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TU Berlin

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Arbeitsgruppe Bioprozesse

Lupe

In dieser Arbeitsgruppe werden modellbasierte Verfahren entwickelt und beurteilt, um biologische Prozesse besser entwerfen, steuern, regeln und letztlich optimieren zu können.

Die wissenschaftlichen Mitarbeiter der Arbeitsgruppe sind:

Flavia Neddermeyer, Christiane Lange, Dominik Krämer, Till Pößel , Manja Laqua und Philipp Kunz

Die Forschungsschwerpunkte und eingesetzten Methoden sind im Folgenden kurz dargestellt.

Softwarepaket Advanced Batch Control  

Das System Advanced Batch Control (ABC) ist eine Softwareumgebung in Matlab und C, in der  Methoden zusammengefasst sind, die für die Modellierung, modellbasierte Regelung und Überwachung benötigt werden. Dabei sind verschiedene moderne Prozessüberwachungswerkzeuge, z.B. das Sigmapunkt-Kalman-Filter für alle Prozessmodelle verfügbar und können bei Kultivierungen eingesetzt werden.

Schnelle Modellentwicklung durch Phänomenerkennung

Mit Hilfe der Phänomenerkennung können aus Messdaten fast vollständig automatisiert einfache und mittelgroß strukturierte, biologische Prozessmodelle erhalten werden. Weiterhin wird das Programmieren von Modellen in Matlab und C automatisiert und ermöglicht die Auswertung ganzer Modellfamilien.

Robustifizierung durch Multimodelle

Die Vielzahl von Modellen aus der Phänomenerkennung wird vollautomatisch als sogenannte Multimodelle gespeichert. Multimodelle reduzieren die Modellstrukturunsicherheit, da biologische Prozesse oft durch eine Gesamtheit mehrerer Modelle besser beschrieben werden als durch ein einziges Modell.

Optimale Versuchsplanung

Im biotechnologischen Bereich bietet die optimale Versuchsplanung aufgrund aufwändiger Messungen und Experimente großes Potential. Da die biologischen Modelle jedoch nur in begrenzten Bereichen gültig sind und  die Komplexität biologischer Systeme deutlich größer ist, als durch die Modelle erfasst, stellt die Anwendung optimaler Versuchsplanung nach wie vor eine Herausforderung dar

Unsicherheitsbeschreibung durch Gauß'sche Mischdichten

Am Fachgebiet wurde ein neues Konzept zur genauen Beschreibung von Unsicherheiten entwickelt, das weniger rechenintensiv ist als die vergleichbare Monte-Carlo-Simulation. Mit Hilfe von Gauß'schen Mischdichten kann das Sigmapunkt-Kalman-Filter physikalischen Grenzen und nichtlinearer Unsicherheitsverteilung Rechnung tragen und ermöglicht so eine bessere Prozessführung.

Validierung durch eigene Kultivierungen

Die Untersuchten Methoden der Prozessführung und Modellierung werden nicht nur in Simulationsstudien getestet, sondern auch an eigenen hochautomatisierten Kultivierungen im Labor erprobt. Damit können vor allem Konzepte zur Robustifizierung der Prozessführung und der Versuchsplanung in der Praxis evaluiert werden.

Untersuchung autotropher Organismen

Neben der Validierung der Methoden werden auch Untersuchungen zur Prozessentwicklung mit neuen Organismen voran gebracht. Für autotrophe Kultivierungen können die Organismen in einem explosionsgeschützten Bioreaktor mit verschiedenen Gasen wie H2, O2 und CO2 versorgt werden. Mit dem Organismus Ralstonia eutropha sind wir im Exzellenzcluster UniCat im Projekt E3 beteiligt.

Subzelluläre Modellbildung und Identifikation filamentöser Mikroorganismen

Im Rahmen des SPP 1934 der DFG wird der Einfluss von hydrodynamischen Scherkräften auf Morphologie und Zellintegrität wichtiger biotechnologischer Pilzorganismen untersucht. In Zusammenarbeit mit der AG Morphologie (Prof. Vera Meyer,  Angewandte und molekulare Mikrobiologie) wird der Aufbau einer mathematischen Modellstruktur vorangetrieben, um einen quantitativen Beitrag zum Verständnis zellinterner Dynamiken zu leisten.

Abgeschlossene Projekte

Hier sind die Projekte aufgeführt, die abgeschlossen wurden und an denen im Moment nicht weiter geforscht wird.

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