Bioprocess Monitoring using Resource Allocation Models: Simulation and State Estimation for a Methane Bioconversion Process

Promovendus/a: Kobe De Becker

Promotor(en): Prof. dr. Steffen Waldherr, prof. dr. ir. Kristel Bernaerts

De biotechnologische industrie behoort tot de meest winstgevende takken van de Belgische industrie. In dit werk focussen we op het verbeteren van de performantie van bioprocessen in het algemeen, en voor één bioproces in het bijzonder: een methaan bioconversie proces. Om de productie efficiëntie te verhogen moet het proces nauwkeurig geregeld worden waarvoor (1) een accuraat model en (2) geschikte schattingssoftware noodzakelijk zijn. Deze schattingssoftware is essentieel omdat niet alle procesvariabelen gemeten kunnen worden op een betrouwbare manier. Schattingssoftware wordt daarom gebruikt in combinatie met een modelweergave, om de niet-gemeten variabelen te schatten op basis van de variabelen die wel gemeten worden. Wat zorgt voor een extra moeilijkheid is het feit dat bioproces modellen het afgelopen decennium zijn toegenomen in complexiteit door de beschikbaarheid van meer gedetailleerde en omvangrijke biologische datasets. Dit zorgt ervoor dat deze nieuwe modellen niet meer compatibel zijn met de klassieke schattingstools. Wij hebben een nieuwe oplossingsmethode ontwikkeld voor één specifieke klasse van bioproces modellen die impliciet aannemen dat micro-organismen hun eigen groei maximaliseren. Verder ontwikkelden we schattingssoftware die compatibel is met deze nieuwe modelbeschrijving. Zowel de oplossingsmethode als de schattingssoftware zijn toepasbaar op meerdere bioprocessen.

Zowel de nieuwe oplossingsmethode als de schattingssoftware worden toegepast op een methaan bioconversie proces. Dit proces neemt het broeikasgas methaan op om melkzuur, een grondstof voor de productie van biodegradeerbare plastics, en biomassa waaraan verschillende nuttige componenten onttrokken kunnen worden, te produceren. De resultaten tonen dat de nieuwe oplossingsmethode in staat is om de groei van de micro-organismen accuraat te beschrijven, met uitzondering van een groeifase waarin de biomassahoeveelheid lineair toeneemt. De uitdaging in het schatten van bioprocessen ligt in het feit dat we de hoeveelheden van componenten in een cel niet kunnen meten. De ontwikkelde schattingssoftware is in staat om deze niet-gemeten hoeveelheden van het methaan bioconversie proces op een betrouwbare manier te schatten.