In biopharmaceutical manufacturing, fermentation processes play a critical role in productivity and profit. A fermentation process uses living cells with complex biological mechanisms, leading to high variability in the process outputs, namely, the protein and impurity levels. By building on the biological mechanisms of protein and impurity growth, we introduce a stochastic model to characterize the accumulation of the protein and impurity levels in the fermentation process. However, a common challenge in the industry is the availability of only a very limited amount of data, especially in the development and early stages of production. This adds an additional layer of uncertainty, referred to as model risk, due to the difficulty of estimating the model parameters with limited data. In this paper, we study the harvesting decision for a fermentation process (i.e., when to stop the fermentation and collect the production reward) under model risk. We adopt a Bayesian approach to update the unknown parameters of the growth-rate distributions, and use the resulting posterior distributions to characterize the impact of model risk on fermentation output variability. The harvesting problem is formulated as a Markov decision process model with knowledge states that summarize the posterior distributions and hence incorporate the model risk in decision-making. Our case studies at MSD Animal Health demonstrate that the proposed model and solution approach improve the harvesting decisions in real life by achieving substantially higher average output from a fermentation batch along with lower batch-to-batch variability.


翻译:在生物制药制造中,发酵过程对生产效率和利润起着至关重要的作用。发酵过程利用具有复杂生物机制的活细胞,导致过程产出(即蛋白质和杂质水平)具有高度可变性。基于蛋白质和杂质生长的生物机制,我们引入了一个随机模型来表征发酵过程中蛋白质和杂质水平的积累。然而,该行业面临的一个普遍挑战是仅有非常有限的数据可用,尤其是在开发和早期生产阶段。由于难以用有限的数据估计模型参数,这增加了额外的不确定性层,称为模型风险。本文研究了在模型风险下发酵过程的收获决策(即何时停止发酵并收集生产收益)。我们采用贝叶斯方法来更新生长率分布的未知参数,并利用得到的后验分布来表征模型风险对发酵产出变异性的影响。收获问题被表述为一个具有知识状态的马尔可夫决策过程模型,这些知识状态总结了后验分布,从而将模型风险纳入决策过程。我们在MSD Animal Health的案例研究表明,所提出的模型和解决方法通过实现发酵批次平均产出的显著提高以及批次间变异性的降低,改进了现实中的收获决策。

0
下载
关闭预览

相关内容

Processing 是一门开源编程语言和与之配套的集成开发环境(IDE)的名称。Processing 在电子艺术和视觉设计社区被用来教授编程基础,并运用于大量的新媒体和互动艺术作品中。
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2024年8月22日
Arxiv
0+阅读 · 2024年8月10日
Arxiv
0+阅读 · 2024年8月8日
Deep Anomaly Detection with Outlier Exposure
Arxiv
17+阅读 · 2018年12月21日
VIP会员
最新内容
《美陆军条例:陆军指挥政策(2026版)》
专知会员服务
10+阅读 · 4月21日
《军用自主人工智能系统的治理与安全》
专知会员服务
7+阅读 · 4月21日
《系统簇式多域作战规划范畴论框架》
专知会员服务
10+阅读 · 4月20日
高效视频扩散模型:进展与挑战
专知会员服务
5+阅读 · 4月20日
乌克兰前线的五项创新
专知会员服务
8+阅读 · 4月20日
 军事通信系统与设备的技术演进综述
专知会员服务
8+阅读 · 4月20日
《北约标准:医疗评估手册》174页
专知会员服务
6+阅读 · 4月20日
相关VIP内容
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关论文
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员