Bioprocess feedback control - a case study of the fed-batch biomass cultivation bioprocess

• Autorzy: Ryniecki A. , Wawrzyniak J. , Gulewicz P. , Horla D. , Nowak D.

Identyfikatory

DOI

10.151.99/65.2018.8.6

Warianty tytułu

PL

Sterowanie bioprocesem w układzie zamkniętym – studium przypadku dotyczące hodowli biomasy prowadzonej metodą okresową z zasilaniem

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

It is particularly difficult to control a biotechnological process because of significant sensitivity of living organisms cultured in bioreactors to process parameters and environmental conditions. Varying conditions of the process are also significant (a change in the chemical composition of the substrate or a change in the mass exchange conditions resulting from the modification of rheological parameters). The industrial biomass cultivation processes require the optimal biomass growth rate. In order to ensure it, it is necessary to analyze input variables, find the most representative output variables, and design an adequate automated control strategy, which should be tailored to a given bioprocess. The article analyzes selected automated control systems in fed-batch biomass cultivation bioprocesses presented in reference publications concerning bioprocess control. Open-loop and closed-loop control systems were taken into consideration. The research showed that open-loop control systems could not respond to process disturbances such as unexpected variations in input variables. Therefore, the authors analyzed closed-loop control systems in more detail, especially the feedback control systems with proportional-integral (PI) control action, which were used to stabilize the specific growth rate at a desired level. The authors presented equations which enable the online estimation of the specific growth rate on the basis of cellular metabolic heat. It has been noticed that the quality of automated control of bioprocesses can be further improved through improvement of control systems with a feedback.

PL

Kontrola przebiegu procesu biotechnologicznego jest szczególnie trudna ze względu na dużą wrażliwość hodowanych w bioreaktorach żywych organizmów – zarówno na parametry procesowe, jak i warunki środowiskowe. Nie bez znaczenia są również dynamicznie zmieniające się warunki prowadzenia procesu (zmiana składu chemicznego podłoża czy zmiana warunków wymiany masy jako efekt zmieniających się parametrów reologicznych). Procesy przemysłowej hodowli biomasy narzucają konieczność zapewnienia optymalnej szybkości wzrostu biomasy. Aby to zrealizować, niezbędne są: analiza wielkości wejściowych bioprocesu, znalezienie najbardziej reprezentatywnych wielkości wyjściowych oraz opracowanie odpowiedniej strategii sterowania automatycznego, która powinna być indywidualnie dobranado danego bioprocesu. W artykule poddano analizie wybrane systemy sterowania automatycznego procesem hodowli biomasy prowadzonej metodą okresową z zasilaniem – przedstawione w ostatnich latach w literaturze przedmiotu. Uwzględniono układy sterowania zarówno otwarte, jak i zamknięte. Stwierdzono, że sterowanie w układzie otwartym nie radzi sobie z zakłóceniami działającymi na bioprocess, takimi jak niespodziewane zmiany wartości wielkości wejściowych procesu. Dlatego autorzy z większą uwagą analizowali zamknięte układy sterowania, w szczególności te ze sprzężeniem zwrotnym wykorzystujące człon proporcjonalno-całkujący (PI), który posłużył do stabilizowania szybkości wzrostu biomasy na założonym poziomie. W pracy przedstawiono równania umożliwiające obliczanie on-line właściwej szybkości wzrostu biomasy na podstawie ciepła metabolizmu komórkowego. Zauważono, że możliwa jest dalsza poprawa jakości automatycznego sterowania bioprocesami poprzez doskonalenie systemów sterowania ze sprzężeniem zwrotnym.

Słowa kluczowe

EN

feedback control; bioprocess; nutrient inflow control; bioreactor; model-based control; metabolic heat

PL

sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym; bioproces; sterowanie dozowaniem pożywki; bioreaktor; sterowanie na podstawie modelu; ciepło metabolizmu

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przemysł Spożywczy
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 72, nr 8
• Strony: 34--39
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz.

Twórcy

autor

Ryniecki A.

• Process Engineering and Apparatus in the Food Industry Group (Zakład Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego), Poznań University of Life Sciences (Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu)

autor

Wawrzyniak J.

• Process Engineering and Apparatus in the Food Industry Group (Zakład Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego), Poznań University of Life Sciences (Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu)

autor

Gulewicz P.

• Poznań Science and Technology Park (Poznański Park Naukowo-Technologiczny)

autor

Horla D.

• Institute of Control, Robotics and Information Engineering (Instytut Automatyki, Robotyki i Inżynierii Informatycznej), Poznań University of Technology (Politechnika Poznańska)

autor

Nowak D.

