Adaptive extremum-seeking control of fed-batch cultures of micro-organisms exhibiting overflow metabolism

Dewasme, Laurent; VandeWouwer, A.; Srinivasan, Bala; Perrier, Michel

doi:10.3182/20090712-4-tr-2008.00024

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“…A seguir, apresentam-se as principais reações existentes tanto no metabolismo da bactéria E. Coli quanto da levedura S. Cerevisiae (Hafidi et al, 2007;Bastin e Dochain, 1990;Dewasme et al, 2009):…”

Section: Modelo Dinâmico Do Bioreatorunclassified

“…Com o intuito de manter o sistema próximo às condições ótimas de operação em relação ao crescimento da biomassa, pode-se controlar o coeficiente respiratório das células utilizando um analisador de gases (para manter o sistema em um nível crítico de concentração de substrato) ou controlar a concentração do produto secundário para que permaneça em uma pequena quantidade de tal forma que a única reação possível seja a da produção de biomassa. Em particular, considerando a bactéria E. Coli como microorganismo de interesse, a técnica de controle preditivo baseada em modelo foi aplicada em Hafidi et al (2007) Dewasme et al (2009) que propõem algoritmos de otimização em tempo real para regular o nível de concentração de substrato ao redor do ponto crítico de operação. Entretanto, neste caso, torna-se necessário o conhecimento em tempo real do valor crítico de substrato, o que é geralmente difícil de obter pelos baixos níveis de concentração encontrados nos dois microorganismos.…”

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.

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Section: Modelo Dinâmico Do Bioreatorunclassified

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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“…As it is often emphasized, small improvements on this level can have significant economic impacts [11,12]. These facts have motivated the development of various methods for circumventing the inherent limitations of perturbation-based ESC, for example, performing the gradient estimation with a recursive least squares (RLS) algorithm [13], adaptive filters [4,14], windowing functions [15], etc. However, achievable performances of the basic version of the ESC still remain to be determined to establish better comparisons.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Achievable performances for basic perturbation-based extremum seeking control in Wiener-Hammerstein plants

Deschênes

St-Onge²

2013

52nd IEEE Conference on Decision and Control

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This paper presents a case study for determining achievable performances in the basic form of extremum seeking control. Despite recent developments on more powerful versions of the algorithm, no detailed study that investigates this aspect thoroughly and provides clear guidelines for the tuning of this simpler, readily-implementable version is yet available. Interest remains for this basic version, for a variety of reasons. A review of extremum seeking fundamentals, with the support of a few simulations, allows to determine better means of selecting the elementary loop components, maximizing the gradient capture information. The choice of the excitation (dither) fundamental frequency is also better addressed under this optimal condition to effectively discuss achievable loop performance aspects. Most results apply to Wiener-Hammerstein classes of systems (strictly proper and stable system dynamics) and still allow other loop improvement modifications to be applied. Extensions to square wave dither signals and a few comparisons with other recently developed loop improvement techniques are also provided.

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“…To optimize the culture conditions and to avoid high concentrations of inhibitory by-products, a closed-loop solution is required, and a wide diversity of approaches, e.g., (Pomerleau, 1990;Chen et al, 1995;Rocha, 2003;Renard and Wouwer, 2008;Dewasme et al, 2009a;Dewasme et al, 2009b) have been considered.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

LINEARIZING CONTROL OF YEAST AND BACTERIA FED-BATCH CULTURES - A Comparison of Adaptive and Robust Strategies

Dewasme

Wouwer

Coutinho

2010

Proceedings of the 7th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics

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Linearizing control is a popular approach to control bioprocesses, which has received considerable attention is the past several years. This control approach is however quite sensitive to modeling uncertainties, thus requiring some on-line parametric adaptation so as to ensure performance. In this study, this usual adaptive strategy is compared in terms of implementation and performance to a robust strategy, where the controller has a fixed parametrization which is determined using a LMI framework so as to ensure robust stability and performance. Fed-batch cultures of yeast and bacteria are considered as application examples.

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Adaptive extremum-seeking control of fed-batch cultures of micro-organisms exhibiting overflow metabolism

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

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

Achievable performances for basic perturbation-based extremum seeking control in Wiener-Hammerstein plants

LINEARIZING CONTROL OF YEAST AND BACTERIA FED-BATCH CULTURES - A Comparison of Adaptive and Robust Strategies

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