شبیه سازی و بهینه سازی راكتور بیولوژیكی تولیدكننده بوتانول

شبیه سازی و بهینه سازی راكتور بیولوژیكی تولیدكننده 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

شبیه سازی و بهینه سازی راكتور بیولوژیكی تولیدكننده 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 كلی عملیات نیمه‌پیوسته به دو فاز عملیاتی اسیدی (جهت رشد و تكثیر باكتری‌ها از غلظت كم تا غلظتی قابل توجه) و خنثی (جهت افزایش غلظت توده زیستی و جهت افزایش تولید بوتانول) با نرخ خوراك ورودی ثابت تقسیم‌بندی شده است. بهینه سازی در حالت نیمه پیوسته صورت گرفته است. شایان ذكر است كه 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 كه 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 بیوتكنولوژی.. 2

1-2- بیوتكنولوژی- یك هسته مركزی با دو جزء 4

1-3- مقدمه‌ای بر فرآیند‌های تخمیری.. 5

1-3-1- بخش‌های اصلی فرایند تخمیری.. 7

1-3-2- محیط كشت تخمیر صنعتی.. 8

2- مروری بر كارهای گذشته. 11

2-1- مروری بر كاربردهای كشت نیمه‌پیوسته (غیر مداوم خوراك‌دهی شده) 11

2-2- مروری بر تولید بوتانل از طریق كشت میكروبی.. 13

2-3- مروری بر بهینه‌سازی فرایند‌های تخمیر نیمه‌پیوسته. 13

3- فرایند. 16

3-1- طراحی فرمانتور 17

3-2- كشت نیمه پیوسته (غیر مداوم خوارك‌دهی‌شده) 19

3-2-1- مزایای كشت نیمه پیوسته (غیر مداوم خوارك‌دهی‌شده) 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 بیوراكتور نیمه پیوسته. 30

4-2- مدل‌های رشد میكروارگانیسم‌ها 31

4-2-1- مدل‌های ساختار نیافته. 31

4-2-1-1- مدل‌های مونود، هالدن، كناك، تیسیر و موزر 31

4-2-1-2- مدل شبكه عصبی.. 33

4-2-2- مدل‌های ساختاریافته. 33

4-2-2-1- مدل‌های مبتنی بر آنالیز موازنه فلاكس (FBA) 35

4-2-2-2- مدل‌های مبتنی بر آنالیز موازنه فلاكس پویا (DFBA) 39

4-3- مدلسازی مورد استفاده در این تحقیق.. 40

4-3-1- معادلات حاكم.. 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 یك.... 74

پیوست دو 80

فهرست شکل ها و نمودارها

عنوان و شماره.................................................................................................................  صفحه

شكل (3-1)- نمایی كلی از یك بیو‌راكتور پیوسته.....................................................................17

شكل(3-2)- مواد شیمیایی تولیدی از بوتانول....................................................................23

شكل (4-1)- شبكه متابولیكی ساده ای از باكتری ای-كلای............................................. 36

شكل (4-2)- روش FBA.............................................................................................................37

شكل (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

شكل (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

شكل (4-5)- نمودار تغییرات غلظت گلوكز در بیوراکتور ناپیوسته......................................... 48

شكل (4-6)- نمودار تغییرات غلظت توده زیستی در بیوراکتور ناپیوسته................49

شكل (4-7)- نمودار تغییرات غلظت محصولات در بیوراکتور ناپیوسته..................................49

شكل (4-8)- حذف ژن بصورت شماتیک......................................................................51

شكل (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

شكل (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

شكل (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

شكل (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

شكل (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

شكل (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

شكل (6-1)- تغییرات غلظت توده زیستی در بیوراکتور نیمه پیوسته.....................................65

شكل (6-2)- تغییرات مقدار گلوکز در كشت نیمه پیوسته........................................................66

شكل (6-3)- تغییرات مقدار محصولات در كشت نیمه پیوسته................................................66

شكل (6-4)- تغییرات ژنتیکی اعمال شده در میکروارگانیسم...................................................67

فهرست جدول ها

عنوان.................................................................................................................................................صفحه

جدول (3-1)- استانداردهای مواد مورد استفاده در یك 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 فلاكس اتانول برای داده های آموزش و تست در مورد سویه طبیعی.............................................46

جدول (4-3)- مقادیر فلاکس ماکزیمم هیدروژن و گلوکز برای سویه طبیعی باكتری کلستریدیم استوبوتیلیکم در شرایط اسیدی و خنثی.........................................................................47

جدول (4-4)- مقادیر پارامترهای بهینه معادلات جذب برای سویه طبیعی باكتری کلستریدیم استوبوتیلیکم در فاز اسیدی.............................................................................................. 47

جدول (4-5)- مقادیر پارامترهای بهینه معادلات جذب برای سویه طبیعی باكتری 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 فلاكس 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 فلاكس 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 كلیدی در حل مسئله بهینه سازی.....................................65

برچسب ها : شبیه سازی و بهینه سازی راكتور بیولوژیكی تولیدكننده بوتانول , شبیه سازی , بهینه سازی , راكتور , بیولوژیكی , تولیدكننده , بیوتکنولوژی , فرایندهای تخمیری , محیط کشت , فرمانتور , بوتانول , مقاله , پژوهش , تحقیق , پروژه , دانلود مقاله , دانلود پژوهش , دانلود تحقیق , دانلود پروژه