Modellbasierte Zustands- und Parameterschätzverfahren für biopharmazeutische Prozesse

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf von modellbasierten Zustands- und Parameterschätzverfahren für Bioprozesse.<br />Dazu werden verschiedene Werkzeuge zur Modellierung von biologischen Organismen, im Speziellen für Escherichia coli (E.coli), aufgezeigt.<br />Darauf aufbauend werden zwei unterschiedliche Ansätze zur mathematischen Modellierung von Fed-Batch Kultivierungen erläutert. Diese Modelle dienen in weiterer Folge als Grundlage für den Entwurf verschiedener Beobachterkonzepte, welche zur mathematischen Rekonstruktion von nicht bzw. schwer messbaren Systemgrößen, wie etwa der Biomasse- oder Substratkonzentration, verwendet werden. Zum Einsatz kommen dabei unter anderem ein Unscented Kalman Filter sowie ein speziell für biologische Prozesse konzipierter asymptotischer Beobachter. Die entworfenen Beobachter werden zunächst in Simulationsstudien anhand der zuvor aufgezeigten Referenzmodelle getestet und verifiziert. Im Anschluss daran erfolgt die eigentliche Implementierung der Beobachter im Prozessleitsystem sowie die Offline- und Online- Validierung der Beobachter im Fermentationsexperiment für biopharmazeutische Kultivierungen rekombinanter E.coli Stämme.<br />

This master thesis deals with the design and application of model-based state and parameter estimation techniques for bioengineering processes. For this, various tools for modeling of biological organisms are illustrated with a particular focus on the organism Escherichia coli (E.coli). Based on this different approaches for deriving mathematical models of fed-batch cultures are presented. These models are henceforth used to design state and parameter estimators for system variables, which cannot be measured in real-time or whose measurement is too costly, such as the biomass or the substrate concentration. Two different estimators, an Unscented Kalman Filter and a asymptotic observer for bioengineering processes, are presented. These observers are tested and verified in simulation studies by means of the mathematical models. Finally, the actual implementation of the estimators in the process control system as well as the offline and online validation of the estimators are shown for different biopharmaceutical cultivations of recombinant E.coli strains.