DD277701A1 - METHOD FOR THE AUTOMATIC CONTROL OF BIOTECHNICAL FABRICATION PROCESSES BASED ON A KNOWLEDGE-BASED ON-LINE CONTROL SYSTEM - Google Patents

METHOD FOR THE AUTOMATIC CONTROL OF BIOTECHNICAL FABRICATION PROCESSES BASED ON A KNOWLEDGE-BASED ON-LINE CONTROL SYSTEM Download PDF

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DD277701A1
DD277701A1 DD32275688A DD32275688A DD277701A1 DD 277701 A1 DD277701 A1 DD 277701A1 DD 32275688 A DD32275688 A DD 32275688A DD 32275688 A DD32275688 A DD 32275688A DD 277701 A1 DD277701 A1 DD 277701A1
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DD32275688A
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Bernd Moeckel
Thomas Bley
Berndt Boehme
Brigitte Heinritz
Bernd Roeber
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Akad Wissenschaften Ddr
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  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Steuerung von Prozessen der biotechnischen Stoffwandlung auf der Basis eines wissensbasierten on-line-Steuerungssystems, an denen Mikroorganismen beteiligt sind. Zur Bestimmung des Umschaltzeitpunktes bei Aenderungen des Prozesszustandes und bei periodischer Prozessfuehrung kommt ein wissensbasiertes on-line-Steuerungssystem zur Anwendung, das in parallel arbeitenden Echtzeit- und Dialog-/Beratungsmodul mit jeweils spezifischen Aufgabenspektrum strukturiert ist und drei Wissensbasen umfasst, wobei die Wissensbasis-I die Kommunikationsbasis der beiden Module bildet, die Wissensbasis-II die Regeln und Fakten zur Stoerungserkennung und -ursachenlokalisierung enthaelt und die Wissensbasis-III zur Bestimmung des optimalen Steuervektors dient. Durch dieses Steuerungssystem wird ein flexibles Reagieren auf biologische Variationen bzw. sich aendernde Umweltbedingungen in komplexen Fermentationssystem ermoeglicht.The invention relates to a method for the automatic control of biotechnical material conversion processes on the basis of a knowledge-based on-line control system, in which microorganisms are involved. In order to determine the switchover point for process state changes and periodic process control, a knowledge-based on-line control system is used, which is structured in a parallel real-time and dialog / consulting module with a specific task spectrum and comprises three knowledge bases, whereby the knowledge base I forms the communication base of the two modules, the knowledge base II contains the rules and facts for fault detection and cause localization and the knowledge base III serves to determine the optimal control vector. This control system allows a flexible response to biological variations or changing environmental conditions in complex fermentation systems.

Description

Yd = Yk(D-Yk(2).Yd = Yk (D-Yk (2).

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als lernfähiger Klassifikator ein Trennebenenklassifikator (Klassifikator auf der Basis von Hyperf lachen) eingesetzt wird, wobei als die Entscheidung des Klassifikators bewertende Größe die aktuelle Differenz der entsprechenden Klassenzugehörigkeitswerte <Yo> in die Entscheidungsfindung einbezogen wird.12. The method according to claim 10, characterized in that as an intelligible classifier a Trennebenenklassifikator (classifier on the basis of Hyperf laugh) is used, being used as the decision of the classifier evaluating the current difference of the corresponding class membership values <Yo> in the decision making ,

Der Wert <Yd> wird nach folgender Beziehung bestimmt:The value <Yd> is determined according to the following relationship:

Yo = Xt* W- B- A.Yo = X t * W- B- A.

13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11 oder 1 bis 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise die Führungsgrößen Nährstoff zufuhr (Zufuhr von C- und Energiequelle, O2-, Nährsalz und Spurenelementezufuhr) und/oder Temperatur, pH-Wert im Fermentationsmedium, Energieeintrag, Verweilzeit, Menge des Fermentationsmediums im Reaktor, Menge und Zusammensetzung des Gaseintrags in den Fermontor Verwendung finden.13. The method of claim 1 to 11 or 1 to 10 and 12, characterized in that preferably the reference variables nutrient supply (supply of C and energy source, O 2 -, nutrient salt and trace elements) and / or temperature, pH in the fermentation medium , Energy input, residence time, amount of fermentation medium in the reactor, amount and composition of the gas entry into the Fermontor use.

Anwendungsgebiet dor ErfindungField of application of the invention

Dio Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Steuerung von Prozessen der biotechnischen Stoffwandlung, an denen Mikroorganismen, dio auch genetisch vorändert sein können, in Rein- odor Mischku'iur beteiligt sind. Diese Prozesse können der Gewinnung von Biomasso, dor Gowinnung von P.odukten, der Bosoitigung von Abfällen oder der Gewinnung von Enorgieträgorn dienon.The invention relates to a method for the automatic control of biotechnical material conversion processes in which microorganisms, which may also be genetically modified, are involved in pure odor mixing. These processes may include the extraction of biomass, the production of P.uucts, the destruction of waste or the extraction of enrichment ore.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Es sind Vorfahren der biotechnischen Stoffwandlung bekannt, bei denen durch eine alternierende allmähliche Änderung der Kohlenstoffsubstratkonzentration im Fermontationssystem, wobei die Dauer der Perioden der Länge dor Phasen des Zellzyklus angepaßt ist, eine Vorbosserunn der Effektivität des Prozesses, speziell eine Verminderung des Rohstoffeinsatzes erreicht wird. (DDPS 140150, DD-PS 219035).There are ancestors of the biotechnical material conversion are known in which by an alternating gradual change in the carbon substrate concentration in Fermontationssystem, the duration of the periods of the length dor phases of the cell cycle is adjusted, a Vorbosserunn the effectiveness of the process, especially a reduction in the use of raw materials is achieved. (DDPS 140150, DD-PS 219035).

Diese Zeitplansteuerung einer partiell synchronisierten Mikrnornanismennnnulatinn arbeitet mit fest eingestellten Perioden, das heißt, dieses Steuerungsprinzip berücksichtigt nicht die auftretenden Eingangsstörungen des Fermentationssystems, wie zum Beispiel Änderungen der Temperatur, Eingangssloffkonzentrationen, Zuflußmengen und Rohstoffqualität auf die metabolische Aktivität der Mikroorganismen im Fermentor. Außerdem kann die Variabilität der biologischen Eigenschaften, wie z. B. der Dauer der Phasen des Zellzyklus, nicht berücksichtigt werden. Diese Störungen und Variabilitäten bedingen jedoch verschiedene Periodendauern für eine günstige Prozeßführung. Diese Forderung können die oben beschriebenen Lösungen nicht oder bei einer off-line-Steuerung nur mit stark erhöhtem Aufwand erfüllen.This scheduling control of a partially synchronized microorganism routine operates at fixed periods, that is, this control principle does not take into account the input disturbances of the fermentation system, such as changes in temperature, inlet concentrations, inflows and raw material quality, on the metabolic activity of the microorganisms in the fermentor. In addition, the variability of biological properties, such. As the duration of the phases of the cell cycle, are not taken into account. However, these disturbances and variability require different periods for a favorable process control. This requirement can not meet the solutions described above or in an off-line control only with greatly increased effort.

