Adaptive multirate estimation and control of nutrient levels in a fed-batch fermentation using off-line and on-line measurements

• Published in: Canadian journal of chemical engineering 1997-06, Vol.75 (3), p.562-573
• Main Authors: Shah, Sirish L., Gray, Murray R., Gudi, Ravindra D., Yegneswaran, P. K.
• Format: Article
• Language: English
• Subjects: Biological and medical sciences; Biotechnology; fermentation systems; Fundamental and applied biological sciences. Psychology; Kalman filtering; Methods. Procedures. Technologies; Microbial engineering. Fermentation and microbial culture technology; multirate systems; parameter estimation
• ISSN: 0008-4034; 1939-019X
• DOI: 10.1002/cjce.5450750310

A multirate adaptive estimation algorithm developed earlier (Gudi et al., 1995) is extended to perform estimation of nutrient levels using frequent on‐line measurements of the carbon dioxide evolution rate (CER) and off‐line, infrequent and delayed measurements of the biomass and substrate concentrations. It has been shown that the algorithm can be designed to track changing substrate yield coefficients as well. The estimation algorithm has been verified using simulations and industrial data from a fed‐batch fermentation involving a Streptomyces specie. It has been coupled with a nonlinear control law designed to track prespecified optimal nutrient trajectories. The resulting closed loop control scheme is evaluated using simulation runs. On généralise un algorithme d'estimation adaptif à taux multiples mis au point antérieurement (Gudi et al., 1995) afin de faire l'estimation des niveaux de nutriments en recourant à des mesures en ligne fréquentes de la vitesse d'évolution du gaz carbonique (CER) et à des mesures hors ligne, non fréquentes et retardées des concentrations en biomasse et en substrat. On montre que l'algorithme peut ětre conçu de façon à suivre également la variation des coefficients de rendement des substrats. On a vérifié l'algorithme d'estimation par des simulations et avec des données industrielles d'un fermenteur alimenté en discontinu faisant intervenir une espèce de Streptomyces. Cet algorithme a été couplé avec une loi de régulation non linéaire conçue pour suivre des trajectoires de nutriments optimales spécifiées préalablement. Le schéma de contrǒle en boucles fermées résultant est évalué par des essais de simulation.