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德贝克尔，神户;科恩·米歇尔斯;斯坦·诺尔斯;斯泰芬·沃尔德海尔

甲烷生物转化过程的观测器和控制器设计。 （英语） Zbl 1455.93066号

欧洲药典控制 57, 14-32 (2021).
概述：甲烷目前是生物工艺的新兴替代原料。在本文中，我们研究了一种特殊的基于细菌的甲烷到乳酸的生物转化过程buryatense甲基奥米克菌5GB1，旨在为过程设计合适的状态估计器和控制器。首先，建立了一个由六个动态质量流量平衡方程和六个状态变量组成的非结构化非线性模型，并在MATLAB和Simulink中作为动态模拟器实现。模拟结果与文献中的实验数据定性匹配。其次，进行可观测性分析，以找到合适的传感器配置用于状态估计。对于每个产生的可观测配置，都会构造一个线性卡尔曼滤波器，并对其性能进行评估。这种性能并不令人满意，因此，设计了扩展和无迹卡尔曼滤波器来克服系统的非线性性质。第三，执行可控性分析，以建立与过程输入相关的可控性。可观测性和可控性都使用经验Gramian对实际的可观测性与可控性进行了评估。构建了一个具有积分反馈的线性二次型调节器（LQR）来控制生物量和乳酸浓度。观测器和控制器组合方案的结果令人满意，并给出了可靠的仿真结果。

引用于1文件

MSC公司：

93B53号 观察员
93个B07 可观察性
93英镑 可控性
93B52号 反馈控制
93E11号机组 随机控制理论中的滤波
92C75号 生物技术

关键词：

甲烷氧化菌;可观测性;卡尔曼滤波器;可控性;反馈控制器

软件：

WebPlot数字转换器;Simulink公司;Matlab公司
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
\textit{K.De Becker}等人，《欧洲期刊控制》57，14-32（2021；Zbl 1455.93066）
全文： 内政部