Des weiteren sind Verfahren zur automatischen Steuerung von Prozessen der biotechnischen Stoffwandlung bekannt bzw. vorgeschlagen, die die oben gestellte Forderung nach Adaption der Prozeßführung infolge Störungen und Variabilitäten des Fermentationssystems in gewissem Umfang erfüllen (DD-WP 243296 und DD-WPC 12Q/306778.3). Da die Prozeßanpassung im ersten Steuerungssystem (DD-WP 243296) nur durch einen Prognosefilter realisiert wird, treten bei diesem Verfahren erhebliche Probleme hinsichtlich Zuverlässigkeit und Adaptionsqualität, d. h. exakter Bestimmung der Prozeßzustandsänderungen, auf, die zu Produktivitäts- und Effektivitätsverlusten führen. Diener Sachverhalt trifft auch, jedoch in geringerem Maße, auf das vorgeschlagene hierarchische Steuerungssystem (DD-WPC 12Q/306778.3) zu, vor allem, weil die Ergebnisse der Situationserkennung ohne Prüfung ihrer biologischen Sinnfälligkeit als gegeben angenommen werden. Die begrenzte Flexibilität der Situationserkennungsalgorithmen, insbesondere des Prognosefilters, und mangelnde Robustheit beim Auftreten von Störungen in der Meßwerterfassung schränken die Anwendbarkeit dieser Steuerungen ein und erfordern einen hohen Aufwand für das Einfahren dieser automatischen Prozeßführung. Weitere Produktivitäts- und Effektivitätsverluste sind darauf zurückzuführen, daß diese Systeme keinen Operatoreingriff in spezifischen Prozeßsituationen ohne Unterbrechung der Steuerung erlauben und es nicht ermöglichen, gesichertes Erfahrungswissen zur optimalen Prozeßführung in Form von Regeln bzw. Fakten (keine Algorithmen) und off-line zu gewinnende Anaiysenwerte in die Bestimmung der optimalen Steuerung zu integrieren.Furthermore, methods for the automatic control of processes of biotechnological material conversion are known or proposed, which meet the above requirement for adaptation of the process control due to disturbances and variability of the fermentation system to some extent (DD-WP 243296 and DD-WPC 12Q / 306778.3). Since the process adaptation in the first control system (DD-WP 243296) is realized only by a prognosis filter, considerable problems with regard to reliability and adaptation quality occur in this method. H. accurately determining the process state changes that lead to productivity and effectiveness losses. Diener's case also applies, albeit to a lesser extent, to the proposed hierarchical control system (DD-WPC 12Q / 306778.3), mainly because the results of situational awareness are taken for granted without checking their biological significance. The limited flexibility of the situation recognition algorithms, in particular the forecast filter, and lack of robustness in the occurrence of disturbances in the measured value detection limit the applicability of these controls and require a high effort for the retraction of this automatic process control. Further productivity and effectiveness losses are due to the fact that these systems do not allow operator intervention in specific process situations without interrupting the control and do not allow secure experience for optimal process control in the form of rules (no algorithms) and off-line to be won Anaiysenwerte to integrate into the determination of optimal control.

In bekannten Lösungen sind Maßnahmen zur Störungserkennung sowie -Ursachenbestimmung nicht bzw. in zu geringem Maße berücksichtigt, obwohl bekannt ist, daß in ungünstigen Fällen bereits kurzzeitige Änderungen der Milieubedingungen in Bioreaktoren zu irreversiblen Schädigungen der Mikroorganismen bzw. zu unerwünschten Prozeßverläufen führen können.In known solutions measures for fault detection and -Ursachenbestimmung are not respected or in too small a degree, although it is known that in unfavorable cases, even brief changes in environmental conditions in bioreactors can lead to irreversible damage to the microorganisms or undesirable processes.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist die Erhöhung des stofflichen und energetischen Wirkungsgrades und/oder der Produktivität des Prozesses, die Verbesserung der Stabilität, die Verminderung der Störanfälligkeit sowie die Einsparung von Arbeitskräften für die Prozeßführung.The aim of the invention is to increase the material and energy efficiency and / or the productivity of the process, the improvement of stability, the reduction of susceptibility and the saving of manpower for process control.

Des weiteren soll im Falle des Auftretens nichtausregelbarer Störungen im Bioreaktor (defekte Meßwertgeber oder Regelkreise) ein Schaden für Prozeß und Reaktor abgewendet bzw. so gering wie möglich gehalten werden.Furthermore, in the event of the occurrence of non-controllable disturbances in the bioreactor (defective transducers or control loops), damage to the process and reactor should be averted or kept as low as possible.

Die Erfindung bezweckt außerdem, den Aufwand für das Einfahren der automatischen Steuerung bzw. für die Berücksichtigung technologisch bedingter konstruktiver oder/und verfahrenstechnischer Änderungen erheblich zu senken.The invention also aims to significantly reduce the cost of retraction of the automatic control or for the consideration of technological design and / or procedural changes.

Wesen der ErfindungEssence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches lernfähiges on-line-Steuerungssystem zu gestalten, das durch flexibles Reagieren auf biologische Variationen bzw. sich ändernde Umweltbedingungen im komplexen Fermentationssystem (hierarchischer Aufbau) eine optimale und zuverlässige Bestimmung des Umschaltzeitpunktes bei Prozeßzustandsänderungen und periodischen Prozoßführungen ermöglicht. Dabei muß die Steuerung zu jedem Zeitpunkt durch deh Operator beeinflußbar sein. Das betrifft sowohl die Bestimmung des Steuervektors als auch die Veränderung von Modellparametern sowie Parametern der Situationserkennung während der Prozeßführung, um den Einfahraufwand der automatischen Steuerung zu minimieren. Des weiteren muß gewährleistet werden, Erfahrungswissen zur optimalen Prozeßführung in Form von Regeln und Fakten sowie off-line-Analysenwerte in die Bestimmung der optimalen Steuerung einzubeziehen. Nichtausregelbare Störungen im Fermentationssystem (Störungen dor Meßwertgeber, Regelkreise) sind schnell zu erfassen, ihre Ursache(n) zu determinieren und gegebenenfalls Redundanzen zu aktivieren. Wesentlich ist, daß das komplexe Steuerungssystem eine große Flexibilität aufweist, d. h. eine hohe Adaptivität bezüglich verschiedenartiger biotechnologischer Prozesse sowie technologischer Zielstellungen. Im Falle einer Havarie im Bereich der Stellglieder muß die wissensbasierte Steuerung im ofMine-Betrieb als Beratungssystem funktionstüchtig sein.It is an object of the present invention to provide such an on-line learning control system which, by flexibly responding to biological variations or changing environmental conditions in the complex fermentation system (hierarchical structure), allows for optimal and reliable determination of the changeover timing in process state changes and periodic processing , The control must be influenced by the operator deh at any time. This concerns both the determination of the control vector as well as the change of model parameters as well as parameters of the situation recognition during the process control, in order to minimize the introduction effort of the automatic control. Furthermore, it must be guaranteed to incorporate knowledge of experience for optimal process control in the form of rules and facts as well as off-line analysis values in the determination of the optimal control. Non-controllable disturbances in the fermentation system (disturbances of the measuring sensor, control circuits) are to be detected quickly, their cause (s) to be determined and, if necessary, redundancies to be activated. What is essential is that the complex control system has great flexibility, i. H. a high degree of adaptivity with regard to various biotechnological processes as well as technological objectives. In the event of a breakdown in the field of actuators, the knowledge-based control in open-circuit operation as a guidance system must be functional.

