Dynamic parameter estimation problem for ethanol production from seaweed

Ethanol has been studied extensively as one of the current and probably future energy vectors. Fermentation of hydrolysed oligosaccharides from macroalgae biomass to ethanol has been certified, and several processing options have been proposed. In the present work, we model the production of ethanol based on Laminaria, a seaweed genus that belongs to the so-called "brown algae" group, as the carbon source. In brown algae, the most relevant sugars that can be used as substrate for fermentation are mannitol -the alcohol form of the sugar mannose- and laminaran, a linear polysaccharide of(1,3)-β-Dglucopyranose. We consider the yeast Pichia angophorae as the fermenting microorganism. The model includes dynamic mass balances for biomass, ethanol, mannitol and laminaran. Growth is controlled via limiting functions that modify the biomass equation for temperature and oxygen transfer rate (OTR). It is also modified by including a term that considers inhibition by ethanol. Based on the proposed model, a dynamic parameter estimation problem is formulated, the objective function being weighted least-squares fit to data, subject to the mass balance equations. The data set for parameter estimation was obtained in batch liquid cultures, with experiments performed over 40 hours. Numerical results provide useful insights on ethanol production using macroalgae biomass as carbon sourceFil: Delpino, Claudio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: de Genaro, Pablo Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Di Maggio, Jimena Andrea. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Estrada, Vanina Gisela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Díaz, María Soledad. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentin

Design of stable metabolic networks

In this work, we propose eigenvalue optimization combined with Lyapunov theory concepts to ensure stability of the Embden—Meyerhof–Parnas pathway, the pentosephosphate pathway, the phosphotransferase system and fermentation reactions of Escherichia coli. We address the design of a metabolic network for the maximization of different metabolite production rates. The first case study focuses on serine production, based on a model that consists of 18 differential equations corresponding to dynamic mass balances for extracellular glucose and intracellular metabolites, and thirty kinetic rate expressions. A second case study addresses the design problem to maximize ethanol production, based on a dynamic model that involves mass balancesfor 25 metabolites and 38 kinetic rate equations. The nonlinear optimization problem including stability constraints has been solved with reduced space Successive Quadratic Programming techniques. Numerical results provide useful insights on the stability properties of the studied kinetic models.Fil: Di Maggio, Jimena Andrea. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Blanco, Anibal Manuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Bandoni, Jose Alberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Diaz Ricci, Juan Carlos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Díaz, María Soledad. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentin

Simultaneous Parameters Identifiability and Estimation of an E. coli Metabolic Network Model

This work proposes a procedure for simultaneous parameters identifiability and estimation in metabolic networks in order to overcome difficulties associated with lack of experimental data and large number of parameters, a common scenario in themodeling of such systems. As case study, the complex real problem of parameters identifiability of the Escherichia coli K-12 W3110 dynamic model was investigated, composed by 18 differential ordinary equations and 35 kinetic rates, containing 125 parameters. With the procedure, model fit was improved formost of the measured metabolites, achieving 58 parameters estimated, including 5 unknown initial conditions.The results indicate that simultaneous parameters identifiability and estimation approach in metabolic networks is appealing, since model fit to the most of measured metabolites was possible even when important measures of intracellular metabolites and good initial estimates of parameters are not available.Fil: Alberton, Kese Pontes Freitas. Universidade Federal do Rio de Janeiro; BrasilFil: Alberton, André Luís. Universidade Do Estado de Rio Do Janeiro; BrasilFil: Di Maggio, Jimena Andrea. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Estrada, Vanina Gisela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Díaz, María Soledad. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Resende Secchi, Argimiro. Universidade Federal do Rio de Janeiro; Brasi

¿El Mesozooplancton controla al fitoplancton y cianobacterias en el Embalse Paso de las Piedras?

