Developing a Computational Framework to Harness Genetic Algorithms for Enhanced Optimization of Bioprocesses
DOI:
https://doi.org/10.15517/00je4649Palabras clave:
Bioprocess optimization, genetic algorithms, hybrid optimization, xylitol production, xylose fermentationResumen
The optimization of bioprocesses frequently involves highly nonlinear dynamic models that challenge derivative-based methods. In this study, a kinetic model of xylose fermentation for xylitol production was optimized with a hierarchical genetic-algorithm (GA) framework. First, a secondary GA minimized an economic objective function that penalized residual substrate and rewarded product formation; the Runge Kutta Fehlberg (RKF45) scheme solved the model under a constant local-error tolerance. Subsequently, a primary GA tuned the secondary GA’s population size and crossover fraction. The secondary GA alone revealed a “stability valley” at crossover fractions: 0.60 ≤ cf ≤ 0.90, where convergence proved steady and standard deviations remained low. Benchmarks with the two-dimensional Ackley function confirmed that solution surface ruggedness, rather than dimensionality, governed GA performance. The hierarchical approach identified an optimal configuration: cf = 0.53 and population = 260, which lay outside the stability valley and elevated the objective function by 3.1 % relative to the best value within the valley (0.6 ≤ cf ≤ 0.9). No modifications were introduced to the kinetic model or to the economic criterion; the gain therefore arose exclusively from metaparameter tuning. However, computation time increased, indicating that hybrid strategies, such as variable-fidelity models or adaptive-mutation schemes, may be required for larger systems. Even so, the demonstrated improvement translates into meaningful economic benefits and underscores the value of systematic GA meta-optimization for industrial bioprocesses. The results provide a reproducible benchmark and a foundation for extending this framework to more complex models, hybrid metaheuristics, and machine-learning-guided parameter adjustment.
Descargas
Referencias
[1] T. A.-N. Nguyen y T.-A. Nguyen, "Genetic Algorithms for Chemical Engineering Optimization Problems," in Genetic Algorithms, S. Ventura, J.M. Luna, and J.M. Moyano, Eds. London, United Kingdom: IntechOpen, 2022, doi: 10.5772/ intechopen.104884.
[2] G. Venter, "Review of Optimization Techniques," in Encyclopedia of Aerospace Engineering, R. Blockley and W. Shyy, Eds. Chichester, United Kingdom: John Wiley & Sons, Ltd., 2010, doi: 10.1002/9780470686652.eae495.
[3] N. Brahimi, A. Dolgui, E. Gurevsky, and A. R. Yelles- Chaouche, "A literature review of optimization problems for reconfigurable manufacturing systems," IFAC-PapersOnLine, vol. 52, no. 13, pp. 433-438, Jan. 2019, doi:10.1016/j.ifacol.2019.11.097.
[4] V. Tomar, M. Bansal, and P. Singh, "Metaheuristic Algorithms for Optimization: A Brief Review," Eng. Proc., vol. 59, no. 1, Art. no. 238, 2024, doi: 10.3390/engproc2023059238.
[5] A. S. Ramadan and E. O. Elgendi, "A review of optimization techniques and algorithms used for FRP applications in civil engineering," J. Eng. and Appl. Sci., vol. 70, no. 1, Art. no. 61, Jun. 2023, doi: 10.1186/s44147-023-00209-5.
[6] John H. Holland, Adaptation in Natural and Artificial Systems. Cambridge, MA, USA: The MIT Press, 1992. [Online]. Available: https://mitpress.mit.edu/9780262581110/adaptation-in-natural-and-artificial-systems/
[7] S. Katoch, S. S. Chauhan, and V. Kumar, "A review on genetic algorithm: past, present, and future," Multimedia tools and applications, vol. 80, no. 5, pp. 8091-8126, 2021, doi: 10.1007/s11042-020-10139-6.
[8] M. A. El-Shorbagy and A. M. El-Refaey, "A hybrid genetic–firefly algorithm for engineering design problems," J. Comput. Des. and Eng., vol. 9, n.o 2, pp. 706-730, Apr. 2022, doi: 10.1093/jcde/qwac013.
[9] S. Zhang, Z. Ge, and Y. Lai, "Application of Genetic Algorithm in Optimizing a Chemical Adsorption Bed with Cacl2/ expanded Graphite Adsorbent," Procedia Eng., vol. 205, pp. 1828-1834, Jan. 2017, doi: 10.1016/j.proeng.2017.10.244.
[10] M. Rocha, I. Rocha, and E. Ferreira, "A new representation in evolutionary algorithms for the optimization of bioprocesses,"
2005 IEEE Congress on Evolutionary Computation, Edinburgh, UK, 2005, pp. 484-490 Vol. 1. doi: 10.1109/CEC.2005.1554722.
[11] J. O. Robles, C. Azzaro-Pantel, and A. Aguilar-Lasserre, "Optimization of a hydrogen supply chain network design under demand uncertainty by multi-objective genetic algorithms," Comput. & Chem. Eng., vol. 140, p. 106853, Sep. 2020, doi: 10.1016/j.compchemeng.2020.106853.
