس (FBA) 35
4-2-2-2- مدلهای مبتنی بر آنالیز موازنه فلاکس پویا (DFBA ) 39
4-3- مدلسازی مورد استفاده در این تحقیق.. 40
4-3-1- معادلات حاکم.. 41
4-4-1- مدل آنالیز موازنه فلاکس پویا برای کشت ناپیوسته گونه طبیعی (وحشی) باکتری کلستریدیوم استوبوتیلیکوم 42
4-4-1-1- تعیین پارامترهای بهینه معادلات جذب مواد غذایی 43
4-4-2- مدل آنالیز موازنه فلاکس پویا برای کشت نیمه پیوسته گونه جهش یافته باکتری کلستریدیوم استوبوتیلیکوم 50
5- بهینه‌سازی.. 59
5-1- استراتژی عملیاتی.. 61
6- نتایج، بحث و نتیجه گیری.. 64
6-1- نتایج حاصل از بهینه سازی.. 64
6-2- مطالعات موضوعی.. 67
6-3- بحث و نتیجه گیری.. 68
منابع.. 70
پیوست یک.... 74
پیوست دو 80
فهرست شکل ها و نمودارها
عنوان و شماره................................................................................................................. صفحه
شکل (3-1)- نمایی کلی از یک بیوراکتور پیوسته.....................................................................17
شکل(3-2)- مواد شیمیایی تولیدی از بوتانول....................................................................23
شکل (4-1)- شبکه متابولیکی ساده ای از باکتری ای-کلای............................................. 36
شکل (4-2)- روش FBA.............................................................................................................37
شکل (4-3)- رویه های سه بعدی مربوط به مقادیر سرعت رشد ویژه سویه طبیعی حاصل از حل مکرر مسأله برنامه‌ریزی خطی بر حسب فلاکسهای ورودی گلوکز و هیدروژن............... 44
شکل (4-4)- رویه های سه بعدی مربوط به مقادیر فلاکس خروجی هیدروژن حاصل از حل مکرر مسأله برنامه‌ریزی خطی بر حسب فلاکسهای ورودی گلوکز و هیدروژن.............................45
شکل (4-5)- نمودار تغییرات غلظت گلوکز در بیوراکتور ناپیوسته......................................... 48
شکل (4-6)- نمودار تغییرات غلظت توده زیستی در بیوراکتور ناپیوسته................49
شکل (4-7)- نمودار تغییرات غلظت محصولات در بیوراکتور ناپیوسته..................................49
شکل (4-8)- حذف ژن بصورت شماتیک......................................................................51
شکل (4-9)- رویه های سه بعدی مربوط به مقادیر سرعت رشد ویژه سویه جهش یافته، حاصل از حل مکرر مسأله برنامه‌ریزی خطی بر حسب فلاکسهای ورودی گلوکز و هیدروژن...52
شکل (4-10)- رویه های سه بعدی مربوط به مقادیر فلاکس اتانول در سویه جهش یافته، حاصل از حل مکرر مسأله برنامه‌ریزی خطی بر حسب فلاکسهای ورودی گلوکز و هیدروژن...47
شکل (4-11)- رویه سه بعدی مربوط به مقادیر فلاکس بوتانل در سویه جهش یافته، حاصل از حل مکرر مسأله برنامه‌ریزی خطی بر حسب فلاکسهای ورودی گلوکز و هیدروژن............... 53
شکل (4-12)- رویه های سه بعدی مربوط به مقادیر سرعت رشد ویژه سویه جهش یافته، حاصل از شبیه سازی با شبکه عصبی مصنوعی، بر حسب فلاکسهای ورودی گلوکز و هیدروژن...................................................................................................................................................... 55
شکل (4-13)- رویه های سه بعدی مربوط به مقادیر فلاکس اتانول در سویه جهش یافته، حاصل از شبیه سازی با شبکه عصبی مصنوعی، بر حسب فلاکسهای ورودی گلوکز، هیدروژن ورودی...........................................................................................................................................................55
شکل (4-14)- رویه سه بعدی مربوط به مقادیر فلاکس بوتانل در سویه جهش یافته، حاصل از شبیه سازی با شبکه عصبی مصنوعی، بر حسب فلاکسهای ورودی گلوکز و هیدروژن ورودی...........................................................................................................................................................56
شکل (6-1)- تغییرات غلظت توده زیستی در بیوراکتور نیمه پیوسته.....................................65
شکل (6-2)- تغییرات مقدار گلوکز در کشت نیمه پیوسته........................................................66
شکل (6-3)- تغییرات مقدار محصولات در کشت نیمه پیوسته................................................66
شکل (6-4)- تغییرات ژنتیکی اعمال شده در میکروارگانیسم...................................................67
فهرست جدول ها
عنوان.................................................................................................................................................صفحه
جدول (3-1)- استانداردهای مواد مورد استفاده در یک فرمانتور پیچیده..............................17
جدول (4-1)- میزان خطای مطلق و نسبی شبکه عصبی مصنوعی انتخابی مربوط به سرعت رشد ویژه برای داده های آموزش و تست در مورد سویه طبیعی.....................................................46
جدول (4-2)- میزان خطای مطلق و نسبی شبکه عصبی مصنوعی انتخابی مربوط به فلاکس اتانول برای داده های آموزش و تست در مورد سویه طبیعی.............................................46
جدول (4-3)- مقادیر فلاکس ماکزیمم هیدروژن و گلوکز برای سویه طبیعی باکتری کلستریدیم استوبوتیلیکم در شرایط اسیدی و خنثی.........................................................................47
جدول (4-4)- مقادیر پارامترهای بهینه معادلات جذب برای سویه طبیعی باکتری کلستریدیم استوبوتیلیکم در فاز اسیدی.............................................................................................. 47
جدول (4-5)- مقادیر پارامترهای بهینه معادلات جذب برای سویه طبیعی باکتری کلستریدیم استوبوتیلیکم در شرایط خنثی...........................................................................................48
جدول (4-6)- مقادیر میانگین درصد خطای مطلق و نسبی مربوط به تغییرات غلظت گلوکز، توده زیستی، بوتانل، اتانول و استون در شرایط ناپیوسته.....................................................50
جدول (4-7)- میزان خطای مطلق و نسبی شبکه عصبی مصنوعی انتخابی مربوط به سرعت رشد ویژه برای داده های آموزش و تست در مورد سویه جهش یافته............................................54
جدول (4-8)- میزان خطای مطلق و نسبی شبکه عصبی مصنوعی انتخابی مربوط به فلاکس بوتانل برای داده های آموزش و تست در مورد سویه جهش یافته...........54
جدول (4-9)- میزان خطای مطلق و نسبی شبکه عصبی مصنوعی انتخابی مربوط به فلاکس اتانول برای داده های آموزش و تست در مورد سویه جهش یافته....................................54
جدول (6-1)- مقادیر بهینه حاصل برای متغیرهای تصمیم گیری...........................................64
جدول (6-2)- مقادیر پارامترهای کلیدی در حل مسئله بهینه سازی.....................................65