Mathematische Analyse eines biotechnologischen Prozesses am Beispiel der Fermentation von Streptococcus thermophilus als Starterkultur

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Der industrielle Prozess zur Kultivierung von Streptococcus thermophilus als Starterkultur in der Milchindustrie ist geprägt von traditionellen Methoden und manueller Steuerung. Um moderne Ansätze der Prozessentwicklung anwenden zu können, ist ein mathematisches Modell erforderlich. Die Analyse des Kultivationsprozesses zeigt, dass die Dynamik durch die Keimzahl, die Konzentration des Substrats Lactose und des Produkts Lactat bestimmt wird. Das Modell basiert auf Differentialgleichungen, die diese Systemzustände beschreiben. Ein zentrales Qualitätsmerkmal der Starterkultur ist die Säuerungsaktivität, die mathematisch in Abhängigkeit von der Lactatproduktionsrate integriert wird. Die Parameteridentifikation erfolgt durch einen Hybrid aus Genetischem Algorithmus und Downhill-Simplex, der robust und automatisiert die Parameterschätzung trotz Nichtlinearitäten, Messrauschen und Parameterkorrelationen löst. Die Modellstruktur ist anpassbar für verschiedene Prozessparameter, andere Stämme von Streptococcus thermophilus und Fed-Batch-Experimente. Die Parameterschätzmethode liefert zuverlässige Ergebnisse, ohne dass eine Anpassung des Algorithmus notwendig ist. In Kombination mit der Parameterschätzmethode ermöglicht das Modell die Anwendung moderner Regelungs- und Optimierungsverfahren in der Herstellung von Streptococcus thermophilus als Starterkultur.