شبیه سازی و بهینه سازی راکتور بیولوژیکی تولید کننده اسیدهای کربوکسیلیک
چکیده
تخمیر نیمه پیوسته، روشی کارا و سودمند جهت تولید محصولات متابولیکی ارزشمند مانند اسیدهای کربوکسیلیک 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 تحقیق، مدل ساختار یافته دقیق و کارای موازنه فلاکس پویا برای توصیف رفتار باکتری اشریشیا کلی مطرح شده است. این مدل حاصل تلفیق مدل پایای متابولیسم درون سلولی و معادلات موازنه جرم پویا بر روی اجزای اصلی برون سلولی می باشد. مدل پویای مذکور بر پایه شبکه متابولیکی بازسازی شده ijr904 بیان شده است. در مدلسازی فرایند تخمیر نیمه پیوسته، جهت همبستگی تولید اسید سوکسینیک و رشد میکروارگانیسم، ژن های adhe، pfla ldha, در مدل ijr904 حذف 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، زمان تغییر شرایط از حالت هوازی به حالت بی هوازی و زمان تغییر روند فرایند از شکل نا پیوسته به نیمه پیوسته، میزان اکسیژن محلول در حالت هوازی و دبی خوراک ورودی. روند کلی عملیات نیمه پیوسته به سه مرحله عملیاتی ناپیوسته هوازی (جهت رشد و تکثیر باکتری ها از غلظت کم تا غلظتی قابل توجه)، نیمه پیوسته هوازی (جهت افزایش غلظت توده زیستی) و نیمه پیوسته بی هوازی (جهت افزایش تولید اسید سوکسینیک) با نرخ خوراک ورودی متفاوت از مرحله دوم تقسیم بندی شده و. بهینه سازی در دو حالت صورت گرفته است؛ در حالت اول، مرحله ناپیوسته اولیه در نظر گرفته نشده و از ابتدای فرایند، ورودی خوراک به سیستم منظور گردیده است. در حالت دوم، مرحله ناپیوسته اولیه نیز در نظر گرفته شده است. . شایان ذکر است که نتایج به خوبی اهمیت بهینه سازی را در تعیین شرایط عملیاتی فرایندهای نیمه پیوسته ، نشان می دهد، برای نمونه می توان گفت که کاهش زمان تغییر شرایط از هوازی به بی هوازی با حفظ سایر پارامترها نسبت به حالت بهینه، موجب کاهش 35 درصدی میزان تولید محصول مطلوب می شود. 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.