Steuerung von Populationsmodellen

Im Fokus des DFG geförderten Projektes steht der Entwurf von Steuerungen auf der Basis von Ein-Ausgangs-Modellen für Populationsmodelle. Dabei wird insbesondere der Einfluss von Eigenkonkurrenz auf die Population untersucht. Außerdem werden Optimalsteuerungen entworfen zu Validierung der entwickelten Verfahren.

Hintergrund

Mikroorganismen werden in großtechnischen Anlagen für die kommerzielle Herstellung von Produkten oder Medikamenten, wie zum Beispiel Hefe oder Insulin, genutzt. Besonders relevant für die Menge an Produkt, das gewonnen werden kann, ist die Altersstruktur der Population der Mikroorganismen. Um diese Altersstruktur der Population mathematisch zu beschreiben werden partielle Differentialgleichungen verwendet.

Der realistischste laboratorische Aufbau um die Natur nachzubilden und damit die Populationdynamik zu beobachten ist der Chemostat-Reaktor.  Der Reaktor enthält die Biomasse, das heißt Mikroorgansimen und Nährlösung. Die zweitere wird durch einen Schlauch sowohl in als auch aus dem Reaktor gepumpt. Dadurch wird das Volumen konstant gehalten. Die Zirkulation spiegelt den kontinuierlichen Umsatz von Nährstoffen in der Natur wieder. Normalerweise würde die Verstoffwechselung von dem Substrat dazuführen, dass sich die Lebensbedingungen im Reaktor ändern. Diese werden jedoch durch unterlagerte Regelkreise konstant gehalten, sodass die einzige Variable, die das Wachstum der Population beeinflusst, die Konzentration des Substrats im Reaktor ist.  Diese wird über den Pumpenstrom eingestellt, der proportional zur Verdünnungsrate ist.

 

Fokus: Konkurrierende Populationen

In der aktuellen Förderphase steht die Betrachtung zweier konkurrierender Populationen im Fokus. Es wird das offene Forschungsfeld der altersstrukturierten Populationsmodelle mit intra- und interspezifischen Konkurrenz und zeitvarianten Eingängen mit den Anwendungsgebieten der Kläranlage oder Bioreaktoren für die Proteinsynthese verknüpft und somit ein Beitrag zur Systemanalyse und bei der Entwicklung von Regelungsstrategien für diese Anwendungsgebiete geleistet.

Fördermittel

Die Finanzierung wird von der DFG bereitgestellt.

Kontakt

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Carina Veil

Dr.-Ing.

Gruppenleitung Medizintechnik

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