پرتال جامع ستاد توسعه زیست فناوری
۱۹ بهمن ۱۴۰۱

مدل ریاضی دقیق برای پیش‌بینی عملکرد سلول‌های سوختی میکروبی

1906
0
دوشنبه, ۷ آبان ۱۳۹۷
محمدرضا دلفیه

مدل ریاضی دقیق برای پیش‌بینی عملکرد سلول‌های سوختی میکروبی


سلول‌های سوختی میکروبی یا MFC ها، پلتفرم‌های جدیدی برای استفاده از انرژی زیستی با استفاده از بسترهای آلی به‌خصوص منابع فاضلاب هستند که در آن‌ها از میکروارگانیسم‌های الکتروژنیک به‌عنوان کاتالیزور زیستی استفاده می‌شود. در این رابطه، پارامترهای مربوط به تحرک و انتقال باکتری‌ها، نقشی بنیادی را در پویایی جمعیت آن‌ها، تشکیل بیوفیلم و انتشار این موجودات میکروسکوپی ایفا می‌کند.

با توجه به اهمیت مدل‌سازی به‌عنوان دانش تکمیلی در فهم فرآیندهای زیست-الکتروشیمیایی در MFC ها و طراحی سیستم‌های با عملکرد بالا، پیکربندی روش‌های عددی در MFC های کوچک می‌تواند رویکردی واقعی را برای مطالعه فرایندهای زیست-شیمیایی فراهم نماید. اخیرا در همین راستا مطالعه‌ای توسط پژوهشگران کشورمان انجام شده است که نتایج آن در یکی از نشریات معتبر انتشارات الزویر منتشر گردیده است.

در این مطالعه، با ابداع یک مدل ریاضیاتی، پارامترهای انتقال باکتریایی به‌عنوان مشخصه کلیدی پویایی جمعیت‌های میکروبی و ایجاد بیوفیلم توسط آن‌ها، پیش‌بینی شده و از این روش به‌عنوان راهکاری برای فهم بهتر مکانیسم توزیع میکروارگانیسم‌های معلق در آنولیت و پیشرفت مدل‌های قبلی MFC یا همان سلول‌های سوختی میکروبی استفاده شده است.

مطالعه فوق درواقع شامل رویکرد توضیح ریاضیاتی و پیاده‌سازی عددی برای مشخصات زیست-الکتروشیمیایی و کموتاکسیس مربوط به کاتالیزورهای زیستی در MFC های اندازه کوچک است. کموتاکسیس، به حرکت یک موجود زنده تک‌سلولی یا یک سلول در جانداران پرسلولی، تحت تأثیر تحریکات شیمیائی محیط گفته می‌شود.

معادلات به کارگرفته شده در این مدل ریاضی، از معادلات مربوط به بستر تجزیه زیستی تا معادلات توزیع میکروارگانیسم‌ها را شامل می‌شوند. همچنین برای توضیح نرخ عکس‌العمل بیولوژیکی در این سیستم، محققین از معادلات ضربی موسوم به مونود[1] استفاده کرده‌اند. به‌علاوه، ایجاد بیوفیلم و توزیع میکروارگانیسم‌ها نیز با مدل موسوم به موستاید[2] شبیه‌سازی شده‌اند.

محمد کلانتر، نویسنده مسئول و محقق دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه تربیت مدرس که با همکاری دو محقق دیگر از دانشگاه صنعتی شریف و انستیتوی تحقیقات صنعت نفت به انجام این پروژه پژوهشی پرداخته، دراین‌باره می‌گوید: «ما برای بررسی پیش‌بینی مدل و ارزیابی دقت آن، داده‌های برون داد مدل را با داده‌های طبیعی مربوط به باکتری شوانلا[3] و همچنین دو سویه جهشی و کموتاکسی کننده باکتری سودوموناس[4] به نام‌های bdlA  و pilT مقایسه نمودیم».

این محقق و همکارانشان در خصوص نتایج به‌دست‌آمده می‌گویند: «نتایج پیش‌بینی‌های مدل نشان می‌دهد که هنگام عملکرد MFC، با گسترش بیوفیلم، گرادیان تمرکز بستر در بیوفیلم افزایش یافته و تحرک زیاد bdlA باعث ایجاد غیریکنواختی در بیوفیلم می‌شود».

این محققین اضافه می‌کنند: «تمرکز بستر در راستای عرض بیوفیلم، کاهش پیدا می‌کند. بیشترین و کمترین مقادیر سرعت کموتاکسی نیز به ترتیب به pilT و bdlA مربوط می‌شوند».

بر اساس این مدل ریاضی، شبیه‌سازی رفتار باکتری شوانلا، تمایل انتقال الکترون‌ها از طریق نانوسیم‌ها را نشان می‌دهد و همچنین مهاجرت آن‌ها به سطح الکترود، به تغییرات بزرگی در تولید جریان بین انواع چسبیده و معلق منجر می‌شود.

محققین فوق بر اساس نتایج حاصله از شبیه‌سازی‌های مدل ریاضی خود می‌گویند: «کاهش سرعت کموتاکسی باکتری، افزایش نرخ رشد آن و هدایت بیوفیلم همگی می‌توانند باعث افزایش اتلاف پتانسیل سلول شوند و درنتیجه سلول سوختی زیستی را دچار افت کنند».



[1] Monod

[2] Moustaid

[3] Shewanella oneidensis

[4] Pseudomonas aeruginosa

برچسب: زیست فناوری

نظرات