• Department of Food Engineering and Process Management (Katedra Inżynierii Żywności i Ogranizacji Produkcji), Warsaw University of Life Sciences (Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie)

Bibliografia

• [1] Alford Joseph S. 2009. „Principles of Bioprocess Control”. CEP: www.aiche.org/cep 11: 44-51.
• [2] Bailey James E., Dawid F. Ollis. 1986. Biochemical Engineering Fundamentals. New York: McGraw-Hill.
• [3] Biechele Philipp, Christoph Busse, Dörte Solle, Thomas Scheper and Kenneth Reardon. 2015. „Sensor systems for bioprocess monitoring”. Engineering in Life sciences 15(5): 469-488.
• [4] Biener Richard, Anne Steinkamper, Johannes Hofmann. 2010. „Calorimetric control for high cell density cultivation of a recombinant Escherichia coli strain”. Journal of Biotechnology 146: 45-53.
• [5] Bluma Anne, Tim Höpfner, Patrick Lindner, Christoph Rehbock, Sascha Beutel, Daniel Riechers, Bernd Hitzmann Thomas. Scheper. 2010. „In-situ imaging sensors for bioprocess monitoring: state of the art”. Analytical and Bioanalytical Chemistry 398: 2429– 2438.
• [6] Chmiel Aleksander. 1998. Biotechnology: microbiological and biochemisty basis (in Polish: Biotechnologia:podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne). Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.
• [7] Dabros Michal, Moira Monika Schuler, Ian W. Marison. 2010. „Simple control of specific growth rate in biotechnological fed-batch processes based on enhanced online measurements of biomass”. Bioprocess and Biosystems Engineering 33(9): 1109-1118.
• [8] FDA’s Guidance for Industry (Food and Drug Administration). 2004. „PAT - A framework for innovative pharmaceutical development, manufacturing, and quality assurance”. USA: http:// www.fda.gov/ downloads/ Drugs/Guidances/ucm070305.pdf (accessed on 08 December 2017).
• [9] Levisauskas D, R. Simutis, D. Borvitz, A. Lubbert. 1996. „Automatic control of the specific growth rate in fed-batch cultivation processes based on an exhaust gas analysis”. Bioprocess Eng. 15(3): 145–150.
• [10] Maier Raina M. 2009. Environmental Microbiology (Ed.: Ian L. Pepper, Charles P. Gerba, Terry Gentry and Raina M. Maier). Ch. 3: 37-54. ISBN: 978-0-12-370519-8. London: Academic Press. Inc.
• [11] Miśkiewicz Tadeusz, Daniel Borowiak. 2005. A Logistic Feeding Profile for a Fed-Batch Baker’s Yeast Cultivation Process. EJPAU 8(4): www.ejpau.media.pl/volume8/issue4/art-35.html. Wrocław: Dep. of Bioprocess Engineering.
• [12] Nowak Dorota, Marek Rzeszotarski, Piotr P. Lewicki. 2003. „Właściwości reologiczne medium hodowlanego w trakcie produkcji pullulanu przez Aureobasidium pullulans”. Acta Agrophisica 83 : 141-154.
• [13] Nowak Dorota, Agnieszka Nowak. 2009. „Kinetyka wzrostu biomasy oraz biosyntezy enzymów amylolitycznych przez drożdże Saccharomycopsis Fibuligera podczas hodowli w bioreaktorze”. Żywność. Nauka. Technologia. Jakość 1 (62) : 28-36.
• [14] Ogata Katsuhiko. 2002. Modern Control Engineering. New Jersey: Pearson.
• [15] Paulsson Dan, Robert Gustavsson and Carl-Fredrik Mandenius. 2014. „A Soft Sensor for Bioprocess Control Based on Sequential Filtering of Metabolic Heat Signals”. Sensors ISSN 1424-8220 www. mdpi.com/journal/sensors 14, 17864-17882.
• [16] Riesenberg Dieter. 1991. „High-cell-density cultivation of Escherichia coli”. Current Opinion inBiotechnology 2: 380-384.
• [17] Ryniecki Antoni, Jolanta Wawrzyniak, Agnieszka Anna Pilarska. 2015. „Basics of Process Control: the on-off control system”. Przemysł Spożywczy (Food industry) 69 : 26-29.
• [18] Söderström Torsten, Petre Stoica. System identification. 1989. Hertfordshire: Prentice Hall.
• [19] Zhao Liang., Fu Hsu-Yuan, Zhou Weichang, Hu Wei-Shou. 2015. „Advances in process monitoring tools for cell culture bioprocesses”. Engineering in Life Sciences 15 : 459–468.
• [20] Zhong Jian-Jiang. 2010. „Recent advances in bioreactor engineering”. Korean Journal of Chemical Engineering 27 (4): 1035-1041.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).