Tese de mestrado em InformáticaActualmente, uma larga variedade de produtos tais como antibióticos,
proteínas, vacinas e outros compostos químicos são produzidos através de processos
fermentativos. Devido à subida dos preços do petróleo e aos fortes incentivos por
parte das instituições para substituir os produtos derivados de petróleo por “produtos
verdes”, muitos dos processos tradicionais têm vindo a ser substituídos por
bioprocessos. Consequentemente, tem existido um esforço para melhorar a
produtividade dos processos biológicos. A optimização destes processos pode ser
realizada em duas etapas: primeiramente, faz-se uma selecção e uma melhoria
genética do microrganismo e num segundo passo são identificadas as melhores
condições para realizar o processo fermentativo. Nesta etapa, normalmente são
realizados estudos experimentais através de tentativa-erro para obter as condições
ambientais que propiciem o melhor crescimento e produtividade do microrganismo,
manipulando as concentrações iniciais dos nutrientes, os perfis de alimentação de
substrato ao reactor, os modos de operação, bem como a temperatura e o pH.
Nos últimos anos, têm sido desenvolvidas várias ferramentas informáticas para
simulação e optimização de bioprocessos. Porém, a maioria destas ferramentas está
direccionada para estudar as vias metabólicas de um microrganismo de modo a
optimizar a produtividade de determinado produto. Numa fase posterior, é efectuada
uma optimização genética do microrganismo. Apesar de existir uma grande variedade
de ferramentas informáticas verifica-se que nenhuma delas está desenhada
especificamente para a optimização e simulação de processos fermentativos. Assim, o
objectivo deste trabalho foi desenvolver de raiz uma ferramenta direccionada para
simulação, optimização e estimação de parâmetros de processos fermentativos.
A aplicação OptFerm foi desenvolvida sobre uma plataforma denominada
AIBench, tendo-se utilizado a linguagem Java como linguagem de programação. O
OptFerm foi então desenvolvido de modo a ser uma ferramenta de fácil uso, extensível
e que pudesse funcionar em qualquer sistema operativo, estando disponível como
software livre em http://darwin.di.uminho.pt/optferm/. A aplicação foi desenhada de
modo a que o utilizador pudesse realizar várias tarefas de simulação, optimização e
estimação de parâmetros com diferentes condições no que se refere a variáveis de
estado, parâmetros, perfis de alimentação, etc.. As tarefas de optimização foram
focadas na determinação do melhor perfil de alimentação de uma corrente de
substrato a alimentar ao reactor, dos melhores valores das variáveis de estado para
iniciar uma fermentação e do tempo óptimo de duração para uma fermentação.
Foram realizados alguns estudos de optimização e estimação de parâmetros
com o objectivo de verificar se a aplicação era suficientemente robusta. Os estudos
foram baseados na repetição das experiências por 30 vezes para obter significância
estatística. Após os estudos, verificou-se que as operações foram realizadas levando a
resultados coerentes, não tendo sido detectados erros relevantes.Nowadays, several products such as antibiotics, proteins, vaccines, aminoacids
and other chemicals are produced using fermentation processes. Due to the rise
of petroleum prices and the strong incentive to replace petroleum derivatives by “green
products”, many traditional processes have been replaced by new biotechnological
ones. Consequently, an effort to improve biotechnological techniques has been
undertaken. In order to optimize the productivity of a biological process, in the majority
of the cases, two different steps have to be addressed: firstly, a selection and genetic
improvement of the microbial strain is accomplished; in a second step, the best
conditions for the fermentation process are identified, such as the initial nutrient
concentrations, operating modes, feeding profiles for fed-batch fermentations,
temperature and pH.
Over the last few years, several tools have been developed for the simulation
and optimization of biological processes. However, the majority of these tools was
designed specifically to study metabolic pathways with the aim of increasing the
productivity of a certain product. In a subsequent stage, a genetic optimization of the
organism is conducted. Although there are several tools available to study simulate and
optimize cellular pathways, there is still a clear lack of specific tools to perform the
optimization of fermentation processes. Therefore, the aim of this work was to develop
a specific computational tool to perform simulation and optimization of fermentation
processes and estimation of unknown parameters.
The OptFerm software was developed using the Java programming language,
with the aim of being a user-friendly, extensible and platform-independent
computational tool. OptFerm is freely available in http://darwin.di.uminho.pt/optferm/.
The tool was designed in order to allow the user to evaluate and compare several
different methods for the tasks of simulation, optimization and parameter estimation, in
the context of fermentation processes. The aim is to allow users to improve process
productivity, achieving better results in reduced times. The optimization tasks available
include the optimization of a substrate feeding trajectory, of the feeding trajectory plus
initial conditions or of the feeding trajectory plus the final fermentation time.
After developing the OptFerm tool, some studies on optimization and parameter
estimation were performed, with the aim of verifying if the tool is sufficiently robust. The
studies were based on repeating 30 times each type of experiment. It was verified that
the operations were performed with coherent results and no relevant errors have been
detected