Optimização de estratégias de alimentação para identificação de parâmetros de um modelo de E. coli. utilização do modelo em monitorização e controlo - Veloso, Ana C.A. (2009)
Os principais objectivos desta tese são: o desenho óptimo de experiências para a identificação de coeficientes de rendimento de um modelo não estruturado de um processo de fermentação semicontínua de Escherichia coli; a verificação experimental das trajectórias de alimentação obtidas por simulação; o desenvolvimento de estratégias de monitorização avançada para a estimação em linha de variáveis de estado e parâmetros cinéticos; e por fim o desenvolvimento de uma lei de controlo adaptativo para controlar a taxa específica de crescimento, com base em estratégias de alimentação de substrato com vista à maximização do crescimento e/ou produção. São apresentadas metodologias para o desenho óptimo de experiências, que visam a optimização da riqueza informativa das mesmas, quantificada por índices relativos à Matriz de Informação de Fisher. Embora, o modelo utilizado para descrever a fermentação semi-contínua de E. coli não esteja ainda optimizado em termos cinéticos e de algumas dificuldades encontradas na implementação prática dos resultados obtidos por simulação para o desenho óptimo de experiências, a qualidade da estimativa dos parâmetros, especialmente os do regime respirativo, é promissora. A incerteza das estimativas foi avaliada através de índices relacionados com o modelo de regressão linear múltipla, índices relativos à matriz de Fisher e pelo desenho das correspondentes elipses dos desvios. Os desvios associados a cada coeficiente mostram que ainda não foram encontrados os melhores valores. Procedeu-se também à investigação do papel do modelo dinâmico geral no desenho de sensores por programação. Foram aplicados três observadores – observador estendido de Kalman, observador assimptótico e observador por intervalo – para estimar a concentração de biomassa, tendo sido avaliado e comparado o seu desempenho bem como a sua flexibilidade. Os observadores estudados mostraram-se robustos, apresentando comportamentos complementares. Os observadores assimptóticos apresentam, em geral, um melhor desempenho que os observadores estendidos de Kalman. Os observadores por intervalo apresentam vantagens em termos de implementação prática, apresentando-se bastante promissores embora a sua validação experimental seja necessária. É apresentada uma lei de controlo adaptativo com modelo de referência que se traduz num controlo por antecipação/retroacção cuja acção de retroacção é do tipo PI, para controlar a taxa específica de crescimento. A robustez do algoritmo de controlo foi estudada por simulação numérica gerando dados “pseudo reais”, por aplicação de um ruído branco às variáveis medidas em linha, por alteração do valor de referência, por alteração do valor da concentração da glucose na alimentação e variando os valores nominais dos parâmetros do modelo. O estudo realizado permite concluir que a resposta do controlador é em geral satisfatória, sendo capaz de manter o valor da taxa específica de crescimento na vizinhança do valor de referência pretendido e inferior a um valor que conduz à formação de acetato, revestindo-se este facto de grande importância numa situação real, em especial, numa fermentação cujo objectivo seja a produção, nomeadamente de proteínas recombinadas. Foram ainda, analisados diferentes métodos de sintonização dos parâmetros do controlador, podendo concluir-se que, em geral, o método de sintonização automática com recurso à regra de adaptação dos parâmetros em função do erro relativo do controlador foi o que apresentou um melhor desempenho global. Este mecanismo de sintonização automática demonstrou capacidade para melhorar o desempenho do controlador ajustando continuamente os seus parâmetros.