Erfitidungsgemäß wird die Aufgabe so gelöst, daß ein wissensbasiertes (d. h. auf Elementen der künstlichen Intelligenz beruhendes) on-line-Steuerungssystom zur Anwendung kommt, das in Echtzeit- und Dialog- bzw. Beratungsmodulen strukturiert ist und drei Wissensbasen (bzw. relativ selbständige Komponenten einer Wissensbasis) umfaßt, wobei die Wissensbasis-I als übergeordnete dynamische Wissensbasis ausgelegt ist und das deklarative Wissen ?ur Charakterisierung aller Prozoßgrößon und des aktuellen Prozeßzustandes aufnimmt, die Wissens- (Regel-) basis-ll die Regeln und Fakten zur Störungserkonnurig und -ursachenlokalisierung enthält und die Wissens- (Regel-) basis-Ill unter Verwendung algorithmischer Software (Situationsorkennung, Modellsimulation) zur Bestimmung des optimalen Steuervoktors dient. Das Wosen dor Systomstruktur bostoht in ü<" -r^, Jlolon Arbeit von Echtzeit- und Dialog-/Beratungsmodulen und ihrer Kommunikation übor diegomoinsamo dyne nischo Wissensbasis, woboi zudem auf oinem dritten Kanal Modellsimulationen zur Bestimmung dor optimalon Steuerung durchgeführt werdon, deren Ergebnisse dor ontsprechondon Regelbasis (III) ständig zur Vorfügung stohon. Für clio Implementierung dor Steuerung ist doshalb ein Multitaskingrechnerbetriebssystem mit mindestens drei Kanälon odor oino äquivalonto hardwaroseitige Lösung vorzusohonAccording to the invention, the object is achieved by using a knowledge-based (ie based on elements of artificial intelligence) on-line control system, which is structured in real-time and dialogue or consulting modules and three knowledge bases (or relatively independent components of a Knowledge base), where the knowledge base I is designed as a superordinate dynamic knowledge base and which receives declarative knowledge for the characterization of all the proxy size and the current process state, the knowledge (rule) base II contains the rules and facts for fault location and cause localization and the knowledge (rule) basis III using algorithmic software (situation detection, model simulation) to determine the optimal control vector. The Wosen dor Systomstruktur bostoht in Q <"- r ^, Jlolon work of real-time and dialogue / consultation modules and their communication übor diegomoinsamo dyne nischo knowledge base woboi also performed on oinem third channel model simulations to determine dor Optimalon control werdon whose results dor Ontsprechondon Rule Base (III) is constantly in place for submission stohon. For clio implementation of the controller, therefore, a multitasking computer operating system with at least three channel or odor oino equivalent hardware-side solution is to be provided

Dom Echtzeitmodul sind dio folgonden Aufgaben zuzuordnen: Dom real-time module can be assigned to the following tasks:

- schnollo Datenerfassung und gegobonenfalls Primärdatonverarboitung,- schnollo data acquisition and, if necessary, primary daton processing,

- Aiuoigo und Speicherung der Daton (Moßworto, Regelgrößen),- Aiuoigo and storage of the Daton (Moßworto, controlled variables),

- Störungserkonnung und -ursachenbestimmung auf der Grundlage dor entsprechenden Wissensbasis (II),- Determination and determination of disturbances on the basis of the corresponding knowledge base (II),

- Bestimmung der optimalen Steuerung auf der Grundlage der speziellen Wissensbasis (III), wobei durch die erfindungsgemäße Gestaltung dieser Wissensbasis sowohl die epigeneiischw und metabolische Regulationsebene der Mikroorganismen als auch kurzzeitige Störungen im Fermentationssystem, die unter anderem die Verweilzeit der Mikroorganismen im Fermentor beeinflussen können, berücksichtigt werden undDetermination of the optimal control on the basis of the special knowledge base (III), whereby the inventive design of this knowledge base takes into account both the epigenetic and metabolic regulatory level of the microorganisms as well as short-term disturbances in the fermentation system, which among other things can influence the residence time of the microorganisms in the fermenter be and

- Ausgabe des Steueivektors.- Output of the control vector.

Das Dialcgmodul gewährleistet das folgende Aufgabenspektrum:The dialing module ensures the following range of tasks:

- Eingabe und Speicherung der aktuellen Prozeßdaten (z.B. Sollwerte),Input and storage of the current process data (e.g., setpoints),

- Eingabe von off-line ermittelten Analysenwerten (mit Zeitpunkt der Probennahme),- Input of off-line analysis values (with time of sampling),

- Steuereingriffe durch den Operator (zum beliebigen Zeitpunkt), wie Umschalten der Betriebsart, technologisch bedingte Parameteränderungen (z. B. Fördarmengen von Pumpen, Sollwerte) und Änderung der Modellparameter bzw. der Kenngrößen der Situationserkennung,- control interventions by the operator (at any time), such as switching of the operating mode, technologically conditioned parameter changes (eg pumping rates of pumps, setpoints) and change of the model parameters or the characteristics of the situation detection,

- Ausgabe von Störungsmeldungen mit Angabe der möglichen Fehlerursache(n),- Output of fault messages with indication of the possible cause of the fault (s),

- grafische Auswertungen zum Prozeßverlauf,- graphic evaluations of the course of the process,

- Beratung bei Änderung des Prozeßzustandes und- Consultation when changing the process state and

- Führen eines aktiven Dialogs (Rechneranfrage/Bedienerantwort) im Falle eines durch das Steuerungssystem nicht eindeutig bestimmbaren Prozeß- bzw. Reaktorzustandes.- Conducting an active dialogue (computer request / operator response) in the case of a not definable by the control system process or reactor state.

Die erfindungsgemäße Steuerungsstruktur erweist sich allen anderen bekannten bzw. vorgeschlagenen Steuerungen überlegen, weil das beschriebene komplexe Aufgaben- bzw. Funktionsspektrum von Echtzeit- und Dialogmodul parallel unter Echtzeitbedingungen realisiert wird bei Gewährleistung einer hohen Flexibilität bezüglich des Einsatzes sowohl zur Steuerung verschiedenartiger biotechnologischer Prozesse als auch bei sich ändernden technologischen Zielstellungen, was si :h unter anderem in einem stark reduzierten Einfahraufwand dieses Steuerungssystems widerspiegelt.The control structure according to the invention proves to be superior to all other known or proposed controls, because the described complex task or functional spectrum of real-time and dialogue module is realized in parallel under real-time conditions while ensuring a high flexibility in terms of use both for controlling various biotechnological processes as well changing technological objectives, which is reflected, among other things, in the greatly reduced effort required to implement this control system.