[12] L. Shu, P. Jiang, Q. Zhou, X. Shao, J. Hu, and X. Meng, "An on-line variable fidelity metamodel assisted Multi-objective Genetic Algorithm for engineering design optimization," Appl. Soft Comput., vol. 66, pp. 438-448, May 2018, doi: 10.1016/J.ASOC.2018.02.033.
[13] M. Gobbi, "A k, k-ε optimality selection based multi objective genetic algorithm with applications to vehicle engineering," Optim. Eng., vol. 14, no. 2, pp. 345-360, Jun. 2013, doi: 10.1007/s11081-011-9185-8.
[14] M. S. Krejca and C. Witt, "A Flexible Evolutionary Algorithm With Dynamic Mutation Rate Archive," arXiv.org, Apr. 2024, doi: 10.1145/3638529.3654076.
[15] X. Yan, H. Liu, Z. Zhu, and Q. Wu, "Hybrid genetic algorithm for engineering design problems," Cluster Comput., vol. 20, no. 1, pp. 263-275, Mar. 2017, doi: 10.1007/ s10586-016-0680-8.
[16] M. C. Aguitoni, L. V. Pavão, P. H. Siqueira, L. Jiménez, and M. A. da Silva Sá Ravagnani, "Heat exchanger network synthesis using genetic algorithm and differential evolution," Comput. & Chem. Eng., vol. 117, pp. 82-96, Sep. 2018, doi: 10.1016/j.compchemeng.2018.06.005.
[17] F. Sun, W. Du, R. Qi, F. Qian, and W. Zhong, "A Hybrid Improved Genetic Algorithm and Its Application in Dynamic Optimization Problems of Chemical Processes", Chin. J. Chem. Eng., vol. 21, no. 2, pp. 144-154, Feb. 2013, doi: 10.1016/S1004-9541(13)60452-8.
[18] S. K. Gupta and M. Ramteke, "Applications of Genetic Algorithms in Chemical Engineering II: Case Studies," in Applications of Metaheuristics in Process Engineering, J. Valadi and P. Siarry, Eds. Switzerland: Springer International
Publishing, 2014, pp. 61-87. doi: 10.1007/978-3-319-06508-3_3.
[19] J. S. Tumuluru and R. McCulloch, "Application of Hybrid Genetic Algorithm Routine in Optimizing Food and Bioengineering Processes," Foods, vol. 5, no. 4, Art. no. 4, Dic. 2016, doi: 10.3390/foods5040076.
[20] M. Rocha, R. Mendes, O. Rocha, I. Rocha, and E. C. Ferreira, "Optimization of fed-batch fermentation processes with bio-inspired algorithms," Expert Syst. Appl., vol. 41, no. 5, pp. 2186-2195, Apr. 2014, doi: 10.1016/j.eswa.2013.09.017.
[21] I. J. Peerzade, S. Mutturi, and P. M. Halami, "Improved production of RNA-inhibiting antimicrobial peptide by Bacillus licheniformis MCC 2514 facilitated by a genetic algorithm optimized medium," Bioprocess Biosyst. Eng., vol. 47, no. 5, pp. 683 695, May 2024, doi: 10.1007/s00449- 024-02998-2.
[22] H. Narayanan et al., "Bioprocessing in the Digital Age: The Role of Process Models," Biotechnology J., vol. 15, no. 1, Art. no. 1900172, Jan. 2020, doi: 10.1002/biot.201900172.
[23] D. A. DelVescovo, J. Li, D. A. Splitter, F. D. F. Chuahy, and P. Zhao, "Genetic algorithm optimization of a chemical kinetic mechanism for propane at engine relevant conditions," Fuel, vol. 338, Art. no. 127371, Apr. 2023, doi: 10.1016/j. fuel.2022.127371.
[24] A. Lapene, G. Debenest, M. Quintard, L. M. Castanier, M. G. Gerritsen, and A. R. Kovscek, "Kinetics Oxidation of Heavy Oil. 2. Application of Genetic Algorithm for Evaluation of Kinetic Parameters," Energy Fuels, vol. 29, no. 2, pp. 1119-1129, Feb. 2015, doi: 10.1021/ef501392k.
[25] Y. Wang, J. Luan, K. Luo, J. Fan, and T. Zhu, "Model reduction of coagulation cascade based on genetic algorithm," Int. J. Num. Methods Biomed. Eng., vol. 38, no. 11, Art. no. 3652, Nov. 2022, doi: 10.1002/cnm.3652.
[26] V. K. Singh, I. Jiménez del Val, J. Glassey, and F. Kavousi, "Integration Approaches to Model Bioreactor Hydrodynamics and Cellular Kinetics for Advancing Bioprocess Optimisation," Bioeng., vol. 11, no. 6, Art. no. 6, Jun. 2024, doi: 10.3390/bioengineering11060546.
