Nonlinear control of competitive mixed-culture bioreactors via specific cell adhesion

Authors

  • Michael J. Kurtz,

    1. Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803–7303, USA
    Current affiliation:
    1. Exxon Chemical Company, 4999 Scenic Hwy., Baton Rouge, LA 70805–3359, USA
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  • Michael A. Henson,

    Corresponding author
    1. Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803–7303, USA
    • Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803–7303, USA
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  • Martin A. Hjortsø

    1. Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803–7303, USA
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Abstract

A nonlinear control strategy is developed for competitive mixed-culture bioreactors in which two cell populations compete for a common growth limiting substrate. A stream is periodically removed from the reactor, and the two cell populations are separated using specific cell adhesion. The steady state corresponding to the desired population fraction is stabilized by discarding faster growing cells and recycling slower growing cells to the reactor. The recycle loop must be operated periodically to allow regeneration of the adhesion column after each separation. As a result, the manipulated input is chosen as the sampling interval during which material is removed from the reactor. The nonlinear controller is designed using a simplified dynamic model that assumes continuous separation of the cell populations. The controller is implemented by calculating the sampling interval that leads to the same amount of material being removed from the reactor as that computed from the continuous control law. A nonlinear, closed-loop observer is used to generate one-time-delay-ahead predictions of the measured cell concentrations and the unmeasured substrate concentration. The efficacy of the proposed control strategy is evaluated via simulation.

Abstract

On a mis au point une stratégie de contrǒle non linéaire pour des bioréacteurs de cultures mixtes en concurrence dans lesquels deux populations de cellules sont en compétition pour un substrat à limitation de croissance commun. Un courant est extrait périodiquement du réacteur et les deux populations de cellules sont séparées en utilisant l'adhésion spécifique des cellules. Le régime stationnaire correspondant à la fraction de population désirée est stabilisé en éliminant du réacteur les cellules à croissance rapide et les cellules à croissance lente en recirculation. La boucle de recirculation doit ětre actionnée périodiquement pour permettre la régénération de la colonne d'adhésion après chaque sèparation. En conséquence, l'entrée manipulée est choisie comme l'intervalle d'échantillonnage pendant lequel le matériau est retiré du réacteur. Le régulateur non linéaire est conçu ä l'aide d'un modèle dynamique simplifié qui suppose la séparation continue des populations de cellules. Le contrǒleur est implanté en calculant l'intervalle d'échantillonnage qui conduit à la měme quantité de matériau retirée du réacteur que celle calculée à partir de la loi de contrǒle continu. Un observateur à boucle fermée non linéaire sert à produire des prédictions anticipées d'une durée d'un intervalle des concentrations de cellules mesurées et de la concentration de substrat non mesurée. L'efficacité de la stratégie de contrǒle proposée est évaluée par simulation.

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