Design of a nonlinear multivariable model-based control strategy for a recombinant protein production process in C. glutamicum

Abstract

Linear economics and the generation of many by- and waste products in huge quantities contribute to a resource inefficient and environmentally harmful economy. By recycling sulfide spend liquor (SSL) and a byproduct from Borregaards advanced lignin process (BALITM), two waste streams from the pulping industry, as alternative carbon sources for bioprocessing, the development of more sustainable and economical processes is further pushed. However, due to complex composition and possible inhibitory effects, bioprocessing on SSL and BALITM is, despite their high sugar concentrations, challenging. Therefore, advanced model-based approaches for both process understanding and process control are needed to ensure reproducible, efficient and stable processes. In this thesis, a model-based control strategy is designed with the method of feedback linearization. A process model and parameter-set derived from recent literature are used to examine the suitability of process control of a continuous bioprocess with cell retention. Corynebacterium glutamicum is processed with SSL, BALITM and a nutrient solution. The novelty of this thesis is the design, implementation and testing of a nonlinear model-based control strategy with state estimation that enables the control of biomass, sugar and nutrient concentration as well as the volume by adapting the three feeds, the harvest rate and the bleed rate while minimizing measurement expenses.Within a feasibility study, possible setpoints as well as physical and biochemical limitations are shown. The influence of process parameters on the resulting control law is examined in a robustness analysis. Two different control strategies based on the feedback linearized system, a feedforward controller and a model predictive controller (MPC) including a state observer, are proposed and analysed. It can be seen, that the control of the biological states with two independent carbon-sources enables the possibility to control the process in a dynamic way. By choosing different setpoints, the ratio between the added SSL and BALITM can be influenced. Especially when the concentrations in the feeds vary, the suggested control strategies show their potential - by adapting the input variables of the process accordingly, a stable state can be maintained.

Lineare Produktionsprozesse und die Erzeugung vieler Neben- und Abfallprodukte in großen Mengen tragen es zu einer ressourcenineffizienten und umweltschädlichen Wirtschaft bei. Der Einsatz alternativer Kohlenstoffquellen, wie Sulfidablauge (SSL) und ein Nebenprodukt aus Borregaards fortschrittlichem Ligninprozess (BALITM) aus der Zellstoffindustrie, ermöglicht die Entwicklung nachhaltiger und wirtschaftlicher Bioprozesse. Aufgrund der komplexen Zusammensetzung und möglicher hemmender Inhaltsstoffe ist die biologische Verarbeitung von SSL und BALITM eine Herausforderung. Es werden fortschrittliche modellbasierte Ansätze sowohl für das Prozessverständnis als auch für die Prozesssteuerung benötigt, um reproduzierbare, effiziente und stabile Prozesse zu gewährleisten.In dieser Arbeit wird eine modellbasierte Regelungsstrategie mit der Methode der Feedback Linearisierung entworfen. Ein Prozessmodell und Parametersatz aus der Literatur werden verwendet um den kontinuierlichen Prozess mit Zellrückhaltung zu beschreiben. C. glutamicum wird mit SSL, BALITM und einer Nährlösung fermentiert. Die Forschungslücke, welcher sich in der Arbeit angenommen wird, ist der Entwurf und die Implementierung einer nicht linearen modellbasierten Regelungsstrategie mit Zustandsschätzung, die die Regelung der Biomasse-, Zucker-, Nährstoffkonzentration und des Volumens durch Anpassung der Zu- und Abläufe bei gleichzeitiger Minimierung des Messaufwands ermöglicht.Mögliche Sollwertkombinationen, physikalische und biochemische Grenzen und der Einfluss der Prozessparameter werden untersucht. Mithilfe des Feedback linearisierten Modells werden zwei Regelstrategien, ein Feedforwardregler und ein Model Prädiktiver Regler mit Zustandsbeobachtung, entworfen und analysiert. Es zeigt sich, dass durch die Verwendung von zwei unabhängigen Kohlenstoffquellen der Prozess dynamisch gesteuert werden kann. Durch die Wahl der Sollwerte kann das Verhältnis zwischen SSL und BALITM beeinflusst werden. Insbesondere bei schwankenden Konzentrationen der Zuläufe zeigen die vorgeschlagenen Regelungsstrategien ihr Potenzial - durch entsprechende Anpassung der Prozessführung kann ein stabiler Zustand aufrechterhalten werden.