Flachheitsbasierte Regelung und Zustandsschätzung für einen Fedbatch-Bioprozess (Flatness Based Control and State Estimation for a Fed-Batch Biological Reactor)

Für einen im Fedbatch-Verfahren betriebenen Bioreaktor, der zur Herstellung des Antibiotikums Penicillin~G eingesetzt wird, wird eine flachheitsbasierte Folgeregelung mit einem neuen Verfahren zur Zustandsschätzung entworfen. Bei der betrachteten Fermentation handelt es sich um einen instationären Prozess, bei dem die eingesetzten Mikroorganismen während eines exponentiellen Wachstums über verschiedene Zwischenstufen das gewünschte Produkt, Penicillin G, produzieren. Dieser Prozess kann durch nichtlineare Differentialgleichungen beschrieben werden. Ziel des eingesetzten Regelungskonzepts ist es, die Produktion von Penicillin G einem vorgegebenen Sollverlauf nachzuführen. Zur Lösung dieses Trajektorienfolgeproblems kann durch Zufütterung von zwei verschiedenen Substraten das Wachstum der Mikroorganismen, der Stoffwechsel und die Produktbildung beeinflusst werden. Neben der Trajektorienfolge soll das System gegen Störungen, Parameteränderungen durch Alterungsprozesse und Modellfehler stabilisiert werden. Es wird gezeigt, dass der Bioreaktor ein flaches System ist. Die Flachheitseigenschaft erlaubt eine elegante Lösung des Trajektorienfolgeproblems. Durch die Vorgabe geeigneter Trajektorien für die Penicillinmasse und eine Substratmasse kann das System aufgrund der Flachheit durch eine statische Zustandsrückführung gegen Störungen und Modellfehler stabilisiert werden. Darüber hinaus erlaubt die Flachheitseigenschaft den Entwurf eines neuartigen nichtlinearen Folgefilters auf der Basis des erweiterten Kalman-Filters zur Realisierung der Zustandsrückführung und zur Schätzung zeitveränderlicher Parameter. Die Leistungsfähigkeit des Regelungskonzepts wird in der Simulation gezeigt und im Experiment bestätigt.