Μεταβολική μηχανική συστημάτων: Σύζευξη της μεταβολικής μηχανικής με το σχεδιασμό βιοδιεργασιών με χρήση υπερδομών

Δημητρίου, Κωνσταντίνος; Dimitriou, Konstantinos

dc.contributor.author	Δημητρίου, Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Dimitriou, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2020-11-25T18:14:35Z
dc.date.available	2020-11-25T18:14:35Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52069
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19767
dc.rights	Default License
dc.subject	Metabolic engineering	en
dc.subject	Process design	en
dc.subject	Superstructure optimization	en
dc.subject	Μεταβολική μηχανική	el
dc.subject	Σχεδιασμός βιοδιεργασιών	el
dc.subject	Βελτιστοποίηση υπερδομών	el
dc.title	Μεταβολική μηχανική συστημάτων: Σύζευξη της μεταβολικής μηχανικής με το σχεδιασμό βιοδιεργασιών με χρήση υπερδομών	el
heal.type	bachelorThesis
heal.secondaryTitle	Simultaneous Synthesis of Metabolic and Process Engineering for the Production of Muconic Acid	en
heal.classification	Μεταβολική Μηχανική	el
heal.classification	Σχεδιασμός Διεργασιών	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-09-08
heal.abstract	Οι προσπάθειες της μεταβολικής μηχανικής στις μέρες μας εστιάζουν στη δημιουργία στελεχών τα οποία μπορούν να παράξουν τον επιθυμητό μεταβολίτη με τη μέγιστη δυνατή απόδοση. Όμως αυτή η μεθοδολογία αδυνατεί να συνυπολογίσει το ουσιαστικό πρόβλημα των κυτταρικών εργοστασίων, το οποίο είναι ο διαχωρισμός του μεταβολίτη από τα υπόλοιπα συστατικά του υγρού της καλλιέργειας. Αυτό περιλαμβάνει μεγάλη περιεκτικότητα σε νερό, υγρά συστατικά με παρόμοια χαρακτηριστικά, στερεά συστατικά και κύτταρα. Ο διαχωρισμός όλων αυτών απαιτεί μεγάλα ποσά ενέργειας και πάγιου κόστους για την αγορά του εξοπλισμού κάτι το οποίο σε πολλές περιπτώσεις κάνει τη βιοπαραγωγή αδύνατη σε βιομηχανική κλίμακα. Συνεπώς, για να λυθεί αυτό το πρόβλημα πρέπει τα εργαλεία της μεταβολικής μηχανικής, τα οποία περιλαμβάνουν προγράμματα βελτιστοποίησης μεταβολικών στόχων, να συνδεθούν με την πραγματικότητα των διεργασιών διαχωρισμού. Σε αυτή τη διπλωματική προτείνουμε ένα υπολογιστικό πλαίσιο για την εύρεση διαγραφών αντιδράσεων που αναδιαμορφώνουν το μεταβολικό δίκτυο έτσι ώστε να γίνεται ταυτόχρονη μεγιστοποίηση και της παραγωγής βιομάζας αλλά και του κέρδους της βιοπαραγωγής χρησιμοποιώντας βελτιστοποίηση δύο επιπέδων (bilevel optimization). Η έρευνα επεκτείνει το εξωτερικό πρόβλημα που έχει καθιερωθεί στη βιβλιογραφία με τη χρήση υπερδομών που συνδέει τις σχεδιαστικές επιλογές με τις επιλογές του μεταβολικού δικτύου. Η ύπαρξη κάθε διεργασίας μεταφράζεται με δυαδικές μεταβλητές. Η μέθοδός μας περιλαμβάνει την εύρεση και την κατηγοριοποίηση αυτών των τεχνολογιών διαχωρισμού και την εισαγωγή των εξισώσεων των μοντέλων καθώς και των οικονομικών παραμέτρων που τις περιγράφουν. Τα βήματα διαχωρισμού περιλαμβάνουν την προκατεργασία, την αφαίρεση κυττάρων, την απομόνωση των προϊόντων, την συγκέντρωση, τον τελικό καθαρισμό και τον εξευγενισμό. Η ροή εισόδου της υπερδομής αποτελεί ένα σύνολο μεταβλητών που υπολογίζονται από το πρόβλημα βελτιστοποίησης και διαχωρίζεται σε πέντε στοιχεία: το προϊόν, το νερό, τα κύτταρα, τα στερεά παραπροϊόντα και τα υγρά παραπροϊόντα. Η κάθε διεργασία αναδιαμορφώνει τα στοιχεία της ροή μέσω γραμμικοποιημένων εξισώσεων. Το πρόβλημα μπορεί να περιοριστεί με βάση τα χαρακτηριστικά και τις απαιτήσεις της κάθε βιοδιεργασίας. Για την επίδειξη της λειτουργικότητας και του αλγορίθμου βελτιστοποίησης που κατασκευάστηκε μελετήθηκαν δύο περιπτώσεις βιοπαραγωγής, μία από το στέλεχος iMM904 της ζύμης Saccharomyces cerevisiae και μία από το στέλεχος KT2440 του βακτηρίου Pseudomonas putida για την παραγωγή μυκονικού οξέος. Τα αποτελέσματα των μελετών αυτών έδειξαν ότι το συζευγμένο μοντέλο μπορεί να αποκαλύψει στρατηγικές μεταβολικών τροποποιήσεων που μπορούν να αυξήσουν την το συνολικό κέρδος της παραγωγής μέχρι δύο φορές σε σχέση με τη μη συνδεδεμένη ανάλυση. Συνεπώς η έρευνα έδειξε πως η ολιστική προσέγγιση της μεταβολικής μηχανικής και η σύζευξή της με τον σχεδιασμό διεργασιών αποτελεί μία υποσχόμενη στρατηγική η οποία μπορεί να έχει ουσιαστικό αντίκτυπο στη βιομηχανική παραγωγή χρήσιμων προϊόντων.	el
heal.advisorName	Kokosis, Antonis	el
heal.advisorName	Κοκόσης, Αντώνης	el
heal.committeeMemberName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	92 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false