Development of Strategic Data-Driven Approaches To Sustainable Bioprocess Modelling and Optimisation

开发可持续生物过程建模和优化的战略数据驱动方法

基本信息

  • 批准号:
    2323695
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Studentship
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2019 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The development of sustainable bio-manufacturing routes for both platform and high-value chemicals (e.g. biofuels, food supplement, healthcare relevant materials) is a high priority area to establish a low carbon economy and achieve energy/food security. Bioprocesses (e.g. fermentation and photo-production) exploit the metabolic reaction pathways of different types of microorganisms, such as bacteria, yeast, and microalgae, to convert raw materials into target products. Due to the complex interaction between metabolic activities and culture fluid dynamics (industrial production systems), bioprocesses are highly sensitive to changes in operating conditions (e.g. pH, nutrient supply, culture mixing). Therefore, to maximise the process profitability and material/energy conversion efficiency, it is essential to maintain suitable operating conditions for microorganism growth and bioproduct synthesis. However, for generic large-scale bio-manufacturing systems, the amount of available information (e.g. measureable data) is often scarce and highly noisy due to the limitation on current online monitoring equipment, impeding the decision making for real-time process control and optimisation. This PhD project aims to develop state-of-the-art hybrid modelling tools to simulate and optimise complex biochemical processes. This will be achieved by coupling machine learning technologies and physically-driven methodologies to represent and recreate industrial bio-production scenarios. The models will then be combined with cutting-edge online optimisation strategies to construct real-time dynamic optimisation frameworks to predict and intensify the performance of existing bioprocesses at different scales. Particular attention of this project will be placed on the development of advanced data-driven tools through adoption and exploration of a variety of machine learning methodologies such as different types of neural networks, Gaussian Processes, ensemble learning, and reinforcement learning. The strategies will be tested for both bacterial fermentation processes and microalgal photo-production systems through extensive collaborations with research groups and industrial partners in the UK, China, and Mexico.
为平台和高价值化学品(如生物燃料、食品补充剂、医疗保健相关材料)开发可持续的生物制造路线是建立低碳经济和实现能源/粮食安全的高度优先领域。生物过程(如发酵和光产生)利用不同类型微生物的代谢反应途径,如细菌、酵母和微藻,将原材料转化为目标产品。由于代谢活动和培养液动力学(工业生产系统)之间的复杂相互作用,生物过程对操作条件(如pH、营养供应、培养混合)的变化高度敏感。因此,为了最大限度地提高工艺的利润率和材料/能量的转换效率,必须为微生物的生长和生物产品的合成保持合适的操作条件。然而,对于一般的大规模生物制造系统,由于现有在线监测设备的限制,可用的信息量(例如可测量数据)往往是稀缺的,并且噪声很高,阻碍了实时过程控制和优化的决策。这个博士项目旨在开发最先进的混合建模工具来模拟和优化复杂的生化过程。这将通过将机器学习技术和物理驱动的方法结合起来来表示和重新创建工业生物生产场景来实现。然后,这些模型将与尖端的在线优化策略相结合,以构建实时动态优化框架,以预测和强化不同规模下现有生物过程的性能。该项目将特别重视通过采用和探索各种机器学习方法,如不同类型的神经网络、高斯过程、集合学习和强化学习,开发先进的数据驱动工具。这些策略将通过与英国、中国和墨西哥的研究小组和工业合作伙伴的广泛合作,在细菌发酵过程和微藻光生产系统中进行测试。

项目成果

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