Das qualitative und quantitative Wissen zu den einzelnen Prozeßgrößen wird durch die Definition zusammengesetzte Objekte frameartig strukturiert, wobei die Framestruktur der zeitlichen Gültigkeit der Informationen Rechnung trägt. In der gemeinsamen dynamischen Wissensbasis (I) werden die Kategorien (Prädikate) „Konstant", „Relativ" und „Variabel" unterschieden. Die Kategorie „Konstant" beinhaltet Informationen mit dauerhaftem Charakter, wie die Auflistung aller Prozeßgrößen mit Name, Einheit, Art (Regel-, on üne-Meßgröße oder off-line-Analysenwert), Kennzeichnung als Modellparameter, wenn zutreffend, und technologisch bzw. physikalisch/technischen Angaben, die der Störungserkennung sowie -lokalisation dienen, wie z. B. technologisch bedingte Grenzwerte, maximale Anstiegsgeschwindigkeit sowie Toleranzbereich bei Regelgrößen. Änderungen sind hier nur erforderlich, wenn neue Regelkreise oder Meßstellen in das Reaktorsystem integriert, neue Analysenmethoden eingeführt oder größere technologische Umbauten am Bioreaktor vorgenommen werden. Diese Änderungen können über beliebige Textverarbeitungssysteme vorgenommen werden und bedürfen keiner speziellen Kenntnis des Steuerungssystems. Die Kategorie „Relativ" umfaßt Daten zu den in „Konstant" aufgeführten Prozeßgrößen, die auch während der Prozeßführung änderbar sein müssen, wie Sollwerte zu den Regelungen, Korrekturfaktoren für Meßgrößen und die Kennzeichnung einer Prozeßgröße als Merkmal für die Situationserkennung, d. h. den Prognosefilter und/oder einen lernfähigen Klassifikator (/1/ Möckel, B.; Bley, Th.; Böhme, B.; Heinritz, B.; Gerhardt, M.: Verfahren zur automatischen Steuerung von Prozessen derThe qualitative and quantitative knowledge of the individual process variables is structured in a frame-like manner by means of the definition of composite objects, whereby the frame structure takes into account the temporal validity of the information. In the common dynamic knowledge base (I), the categories (predicates) "Constant", "Relative" and "Variable" are distinguished.The category "Constant" contains information with a permanent character, such as the listing of all process variables with name, unit, type ( Control, on-line or off-line analysis value), identification as a model parameter, if applicable, and technological or physical / technical information used for fault detection and localization, such as. B. technologically related limits, maximum slew rate and tolerance range for controlled variables. Changes are only necessary if new control loops or measuring points are integrated into the reactor system, new analytical methods are introduced or major technological modifications are made to the bioreactor. These changes can be made via any word processing system and require no special knowledge of the control system. The category "Relative" includes data on the process variables listed in "Constant", which must also be changeable during the process control, such as setpoints for the controls, correction factors for measured variables and the identification of a process variable as a feature for the situation detection, d. H. The Prognosis Filter and / or an adaptive classifier (/ 1 / Möckel, B. Bley, Th .: Böhme, B. Heinritz, B. Gerhardt, M .: Method for the automatic control of processes of the

biotechnischen Stoffwandlung auf der Basis einer hierarchischen Steuerstrategie. DD-VVPC12 Q/306778.3. 121 Möckel, B.; Bley, Th.; Böhme, B.: Cyclic control of continuous biotechnological processes on the basis of a hierarchical controlsystem. In: J.Systems Analysis-Modelling-Simulation (3) 1989).Biotechnical transformation based on a hierarchical tax strategy. DD-VVPC12 Q / 306778.3. 121 Möckel, B .; Bley, Th .; Böhme, B .: Cyclic control of continuous biotechnological processes on the basis of a hierarchical control system. In: J.Systems Analysis Modeling Simulation (3) 1989).

Des weiteren enthält diese Kategorie alle Angaben zum aktuellen Prozeßzustand, wie Betriebsart (Batch-, Fedbatch-. Kontinuierlicher Betrieb), Steuerregime, Störungsmeldungen und Entscheidungshilfen (Beratung). In der Kategorie „Variabel" sind neben den aktuellen Werten der in „Konstant" aufgeführten Prozeßgrößen eine prozeßspezifische Anzahl vergangener Werte zur Trendermittlung enthalten.Furthermore, this category contains all information on the current process status, such as operating mode (batch, fedbatch, continuous operation), control regimes, fault messages and decision aids (consultation). In the "Variable" category, in addition to the current values of the process variables listed in "Constant", a process-specific number of past values are included for trend determination.

Die Regelbasis-Il enthält das prozedurale Wissen zur Verarbeitung der in der gemeinsamen dynamischen Wissensbasis gespeicherten Informationen im Sinne einer umfassenden Störungserkennung und -Ursachenbestimmung (spezifische Sinnfälligkeitstests für alle Prozeßgrößen, Toleranztest für Regelgrößen und komplexe Auswertung der Einzelergebnisse). Treten Störungen in der Erfassung von Prozeßgrößen auf, die als Merkmale der Situationserkennung oder als Modellparameter spezifiziert sind, werden diese automatisch als Merkmale gestrichen bzw. der letzte sinnfällige Wert als Modellparameter beibehalten, um Fehlentscheidungen des Steuerungssystems zu vermeiden.The rule base II contains the procedural knowledge for processing the information stored in the common dynamic knowledge base in the sense of a comprehensive fault detection and -Ursachenbestimmung (specific maturity tests for all process variables, tolerance test for controlled variables and complex evaluation of individual results). If disturbances occur in the detection of process variables which are specified as characteristics of the situation recognition or as model parameters, these are automatically deleted as features or the last meaningful value is retained as model parameter in order to avoid incorrect decisions of the control system.

Eine wesentliche Grundlage für die Wissensbasis zur Bestimmung des optimalen Steuervektors (III) bilden Informationen, die über die Situationserkennung (Prognosefilter, lernfähiger Klassifikator) und Modellsimulatiorien gewonnen werden. Den Systemen wird zu den Abtastzeitpunkten gleichzeitig der in der gemeinsamen dynamischen Wissensbasis spezifizierte Merkmalbzw. Modellparametervektor übergeben. Durch die Modellberechnungen wird im wesentlichen die epigenetische Regulationsebene erfaßt, wogegen die Si'untionserkennung sowohl auf epigenetische und metabolische Regulationen als auch kurzzeitige Störungen der Milieubedingungen im Fermentor (z.B. Schwankungen im Substrat- oder Laugenzufluß), die unter anderem Einfluß auf die Verweilzeit der Mikroorganismen im Fermentor bzw. die Dauer der Phasen im Zellzyklus haben, reagiert. Als Prognosefilter wird im erfindungsgemäßen Verfahren der für den Einsatz unter Echtzeitbedingungen besonders geeignete Gaußliltor mit spoziellom Auslösemechanismus eingesetzt. Dieser Auslösemechanismus, der auf Änderungen des Trends der oinzelnon Prozoßgrößen anspricht, beruht auf der ständigen Bestimmung von Prognose- <SP(i)> und aktueller Stondardabwoichung <S(i)> allor Merkmale sowie dem Vergleich des Quotiontien <Q> dieser beiden Größen bezüglich des gosamton Morkmalvoktors mit oinom entsprechend dor Fishorvertoilung vorgegebenen Gronzwert <Q>.An essential basis for the knowledge base for the determination of the optimal control vector (III) is formed by information about the situation recognition (prognosis filter, learning classifier) and model simulations. At the same time, the systems are assigned the characteristics specified in the common dynamic knowledge base at the sampling times. Transfer model parameter vector. By modeling the epigenetic level of regulation is essentially detected, whereas the Si'untionserkennung both epigenetic and metabolic regulations as well as short-term disturbances of environmental conditions in the fermentor (eg fluctuations in substrate or Laugenzufluß), among other things influence on the residence time of microorganisms in the Fermenter or the duration of the phases in the cell cycle have reacted. The prognostic filter employed in the method according to the invention is the Gaussian filter with a spociellom triggering mechanism which is particularly suitable for use under real-time conditions. This triggering mechanism, responsive to changes in the oinzelnon percent size trend, is based on the constant determination of prediction <SP (i)> and current stochastic <o (i)> allor features, as well as the comparison of the quotient <Q> of these two magnitudes of the gosamton morkmalvoctor with oinom according to the fishorvertoilung given Gronzwert <Q>.

