미세조류배양시스템의 글루코즈 농도 실시간 모니터링을 위한 라만 분광기 기반 농도 예측 기법

Abstract

however, these equipments have a lot of drawbacks.

In this work, we will present an integrated framework to estimate glucose concentration in real-time using Raman spectroscopy. The proposed framework proceed to the following steps. First, backgound effect on the Raman spectra will be removed by Rolling-Circle Filter (RCF). Secondly, we will find the relationship between Raman spectra taken from the samples and glucose concentrations using Partial Least Squares (PLS). In the last step, we will adjust the predicted values using Successive Savitzky-Golay smoothing filter. Two experiment were carried out in order to show that the proposed framework is able to estimate glucose concentration. In case of the first experiment, prediction performance R2 of glucose concentrations improved from 0.899 to 0.943 using the proposed framework. Also, in case of the second experiment, prediction performance R2 of glucose concentrations greatly improved from 0.413 to 0.973 using this framework.

미세조류는 광합성을 하는 수중 단세포 생물로 청정에너지 및 유용물질의 원료로 주목 받고 있다. 미세조류는 비타민, 천연색소, 카로테노이즈, 단백질, 탄수화물과 같은 물질 생산을 위해 많이 사용되며 최근에는 바이오디젤의 원료가 되는 Triacylglycerols (TAGs)로 인해 큰 주목을 받고 있다.

광생물반응기를 이용한 미세조류 배양에서 중요한 두 변수는 글루코즈의 농도와 빛의 세기이다. 따라서 최적제어를 위해서는 두 변수의 실시간 측정이 가능해야 한다. 빛의 세기의 경우 광도계를 이용하여 실시간 측정이 가능하고, 글루코즈 농도의 경우 continous glucose monitors (CGMs)나 고성능액체크로마토그래피 (High-performance liquid chromatography, HPLC)로 측정이 가능하다. 하지만 CGMs는 실시간 측정은 가능하나 범용성이 떨어지고 장기간 사용이 불가능하며, HPLC는 범용성이 좋고 장기간 사용이 가능하나 실시간 측정이 어려운 단점이 있다.

본 연구에서는 라만 분광기와 다변량 회귀 분석 기법을 이용하여 글루코즈 농도를 실시간으로 측정할 수 있는 통합 프레임워크를 제안한다. 제안된 프레임워크의 과정은 다음과 같다. 우선 Rolling-Circle Filter (RCF)를 이용하여 라만 스펙트럼의 배경을 제거한다. 그 다음 부분회귀분석 (Partial Least Squares, PLS)을 이용해 라만 스펙트럼과 글루코즈 농도의 관계를 찾고, PLS를 통해 예측된 글루코즈 농도를 Successive Savitzky-Golay filter를 이용해 보정한다. 본 연구에서 제안하는 프레임워크를 이용해 농도 예측이 가능한지 알아보기 위해 두 가지의 실험을 진행하여 검증하였다. 첫 번째 실험의 경우 본 프레임워크를 통해 글루코즈 농도 예측성능은 R2기준 0.899에서 0.943으로 향상되었으며, 실제 미세조류배양액을 이용한 두 번째 실험의 경우 글루코즈 농도 예측성능은 R2기준 0.413에서 0.973으로 크게 향상되었다.

Microalgal cultivation process has recently attracted much attention due to biotechnological and chemical potential. Microalgae can be used to produce a diverse range of valuable compounds such as vitamins, natural pigments, carotenoid, protein and carbohydrates. They also produce triacylglycerols (TAGs) as feedstocks for biodiesel production. In the algal production process using photo-bioreactor, two parameters, glucose concentrations and light intensities, are very improtant for optimal control. Therefore, two parameters should be measured in real-time. In case of light intensity, photometer can be used to measure light intensity in real-time. In case of glucose concentration, continuous glucose monitors (CGMs) and High-performance liquid chromatography (HPLC) can be used to measure the concentration