Multi-objective optimization in biotechnological processes : application to plant cell suspension cultures of Thevetia peruviana

Abstract

RESUMEN: La productividad de los bioprocesos es un compromiso entre dos objetivos en conflicto, la maximización de la velocidad de crecimiento de la biomasa y la minimización del consumo de sustrato. En este trabajo, se resuelve un problema de optimización multi-objetivo para mejorar la productividad del cultivo en suspensión de células vegetales de la especie Thevetia peruviana. La solución del problema multi-objetivo permitió determinar las concentraciones iniciales óptimas de sustrato y biomasa para garantizar la máxima productividad. La optimización se lleva a cabo utilizando un modelo mecanistico, que incluye una representación de los procesos intracelulares que tienen lugar en las células vegetales. Las mejores soluciones se eligieron del frente de Pareto teniendo en cuenta el criterio experto. Los resultados indican que se recomienda una concentración inicial de inóculo de 3.91g/L y una concentración inicial de sacarosa de 23.63g/L como condiciones iniciales para obtener una productividad de biomasa de 1.57g/L*día con un consumo aceptable de sacarosa. Se llevó a cabo la validación experimental del óptimo encontrado y la productividad obtenida fue de 1.52g/L usando una concentración de inóculo inicial de 4.27g/L y una concentración inicial de sacarosa de 25.44g/L. Los resultados sugieren que la metodología propuesta puede ampliarse para aumentar la productividad en términos de producción de metabolitos a partir de estos cultivos de células vegetales y otras especies vegetales.

ABSTRACT: Bioprocesses productivity is a compromise between two conflicting objectives, maximization of biomass growth rate and minimization of substrate consumption. In this work, a model based multi-objective optimization problem is solved for improving the process productivity in plant cell suspension cultures of Thevetia peruviana. A solution of the multi-objective problem allowed determining the optimal initial concentrations of substrate and biomass for assuring maximal productivity. Model-based optimization is carried out using a mechanistic model, which includes a representation of the intracellular processes taking place on the plant cells. The best solutions were chosen from the Pareto front in agreement with expert criterion. Results indicate that an initial inoculum concentration of 3.91g/L and an initial sucrose concentration of 23.63g/L, are recommended as initial conditions for obtaining a biomass productivity of 1.57g/L*day with an acceptable sucrose uptake. Experimental validation of the optimal found was carried out and the productivity obtained was 1.52g/L using an initial inoculum concentration of 4.27g/L and an initial sucrose concentration of 25.44g/L. Results suggest that the proposed methodology can be extended to increase the productivity in terms of metabolite production from this plant cell cultures and other plant species.