Dynamic modeling and optimization of sustainable algal production with uncertainty using multivariate Gaussian processes

生物过程 高斯过程 过程(计算) 人工神经网络 计算机科学 生化工程 数学优化 工程类 高斯分布 机器学习 数学 化学工程 量子力学 操作系统 物理
作者
Eric Bradford,Artur M. Schweidtmann,Dongda Zhang,Keju Jing,Ehecatl Antonio del Río Chanona‬
出处
期刊:Computers & Chemical Engineering [Elsevier]
卷期号:118: 143-158 被引量:66
标识
DOI:10.1016/j.compchemeng.2018.07.015
摘要

Dynamic modeling is an important tool to gain better understanding of complex bioprocesses and to determine optimal operating conditions for process control. Currently, two modeling methodologies have been applied to biosystems: kinetic modeling, which necessitates deep mechanistic knowledge, and artificial neural networks (ANN), which in most cases cannot incorporate process uncertainty. The goal of this study is to introduce an alternative modeling strategy, namely Gaussian processes (GP), which incorporates uncertainty but does not require complicated kinetic information. To test the performance of this strategy, GPs were applied to model microalgae growth and lutein production based on existing experimental datasets and compared against the results of previous ANNs. Furthermore, a dynamic optimization under uncertainty is performed, avoiding over-optimistic optimization outside of the model's validity. The results show that GPs possess comparable prediction capabilities to ANNs for long-term dynamic bioprocess modeling, while accounting for model uncertainty. This strongly suggests their potential applications in bioprocess systems engineering.

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