Design space identification and data-driven modelling of downstream bioprocesses

Μιχαλοπούλου, Φωτεινή; Michalopoulou, Foteini

dc.contributor.author	Μιχαλοπούλου, Φωτεινή	el
dc.contributor.author	Michalopoulou, Foteini	en
dc.date.accessioned	2021-12-20T10:00:16Z
dc.date.available	2021-12-20T10:00:16Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54208
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.21906
dc.rights	Default License
dc.subject	Process design	en
dc.subject	Design space	en
dc.subject	Monoclonal antibodies	en
dc.subject	Bioprocess	en
dc.subject	Modelling	en
dc.subject	Artificial neural networks	en
dc.subject	Μονοκλωνικά αντισώματα	el
dc.subject	Τεχνιτά νευρωνικά δίκτυα	el
dc.subject	Διεργασίες	el
dc.subject	Σχεδιασμός διεργασιών	el
dc.subject	Χώρος λειτουργίας διεργασιών	el
dc.title	Design space identification and data-driven modelling of downstream bioprocesses	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Process design	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-07-08
heal.abstract	Η αυξανόμενη δημοτικότητα των μονοκλωνικών αντισωμάτων που χρησιμοποιούνται ως θεραπευτικές πρωτεΐνες έχει δημιουργήσει μια ζήτηση για ευέλικτες και σταθερές βιοδιεργασίες. Ωστόσο, οι βιολογικές προκλήσεις και οι προκλήσεις μοντελοποίησης που παρουσιάζονται στις διεργασίες παραγωγής και επεξεργασίας των αντισωμάτων, καθώς και η αλληλεπίδραση μεταξύ τους, απαιτούν εκτεταμένη γνώση των διαδικασιών, η οποία μπορεί να αποκτηθεί μόνο μέσω μιας ποιοτικής προσέγγισης σχεδιασμού. Πιο συγκεκριμένα, οι διαδικασίες καθαρισμού που εμπλέκονται στη βιοπαραγωγή μονοκλωνικών αντισωμάτων παρουσιάζουν πολλές προκλήσεις στη μοντελοποίηση, τη βελτιστοποίηση και τον έλεγχο, λόγω της αυξημένης πολυπλοκότητας των φαινομένων που τις διέπουν. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία, προτείνεται η ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων ως μέσο αντιμετώπισης των προκλήσεων αυτών, για να ξεπεραστεί η πολυπλοκότητα και ο απαιτούμενος υπολογιστικός χρόνος μιας χρωματογραφίας ιοντοανταλλαγής δύο στηλών, καθώς και να επιτευχθεί η ανάλυση και βελτιστοποίηση της διεργασίας με βάση τους βαθμούς ελευθερίας της. Χρησιμοποιείται μια προσέγγιση βάσει δεδομένων για την απλοποίηση του σύνθετου μοντέλου σε γενικά μοντέλα βάσει δεδομένων, που μειώνουν την πολυπλοκότητα του συστήματος, διατηρώντας εξαιρετική ακρίβεια, και επιδεικνύουν δυνατότητες αναπαραγωγής της φυσικής διεργασίας. Μέσω μιας σειράς προσομοιώσεων και αναλύσεων ευαισθησίας, καταστρώνεται ένας «χώρος» βέλτιστων συνθηκών λειτουργίας για την χρωματογραφία ιοντοανταλλαγής που χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό των μονοκλωνικών αντισωμάτων και κατασκευάζεται ένα μοντέλο βάσει δεδομένων της διαδικασίας με τη χρήση μηχανικής μάθησης. Η διπλωματική αυτή εργασία περιγράφει τα κίνητρα που οδήγησαν σε αυτή την προσέγγιση, παρουσιάζει την προτεινόμενη μεθοδολογία και εξηγεί την εφαρμογή της προσέγγισης, με μια λεπτομερή συζήτηση των αποτελεσμάτων και της σημασίας τους.	el
heal.abstract	The rising popularity of monoclonal antibodies used as therapeutic proteins has created a demand for agile, robust bioprocesses. However, the biological and modelling challenges presented in upstream and downstream processes, as well as the interplay between them demand an extensive knowledge of the processes that can only be achieved through a quality by design approach. More specifically, downstream purification processes involved in monoclonal antibody biomanufacturing present many challenges in modeling, optimization, and control, due to the increased complexity of the phenomena describing them. In this thesis, the development of computational tools is proposed as a solution to those challenges, for a specific twin-column countercurrent solvent gradient purification ion-exchange chromatography process, in order to overcome the complexity and time consumption of the processes, as well as analyze and optimize over the degrees of freedom. A data-based approach is deployed to simplify the complex model into generic data-driven models that reduce complexity with excellent accuracy and capabilities to reproduce the physical process. Through a series of model simulations and sensitivity analyses, a design space for the multicolumn countercurrent solvent gradient purification ion-exchange chromatography is identified and a data-driven model of the process is created. The dissertation outlines the motivation and the incentives, presents the proposed methodology, and explains the application of the approach with a detailed discussion of the results and their significance.	en
heal.advisorName	Κοκόσης, Αντώνης	el
heal.committeeMemberName	Κοκόσης, Αντώνης	el
heal.committeeMemberName	Σαρίμβεης, Χαράλαμπος	el
heal.committeeMemberName	Μπουρουσιάν, Μιρτάτ	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	100 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false