Expertensysteme und modellgestützte Verfahren

Einen Schwerpunkt hierbei bildet die com­puterbasierte Identifikation von Störungen im Betrieb von Sensoren und Aktoren (wie z. B. Totalausfall oder Drift) sowie von Variationen im biologischen System, die z. B. durch nicht reproduzierbare Animpfbedingungen, Veränderung der Substratqualität oder Infek­tionen verursacht werden können. Dabei wird das Erfahrungswissen des Bedienpersonals in einem Expertensystem abgelegt und mit A-priori-Wissen über den Prozess (theoretische Modelle) sowie Verfahren der Zeitreihenanalyse ergänzt, um die Messsignale umfassend zu analysieren. Bei Störfällen soll das Expertensystem den Prozess über heuristische Regel- und Steuerstrategien in Bereiche zurückführen, die wieder mit modellgestützten Methoden handhabbar sind. Ein erweitertes Kalman-Filter dient dabei zur Schätzung von Zustands­größen, die auch zur Feed-forward-/Feed-back-Regelung der Substratkonzentration und somit zur optimalen Führung des Prozesses verwendet werden. Die entwickelten Module wurden bei unterschiedlichen Kultivierungsprozessen erfolgreich eingesetzt und ermögli­chen beispielsweise die Führung von Fed-batch-Kultivierungen von Hefe auf Glu­cose bei maximaler spezifischer Wachstumsgeschwindigkeit unter rein oxidativem Stoff­wechsel. Diese Regelung ermöglicht die Realisierung von niedrigen Substratsollwerten, wie z. B. Glucosekonzentrationen von 0,1 g/L und kleiner, so dass keine toxischen Metabolite (Acetat bei Bakterien, Ethanol bei Hefen und Lactat bei tierischen Zellen) gebildet werden.