Digitale Zwillinge für die Entwicklung und Realisierung von Strategien zur Steuerung von Bioprozessen

Das Kapitel beleuchtet die Anwendung von Digitalen Zwillingen zur Entwicklung und Realisierung von Steuerungsstrategien für Bioprozesse. Es wird die Herausforderung der Steuerungsoptimierung während laufender Produktionsprozesse thematisiert, da Unterbrechungen und unzureichende Steuerung zu erheblichen finanziellen Verlusten führen können. Digitale Zwillinge bieten eine vielversprechende Lösung, indem sie die Entwicklung und Optimierung von Steuerungsstrategien ermöglichen, ohne den Produktionsprozess zu unterbrechen. Das Konzept des Digitalen Zwillings, das ursprünglich im Maschinenbau entwickelt wurde, wird auf Bioprozesse übertragen und ermöglicht eine nahtlose Datenübertragung zwischen der physischen und der virtuellen Welt. Das Kapitel beschreibt die Anforderungen an Digitale Zwillinge, um als Werkzeug zur Entwicklung von Steuerungsstrategien verwendet zu werden, und hebt die Herausforderungen der Steuerungstechnik bei Bioprozessen hervor. Eine Fallstudie zur fed-batch Kultivierung von Saccharomyces cerevisiae in einem Rührkesselreaktor veranschaulicht die praktische Anwendung von Digitalen Zwillingen. Fortschrittliche und modellbasierte Regelungsstrategien, wie die Open-Loop-Feedback-Optimal (OLFO) Steuerungsstrategie, werden detailliert beschrieben und ihre Vorteile bei der Optimierung von Bioprozessen hervorgehoben. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über die zukünftigen Perspektiven von Digitalen Zwillingen in der Biotechnologie und deren Potenzial zur Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung.