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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10198/1049

Título: Optimização de estratégias de alimentação para identificação de parâmetros de um modelo de E. coli. utilização do modelo em monitorização e controlo
Autor: Veloso, Ana C.A.
Palavras-chave: Identificação de sistemas
Planificação de experiêcias
Matriz de informação de Fisher
Ferramentas estocásticas de optimização
Observadores de estado
Sensores por programação
Controlo adaptativo
Escherichia coli
Fermentação semi-contnua
System identification
Experimental design
Fisher information matrix
Stochastic optimization methods
State observers
Software sensors
Adaptive control
Fed-batch fermentation
Issue Date: 2007
Editora: Universidade do Minho
Citação: Veloso, Ana C.A. - Optimização de estratégias de alimentação para identificação de parâmetros de um modelo de E. coli. utilização do modelo em monitorização e controlo. Braga: Universidade do Minho, 2007. Tese de Doutoramento em Engenharia Química e Biológica
Resumo: Os principais objectivos desta tese são: o desenho óptimo de experiências para a identificação de coeficientes de rendimento de um modelo não estruturado de um processo de fermentação semicontínua de Escherichia coli; a verificação experimental das trajectórias de alimentação obtidas por simulação; o desenvolvimento de estratégias de monitorização avançada para a estimação em linha de variáveis de estado e parâmetros cinéticos; e por fim o desenvolvimento de uma lei de controlo adaptativo para controlar a taxa específica de crescimento, com base em estratégias de alimentação de substrato com vista à maximização do crescimento e/ou produção. São apresentadas metodologias para o desenho óptimo de experiências, que visam a optimização da riqueza informativa das mesmas, quantificada por índices relativos à Matriz de Informação de Fisher. Embora, o modelo utilizado para descrever a fermentação semi-contínua de E. coli não esteja ainda optimizado em termos cinéticos e de algumas dificuldades encontradas na implementação prática dos resultados obtidos por simulação para o desenho óptimo de experiências, a qualidade da estimativa dos parâmetros, especialmente os do regime respirativo, é promissora. A incerteza das estimativas foi avaliada através de índices relacionados com o modelo de regressão linear múltipla, índices relativos à matriz de Fisher e pelo desenho das correspondentes elipses dos desvios. Os desvios associados a cada coeficiente mostram que ainda não foram encontrados os melhores valores. Procedeu-se também à investigação do papel do modelo dinâmico geral no desenho de sensores por programação. Foram aplicados três observadores – observador estendido de Kalman, observador assimptótico e observador por intervalo – para estimar a concentração de biomassa, tendo sido avaliado e comparado o seu desempenho bem como a sua flexibilidade. Os observadores estudados mostraram-se robustos, apresentando comportamentos complementares. Os observadores assimptóticos apresentam, em geral, um melhor desempenho que os observadores estendidos de Kalman. Os observadores por intervalo apresentam vantagens em termos de implementação prática, apresentando-se bastante promissores embora a sua validação experimental seja necessária. É apresentada uma lei de controlo adaptativo com modelo de referência que se traduz num controlo por antecipação/retroacção cuja acção de retroacção é do tipo PI, para controlar a taxa específica de crescimento. A robustez do algoritmo de controlo foi estudada por simulação numérica gerando dados “pseudo reais”, por aplicação de um ruído branco às variáveis medidas em linha, por alteração do valor de referência, por alteração do valor da concentração da glucose na alimentação e variando os valores nominais dos parâmetros do modelo. O estudo realizado permite concluir que a resposta do controlador é em geral satisfatória, sendo capaz de manter o valor da taxa específica de crescimento na vizinhança do valor de referência pretendido e inferior a um valor que conduz à formação de acetato, revestindo-se este facto de grande importância numa situação real, em especial, numa fermentação cujo objectivo seja a produção, nomeadamente de proteínas recombinadas. Foram ainda, analisados diferentes métodos de sintonização dos parâmetros do controlador, podendo concluir-se que, em geral, o método de sintonização automática com recurso à regra de adaptação dos parâmetros em função do erro relativo do controlador foi o que apresentou um melhor desempenho global. Este mecanismo de sintonização automática demonstrou capacidade para melhorar o desempenho do controlador ajustando continuamente os seus parâmetros.
The main objectives of this thesis are: the optimal experiment design for yield coefficients estimation in an unstructured growth model for Escherichia coli fed-batch fermentation; the experimental validation of the simulated feed trajectories; the development of advanced monitoring strategies for the on-line estimation of state variables and kinetic parameters; and at last the development of an adaptive control law, based on optimal substrate feed strategies in order to increase the growth and/or the production. Methodologies for the optimal experimental design are presented, in order to optimise the richness of data coming out from experiments, quantified by indexes based on the Fisher Information Matrix. Although the model used to describe the E. coli fed-batch fermentation is not optimised from the kinetic properties point of view and the fact that some difficulties were encountered in practical implementation of the simulated results obtained with the optimal experimental design, the estimated parameter quality, especially for the oxidative regimen, is promising. The estimation uncertainty was evaluated by means of indexes related with multiple linear regression model, indexes related to the Fisher matrix as well as by the construction of the related deviation ellipses. The deviations associated to each coefficient show that the best values were not yet found. The role of the general dynamical model was also investigated in which concerns the design of state observers, also called software sensors. The performance of three observer classes was compared: Kalman extended observer, assimptotic observer and interval observer. The studied observers showed good performance and robustness, being complementary of each other. Assimptotic observers showed, in general, a better performance than the Kalman extended observer. Interval observers presented advantages concerning practical implementation, showing a promising behaviour although experimental validation is needed. A model reference adaptive control law is presented and can be interpreted as a PI like feedforward/feedback controller, for specific growth rate control. Algorithm robustness was studied using “pseudo real” data obtained by numerical simulation, by applying a white noise to the on-line measured variables, by modifying the set-point value, by changing the glucose concentration value of the feed rate and varying the nominal model parameter value. The study made allowed to conclude that the controller response is, generally, satisfactory being able to keep the specific growth rate value in the proximity of the desired set-point and lower than the value that permits acetate formation, which is of major importance namely for real cases, specially, in a fermentation which objective was the production of recombinant proteins. Different tuning devices for controller parameters were analysed being the better performance achieved by the automatic tuning method with an adaptation rate as a function of the controller relative error. This automatic tuning mechanism was able to improve the controller performance adjusting continuously its parameters.
URI: http://hdl.handle.net/10198/1049
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