Machine learning‐based model predictive controller design for cell culture processes

模型预测控制 计算机科学 过程(计算) 高斯过程 人工神经网络 过程控制 机器学习 生物制药 控制器(灌溉) 可靠性(半导体) 可扩展性 人工智能 控制(管理) 高斯分布 生物技术 功率(物理) 物理 量子力学 数据库 生物 农学 操作系统
作者
Mohammad Rashedi,Mina Rafiei,Matthew Demers,Hamid Khodabandehlou,Tony Wang,Aditya Tulsyan,Cenk Ündey,Christopher Garvin
出处
期刊:Biotechnology and Bioengineering [Wiley]
卷期号:120 (8): 2144-2159 被引量:5
标识
DOI:10.1002/bit.28486
摘要

The biopharmaceutical industry continuously seeks to optimize the critical quality attributes to maintain the reliability and cost-effectiveness of its products. Such optimization demands a scalable and optimal control strategy to meet the process constraints and objectives. This work uses a model predictive controller (MPC) to compute an optimal feeding strategy leading to maximized cell growth and metabolite production in fed-batch cell culture processes. The lack of high-fidelity physics-based models and the high complexity of cell culture processes motivated us to use machine learning algorithms in the forecast model to aid our development. We took advantage of linear regression, the Gaussian process and neural network models in the MPC design to maximize the daily protein production for each batch. The control scheme of the cell culture process solves an optimization problem while maintaining all metabolites and cell culture process variables within the specification. The linear and nonlinear models are developed based on real cell culture process data, and the performance of the designed controllers is evaluated by running several real-time experiments.
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