Resulta relevante investigar ecológicamente el embalse Paso de las Piedras no sólo por su valor como reservorio de agua para consumo humano sino también para analizar estrategias que resuelvan/aminoren las proliferaciones de cianobacterias que alteran la calidad del agua. En este estudio se evaluó la interacción trófica entre el mesozooplancton y el fitoplancton - cianobacterias en términos de biomasa, con datos de 8 muestreos de un ciclo anual. Se realizaron correlaciones entre variables ambientales y bióticas. Estos primeros resultados sugieren que el mesozooplancton controla al fitoplancton y cianobacterias a través de su presión de pastoreo desde la primavera hasta fines del verano. Sin embargo, se requieren más estudios para corroborar estos resultados y además para estudiar el efecto del pastoreo de distintos grupos de edad de Odontesthes bonariensis sobre las especies del mesozooplancton presentes en el lago.Fil: Fritz, Laura Jesica. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Estrada, Vanina Gisela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Di Maggio, Jimena Andrea. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Díaz, María Soledad. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Hoffmeyer, Monica Susana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto Argentino de Oceanografía. Universidad Nacional del Sur. Instituto Argentino de Oceanografía; ArgentinaX Congreso de Ecología y Manejo de Ecosistemas Acuáticos PampeanosAzulArgentinaUniversidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires Facultad de Ciencias Exacta

Water sustainability: A systems engineering approach to restoration of eutrophic Lakes

We address restoration of eutrophic lakes and reservoirs through the formulation of dynamic optimization problems subject to complex PDAE systems representing biogeochemical processes in the water bodies. The model includes phytoplankton, zooplankton, fish, nutrients, DO, particulate and dissolved carbon dynamics. The PDAE has been transformed into an ordinary differential algebraic equation system by spatial discretization into two water layers. An optimal control problem for the implementation of three different restoration techniques and their combinations has been formulated within a control vector parameterization approach. Numerical results for the different problems provide optimal profiles for tributary deviation flowrate through a nearby wetland, aeration rates and fish removal rates, as restoration strategies. © 2011 Elsevier Ltd.Fil: Estrada, Vanina Gisela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Di Maggio, Jimena Andrea. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Díaz, María Soledad. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentin

Evaluación de Estrategias de Restauración de la Calidad del Agua del Embalse Paso de las Piedras a través de Modelos Matemáticos

El estudio de la restauración de lagos y embalses eutróficos es abordado a través de la formulación de problemas de optimización dinámica sujetos a sistemas PDAE complejos que representan los procesos biogeoquímicos que se llevan a cabo en cuerpos de agua. El modelo incluye fitoplancton, zooplancton, peces, nutrientes, oxígeno disuelto y carbono orgánico. Se formularon problemas de control óptimo para la implementación de tres estrategias de restauración de la calidad del agua y sus combinaciones: remoción de nutrientes, aireación y biomanipulación. Los resultados numéricos indican que la combinación de la construcción de humedales artificiales junto con la remoción de peces zooplanctívoros podrían llevar a la mejora de la calidad del agua en el corto y largo plazo.We address restoration of eutrophic lakes and reservoirs through the formulation of dynamic optimization problems subject to complex PDAE systems representing biogeochemical processes in the water bodies. The model includes phytoplankton, zooplankton, fish, nutrients, DO, particulate and dissolved carbon dynamics. An optimal control problem for the implementation of three different restoration techniques and their combinations has been formulated within a control vector parameterization approach. Numerical results indicate that the combination of artificial wetland with zooplankivorous fish removal would lead to. the water quality improvement in the short and long termFil: Estrada, Vanina Gisela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Di Maggio, Jimena Andrea. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Siniscalchi, Amira Gabriela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Díaz, María Soledad. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería Química; ArgentinaJornadas de Agua del Sudoeste BonaerenseBahÍa BlancaArgentinaUniversidad Nacional del Su

Integrated mathematical models for drinking water reservoirs and constructed wetlands as a tool for restoration planning

In this work, we propose the integration of mechanistic models for eutrophic reservoirs and constructed wetland within a dynamic optimization framework for the optimal design of wetlands for water quality restoration purposes. A partial differential equation system results from dynamic mass balances for the main biogeochemical variables in both reservoir and wetland. The integrated model is formulated as an optimal control problem within a control vector parameterization approach. The optimization model includes wetland areas as design variables and the fractions of tributaries that are diverted through the wetlands as control variables. The objective function is the minimization of the sum of the integral of the quadratic difference between total phosphorus concentration and a desired value below eutrophication limits and the integral of the quadratic difference between total nitrogen concentration and a desired value below eutrophication limits, along a twelve-year time horizon. The case of study is the eutrophic Paso de las Piedras Reservoir which supplies drinking water to two cities in Argentina, and it has two tributaries which run through an important agricultural area in the region. Numerical results provide: a) the optimal areas for constructed wetlands next to tributaries, b) optimal temporal profiles for diverted fraction of tributaries through wetlands, and c) temporal profiles of the main biogeochemical variables within the lake and the wetlands. The integrated model, which constitutes a useful management tool for a more rational planning of water quality restoration.Fil: Siniscalchi, Amira Gabriela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Di Maggio, Jimena Andrea. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Estrada, Vanina Gisela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Díaz, María Soledad. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentin

Design of stable large-scale metabolic networks

In this work we propose an eigenvalue optimization approach to ensure steady state stability of the Embden-Meyerhof-Parnas pathway, the pentose-phosphate pathway and the phosphotransferase system of Escherichia coli. The model consists of eighteen differential equations that represent dynamic mass balances for extracellular glucose and intracellular metabolites and thirty kinetic rate expressions. The nonlinear optimization problem including stability constraints has been solved with reduced space Successive Quadratic Programming techniques within program IPOPT (Waechter and Biegler et al., 2006). Numerical results provide useful insights on the stability properties of the studied kinetic model. © 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.Fil: Di Maggio, Jimena Andrea. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Blanco, Anibal Manuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Bandoni, Jose Alberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Díaz, María Soledad. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentin

Dynamic global sensitivity analysis in bioreactor networks for bioethanol production

Dynamic global sensitivity analysis (GSA) was performed for three different dynamic bioreactor models of increasing complexity: a fermenter for bioethanol production, a bioreactors network, where two types of bioreactors were considered: aerobic for biomass production and anaerobic for bioethanol production and a co-fermenter bioreactor, to identify the parameters that most contribute to uncertainty in model outputs. Sobol?s method was used to calculate time profiles for sensitivity indices. Numerical results have shown the time-variant influence of uncertain parameters on model variables. Most influential model parameters have been determined. For the model of the bioethanol fermenter, umax (maximum growth rate) and Ks (half-saturation constant) are the parameters with largest contribution to model variables uncertainty; in the bioreactors network, the most influential parameter is umax,1 (maximum growth rate in bioreactor 1); whereas k (glucose-to-total sugars concentration ratio in the feed) is the most influential parameter over all model variables in the co-fermentation bioreactor.Fil: Ochoa, María Paz. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Estrada, Vanina Gisela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Di Maggio, Jimena Andrea. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Hoch, Patricia Monica. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería Química; Argentin

Modeling phytoplankton community in reservoirs. A comparison between taxonomic and functional groups-based models

In this paper we address the formulation of two mechanistic water quality models that differ in the way the phytoplankton community is described. We carry out parameter estimation subject to differential-algebraic constraints and validation for each model and comparison between models performance. The first approach aggregates phytoplankton species based on their phylogenetic characteristics (Taxonomic group model) and the second one, on their morpho-functional properties following Reynolds´ classification (Functional group model). The latter approach takes into account tolerance and sensitivity to environmental conditions. The constrained parameter estimation problems are formulated within an equation oriented framework, with a maximum likelihood objective function. The study site is Paso de las Piedras Reservoir (Argentina), which supplies water for consumption for 450,000 population. Numerical results show that phytoplankton morpho-functional groups more closely represent each species growth requirements within the group. Each model performance is quantitatively assessed by three diagnostic measures. Parameter estimation results for seasonal dynamics of the phytoplankton community and main biogeochemical variables for a one-year time horizon are presented and compared for both models, showing the functional group model enhanced performance. Finally, we explore increasing nutrient loading scenarios and predict their effect on phytoplankton dynamics throughout a one-year time horizon.Fil: Di Maggio, Jimena Andrea. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Fernandez, Carolina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto Argentino de Oceanografía. Universidad Nacional del Sur. Instituto Argentino de Oceanografía; ArgentinaFil: Parodi, Elisa Rosalia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto Argentino de Oceanografía. Universidad Nacional del Sur. Instituto Argentino de Oceanografía; ArgentinaFil: Díaz, María Soledad. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Estrada, Vanina Gisela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química; Argentin