Dor lornfähigo Klassifikator, dor oinon aktuellen Morkmalvektor oinor typischen Prozeßsituation zuordnet, kann im orfindungsgornäßon Vorfahren sowohl als Schworpunkt- als auch als Tronnobenonklassifikator gestaltet sein.Dor lornfähigo classifier, which assigns ooror current Morkmalvektor oinor typical process situation, can be designed in Orfindungsgornäßon ancestor both as a Schworpunkt- as well as Tronnobenonklassifikator.

AIIo Elemonto dor Situationsorkonnung sind in /1/ und /2/ detailliert beschrieben.All Elemonto the situational design are described in detail in / 1 / and / 2 /.

Für dio Bestimmung dor oplimolon zyklischen Steuerung nach Modell werden in diesem Vorfahren ein strukturiertes Zustandsmodoll odor ein ähnliches, din Dynamik von Mikroorganismenpopulationen ausreichend beschreibendes Modoll, das zudem unter Echtzoitbedingungon mathematisch handhabbar ist, eingesetzt {121 sowie /3/ Bley, Th.; State-structure models of mlcrobial growth. Acta Biotechnol. 7 [1987|, S. 173).For the determination of oplimolone cyclic control by model, this ancestor employs a structured state modulus or a similar modulus sufficiently describing the dynamics of microorganism populations, which is mathematically manageable under true-zoon conditions {121 and / 3 / Bley, Th .; State-structure models of MLCrobial growth. Acta Biotechnol. 7 [1987], p. 173).

Diirch-den Einsatz des erfindungsgemäßen wissensbasierten Steuerungssystems mit der oben beschriebenen Struktur (Multitaskingbetrieb der Strukturelemente) wird es möglich, komplexere, den Prozeß adäquater beschriebener Modelle anzuwenden, deren Abarbeitungszoiten für Simulationsrechnungen zur Bestimmung der opitmalen Steuerung bedeutend größer als die Abtastzeit sein können, wobei die Aussagen der Modellberechnung vom wissensbasierten System in Abhängigkeit vom Alter des Ergebnisses gewlchtet in die Entscheidungsfingung einbezogen werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren besteht die Hauptaufgabe der Wissensbasislll zur Bestimmung der optimalen Steuerung in der komplexen Bewertung und Interpretation der durch die Situationserkennung und Modellsimulation erhaltenen Aussagen unter Einbeziehung von gesichertem heuristischen Wissen (Erfahrungswissen), das in Form von Regeln gespeichert ist sowie dor Auswertung von wichtigen auf den speziellen Prozeß abgestimmten Elementebilanzen biotechnischer Prozesse, wie vor allem Kohlenstoff-, Stickstoff- und Sauerstoff bilanz. Durch Berücksichtigung des prozeßspezifischen Wissens gelingt es, insbesondere die biologische Sinnfälligkeit von Steuerentscheidungen zu prüfen.The use of the knowledge-based control system according to the invention with the above-described structure (multitasking operation of the structural elements) makes it possible to use more complex, adequately described models of the process, whose execution schedules for simulation calculations for determining the optimal control can be significantly greater than the sampling time Statements of the model calculation by the knowledge-based system as a function of the age of the result will be included in the decision. In the method according to the invention, the main task of the knowledge base for determining the optimal control is the complex evaluation and interpretation of the statements obtained by the situation recognition and model simulation, including assured heuristic knowledge (empirical knowledge) stored in the form of rules and the evaluation of important ones the balance of biotechnological processes, such as carbon, nitrogen and oxygen balance By taking account of process-specific knowledge, it is possible, in particular, to examine the biological conspicuousness of tax decisions.

Diese Wissensbasis nutzt ein spezifisches Bewertungsschema (Punkttabelle), das die Gültigkeit bzw. Qualität der Aussagen der Teilsysteme quantifiziert.This knowledge base uses a specific evaluation scheme (point table), which quantifies the validity or quality of the statements of the subsystems.

Um ein kontinuierliches Bewertungsspektrum der Teilsysteme der Situationserkennung zu erreichen, werden neben der Ja-/Nein-Entscheidung bezüglich Zustandsänderungen des Prozesses beim Prognosefilter der jeweils aktuelle Wert des oben beschriebenen Quotienten (Q) und bei den lernfähigen Klassifikatoren die aktuelle Differenz der entsprechenden Klassenzugehörigkeitswerte Yo (vgl. IM, 121) in dieEntscheidungsfindung einbezogen. Der Wert γο wird nach folgender Beziehung bestimmt, beim unscharfen Schwerpunktklassifikator:In order to achieve a continuous evaluation spectrum of the subsystems of the situation recognition, in addition to the yes / no decision with respect to state changes of the process at the forecast filter the current value of the above-described quotient (Q) and the learning classifiers the current difference of the corresponding class membership values Yo ( see IM, 121) are included in the decision-making process. The value γο is determined according to the following relation, for the fuzzy center classifier:

Y0 = Yk(D -Yk(2) mitY 0 = Yk (D -Yk (2) with

1 ti~H O)* -1 ti ~ H O) * -

1+Z UXi C j)-Ck, « (JMZf)* i*l,...XMAX1 + Z UXi C j) -Ck, «(JMZf) * i * l, ... XMAX

{Ck,i(i = 1 ...XMAX; k = 1....2,XMAX: Anzahl der Merkmale/Schwerpunkt des Elements Xt des Merkmalvektors bezüglich Klasse K), F (symmetrische Ausdehnung der Xi (i = 1... XMAX)), B (Faktur, um den sich der Zugehörigkeitswert an der Klassengrenze des Modalwertes verringert hat) und D (Pai ameter für den Grad der Unscharfe)) und beim Trennebenenklassifikator:{Ck, i (i = 1 ... XMAX; k = 1 .... 2, XMAX: number of features / centroid of the element X t of the feature vector with respect to class K), F (symmetric extension of the Xi (i = 1 ... XMAX)), B (the factor by which the membership value at the class limit of the mode value has decreased) and D (Pai ameter for the degree of fuzziness)) and the separation level classifier:

Yo = XT*W-B-AYo = X T * WBA

{X: aktueller Meßwertvektor (Merkmalsvektor), W: Normalenvektor der Trennebene, B: Schwellenkomponente und A:{X: current measured value vector (feature vector), W: normal vector of the dividing plane, B: threshold component and A:

Ruckweisungszone}.Ruck Transfer Zone}.

Kann durch sich widersprechende Informationen der zur Bestimmung des optimalen Steuervektors beteiligten Teilsysteme keine sichere Aussage zum Prozeßzustand und demzufolge zu Steuerung getroffen werden, erfolgt die Ausgabe eines Steuervorschlags über das Dialogmodul in Verbindung mit der Alarmierung/Aufforderung des Operators zur Bewertung dieses Vorschlags (Ablehnung/Annahme).If contradictory information of the subsystems involved in the determination of the optimal control vector makes it impossible to make a definite statement about the process state and consequently control, the control module will output a control proposal via the dialog module in conjunction with the alert / request of the operator to evaluate this proposal (rejection / acceptance ).