参考文献：

[1] 化学过程控制VII。
[2] Aström，K.J。；Hägglund，T.，《先进PID控制》（2006），ISA-仪表、系统和自动化学会
[3] Bastin，G。；Dochain，D.，生物反应器的在线估计和自适应控制，过程测量和控制（1990），Elsevier:Elsevier Amsterdam
[4] 贝纳维德斯，M。；库蒂尼奥，D。；Hantson，A。；Van Impe，J。；Vande Wower，A.，Robust Luenberger微藻培养观察员，《过程控制杂志》，36，55-63（2015）
[5] Bogaerts，P.，生物过程的混合渐近卡尔曼观测器，生物过程工程，20249-255（1999）
[6] 卡拉米海，M。；Severin，I.，《生物过程建模与控制》（Matovic，M.D.，Biomass Now（2013），IntechOpen）
[7] 第十届IFAC生物技术计算机应用研讨会
[8] Clomburg，J。；Crumbley，A。；Gonzalez，R.，《工业生物制造：化学生产的未来》，《科学》，3556320（2017）
[9] 库蒂尼奥，D。；Vande Wouwer，A.，一类生物过程的鲁棒非线性反馈控制策略，IET控制理论应用。，7, 6, 829-841 (2013)
[10] Derwen，R.G.，《甲烷的全球变暖潜力：全球对流层模式预测中不确定性的蒙特卡罗分析》，《大气》，第11期（2020年）
[11] Dewasme，L.，基于神经网络的软件传感器，用于估计啤酒废水厌氧消化器中的关键成分：实验验证，《水科学》。技术。，80, 1975-1985 (2019)
[12] 迪迪，I。；Dib，H。；Cherki，B.，AM2模型的Luenberger型观测器，J.过程控制，32117-126（2015）
[13] Dong，T。；费奇。；Genelot，M。；史密斯，H。；劳伦斯，L。；沃森，M。；Pienkos，P.，一种新的综合生物精炼工艺，用于柴油混合原料的生产，该工艺使用来自甲烷氧化菌、buryatense甲基寡菌和Energy Convers的油脂。管理。，140，补遗C，62-70（2017）
[14] 国际标准图书编号：978-0-12-220851-5
[15] Drozd，J。；林顿，J。；唐斯，J。；Stephenson，R.，《甲烷上生长的甲基球菌（NCIB 11083）连续培养物特定裂解率的原位评估》，FEMS Microbiol。莱特。，4, 6, 311-314 (1978)
[16] 国际标准图书编号：3-527-30759-1
[17] 伊登霍夫，O。；Pichs-Madruga，R。；Sokona，Y。；法拉哈尼，E。；卡德纳，S。；Seyboth，K。；阿德勒。；鲍姆，I。；Brunner，S。；艾克迈耶，P。；Kriemann，B。；萨沃莱恩，J。；Schlömer，S。；von Stechow，C。；Zwickel，T。；J.M.，IPCC（2014）。《2014年气候变化：减缓气候变化》（2014），剑桥大学出版社：剑桥大学出版社英国剑桥和美国纽约
[18] 爱德华兹，C。；Spurgeon，S.，《滑模控制：理论与应用》（1998），Taylor&Francis
[19] 费奇。；瓜尼埃里，M。；Tao，L。；劳伦斯，L。；Dowe，N。；Pienkos，P.，《天然气生物转化为液体燃料：机遇与挑战》，《生物技术》。修订版，第32页，第3页，第596-614页（2014年）
[20] Sarmento de Freitas，H.F。；Olivo，J.E。；Andrade，C.M.G.，使用非线性模型预测控制和进化计算技术优化补料分批式生物反应器中硅生产过程中的生物乙醇，能源，101763（2017）
[21] Garcia-Manas，F。；Guzman，J.L。；贝伦格尔，M。；Acien，F.G.，使用扩展卡尔曼滤波器和微藻生产动态模型对工业跑道光生物反应器的生物量估算，《藻类研究》，37，103-114（2019）
[22] Gauthier，J.P。；库普卡，I.A.K.，非线性系统的可观测性和观测器，SIAM J.控制优化。，32, 4, 975-994 (1994) ·Zbl 0802.93008号
[23] 格奈，K。；Lantz，A。；Tufvesson，P。；伍德利，J。；Sin，G.，机械模型在下一代工艺发酵和生物催化中的应用，生物技术趋势。，28, 7, 346-354 (2010)
[24] 吉尔曼，A。；劳伦斯，L。；Puri，A。；Chu，F。；Pienkos，P。；Lidstrom，M.，一种具有工业前景的甲基溴化菌buryatense5GB1的生物反应器性能参数，微生物细胞事实。，14, 1, 182 (2015)
[25] Hanson，R。；Hanson，T.，甲烷营养菌，微生物。修订版，60、2、439-471（1996）
[26] Harmand，J。；Lobry，C。；拉帕波特，A。；Sari，T.，《生物过程中的最优控制：Pontryagin实践中的最大值原理》（2019），John Wiley Sons
[27] 赫尔曼，R。；Krener，A.J.，非线性可控性和可观测性，IEEE Trans。自动。对照，22，5728-740（1977）·Zbl 0396.93015号
[28] C.Himpe，emgr-经验性Gramian框架（5.7版），2019年(网址：https://gramian.de).
[29] Jamilis，M。；加雷利，F。；Mozumder，M.S。；伊斯兰教；沃尔克，E。；De Battista，H.，《聚羟基丁酸生产工艺生长阶段的特定生长速率观察员》，Bioprocess Biosyst。工程师，38，557-5567（2015）
[30] Kadlec，P。；加布里斯，B。；Strandt，S.，《过程工业中的数据驱动软传感器》，计算。化学。工程，33，4，795-814（2009）
