Robust control of fed-batch cultures of Escherichia coli
Commande robuste de cultures fed-batch de Escherichia coli
Résumé
Escherichia coli is a widespread cellular host for the industrial production of protein-based biopharmaceuticals. This production, mainly operated in fed-batch mode, aims to maximize biomass productivity. However, the accumulation of acetate during the culture inhibits the cells respiratory capacity and lowers their metabolic performance. In this thesis, closed-loop feeding control strategies are considered to avoid acetate accumulation and maximize biomass productivity. To this end, modelbased control and estimation schemes are developed to regulate the biomass growth rate and the acetate concentration. The control methods ranged from the Generic Model Control and Nonlinear Model Predictive Control, and the non-measured variables are estimated using the Unscented Kalman Filter. The developments focused on the robustness of the proposed methods due to the uncertain nature of the bioprocess. The performance and robustness of the control and estimation strategies are tested and tuned by means of different scenarios of simulation runs. Fed-batch cultures of E. coli BL21(DE3) strain are successfully carried on a lab-scale bioreactor, highlighting the potential of the proposed strategies in real-time conditions. The proposed control strategies presented in this thesis lead to an average gain of up to 20% in biomass productivity compared to the conventional operating mode.
Escherichia coli est un hôte cellulaire très répandu pour la production industrielle de produits bio-pharmaceutiques à base de protéines. Cette production, principalement opérée en mode fed-batch, vise à maximiser la productivité de la biomasse. Cependant, l'accumulation d'acétate durant la culture inhibe la capacité respiratoire des cellules et diminue leur performance métabolique. Dans cette thèse, des stratégies de commande de l'alimentation sont envisagées pour éviter l'accumulation d'acétate et maximiser la productivité de la biomasse. A cette fin, des schémas de commande et d'estimation à base de modèle sont développés pour réguler le taux de croissance de la biomasse et la concentration en acétate. Les méthodes de commande vont du contrôle par modèle générique au contrôle prédictif par modèle non linéaire, et les variables non mesurées sont estimées à l'aide du filtre de Kalman "sans parfum". Les développements ont porté sur la robustesse des méthodes proposées en raison de la nature incertaine du bioprocédé. La performance et la robustesse des schémas de commande et d'estimation sont testées et ajustées au travers de différents scénarios de simulation. Des cultures en mode Fed-batch de la souche E. coli BL21(DE3) sont réalisées avec succès sur un bioréacteur de laboratoire, mettant en évidence le potentiel des stratégies proposées dans un contexte de conditions opératoires en temps réel. Les stratégies de commande proposées dans cette thèse permettent un gain moyen jusqu'à 20% de la productivité de la biomasse par rapport au mode de fonctionnement conventionnel.
Origine : Version validée par le jury (STAR)