Sumário

IDENTIFICAÇÃO E CONTROLO ADAPTATIVO DE PROCESSOS BIOTECNOLÓGICOS
Eugénio M.F. Campos Ferreira

Esta tese tem como objectivos principais a elaboração e implementação de soluções para a monitorização avançada e controlo por computador de processos biotecnológicos. Os processos em estudo incluem dois processos de fermentação, a saber, produção de fermento de padeiro e fermentação etanólica, e um processo enzimático de síntese de ampicilina.

São apresentadas as metodologias para a identificação de coeficientes de rendimento através de medições completas do estado. São propostas estratégias de planificação experimental que visam a optimização da riqueza informativa da experiência, quantificada por índices relativos à matriz de informação de FISHER. O objectivo da planificação experimental foi endereçado em termos da programação de trajectórias de entradas. A planificação experimental é ensaiada para o fermento de padeiro com o objectivo de calcular trajectórias de alimentação de substrato.

São desenvolvidos sensores por programação para estimação de estados e de parâmetros (taxas de reacção) em processos biotecnológicos. São apresentados algoritmos para a estimação de variáveis de estado não mensuráveis em linha, através de um observador assimptótico que utiliza as variáveis medidas em linha. São desenvolvidos estimadores de taxas de reacção, especialmente das taxas específicas de crescimento. É proposta uma alternativa de sintonização dos ganhos que conduz a uma dinâmica de resposta de 2ª ordem. Os sensores por programação são validados por simulação e em experiências reais para os processos em estudo.

Para o fermento de padeiro estimam-se as concentrações de etanol, biomassa e glucose com base em medições de oxigénio e dióxido de carbono dissolvidos e em fase gasosa. São calculadas as três taxas específicas de crescimento através de um estimador de dinâmica de resposta de 2ª ordem e com um estimador baseado no observador. No caso da fermentação etanólica é proposto um estimador da taxa específica de crescimento que não necessita conhecer os coeficientes de rendimento. Os valores obtidos da taxa específica de crescimento permitem calcular em linha as concentrações de biomassa e glucose. A estimação desta última permite detectar os instantes do seu consumo total. Para a síntese enzimática de ampicilina são calculadas as concentrações de ampicilina, metilfenilglicina e metanol por via da medição das concentrações de fenilglicina e ácido 6- aminopenicilânico. São também estimadas as taxas específicas de reacção e a partir destas calculam-se as velocidades de reacção.

São propostas leis de controlo adaptativo para a regulação mono-variável e regulação multi-variável. A síntese das leis de controlo não linear é realizada por técnicas de geometria diferencial com linearização do sistema por retroacção de estado. A adaptação é feita com base na estimação de parâmetros variáveis no tempo. É proposto um novo algoritmo de adaptação com dinâmica de convergência de segunda ordem.

Os controladores desenvolvidos, obtidos por redução de ordem do modelo de estado, são verificados por simulação para a produção de fermento de padeiro. O objectivo do controlo mono-variável foi endereçado em termos da regulação da concentração de etanol. Na situação de controlo multi-variável, pretendeu regular-se as concentrações de etanol e de oxigénio dissolvido. Os resultados obtidos indicam um bom desempenho para as leis de controlo usando diferentes esquemas de adaptação. O estimador de dinâmica de 2ª ordem mostrou, no entanto, os melhores valores para os critérios ITAE e erro médio. A análise da robustez das leis de controlo e de adaptação demonstrou uma boa adequação do modelo reduzido para a síntese de controlo adaptativo baseado em modelo. O controlo multi-variável permitiu a obtenção de maiores valores de produtividade e de rendimento.

Palavras chave: Controlo de Processos Biotecnológicos. Identificação de Sistemas. Simulação. Planificação de Experiências. Modelação. Observadores de Estados. Sensores por Programação. Controlo Adaptativo. Saccharomyces cerevisiae. Fermento de Padeiro. Ampicilina. Etanol.

Abstract

Identification and Adaptive Control of Biotechnological Processes
Eugénio M.F. Campos Ferreira

The main objectives of this thesis are the elaboration and implementation of solutions for the advanced monitoring and computer aided control of biotechnological processes. Two fermentation processes are studied (baker's yeast and ethanolic fermentation) as well as an enzymatic process (ampicillin synthesis).

Methodologies are presented that allow the identification of yield coefficients through complete measurements of the state. Experiment design strategies are proposed in order to optimise the richness of data coming out from the experiments, quantified by indexes related to the FISHER information matrix. The objectives of the experimental planning have been addressed in terms of the programming of input trajectories. The experimental planning is tested for baker's yeast aiming at the computation of the substrate feed trajectories.

Software sensors are developed for state and parameter (reaction rates) estimation in biotechnological processes. Algorithms are presented to estimate state variables not measured on line. Reaction rates estimators are developed, particularly for the specific growth rates. An alternative to tuning the gains is proposed, leading to responses with 2nd order dynamics. The software sensors are then validated , by simulation and in real experiments, for the processes under study.

The concentrations of ethanol, biomass and glucose are estimated for baker's yeast production, based on measurements of oxygen and carbon dioxide both for liquid and gaseous phases. The three specific growth rates are calculated by means of a 2nd order dynamics estimator and of a observer based estimator. In the particular case of ethanolic fermentation, an estimator of the specific growth rate is proposed that does not require the knowledge of the yield coefficients. The values obtained for the specific growth rate allow the on line calculation of the biomass and glucose concentrations. For the enzymatic synthesis of ampicillin the concentrations of ampicillin, methylphenylglycine and methanol are calculated by means of the measurements of the concentrations of phenylglycine and 6-aminopenicillanic acid. The specific reaction rates are also estimated and, from these, it is possible to calculate the reaction rates.

