Czasopismo | PRZEMYSŁ SPOŻYWCZY | Rocznik 2018 - zeszyt 8

Bioprocess Feedback Control A Case Study of the Fed-Batch Biomass Cultivation Bioprocess

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

10.151.99/65.2018.8.6

nr katalogowy: 115591
10.151.99/65.2018.8.6

Streszczenie

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.

Abstract

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 dobrana do 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

Keywords

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 in Biotechnology 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.

Jeśli masz wykupiony/przyznany dostęp - zaloguj się. Skorzystaj z naszych propozycji zakupu!

Publikacja


e-Publikacja (format pdf) - nr 115591 "Bioprocess Feedback Contr..." licencja: Osobista Produkt cyfrowy	10.00 zł

Zeszyt


PRZEMYSŁ SPOŻYWCZY - e-zeszyt (pdf) 2018-8 licencja: Osobista Produkt cyfrowy	27.50 zł

Prenumerata

PRZEMYSŁ SPOŻYWCZY - prenumerata cyfrowa
licencja: Osobista

Produkt cyfrowy
Nowość

330.00 zł

PRZEMYSŁ SPOŻYWCZY - papierowa prenumerata roczna + wysyłka
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEMYSŁ SPOŻYWCZY - papierowa prenumerata roczna	432.00 zł brutto 400.00 zł netto 32.00 zł VAT (stawka VAT 8%)
PRZEMYSŁ SPOŻYWCZY - pakowanie i wysyłka	42.00 zł brutto 34.15 zł netto 7.85 zł VAT (stawka VAT 23%)

474.00 zł

PRZEMYSŁ SPOŻYWCZY - PAKIET prenumerata PLUS
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEMYSŁ SPOŻYWCZY - PAKIET prenumerata PLUS (Prenumerata papierowa + dostęp do portalu sigma-not.pl + e-prenumerata)	498.00 zł brutto 461.11 zł netto 36.89 zł VAT (stawka VAT 8%)

498.00 zł

Zeszyt

2018-8

Twój Koszyk

Publikacja

Zeszyt

Prenumerata

Zeszyt

Czasopisma