[27] N. L. Mohamad, S. M. Mustapa Kamal, M. N. Mokhtar, S. A. Husain, and N. Abdullah, "Dynamic mathematical modelling of reaction kinetics for xylitol fermentation using Candida tropicalis," Biochem. Eng. J., vol. 111, pp. 10-17, May 2016, doi: 10.1016/j.bej.2016.02.017.
[28] A. A. Yawalkar, V. G. Pangarkar, and A. A. C. M. Beenackers, "Gas hold-up in stirred tank reactors," Can. J. Chem. Eng., vol. 80, no. 1, pp. 158-166, 2002, doi: 10.1002/ cjce.5450800117.
[29] MATLAB. (R2024b). The MathWorks, Inc.
[30] R. L. A. Burden, Análisis numérico, 7th. ed. Mexico City, Mexico: Thomson Learning, 2002.
Publicado
Número
Sección
Licencia
Derechos de autor 2026 Leonardo Garro Mena (Autor/a)

Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0.
Se considerarán autores a quienes:
- Hayan contribuido sustancialmente en la concepción o diseño del trabajo, o en la interpretación de los datos.
- Hayan participado en el diseño del trabajo de investigación o en la revisión crítica del contenido.
- Hayan intervenido en la aprobación final de la versión que será publicada.
- Están en posición de responder a cualquier duda suscitada en cuanto al trabajo que fue publicado.
- Un autor deberá cumplir con todos los requisitos antes mencionados (adaptado del Comité Internacional de Editores de Revistas Médicas http://www.icmje.org/recommendations/translations/spanish2015.pdf)
Los autores que publican en esta revista están de acuerdo con los siguientes términos:
- Los autores conservan los derechos de autor y garantizan a la revista el derecho de ser la primera publicación del trabajo.
- Ingeniería: Revista de la Universidad de Costa Rica, establece una licencia Creative Commons Attribution License que permite a otros compartir el trabajo con un reconocimiento de la autoría del mismo y con un reconocimiento de la publicación inicial en esta revista.
- Los autores pueden establecer por separado acuerdos adicionales para la distribución no exclusiva de la versión de la obra publicada en la revista (por ejemplo, situarlo en un repositorio institucional o publicarlo en un libro), con un reconocimiento de su publicación inicial en esta revista.
- Los autores pueden difundir sus trabajos electrónicamente (por ejemplo, en repositorios institucionales o en su propio sitio web) únicamente tras el proceso de aprobación y publicación del manuscrito.
- A partir del Volumen 26 No.1 del 2016; los derechos de autor corresponden a los autores de los documentos. Antes de esa fecha las políticas editoriales indicaban que ese derecho pertenecía a Ingeniería: Revista de la Universidad de Costa Rica.
- A partir del Volumen 32.1 del 2022; los autores deben detallar los roles en los que ha participado cada uno de los autores. Cada autor puede tener varios roles y cada rol puede ser empleado en diferentes autores.
La taxonomía de roles es la siguiente:
Conceptualización – Ideas; formulación o evolución de los objetivos y metas generales de la investigación.
Curación de datos – Actividades de gestión para anotar (producir metadatos), depurar datos y mantener los datos de la investigación (incluido el código de software, cuando sea necesario para interpretar los propios datos) para su uso inicial y su posterior reutilización.
Análisis formal – Aplicación de técnicas estadísticas, matemáticas, computacionales u otras técnicas formales para analizar o sintetizar datos de estudio.
Adquisición de fondos – Adquisición del apoyo financiero para el proyecto que conduce a esta publicación.
Investigación – Realización de una investigación y proceso de investigación, realizando específicamente los experimentos, o la recolección de datos/evidencia.
Metodología – Desarrollo o diseño de la metodología; creación de modelos.
Administración del proyecto – Responsabilidad de gestión y coordinación de la planificación y ejecución de la actividad de investigación.
Recursos – Suministro de materiales de estudio, reactivos, materiales, pacientes, muestras de laboratorio, animales, instrumentación, recursos informáticos u otras herramientas de análisis.
Software – Programación, desarrollo de software; diseño de programas informáticos; implementación del código informático y de los algoritmos de apoyo; prueba de los componentes de código existentes.
Supervisión – Responsabilidad de supervisión y liderazgo en la planificación y ejecución de actividades de investigación, incluyendo la tutoría externa al equipo central.
Validación – Verificación, ya sea como parte de la actividad o por separado, de la replicabilidad/reproducción general de los resultados/experimentos y otros productos de la investigación.
Visualización – Preparación, creación y/o presentación del trabajo publicado, específicamente la visualización/presentación de datos.
Redacción – borrador original – Preparación, creación y/o presentación del trabajo publicado, específicamente la redacción del borrador inicial (incluyendo la traducción sustantiva).
Redacción – revisión y edición – Preparación, creación y/o presentación del trabajo publicado por los miembros del grupo de investigación original, específicamente revisión crítica, comentario o revisión – incluyendo las etapas previas o posteriores a la publicación.