Soft-Sensor-Highlights
- Was ist ein Softsensor („Software-Sensor“ oder „Softsensor“), und wie grenzt er sich von einem Hardware-Sensor ab?
- Wo können Sie Soft-Sensoren in der industriellen Bioprozessierung einsetzen?
- Wie können Sie die Biomassekonzentration in Bioprozessen mithilfe von Soft-Sensoren messen?
- Wie beginnen Sie mit Soft-Sensoren in Ihrem Bioprozessierungslabor oder Ihrer Produktionsstätte?
- So führen Sie Soft-Sensoren in Werum aus PAS-X Savvy
Vorteile von Soft-Sensoren
- Soft-Sensoren holen das Beste aus Ihren Daten und Signalen heraus, die Sie bereits in Ihrem Bioprozess erfasst haben
- Führen Sie Echtzeitanalysen, -überwachung und -steuerung durch
- Zuverlässige Berechnung von Parametern, für die kein Hardware-Sensor verfügbar ist
- Reduzierung von Anschaffungs- und Wartungskosten
- Verringerung des Kontaminationsrisikos des Bioreaktors
Sie sind ein Bioprocess-Experte; Sie hören und lesen häufig über „Soft Sensors“ und haben das Gefühl, Sie sollten bereits darüber Bescheid wissen? Aber Sie fragen sich weiterhin, was die Leute mit Soft Sensors in ihren abgeschlossenen Laboren und Produktionsanlagen machen? Herzlichen Glückwunsch, dieser Beitrag ist für Sie!
Definition von Soft Sensors
Die Arbeitsgruppe Measurement, Monitoring, Modelling, and Control (M3C) der ESBES, erklärt den Ursprung des Namens Soft Sensors:
„Der Begriff kombiniert die Wörter ‚Software', weil die Modelle zur Auswertung von Sensorsignalen üblicherweise in Computerprogrammen implementiert werden, und ‚Sensors', weil diese Modelle Informationen ähnlich wie Hardware-Sensoren liefern“.
Der Schlüssel hier ist „ähnlich wie Hardware-Sensoren“. Das unterscheidet diese Definition von einer, die fast jede Form von Berechnung beschreiben könnte, die mit Sensordaten durchgeführt wird. Ein Soft Sensor erzeugt ein neues, einem Hardware-Sensor ähnliches Signal. Das Signal wird jedoch von einer Software anstelle eines Hardware-Sensors erzeugt. Wie jedes andere Messsignal wird das Soft-Sensor-Signal zur Analyse, Überwachung und/oder Steuerung Ihrer Bioprozesse verwendet.
Sie können zwischen einem Soft-Sensor und einer Standardberechnung von Sensordaten unterscheiden, indem Sie sich die Frage stellen: „Handelt es sich hierbei um eine neue Hardware-Sensor-ähnliche Messung oder nur um eine Verfeinerung eines Signals, das ich bereits verwende?“
An diesem Punkt fragen Sie sich trotz dieser Definition und Erklärung wahrscheinlich immer noch, was genau ein Soft-Sensor ist. In mikrobiellen Bioprozessen messen Sie die Biomassekonzentration, um Prozessereignisse (z. B. Induktion) einzuleiten und, gemäß Best Practices für die Analyse von Bioprozessdaten, Verarbeitungstrends zu identifizieren. Sie können die Biomassekonzentration messen, indem Sie Ihren Bioreaktor beproben, Ihre Probe zentrifugieren und das Biomassetrockengewicht gravimetrisch messen. Sie können die Biomassetrockengewichtskonzentration auch durch Inline-Sensoren auf Basis von Rückstreuung oder dielektrischer Spektroskopie (Permittivität) abschätzen. Aber was können Sie tun, wenn Ihr Budget die Anschaffung nicht abdeckt?
Ein Soft-Sensor zur Messung der Biomassekonzentration
Sie können die Biomassekonzentration mit einem Soft-Sensor auf Basis der Abgasmessung messen. Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass dies nicht-invasiv ist und keinen zusätzlichen Anschluss an Ihrem Bioreaktor erfordert. Um die Biomassekonzentrationen aus den CO2- und O2-Messungen Ihres Abgasanalysators vorherzusagen, benötigen Sie einen mikrobiellen Soft-Sensor. Der mikrobielle Soft-Sensor verwendet Daten aus der Abgasanalyse, Massendurchflussreglern und Zufuhrraten, um die Biomassekonzentration zu berechnen. Basierend auf Parametern wie der Biomassezusammensetzung, die einer Wirts-Stöchiometrie-Bibliothek entnommen werden, berechnet der Soft-Sensor die Biomassekonzentrationen, spezifischen Raten und Ausbeutekoeffizienten als Ausgaben. Der angewandte Algorithmus für die Schätzung basiert auf einem Gleichungssystem unter Verwendung mehrerer Bilanzen; für weitere Details Wechselberger et al.
Der Soft-Sensor liefert ein Biomassesignal in Echtzeit sowie Umsatzraten
Die Ausgabe eines mikrobiellen Soft-Sensors ist die Biomassekonzentration, die in Echtzeit in einem Intervall von 2 Minuten vorhergesagt wird. Neben dem Biomassetrockengewicht liefert der mikrobielle Soft-Sensor volumetrische Umsatzraten (Sauerstoffaufnahmeraten, Kohlendioxidbildungsraten, Substrataufnahmeraten, Biomassebildungsraten) und entsprechende spezifische Raten (spezifische Wachstumsrate, spezifische Substrataufnahmerate usw.). Sie können die Umsatzraten verwenden, um den Fortschritt Ihres Prozesses in Echtzeit zu überwachen und Prozessereignisse zu initiieren. Selbstverständlich können Sie, wie bei normalen Hardware-Sensormessungen, alle Signale für Regelkreise verwenden, beispielsweise zur Steuerung der spezifischen Wachstumsrate oder einer Golden-Batch-Trajektorie.
Um Soft-Sensors auf historischen Daten für Analysen auszuführen, benötigen Sie eine moderne Bioprozess-Analysesoftware wie Werum PAS-X Savvy.
Soft-Sensor für viele Organismen
Mikrobielle Soft-Sensoren von Werum PAS-X Savvy sind für Prozesse in den gängigsten Produktionswirten wie E. coli oder P. Pastoris anwendbar und werden kontinuierlich erweitert.
Betriebsmodus des Soft-Sensors
Sie können den mikrobiellen Soft-Sensor in einem Bereich zwischen 8 und 80 g/l Biomassetrockengewicht verwenden, was 32 bis 320 g/l Biomassefeuchtgewicht entspricht. Dies deckt den gesamten Biomassebereich mikrobieller Fed-Batch-Prozesse ab. Der Fehler, den Sie hier erwarten können, liegt bei etwa 5 bis 10 % ohne vorherige Kalibrierung. Sie können den Fehler reduzieren, indem Sie eine Kalibrierung auf Ihren spezifischen Prozess durchführen.
Soft-Sensor-Kalibrierung
Es besteht keine Verpflichtung, den Software-Sensor zu kalibrieren. Sie können jedoch die Genauigkeit verbessern, indem Sie eine Kalibrierung auf OD- oder Trockenzellgewichtsmessungen durchführen.
Vorteile von Soft-Sensoren
Vielleicht wichtiger als zu verstehen, wie die Algorithmen der Soft-Sensoren funktionieren, ist die Frage, warum Soft-Sensoren für Ihr Labor oder Ihre Produktionsanlage unverzichtbar sind. Traditionelle Hardware-Sensoren sind hervorragend, wenn es um die Erzeugung hochwertiger Daten geht. Heute umfasst die modernste Bioreaktor-Instrumentierung pH-Wert, gelösten Sauerstoff, Temperatur, Quantifizierung von Zuführungen und Abgasanalyse. Dieser Fortschritt in der robusten Sensortechnologie in den letzten Jahren war die Grundlage für den weltweiten Erfolg von Soft-Sensoren.
Zusammenfassung Soft-Sensoren
Einfach ausgedrückt: Soft-Sensoren holen das Beste aus Ihren Daten und Signalen heraus, die Sie bereits in Ihrem Bioprozess erfasst haben. Anstatt immer mehr Hardware zu kaufen, sollten Sie sich dafür entscheiden, so viele Soft-Sensoren wie möglich zu nutzen, die mit Ihren vorhandenen Sensoren und Ihrem Bioreaktor verbunden sind. Durch den Einsatz von Soft-Sensoren profitieren Sie durch:
- Führen Sie Echtzeitanalysen, -überwachung und -steuerung durch
- Zuverlässige Berechnung von Parametern, für die kein Hardware-Sensor verfügbar ist
- Reduzierung von Anschaffungs- und Wartungskosten
- Verringerung des Kontaminationsrisikos des Bioreaktors
Ergreifen Sie jetzt Maßnahmen durch die Verwendung von Werum PAS-X Savvy um Ihren Bioprozess mit der nächsten Generation intelligenter Soft-Sensoren zu analysieren, zu überwachen und zu steuern.
