Fluxverdelingen

Fluxverdelingen is een verzamelnaam voor de wijze waarop een flux of stroom van een hoeveelheid—zoals massa, energie, elektrische lading of metabolieten—door een systeem verdeeld is. Een flux kan worden beschreven met een fluxdichtheid J, een vectorveld dat aangeeft hoe snel en in welke richting er op elk punt flux plaatsvindt. De flux door een oppervlakte wordt bepaald door de integraal van J over die oppervlakte, en de som van alle fluxen binnen een gebied is verbonden met bronnen en sinks via de continuïteitsvergelijking ∇·J + ∂ρ/∂t = 0.

In de natuurkunde en technische toepassingen speelt fluxverdeling een rol bij diffusie, convectie, warmtetransport en elektrisch/enerzijds systemen. Bij stationaire toestanden bepaalt de randvoorwaarden hoe de flux zich door het systeem verdeelt, terwijl verschillende transportmechanismen—diffusie, advektie, geleidbaarheid—elkaar kunnen beïnvloeden.

In de systemenbiologie en metabolische netwerken beschrijven fluxverdelingen de verdeling van metabolische fluxen door het netwerk onder een evenwichtssituatie. In Flux Balance Analysis (FBA) wordt de stoichiometrische matrix S gebruikt en geldt massabalans S·v = 0, waarbij v de vector van fluxen is. Vormenbeperkingen uit thermodynamica en enzymcapaciteiten geven grenzen aan v, en vaak wordt een biologisch doelfunctionele uitgeput, zoals groei, gemaximaliseerd. Daarnaast bestaan methoden als Flux Variability Analysis (FVA) om de ruimte van mogelijke fluxverdelingen te verkennen.

Methoden voor het bepalen of schatten van fluxverdelingen omvatten experimentele metingen van fluxen met tracertechnieken en computationele benaderingen zoals lineaire programmering en stochastische sampling. Toepassingen lopen uiteen van design en optimalisatie van biotechnologische productie tot ecologische fluxmetingen en procesengineering.