In biopharmaceutical manufacturing, fermentation processes play a critical role on productivity and profit. A fermentation process uses living cells with complex biological mechanisms, and this leads to high variability in the process outputs. 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 industry is the availability of only very limited amount of data especially in the development and early stage 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 under model risk. In particular, 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. The resulting model is solved by using a reinforcement learning algorithm based on Bayesian sparse sampling. We provide analytical results on the structure of the optimal policy and its objective function, and explicitly study the impact of model risk on harvesting decisions. 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,发酵过程在生产力和利润方面发挥着关键作用。发酵过程使用具有复杂生物机制的活细胞,这导致过程产出的高度变异性。我们借助蛋白质和杂质增长的生物机制,采用了一种随机模型来描述发酵过程中蛋白质和杂质水平积累的特点。然而,工业的一个共同挑战是,只有非常有限的数量的数据才能提供,特别是在生产和早期生产阶段。由于难以用有限的数据来估计模型参数的变异性,发酵过程增加了一层不确定性,称为模型风险。在本文件中,我们研究了模型风险下发酵过程的收割决定。特别是,我们采用了一种巴伊斯模式,以更新生长率分布的未知参数,并使用由此形成的后表分布来描述模型风险对发酵模型产出变异性的影响。收割问题与具有知识的马可分解过程基本模型一起形成一个更低的不确定性层次模型,该模型总结了事后分发情况,从而将模型的分发风险纳入了模型的变异性参数,从而将模型纳入到决策的变异性分析结构中。我们通过分析性分析分析分析结果,从而得出了最佳的健康分析结果。

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