TU Graz entwickelt KI für schnellere Bioreaktor-Simulationen

Großindustrielle Bioreaktoren zu steuern, gehört zu den anspruchsvollsten Aufgaben der Prozessindustrie. Schon minimale Abweichungen bei Temperatur, pH-Wert oder Sauerstoff können über Erfolg oder Misserfolg entscheiden. Ein Team der TU Graz um Stefan Radl vom Institut für Prozess- und Partikeltechnik hat nun die Software-Toolbox CLARA entwickelt, die Abläufe in solchen Reaktoren 10.000-mal schneller simuliert als bisherige Methoden.

Die Berechnungen bleiben dabei so exakt, dass sie sich direkt zur Steuerung großer Anlagen nutzen lassen – etwa in der Fermentation, bei der energetischen Biomassenutzung oder in der Polymerproduktion. Vorgestellt wurde die Lösung in der Fachzeitschrift Chemical Engineering Science. Finanziert wurde das Projekt im Rahmen des TU Graz-Leadprojekts DigiBioTech.

KI gruppiert Millionen Datenpunkte automatisch

CLARA steht für CLustering AlgoRithm Austria und automatisiert die Erstellung sogenannter Modelle reduzierter Ordnung (Reduced Order Models, ROM). Dazu nutzt die Software unüberwachtes maschinelles Lernen. Millionen von Datenpunkten aus kürzeren CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) werden automatisch in fünf bis 50 verbundene Zonen, sogenannte Kompartments, gruppiert.

„Bisher kamen vor allem CFD-Simulationen zum Einsatz“, erklärt Radl. „Die sind zwar sehr genau, aber extrem rechenintensiv: Simulationen, die reale Prozesse über Tage oder Wochen abbilden, würden eventuell Monate zur Berechnung benötigen.“ Was früher manuell und mit hohem Expertenaufwand erfolgen musste, läuft nun automatisiert und mathematisch präzise ab.

Physikalische Effekte bleiben erhalten

Trotz der drastischen Beschleunigung bleiben wichtige physikalische Effekte erhalten. Totzonen mit unzureichender Durchmischung oder Bereiche mit hohen Scherkräften lassen sich weiterhin zuverlässig berücksichtigen. Auch der Stoffaustausch zwischen Gas- und Flüssigphasen wird realitätsnah abgebildet – ein entscheidender Faktor für biotechnologische Prozesse.

Besonderes Augenmerk legten die Forschenden auf die physikalische Konsistenz. Vereinfachte Modelle leiden oft unter Ungenauigkeiten in der Massenbilanz, speziell bei großen Maßstäben. Das Team entwickelte daher Algorithmen zur Optimierung von ROMs, die eine durchgehende Massenerhaltung gewährleisten. Erste Validierungen anhand analytischer Benchmarks und detaillierter CFD-Daten bestätigen die hohe Genauigkeit.

Open Source und bereits im Einsatz

„Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von Reaktoren zur CO2-Bindung bis hin zu Prozessen bei der Fertigung von Batteriezellen“, sagt Radl. Besonders großes Potenzial biete die Technologie für digitale Zwillinge, die Prozesse in Echtzeit abbilden und optimieren können.

CLARA steht als Open-Source-Tool in einem öffentlichen Repository zur Verfügung. Alle getesteten Features sind enthalten, neue Entwicklungen werden nach und nach überführt. Bereits im Einsatz ist die Software im Rahmen einer Dissertation am COMET-Zentrum BEST und beim TU Graz-Spin-off SimVantage.

An der Entwicklung beteiligt waren Michael Mitterlindner, Maximilian Graber, Regina Kratzer, Markus Reichhartinger und Stefan Radl. Die Publikation erschien unter dem Titel „Compartment Modelling of Multiphase Reactors using Unsupervised Clustering“ in der Fachzeitschrift Chemical Engineering Science.

Quelle: https://www.tugraz.at/news/artikel/bioreaktoren-ki-tool-clara