Extensive evaluation of machine learning models and data preprocessings for Raman modeling in bioprocessing

稳健性(进化) 人工智能 机器学习 生物过程 预处理器 计算机科学 随机森林 分析物 偏最小二乘回归 拉曼光谱 化学计量学 生物系统 工程类 化学 光学 物理 物理化学 基因 生物 生物化学 化学工程
作者
Michaela Poth,Gordon Magill,Alois Filgertshofer,Oliver Popp,Tobias Großkopf
出处
期刊:Journal of Raman Spectroscopy [Wiley]
卷期号:53 (9): 1580-1591 被引量:31
标识
DOI:10.1002/jrs.6402
摘要

Abstract Raman spectroscopy is a very promising tool for monitoring key analytes in mammalian cell culture fermentations in real time. However, major challenges are associated with this promising technology in aqueous bioprocessing matrixes such as a strong background fluorescence, which is typically addressed by computational preprocessing of the raw Raman spectra. In this study, we present an extensive combinatorial assessment of various machine learning algorithms with numerous popular preprocessing methods on the performance and robustness of Raman‐based real‐time predictions of key analytes. We show that preprocessing methods have a large influence on algorithmic performance. Furthermore, there is a large variance across the various combinations of preprocessing steps and tested machine learning regression algorithms. We demonstrate that neural networks and random forest regression show very good performance and robustness across different, bioprocess relevant analytes. They significantly outperform partial least squares regression, the most widely used regression algorithm in the field. Overall, this extensive study provides a sound basis for building robust, next‐generation models for monitoring analytes in real time based on Raman spectroscopy.
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