Cell culture product quality attribute prediction using convolutional neural networks and Raman spectroscopy

偏最小二乘回归 卷积神经网络 计算机科学 人工智能 人工神经网络 过程(计算) 拉曼光谱 集合(抽象数据类型) 数据集 质量(理念) 模式识别(心理学) 生物系统 数据挖掘 机器学习 光学 物理 哲学 操作系统 认识论 程序设计语言 生物
作者
Hamid Khodabandehlou,Mohammad Rashedi,Tony Wang,Aditya Tulsyan,Gregg Schorner,Christopher Garvin,Cenk Ündey
出处
期刊:Biotechnology and Bioengineering [Wiley]
卷期号:121 (4): 1230-1242 被引量:4
标识
DOI:10.1002/bit.28646
摘要

Abstract Advanced process control in the biopharmaceutical industry often lacks real‐time measurements due to resource constraints. Raman spectroscopy and Partial Least Squares (PLS) models are often used to monitor bioprocess cultures in real‐time. In spite of the ease of training, the accuracy of the PLS model is impacted if it is not used to predict quality attributes for the cell lines it is trained on. To address this issue, a deep convolutional neural network (CNN) is proposed for offline modeling of metabolites using Raman spectroscopy. By utilizing asymmetric least squares smoothing to adjust Raman spectra baselines, a generic training data set is created by amalgamating spectra from various cell lines and operating conditions. This data set, combined with their derivatives, forms a two‐dimensional model input. The CNN model is developed and validated for predicting different quality variables against measurements from various continuous and fed‐batch experimental runs. Validation results confirm that the deep CNN model is an accurate generic model of the process to predict real‐time quality attributes, even in experimental runs not included in the training data. This model is robust and versatile, requiring no recalibration when deployed at different sites to monitor various cell lines and experimental runs.
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