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Software-unterstützte Erzeugung von mathematischen Modellen zur biotechnologischen Prozessführung
Violet, Norman
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.