Der Operator ist jederzeit in der Lage, die automatische Ausgabe des Steuervekto's auf unbestimmte Zeit zu unterbrechen, so daß das System im off-line-Betrieb arbeitet, ohne den Steuervektor zu modifizieren.The operator is always able to interrupt the automatic output of the control vector indefinitely, so that the system operates in off-line mode without modifying the control vector.

Die Erfindung wird durch folgende Beispiele erläutert:The invention is illustrated by the following examples:

Beispiel 1example 1

Der Hefestamm Candida maltosa wurde auf Saccharose in einem 10-l-Fermentur aerob und kontinuierlich gezüchtet. Die Saccharose wurde dem Formentor in wäßriger 5%iger Lösung zugeführt. Die wäßrige Nährsalzlösung enthielt pro LiterThe yeast strain Candida maltosa was grown on sucrose in a 10 L fermenter aerobically and continuously. The sucrose was fed to the mold gate in aqueous 5% solution. The aqueous nutrient brine contained per liter

8 000mg N als NH4CI 800mg K als K2CO3 800mg P als H3PO4 (85%) 160 mg Mg als MgSO4-7 H2O8,000 mg N as NH 4 Cl 800 mg K as K 2 CO 3 800 mg P as H 3 PO 4 (85%) 160 mg Mg as MgSO 4 -7 H 2 O

und Spurensalzverbindungen in ausreichander Menge. Die Temperatur betrug 320C, der pH-Wert 4,2. Als Belüftungsrate wurden 501/kg h gowählt. Die Verweilzoit lag bei 4h. Nach einer partiellen Synchronisation durch ein Zeitregime (vgl.and Spurensalzverbindungen in sufficient quantity. The temperature was 32 0 C, the pH 4.2. The aeration rate was 501 / kg h. The residence time was 4 h. After a partial synchronization by a time regime (cf.

WP DD 219036) erfolgte eine Steuerung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.WP DD 219036) was controlled by the method according to the invention.

Es wurdon folgendo Prozeßgrößen durch das System ständig erfaßt und verarbeitet bzw. überwacht: Temperatur, Rührordrorunhl, Luftmongo, Masso; pH-Wort, Geiöstsauorstoffkonzentration und Biomassekonzentration im Fermentor, CO;- und O1-GoMaIt der Abluft, Durchflußmonge dor Substrat- und Laugenpumpe. Des weiteren gingen als off-line-Anolysonworlo dor gravimetrisch bestimmte HTS-Wert und die Substratkonzentration im Fermentor sowie die in der Wissensbasis III integrierte Kohlenstoff- und Sauerstoffbilanz in die Bestimmung der optimalen Steuerung ein.Process variables were continuously monitored and monitored by the system as follows: temperature, agitator, air mongo, masso; pH word, Geiöstsauorstoffkonzentration and biomass concentration in the fermentor, CO, - and O 1 -GoMaIt the exhaust air, Durchflußmonge dor substrate and drain pump. Furthermore, as an off-line anolysonoroid gravimetrically determined HTS value and the substrate concentration in the fermentor as well as the carbon and oxygen balance integrated in the knowledge base III were included in the determination of the optimal control.

Dio Wissonsbasislll zur Bosümmung der optimalen Steuerung konnte außerdem sowohl auf Ergebnisse der Modellsimulation zurückgroifon, woboi ein 3dimonsionales retardiertes Differentialgleichungssystem (vgl. BLEY et al., stud, hiophys. 98 (1983)Dio Wisson's Theory of Optimal Control Constraint was also able to refer back to model simulation results, using a three-dimensional differential-locked system (see BLEY et al., Stud, hiophys., 98 (1983)).

119) zur Anwondung kam, als auch dio Informationen dor Situationserkennung berücksichtigen.119), as well as taking into account the information about situational recognition.

Die Parameter des eingesetzten Gaußfilters lagen bei - R = 12 H = 4 Z = 3 V = 6-8The parameters of the Gaussian filter used were - R = 12 H = 4 Z = 3 V = 6-8

und die Parameter des Trennflächenklassifikators waren jand the parameters of the interface classifier were j

S = 2 N = 0,3S = 2 N = 0.3

Trotz auftretender Prozeßstörungen konnte der Synchronisationsgrad der Population von 0,26 (boim Zeitregime) auf 0,35 erhöht werden. ;Despite occurring process disturbances, the degree of synchronization of the population of 0.26 (Boim time regime) could be increased to 0.35. ;

Der Prozeß zeichnete sich durch eine schnelles Erreichen stabiler Perioden nach diesen Prozeßstörungen aus. In dan stabilsierten Phasen lag der Ertragskoeffizient bei Y = 0,55.The process was characterized by rapid achievement of stable periods after these process disturbances. In dan stabilized phases, the yield coefficient was Y = 0.55.

Beispiel 2Example 2

Die extrem thermophile Bakterienpopulation TP5/85 ZIMET 11093 wurde in einem Fermentor von 41 NettovolumenThe extremely thermophilic bacterial population TP5 / 85 ZIMET 11093 was grown in a fermenter of 41 net volumes

kontinuierlich im Chemostaten zur Biomassebildung fermentiert.continuously fermented in the chemostat for biomass formation.

Das Medium hatte folgende Zusammensetzung:The medium had the following composition:

(NH4I2SO4 (NH 4 I 2 SO 4 6,06.0 g/ig / i KH2PO4 KH 2 PO 4 2,12.1 g/ig / i MgSO4 χ 7 H2OMgSO 4 χ 7H 2 O 1.11.1 g/ig / i Hefeextraktyeast extract 0,50.5 g/ig / i Glucoseglucose 30,030.0 g/ig / i CuSO4X 5H2OCuSO 4 X 5H 2 O 0,140.14 g/ig / i MnSO4 χ 4H2OMnSO 4 χ 4H 2 O 0,120.12 g/ig / i ZnCI2 ZnCl 2 0,070.07 g/ig / i CoSO4 χ 7 H2OCoSO 4 χ 7H 2 O 0,060.06 g/ig / i FeCI3 FeCI 3 0,001 g/l0.001 g / l

Die Temperatur betrug 70°C, der pH-Wert 6,9. Der Sauerstoffeintrag wurde bei einer Rührerdrehzahl von 1250min ' und einem l.uftdrucksatz von 100l/kgh Normluft gewährleistet.The temperature was 70 ° C, the pH was 6.9. The Saue r furnish was at a stirrer speed of 1250min 'and ensures a l.uftdrucksatz of 100l / kgh standard air.

Fermentiert wurde bei einer durchschnittlichen Durchflußrate von 0,83 h"' (nmax = 1,63 h~') und einer Substratrestkonzentration von 0,9-1,1, g/kg (K, = 2,2g/l).Fermenting was carried out at an average flow rate of 0.83 h "'(n max = 1.63 h ~') and a substrate residual concentration of 0.9-1.1 g / kg (K, = 2.2 g / l).