Adaptive control laws are proposed for both SISO and MIMO regulation. The synthesis of nonlinear control laws is achieved by differential geometry techniques, with system linearization by state feedback. The adaptation is made based on the estimation of time variable parameters. A new adaptation algorithm is proposed, having 2nd order convergence dynamics.

The controllers developed, obtained by order reduction of the state model, are verified by simulating the production of baker's yeast. The goal of the single-variable control has been addressed in terms of the regulation of ethanol concentration. In the MIMO control situation, the main objective has been to regulate the concentration of ethanol and dissolved oxygen. The results obtained show a good performance for the control laws using different adaptation schemes. The 2nd order dynamics estimator has shown, however, the best values for the ITAE and mean error criteria. The robustness analysis for the control and adaptation laws has demonstrated that the reduced model was adequate for the synthesis of model based adaptive control. The MIMO control configuration has lead to higher values of productivity and yield.

Keywords: Bioprocess Control. System Identification. Modelling. Simulation. Experiment Design. State Observers. Software-Sensors. Adaptive Control. Saccharomyces cerevisiae. Baker's Yeast. Ampicillin. Ethanol.

Resumé

Identification et contrôle adaptatif des procédés biotechnologiques
Eugénio M.F. Campos Ferreira

Cette thèse a pour objectif l'élaboration et l'implémentation de solutions pour la suivi et le contrôle par ordinateur de procédés biotechnologiques. Trois procédés ont été étudiés: la prodution de levure de boulangerie, la fermentation ethanolique et un procédé enzymatique pour la synthèse de l'ampiciline.

On a developpé des méthodologies pour l'identification des coefficients de rendement avec la mesure de l'état complet. On proprose des stratégies de planification experimentale qui ont pour but d'optimiser la consistance informative de l'expérience, quantifiée par des indexes relatifs à la matrice de l'information de FISHER. Le but de la planification experimentale a été envisagé en terme de programmation de trajectoires des entrées. La planification expérimentale est testée pour la levure de boulangerie avec le but de calculer les trajectoires d'alimentation en substrat.

On a développé des capteurs logiciels pour l'estimation d'état et de paramétres (taux de réactions) en procédés biotechnologiques. On présente des algorithmes pour l'estimation des variables d'état non mesurées en ligne par un estimateur asymptotique qui utilise les variables mesurées en ligne. On développe des estimateurs des taux de réaction, spécialment des taux spécifiques de croissance. On propose une alternative de syntonisation des gains qui conduit à une dynamique de réponse de deuxiéme ordre. Les capteurs logiciels sont validés par simulation et par expériences réelles pour les procédés étudiés.

Pour la levure de boulangerie on a estimé les concentrations d'éthanol, de la biomasse et du glucose en se basant sur les mesures de l'oxygène et du dioxyde de carbone dissous et en phase gazeuse. On calcule les trois tauxs specifiques de croissances par un estimateur de dynamique de réponse de deuxième ordre et avec un estimateur en se basant sur l'observateur. Dans le cas de la fermentation éthanolique, on propose un estimateur du taux specifique de croissance qui ne requiert pas la connaissance des coefficients de rendement. Les valeurs obtenues pour le taux specifique de croissance permettent de calculer en ligne la concentration de biomasse et celle du glucose. Pour la synthèse enzymatique de l'ampiciline on a calculé les concentrations de l'ampiciline, celle du methyl-phenyl-glycine et celle du methanol avec la mesure des concentrations de phenyl-glycine et acide 6-aminopenicilanique. On a égalment estimé les taux spécifiques de réaction et on a calculé à partir de celles-ci, les vitesses de réaction.

On propose des lois de contrôle adaptatif pour la régulation mono-variable et régulation multi-variable. La synthèse des lois de contrôle non linéaire est realisée par des techniques de géométrie différentielle avec linéarization du système par rétroaction d'état. L'adaptation realisée par estimation des paramètres variables au cours du temps. On proprose un nouvel algorithme d'adaptation avec dynamique de convergence de deuxième ordre.

Les contrôleurs développés, obtenus par réduction de l'ordre du modèle d'état, sont vérifiés par simulation pour la prodution de levure de boulangerie. Le but du contrôle mono-variable a été envisagé en termes de régulation de la concentration d'éthanol. Dans la situation de contrôle multi-variable, on a prévu de réguler les concentrations d'éthanol et de l'oxygène dissous. Les résultats obtenus indiquent une bonne performance pour les lois de contrôle utilisant différents schémas d'adaptation. L'estimateur de dynamique de deuxième ordre a montré les meilleures valeurs pour les critères ITAE et ceux de l'erreur moyenne. L'analyse de la robustesse des lois de contrôle et d'adaptation ont demontré une bonne adéquation du modèle réduit pour la synthèse de contrôle adaptatif. Le contrôle multi-variable a permis l'obtention de meilleures valeurs de productivité et de rendement.

Mots clés: Contrôle des bioprocédés. Identification des systèmes. Modélisation. Simulation. Planification des expériences. Estimateurs d'état. Capteurs logiciels. Contrôle adaptatif. Saccharomyces cerevisiae. Ampiciline. Ethanol.

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