Adaptive extremum-seeking control applied to productivity optimization in yeast fed-batch cultures

Dewasme, Laurent; Wouwer, Alain Vande

doi:10.3182/20080706-5-kr-1001.01643

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“…Desta forma, evita-se a utilização de sensores tendo como consequência considerável redução nos custos da implementação prática da lei de controle proposta, tanto pela não utilização de sensores quanto pela não utilização de mecanismos complexos de estimação de estados (soft sensors), como proposto nas referências (Chen et al, 1995;Dewasme e Vande Wouwer, 2008;Coutinho et al, 2009;Renard e Vande Wouwer, 2008;Bastin e Dochain, 1990) que utilizam um número igual ou maior de sensores para o mesmo processo.…”

Section: Estimação Do Parâmetro σ(T)unclassified

“…Entre os microorganismos de baixo custo e de fácil manipulação, destacam-se a bactéria Escherichia Coli e a levedura Saccharomyces Cerevisiae (Tortora et al, 2008). A bactéria E. Coli é uma das mais utilizadas na indústria biofarmacêutica (Hafidi et al, 2008) e a levedura S. Cerevisiae é muito utilizada como microorganismo "hospedeiro" para a produção e recombinação de proteínas como na produção de insulina para diabetes, produção de vacinas, entre outros produtos (Renard e Vande Wouwer, 2008;Dewasme e Vande Wouwer, 2008).…”

Section: Introductionunclassified

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Controle robusto por realimentação linearizante parcial de bioreatores em modo de operação descontínua com alimentação

Pimentel¹,

Coutinho

2012

Sba Controle & Automação

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Robust Partial Feedback Linearizing Control of Bioreactors in Fed-Batch ModeA methodology for the robust control design of a class of bioreactors operating in fed-batch mode is proposed. Firstly, a general model is presented to describe the growing dynamics of the bacteria Escherichia Coli and the yeast Saccharomyces Cerevisiae cultures, which are the most employed microorganisms applied in biotechnological industry. From this model, the paper proposes a control law that regulates the by-product concentration in small levels (i.e., close to zero) aiming to maximize the biomass concentration. To this end, the nonlinear dynamics of the bioreactor is rewritten in terms of time-varying parameters (quasi-LPV approach) in order to apply the linear matrix inequality framework for designing the free dynamics resulting from a partial feedback linearizing strategy. The proposed design conditions provide the robust stability of the closed-loop system while ensuring some performance w.r.t. disturbance signals. To verify the behavior of the closed-loop system, several simulation based tests are carried out to evaluate the controller performance against some recent strategies proposed in the specialized literature. RESUMOUma metodologia para o projeto de controladores robustos foi desenvolvida para bioreatores operando em modo descontínuo com alimentação. Inicialmente, apresenta-se um modelo geral que descreve a dinâmica do crescimento da bacté-ria Escherichia Coli e da levedura Saccharomyces Cerevisiae que são atualmente os dois microorganismos mais utilizados na indústria biotecnológica. A partir do modelo dinâmico da cultura de microorganismos, busca-se projetar uma lei de controle que mantenha a concentração do produto secundá-rio em níveis próximos a zero visando, desta forma, maximizar a produção de biomassa. Com este objetivo, a dinâmica não linear é descrita em termos de parâmetros variantes no tempo (abordagem quasi-LPV) possibilitando a utilização da formulação por desigualdades matriciais lineares para o projeto da dinâmica livre resultante da aplicação de uma lei de controle do tipo linearizante parcial. As condições propostas permitem garantir a estabilidade robusta do sistema em malha fechada frente a incertezas paramétricas, além de assegurar um certo desempenho com relação a perturbações. Para verificar o comportamento da metodologia proposta, vários testes por simulação são realizados para avaliar o comportamento da estratégia proposta em relação a trabalhos disponí-veis na literatura especializada.

show abstract

Section: Estimação Do Parâmetro σ(T)unclassified

Section: Introductionunclassified

Controle robusto por realimentação linearizante parcial de bioreatores em modo de operação descontínua com alimentação

Pimentel¹,

Coutinho

2012

Sba Controle & Automação

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show abstract

“…The component-wise mass balances of the above reaction scheme lead to the following state-space representation (Dewasme and Vande Wouwer, 2008) x…”

Section: Preliminariesmentioning

confidence: 99%

“…The external feedforward loop is to compute on-line the substrate critical level. We stress that instead of computing an adaptive controller to handle plant parameter variations (as, e.g., Dewasme and Vande Wouwer (2008)), we design a fixed controller that will have a guaranteed performance in the admissible parameter space.…”

Section: Control Strategymentioning

confidence: 99%

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Robust Control of Yeast Fed-Batch Cultures for Productivity Enhancement

Coutinho

Dewasme

Wouwer

2009

IFAC Proceedings Volumes

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Feed rate control in fed‐batch fermentations based on frequency content analysis

Johnsson

Andersson

Lidén

et al. 2013

Biotechnology Progress

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A new strategy for controlling substrate feed in the exponential growth phase of aerated fed-batch fermentations is presented. The challenge in this phase is typically to maximize specific growth rate while avoiding the accumulation of overflow metabolites which can occur at high substrate feed rates. In the new strategy, regular perturbations to the feed rate are applied and the proximity to overflow metabolism is continuously assessed from the frequency spectrum of the dissolved oxygen signal. The power spectral density for the frequency of the external perturbations is used as a control variable in a controller to regulate the substrate feed. The strategy was implemented in an industrial pilot scale fermentation set up and calibrated and verified using an amylase producing Bacillus licheniformis strain. It was shown that a higher biomass yield could be obtained without excessive accumulation of harmful overflow metabolites. The general applicability of the strategy was further demonstrated by implementing the controller in another process using a Bacillus licheniformis strain currently used in industrial production processes. In addition, in this case a higher growth rate and decreased accumulation of overflow metabolites in the exponential growth phase was achieved in comparison to the reference controller.

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Adaptive extremum-seeking control applied to productivity optimization in yeast fed-batch cultures

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Controle robusto por realimentação linearizante parcial de bioreatores em modo de operação descontínua com alimentação

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Robust Control of Yeast Fed-Batch Cultures for Productivity Enhancement

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