[31] Kailath，T.，《线性系统》（1980），普伦蒂斯·霍尔·Zbl 0458.93025号
[32] M.N.Karim，S.L.Rivera，《生物过程状态估计中的人工神经网络》，柏林斯普林格，海德堡，第1-33页。
[33] Komives，C.公司。；Parker，R.S.，生物反应器状态估计和控制，电流。操作。生物技术。，14, 5, 468-474 (2003)
[34] 拉尔，S。；Marsden，J.E。；Glavaski，S.，《用于非线性控制系统模型降阶的平衡截断子空间方法》，《国际鲁棒非线性控制》，12，519-535（2002）·Zbl 1006.93010号
[35] 劳顿，T。；Rosenzweig，A.，《甲烷氧化酶：生物气液转换中的上游问题》，《美国化学杂志》。Soc.，138，30，9327-9340（2016）
[36] 吕德金，R。；Piret，E.L.，《乳酸发酵动力学研究》，J.Biochem。微生物。Technol公司。工程师，1，4，393-412（1959）
[37] Mankad，T。；Bungay，H.，《一种以上限制性营养素的微生物生长模型》，《生物技术杂志》。，7, 2, 161-166 (1988)
[38] 第十二届IFAC过程系统动力学和控制研讨会，包括2019年生物系统DYCOPS
[39] Moreno，J.A。；Osorio，M.，二阶滑模控制器和观测器的lyapunov方法，第47届IEEE决策与控制会议论文集，2856-2861（2008）
[40] Murugan，C。；Natarajan，P.，使用基于动态软传感器的多相人工神经网络估算真菌生物量，J.Microbiol。方法，159，5-11（2019）
[41] Méndez-Acosta，H。；Palacios-Ruiz，B。；阿尔卡拉兹·冈萨雷斯（Alcaraz González，V.）。；冈萨雷斯-阿尔瓦雷斯，V。；García-Sandoval，J.，《改善厌氧消化过程稳定性的稳健控制方案》，J.Process control，20，4，375-383（2010）
[42] 彼得森，洛杉矶。；Bequette，B.W。；Jörgensen，S.B。；维拉德森，J。；克里斯滕森，I。；Gernaey，K.V.，用于单细胞蛋白质生产的非常规生物反应器的建模和系统鉴定，化学。工程杂志，390，124438（2020）
[43] Pirt，S.，《生长培养物中细菌的维持能量》，Proc。R.Soc.伦敦。序列号。B、 生物。科学。，163, 991, 224-231 (1965)
[44] 更快，G。；熊佩，A。；König，B。；Deckwer，W.-D.，《发酵介质中测得和计算出的氧溶解度的比较》，生物技术。生物工程。，23, 635-650 (1981)
[45] A.Rohatgi，Webplot数字化仪，4.1版，（网址：https://automeris.io/WebPlot数字转换器/，上次检查日期为2018年5月12日）。
[46] 熊佩，A。；更快，G。；Deckwer，W.-D.，微生物培养基中的气体溶解度，反应工程，1-38（1982），施普林格：施普林格柏林，海德堡
[47] Segers，R.，《甲烷生产和甲烷消费：湿地甲烷通量过程综述》，生物地球化学，41，1，23-51（1998）
[48] Selisteanu，D。；Tebbani，S。；罗曼，M。；皮特，E。；Georgeanu，V.，酶的微生物生产：非线性状态和动力学反应速率估计，生物化学。《工程师杂志》，91，23-36（2014）
[49] Sendrescu，D。；皮特，E。；Selisteanu，D.，细菌生长生物过程的非线性PID控制器，第18届国际喀尔巴阡山控制会议（ICCC）论文集，151-155（2017）
[50] 希恩，B。；Johnson，M.，《从甲烷中生产细菌细胞》，应用。微生物。，21, 3, 511-515 (1971)
[51] 辛格，A.K。；Hahn，J.，《关于使用经验Gramian进行可控性和可观测性分析》，《2005年美国控制会议论文集》，美国波特兰（2005）
[52] 所罗门，S。；秦，D。；M.Manning，Z.C。；马奎斯，M。；Averyt，K。；蒂格诺，M。；（编辑），H.M.，IPCC（2007）。《2007年气候变化：物理科学基础》（2007），剑桥大学出版社：剑桥大学出版社英国剑桥和美国纽约
[53] Sontag，E.D.，《数学控制理论：确定性有限维系统》（2013），Springer Science&Business Media
[54] 斯托克，T.F。；秦，D。；普拉特纳，G.-K。；蒂格诺，M。；艾伦，S.K。；Boschung，J。；Nauels，A。；夏，Y。；贝克斯，V。；（编辑），P.M.M.，IPCC（2013）。《2013年气候变化：物理科学基础》（2013），剑桥大学出版社：剑桥大学出版社英国剑桥和美国纽约
[55] 斯特朗，P。；Kalyuzhnaya，M。；西尔弗曼，J。；Clarke，W.，《基于甲烷氧化菌的生物精炼：从单一发酵中产生多种产品的潜在方案》，Biorource。技术。，215, 314-323 (2016)
[56] 节能建筑专题
[57] 国际标准图书编号：978-1-4419-9688-6
[58] 非线性控制系统设计，意大利卡普里，1989年6月14日至16日
[59] 朱，X。；Feng，E.，使用无味卡尔曼滤波器在批培养中的联合估计，生物技术。生物工艺工程，17，6，1238-1243（2012）
[60] Zlokarnik，M.，Rohrrührer zum Ansaugen und Dispergieren großer Gasdurchsätze，《化学》杂志Flüssigkeiten。Ing.Tech.，42，21，1310-1314（1970）
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