Software-unterstützte Erzeugung von mathematischen Modellen zur biotechnologischen Prozessführung

Abstract

The aim of this study is to automate the process of finding an adequate model for fermentations of microorganismen and hence to facilitate it. With the aid of the developed methods and the resulting program Modellstrukturgenerator (model structure generator) little effort is needed to generate models to be implemented in an existing process development and control system. The Modellstrukturgenerator focusses on two main features: The first step includes the automatic transformation of given reaction formulas into standardized model equations. The creation of executable programs is the second step. An essential part of this thesis is therefore the design and creation of information-theoretical structures for achieving the above objectives.

Additionally, the automation of the model programming allows to create numerous variants of a given model without extra effort. These can automatically be adjusted to existing measurement data and thus being evaluated according their suitability. Thus, users don't have to refrain to a single model implementation in the first place, instead they can select the most useful variant after evaluation. The situation may occur that no clear decision is possible about which model should be used to work with. Therefore an existing program for planning processes (trajectory planning) was extended to use several models at the same time. Furthermore, experiments can be especially designed so that differences between models will become more significant (model discriminating design of experiments). The application of these two multi-model planning procedures will also be presented in this work.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Modellerzeugung für Fermentationen mit Mikroorganismen zu automatisieren und somit zu erleichtern. Mit Hilfe der hierfür entwickelten Methoden und des Programms Modellstrukturgenerator können mit wenig Aufwand Modelle für ein bestehendes Prozessentwicklungs- und -führungssystem erstellt werden. Der Modellstrukturgenerator arbeitet dafür zwei Schritte ab: Zunächst werden aus gegebenen Reaktionsformeln standardisierte Modellgleichungen formuliert, danach werden daraus ausführbare Programme erzeugt. Wesentlicher Teil dieser Dissertationsschrift ist daher der Aufbau informationstheoretischer Strukturen zur Erreichung des obigen Ziels.

Die Automatisierung der Modell-Programmierung ermöglicht es außerdem, ohne zusätzlichen Aufwand, zahlreiche Modellvarianten erstellen zu lassen. Diese können mit weiteren Funktionen automatisch an vorhandene Messdaten angepasst und somit ihre Eignung beurteilt werden. Der Benutzer muss sich somit nicht von vornherein auf eine konkrete Modellimplementierung beschränken, stattdessen kann er nach der Evaluierung die geeignetste Variante auswählen. Dabei kann die Situation auftreten, dass nicht klar entschieden werden kann, mit welchem Modell weitergearbeitet werden soll. Daher wurde für die Planung von Prozessen (Trajektorienplanung) die vorhandene Funktion so erweitert, dass mehrere Modelle parallel berücksichtigt werden. Auch können Versuche eigens so geplant werden, dass Unterschiede zwischen Modellen herausgearbeitet werden (modelldiskriminierende Versuchsplanung). Die Anwendung dieser beiden Multimodell-Planungsverfahren wird in dieser Arbeit ebenfalls vorgestellt.