Data‐driven prediction models for forecasting multistep ahead profiles of mammalian cell culture toward bioprocess digital twins

生物过程 计算机科学 生化工程 计算生物学 生物过程工程 计量经济学 机器学习 人工智能 生物技术 生物 工程类 数学 化学工程
作者
Seo‐Young Park,S.H. Kim,C.-Y. Park,Jiyong Kim,Dong‐Yup Lee
出处
期刊:Biotechnology and Bioengineering [Wiley]
卷期号:120 (9): 2494-2508 被引量:27
标识
DOI:10.1002/bit.28405
摘要

Abstract Recently, the advancement in process analytical technology and artificial intelligence (AI) has enabled the generation of enormous culture data sets from biomanufacturing processes that produce various recombinant therapeutic proteins (RTPs), such as monoclonal antibodies (mAbs). Thus, now it is very important to exploit them for the enhanced reliability, efficiency, and consistency of the RTP‐producing culture processes and for the reduced incipient or abrupt faults. It is achievable by AI‐based data‐driven models (DDMs), which allow us to correlate biological and process conditions and cell culture states. In this work, we provide practical guidelines for choosing the best combination of model elements to design and implement successful DDMs for given hypothetical in‐line data sets during mAb‐producing Chinese hamster ovary cell culture, as such enabling us to forecast dynamic behaviors of culture performance such as viable cell density, mAb titer as well as glucose, lactate and ammonia concentrations. To do so, we created DDMs that balance computational load with model accuracy and reliability by identifying the best combination of multistep ahead forecasting strategies, input features, and AI algorithms, which is potentially applicable to implementation of interactive DDM within bioprocess digital twins. We believe this systematic study can help bioprocess engineers start developing predictive DDMs with their own data sets and learn how their cell cultures behave in near future, thereby rendering proactive decision possible.
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