Da es bei Prozeßstörungen zu Schwankungen bei der Kohlenstoffsubstratauszehrung kommen kann, wurde über dieSince it can lead to fluctuations in the carbon substrate consumption in process disturbances, was on the

Dosierpumpen die Verweilzeit gesteuert. Des weiteren sind Stickstofflimitationen möglich, die durch Steuerung derMetering pumps controlled the residence time. Furthermore, nitrogen imitations are possible by controlling the

Stickstoffsubstratdosierung schnell überwunden werden müssen.Nitrogen substrate dosing must be overcome quickly.

Es wurden folgende Prozeßgrößen durch das System ständig erfaßt und verarbeitet Lvw. überwacht: Temperatur,The following process variables were constantly detected by the system and processed Lvw. monitors: temperature,

Rührerdrehzahl, Luftmenge, Masse; pH-Wert, Gelöstsauerstoffkonzentration und Biomassekonzentration im Fermentor,Stirrer speed, air quantity, mass; pH value, dissolved oxygen concentration and biomass concentration in the fermentor,

CO2- und O2-Gehalt der Abluft, Durchflußmenge der Kohlenstoffsubstrat-, Stickstoffsubstrat- und Laugenpumpe. Des weiteren gingen als off-line-Analysenwerte der gravimetrisch bestimmte BTS-Wert, die Glukose-, Phosphor- und Stickstoffkonzentration im Fermentor sowie die in der Wissensbasis III integrierte Kohlenstoff-, Stickstoff- und Sauerstoffbilanz in die Bestimmung der optimalen Steuerung sin.CO 2 - and O 2 content of the exhaust air, flow rate of the carbon substrate, nitrogen substrate and drain pump. Furthermore, as off-line analysis values, the gravimetrically determined BTS value, the glucose, phosphorus and nitrogen concentration in the fermentor and the carbon, nitrogen and oxygen balance integrated in the knowledge base III were used to determine the optimum control.

Die Wissensbasis-Ill zur Bestimmung der optimalen Steuerung erhielt ständig die Ergebnisse der Modellsimulation, wobei ein gewöhnliches dreidimensionales Differentialgleichungssystem verwendet (vgl. BLEY, Th. et al. stud, biophys. 78 [1980111)The knowledge base for determining the optimal control was constantly receiving the results of the model simulation using a standard three-dimensional system of differential equations (see BLEY, Th. Et al., Stud, biophys., 78 [1980111]).

wurde und die Meldungen der Situationserkennung.was and the messages of the situation detection.

Die Parameter des Gaußfilters waren:The parameters of the Gaussian filter were:

R = 10 H = 3 Z = 3 V = 7R = 10 H = 3 Z = 3 V = 7

Die Parameter für den unscharfen Schwerpunktklassifikator lauten: B = 0,5 D - 2 F = 0,6The parameters for the fuzzy centroid classifier are: B = 0.5 D - 2 F = 0.6

Folgende Prozeßkennziffern wurden erreicht:The following process codes were achieved:

Produktivität: r„ = 10,95g/kghProductivity: r "= 10,95g / kgh

Ertragskoeffizient·. Yx/S = 0,45 g/g· Yield coefficient. Y x / S = 0.45 g / g

Biomassekonzentration: X = 13,14g/lBiomass concentration: X = 13.14g / l

Substratrestkonzentration: S, = 0,8g/lSubstrate concentration: S, = 0.8g / l

Claims (11)

