Document

Optimization of selected biochemical production processes using evolutionary algorithms

Publisher
Sultan Qaboos University
Gregorian
2015
Language
English
English abstract
This study presents the use of differential evolution algorithm for single and multi objective optimization of the fermentation production processes of three industrial important bio-products, namely Astaxanthin, Lactic acid and Lysine. Differential evolution (DE) algorithm is used in validating the kinetic models, estimating the kinetic parameters and obtaining the optimal control of batch and fed batch fermentations of such production processes. In Astaxanthin production study, two different specific growth rates, substrate and product inhibition, and substrate saturation and product inhibition, are evaluated in order to determine the biochemical reaction kinetics corresponding to the optimum kinetic parameters using batch models. Coefficient of determination (R) is used to check the model fitting with the obtained optimization data and experimental data in batch mode. Improved kinetic parameters are obtained and are reported. In Lactic acid production study, DE algorithm is used in the validation of the kinetic models of batch and fed batch fermentations of Lactic acid production. In fed batch fermentations, different feeding strategies such as exponential, modified exponential and feed forward controlled are tested. Improved kinetic constants for both fermentations are found by minimizing the least square error between the experimental data and the results of the simulated model. DE successfully improves the optimization results of batch fermentation bioreactor. DE strategies comparative analysis is studied for exponential feeding fed batch to check the robustness of the optimization algorithm, The DE/best/1/bin and DE/current to best/1/bin are the best strategies suitable for such problems. These strategies along with their associated control parameters are used to estimate the kinetic parameters of fed batch fermentation studies with different feeding strategies. In Lysine production, three multi-objective differential evolution algorithms; MODE-III, Harmonic MODE and improved selection scheme MODE-III-IMS; are used to obtain the optimal control of Lysine fed batch bioreactor. Two conflicting objectives (namely the yield and the productivity) are used. Detailed algorithmic specific studies are reported using test problems and the fed batch bioreactor problem. Singular and constant feeding policies are studied using all algorithms and the Pareto fronts are reported. The Pareto fronts of different feeding rates in a given range are also reported. The Pareto front of the higher bound of feeding rate (2.0 L/s) approaches the true non dominated region on the search space. Tournament selection and penalty constraint handling methods are used in all algorithms and performance is compared. Two different forms of yield expressions are analyzed for MOO study. Harmonic MODE algorithm results in well diverse set of solutions. MODE-III-IMS converges to the true Pareto front in a faster rate than MODE-III and showed better yield-productivity results.
Arabic abstract
يهدف هذا البحث لدراسة إحدى طرق التحسين الحديثة ذات الهدف الواحد و ذات الأهداف المتعددة تسمي بالتطور التفاضلي (Differential Evolution). في هذه الدراسة استخدم التطور التفاضلي في محاكاة وتحسين نتائج عمليات التخمر لإنتاج ثلاثة منتجات حيوية مهمة وهي مادة الأستازانثين ( Astaxanthin)، وحمض اللاكتيك (Lactic acid) ومادة اللايزين (Lysine)، وذلك عن طريق التحقق من صحة النماذج الحركية، وتقدير العوامل الحركية وأيضا إيجاد العوامل المؤدية للتحكم الأمثل لعمليات التخمر ذات الدفعة الواحدة وذات الدفعات المتعددة بالنسبة لدراسة عملية انتاج مادة الأستاز انثين (Astaxanthin) تم استخدام طريقتين مختلفتين للتخمر نو الدفعة الواحدة للتحقق من صحة النماذج الحركية لعملية التخمر المستخدمة لإنتاج هذه المادة. الطريقة الأولى هي: تثبيط المادة المتفاعلة (substrate) و تثبيط المادة المنتجة والطريقة الثانية هي: تركيز المادة المتفاعلة (substrate) وتثبيط المادة المنتجة. تم بنجاح تقدير قيم العوامل الحركية لكلتا الطريقتين وتم التحقق من نتائج هذه الدراسة ومدی تطابقها مع النتائج المخبرية باستخدام معامل التحديد (RZ) . أما بالنسبة لعملية انتاج حمض اللاكتيك، فقد استخدم التطور التفاضلي للتحقق من صحة النماذج الحركية لعمليات التخمير ذات الدفعة الواحدة وأيضا ذات الدفعات المتعددة نتائج التحسين كانت جيدة حيث تم تقدير العوامل الحركية لعملية التخمر ذو الدفعة الواحدة بنجاح. أما بالنسبة لعملية التخمير ذات الدفعات المتعددة فقد تمت دراسة التحسين ل ثلاث طرق مختلفة التغذية وهي التغذية الأمية (exponential) و التغذية الأسية المطورة (modified exponential) والتغذية المتقدمة المضبوطة (feed forward controlled). بداية تم التحقق من متانة التطور التفاضلي وفاعليته وذلك عن طريق دراسة تفصيلية للعوامل الثلاث الأساسية للتطور التفاضلي باستخدام ستة استراتيجيات للتطور التفاضلي. الاستراتيجيتين الأفضل لمحاكات عملية التخمير ذات التغذية الأسية هما DE/best/1/binو DE/current to best/1/bin. تم استخدام هذه الاستراتيجيتين لاختبار طرق التغذية المختلفة و تم اختيار العوامل الحركية الافضل لكل منها وذلك عن طريق تقليل نسبة مربع الخطأ بين البيانات المخبرية و نتائج نموذج المحاكاة التطور التفاضلي. أما دراسة عملية انتاج مادة اللايزين (Lysime) عن طريق عملية التخمر ذات الدفعات المتعددة فقد تم استخدام ثلاث نماذج للتطور التفاضلي نو الأهداف المتعددة وهي ( MODE - III ) و (Harmonic MODE) و ( MODE- II- IMS ). في هذه الدراسة تم استخدام هدفين لنموذج التحسين وهما (الدخل) و (الإنتاجية). حيث تمت دراسة مدى كفاءة هذه النماذج الثلاث لحل مشكلات تجريبية ومن ثم لإيجاد العوامل المثالية للتحكم في عملية التخمر ذات الدفعات المتعددة تمت دراسة طريقتين مختلفتين التغذية وهما التغذية الثابتة والتغذية المفردة وتم تدوين نتائج التحسين لكل نماذج التطور التفاضلي أستخدم أيضا في الدراسة طريقتين مختلفتين للتعامل مع قيود عملية التحسين. نتائج نموذج (Ilarmonic MODE) أعطت نتائج جيدة موزعة توزيعا جيدا على منحنى الباريتو (Pareto)، أما بالنسبة النموذج ( MODE - III - IMS ) فقد أثبتت الدراسة أنه أسرع في ايجاد النتائج الأفضل مقارنة مع نموذج (.(MODE-III
Category
Theses and Dissertations

Same Subject

Theses and Dissertations
1
0
Abdullatif, Alaa Haider Amin.
Sultan Qaboos University.
2019
Theses and Dissertations
0
0
Al-Battashi, Mundhir Adai Mohammed
Sultan Qaboos University
2018
Theses and Dissertations
0
0
Al-Salmiyah, Moza Mohammed Humaid
Sultan Qaboos University
2018
Theses and Dissertations
0
0
Jamil, Farrukh
Sultan Qaboos University
2017
Theses and Dissertations
0
0
Shuwa, Suleiman Mohammed.
Sultan Qaboos University
2015
Theses and Dissertations
0
0
Al-Nassriyah, Ebtisam Amer Saleh
Sultan Qaboos University
2016