Der Kalman-Filter zur Überwachung von Kultivierungsprozessen

Der Beitrag untersucht die Anwendung des Kalman-Filters zur Überwachung von Kultivierungsprozessen in der Biotechnologie. Bioprozesse sind komplexe, nichtlineare und instabile Systeme, deren präzise Kontrolle für eine hohe Produktqualität und -produktivität entscheidend ist. Digitale Zwillinge, virtuelle Darstellungen des Produktionsprozesses, ermöglichen eine präventive Prozesssteuerung durch die Nutzung von Online-Daten. Diese digitalen Zwillinge transformieren physische Prozesse in intelligente Systeme und unterstützen kritische Entscheidungen durch rechtzeitige und automatisierte Eingriffe. Der Kalman-Filter, dessen 60. Jahrestag im Jahr 2020 gefeiert wurde, ist eine der am häufigsten angewandten Methoden zur Schätzung von Parametern und Prozessvariablen in linearen Systemen. Für nichtlineare Systeme wurden verschiedene Erweiterungen des Kalman-Filters entwickelt, darunter der erweiterte Kalman-Filter (EKF) und der unscented Kalman-Filter (UKF). Diese Methoden haben sich in der Bioprozessüberwachung bewährt und bieten präzise Schätzungen der Prozesszustände. Der Beitrag bietet einen umfassenden Überblick über die Kalman-Filter-Theorie und ihre Anwendungen in der Bioprozessüberwachung. Eine Fallstudie zur Implementierung eines erweiterten Kalman-Filters zur Entwicklung eines digitalen Zwillings des Bäckerhefe-Batch-Kultivierungsprozesses veranschaulicht die praktische Anwendung der theoretischen Konzepte. Die Ergebnisse zeigen, dass der Kalman-Filter eine genaue Schätzung der Biomasse-, Glukose- und Ethanolkonzentrationen ermöglicht und somit eine wertvolle Unterstützung für die Prozessoptimierung und -steuerung darstellt. Der Beitrag schließt mit einer Diskussion über die zukünftigen Perspektiven und Herausforderungen der Anwendung von Kalman-Filtern in der Bioprozessüberwachung und hebt die Bedeutung der Digitalisierung von Bioprozessen hervor.