1. Verfahren zur automatischen Steuerung von Prozessen der biotechnischen Stoffwandlung durch kontinuierliche oder teilweise kontinuierliche Züchtung von natürlich vorkommenden oder genetisch manipulierten Zellen auf allen verwertbaren C- und Energiequellen, dadurch gekennzeichnet, daß ein wissensbasiertes (d. h. auf Elementen der künstlichen Intelligenz beruhendes) on-line-Steuerungssystem, das in parallel arbeitenden Echtzeit- und Dialog-/ Beratungsmodulen mit jeweils spezifischem Aufgabenspektrum strukturiert ist und drei Wissensbasen (bzw. relativ selbständige Komponenten einer Wissensbasis) umfaßt, wobei die Wissensbasis-I als übergeordnete dynamische Wissensbasis die Kommunikationsbasis der beiden Module bildet und das deklarative Wissen zur Charakterisierung aller Prozeßgrößen und des aktuellen Prozeßzustandes aufnimmt, die Wissens- (Regel-) basis-ll die Regeln und Fakten zur Störungserkennung und -Ursachenlokalisierung enthält und die Wissens- (Regel-) basis-Ill unter Verwendung algorithmischer Software (Situationserkennung, Modellsimulation) zur Bestimmung des optimalen Steuervektors dient, zuverlässig Prozeßzustandsänderungen erkennt und flexibel im Sinne einer optimalen Prozeßführung auf diese reagiert bzw. die optimale Periodendauer bei Prozessen mit zyklisch angesteuerten Führungsgrößen bestimmt.A method for automatically controlling biotechnical material conversion processes by continuous or partially continuous growth of naturally occurring or genetically engineered cells on all usable C and energy sources, characterized in that a knowledge-based (ie based on elements of artificial intelligence) on-line Control system, which is structured in parallel real-time and dialog / consulting modules, each with a specific task spectrum and comprises three knowledge bases (or relatively independent components of a knowledge base), the knowledge base I as a superordinate dynamic knowledge base forms the communication basis of the two modules and the declarative knowledge for the characterization of all process variables and the current process state takes, the knowledge (rule) base-ll contains the rules and facts for fault detection and -Ursachenlokalisierung and the knowledge (rule) base ill un ter use of algorithmic software (situation detection, model simulation) to determine the optimal control vector is used, reliably detects process state changes and reacts flexibly in terms of optimal process management on this or determines the optimal period in processes with cyclically controlled command values. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Echtzeitmodul folgender Funktionen:2. The method according to claim 1, characterized by a real-time module of the following functions: - schnelle Datenerfassung und gegebenenfalls Primärdatenverarbeitung,- fast data acquisition and, if necessary, primary data processing, - Anzeige und Speicherung der Daten (Meßwerte, Regelgrößen),- Display and storage of data (measured values, controlled variables), - Störungserkennung und -Ursachenbestimmung auf der Grundlage der entsprechenden Wissensbasis (II),- Disruption detection and determination on the basis of the appropriate knowledge base (II), - Bestimmung der optimalen Steuerung auf der Grundlage der speziellen Wissensbasis (III), wobei durch die erfindungsgemäße Gestaltung dieser Wissensbasis sowohl die epigenetische und metabolische Regulationsebene der Mikroorganismen als auch kurzzeitige Störungen im Fermentationssystem, die unter anderem die Verweilzeit der Mikroorganismen im Fermentor bzw. die Dauer der Phasen im Zeüzyklus beeinflussen können, berücksichtigt werden undDetermination of the optimal control on the basis of the special knowledge base (III), whereby the inventive design of this knowledge base both the epigenetic and metabolic regulatory level of the microorganisms as well as short-term disturbances in the fermentation system, including the residence time of the microorganisms in the fermentor or the duration the phases in the cycle can be taken into account and - Ausgabe des Steuervektors.- Output of the control vector. 3. Verfahren nach Anspruch !,gekennzeichnet durch ein Dialog-/Beratungsmodul folgender Funktionen:3. The method according to claim!, Characterized by a dialogue / advisory module of the following functions: Funktionen ermöglicht bzw. umfaßt:Functions enables or includes: - Eingabe und Speicherung der aktuellen Prozeßdaten (z. B. Sollwerte),- input and storage of the current process data (eg setpoints), - Eingabe von off-line ermittelten Analysenwerten (mit Zeitpunkt der Probennahme),- Input of off-line analysis values (with time of sampling), - Steuereingriffe durch den Operator (zum beliebigen Zeitpunkt), wie Umschalten der Betriebsart, technologisch bedingte Parameteränderungen (z. B. Fördermengen von Pumpen, Sollwerte) und Änderung der Modellparameter bzw. der Kenngrößen der Situationserkennung,- control intervention by the operator (at any time), such as switching of the operating mode, technologically conditioned parameter changes (eg pump delivery rates, setpoint values) and modification of the model parameters or characteristics of the situation recognition, - Ausgabe von Störungsmeldungen mit Angabe der möglichen Fehlerursache(n).- Output of fault messages with indication of the possible cause of the fault (s). - grafische Auswertungen zum Prozeßverlauf,- graphic evaluations of the course of the process, - Beratung bei Änderung des Prozeßzustandes und- Consultation when changing the process state and - Führen eines aktiven Dialogs (Rechneranfrage/Bedienerantwort) im Falle eines durch das Steuerungssystem nicht eindeutig bestimmbaren Prozeß- bzw. Reaktorzustandes.- Conducting an active dialogue (computer request / operator response) in the case of a not definable by the control system process or reactor state. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, ? jdurch gekennzeichnet, daß zur Implementierung der Steuerung ein Multitasking- oder dchtzeitbetriebssystem mit mindestens drei Kanälen oder eine äquivalente hardwareseitige Lösung eingesetzt wird.4. The method according to claim 1 to 3 ,? characterized in that a multitasking or real-time operating system with at least three channels or an equivalent hardware-side solution is used to implement the control. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der gemeinsamen dynamischen Wissensbasis (I) das qualitative und quantitative Wissen zu den einzelnen Prozeßgrößen durch die Definition zusammengesetzter Objekte frameartig strukturiert gespeichert ist, wobei die Framestruktur der zeitlichen Gültigkeit der Informationen Rechnung trägt.5. The method according to claim 1, characterized in that in the common dynamic knowledge base (I) the qualitative and quantitative knowledge of the individual process variables by the definition of composite objects is stored structured frame-like, the frame structure of the temporal validity of the information takes into account. 6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Grundlage einer zweiten spezifischen Wissens- bzw. Regelbasis (II), die das prozedurale Wissen zur Verarbeitung der in der gemeinsamen dynamischen Wissensbasis enthaltenen aktuellen Prozeßinformation (aktueller Meßwertvektor, Prozeßzustand) und technologisch sowie physikalisch/technischen Angaben zu den einzelnen Prozeßgrößen enthält, eine umfassende Störungserkennung und -Ursachenlokalisierung durchgeführt wird.6. The method according to claim 1 and 5, characterized in that on the basis of a second specific knowledge or rule base (II), the procedural knowledge for processing contained in the common dynamic knowledge base current process information (current Meßwertvektor, process state) and contains technological as well as physical / technical information on the individual process variables, a comprehensive malfunction detection and -Ursachenlokalisierung is performed. 7. Verfahren nach Anspruch 1,5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Grundlage einer dritten spezifischen Wissensbasis (III) der optimale Steuervektor automatisch bestimmt bzw. in technologisch-oder störungsbedingten Grenzfällen (nicht eindeutig bestimmbarer Prozeßzustand) dem Operator ein begründeter Vorschlag zur Steuerung offeriert wird, wobei die Bestimmung des optimalen Steuervektors auf der komplexen Bewertung und Interpretation der durch die Situationserkennung und Modellsimulation erhaltenen Aussagen unter Einbeziehung von gesichertem heuristischen Wissen (Erfahrungswissen), das in Form von Regeln gespeichert ist sowie der Auswertung von wichtigen auf den speziellen Prozeß abgestimmten Elementebilanzen biotechnischer Prozesse, wie vor allem Kohlenstoff-, Stickstoff- und Sauerstoffbiianz.7. The method according to claim 1,5 and 6, characterized in that on the basis of a third specific knowledge base (III) determines the optimal control vector automatically or technologically or interference-related borderline cases (not clearly identifiable process state) the operator a reasoned proposal for The determination of the optimal control vector is based on the complex evaluation and interpretation of the statements obtained by the situation recognition and model simulation, including secured heuristic knowledge (empirical knowledge), which is stored in the form of rules and the evaluation of important to the specific process coordinated elemental biotechnical processes, such as carbon, nitrogen and oxygen biofuel. 8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Simulationsrechnungen zur Bestimmung der optimalen Steuerung als Modelle strukturierte Modelle, vorzugsweise Zustandsmodelle, eingesetzt werden, die die Dynamik einer Mikroorganismenpopulation speziell in der epigenetischen Reguldtionsebene ausreichend beschreiben und die Aussagen der Modellberechnung von der entsprechenden Wissensbasis (III) in Abhängigkeit vom Alter des Ergebnisses gewichtet in die Entscheidungsfindung einbezjgen werden.8. The method according to claim 1 to 7, characterized in that in simulations for determining the optimal control as models structured models, preferably state models, are used, which describe the dynamics of a microorganism population especially in the epigenetic Reguldtionsebene sufficient and the statements of the model calculation of the according to the age of the result weighted in the decision making. 9. Verfahren nach Anspnch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als lernfähige Elemente (Teilsysteme) der Situationserkennung ein Prognosefilter und ein Klassifikator zur Anwendung kommen, wobei zum Erreichen eines kontinuierlichen Bewertungsspektrums der Aussagequalität (-sicherheit) dieser Teilsysteme neben der eigentlichen Ja-/Nein-Entscheidung bezüglich Zustandsänderungen des Prozesses eine weitere, diese Entscheidung bewertende Größe in die Entscheidungsfindung einbezogen wird.9. The method according to Anspnch 1 to 8, characterized in that as learning elements (subsystems) of the situation detection a prognosis filter and a classifier are used, wherein to achieve a continuous evaluation spectrum of statement quality (-safety) of these subsystems in addition to the actual yes / No decision regarding state changes of the process, a further variable evaluating this decision is included in the decision making process. 10. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Prognosefilter ein Gaußfilter (vgl. /1 /, 121) eingesetzt wird, wobei der jeweils aktuelle Wert des Quotienten <Q> als die Entscheidung des Gaußfilters bewertende Größe fungiert.10. The method according to claim 10, characterized in that a Gaussian filter (cf., / 1 /, 121) is used as a prognosis filter, wherein the respective current value of the quotient <Q> acts as the decision of the Gaussian filter evaluating size. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als lernfähiger Klassifikator ein Schwerpunktklassifikator (auf der Grundlage der Fuzzy-Theorie nach Zadeh) eingesetzt wird, wobei als die Entscheidung des Klassifikators bewertende Größe die aktuelle Differenz der entsprechenden Klassenzugehörigkeitswerte <Yd> in die Entscheidungsfindung einbezogen wird. Der Wert <Yd> wird nach folgender Beziehung bestimmt:11. The method according to claim 10, characterized in that a focal classifier (based on the fuzzy theory by Zadeh) is used as an adaptive classifier, wherein as the decision of the classifier evaluating size the current difference of the corresponding class membership values <Yd> in the decision making is included. The value <Yd> is determined according to the following relationship:
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