Prozessführung einesbiotechnologischen Prozesses amBeispiel der Fermentation desBakteriums Streptococcusthermophilus

Das Bakterium Streptococcus thermophilus ist ein wichtiger Bestandteil in der Milch verarbeitenden Industrie und wird dort beispielsweise als Starterkultur für die Herstellung von Joghurt und Käse verwendet. Die industrielle Herstellung dieses Bakteriums basiert dabei weitestgehend auf herkömmlichen Produktionsverfahren. Diese Herstellungsprozesse sind jedoch mittelfristig nicht mehr in der Lage, wirtschaftlich zu arbeiten und die gestiegenen Anforderungen an Qualität und Ausbeute zu erfüllen. Aus diesem Grund gewinnt der Einsatz innovativer Prozessführungskonzepte auch in der Lebensmittelindustrie mehr und mehr an Bedeutung. Diese Konzepte müssen gewährleisten, dass in jeder Fermentation eine gleichbleibend hohe Produktqualität und Produktausbeute realisiert werden kann. Die besten Prozessführungskonzepte führen jedoch nicht zu einem zufriedenstellenden Ergebnis, solange keinerlei Informationen über die internen Prozessvorgänge in Echtzeit vorliegen. Die bisher verfügbaren Hardwaresensoren sind nicht in der Lage, die wichtigsten Prozessgrößen, beispielsweise die Keimzahl, das Substrat Laktose und das Produkt Laktat online zu bestimmen. Um diesen Unzulänglichkeiten zu begegnen, wird in der vorliegenden Arbeit der Einsatz von Softwaresensoren untersucht. Als effektivstes Werkzeug hat sich dabei die Methode der Künstlichen Neuronalen Netze herausgestellt. Diese sind in der Lage, die qualitative Entwicklung der gesuchten Zustandsgrößen sehr gut wiederzugeben, wobei online nur die Messgrößen für den pH-Wert und die Leitfähigkeit zur Verfügung stehen. Die mit Hilfe der Softwaresensoren geschätzten Zustandsgrößen dienen als Grundlage für den Einsatz einer Substratregelung. Dabei soll die Konzentration des Substrats über einen vordefinierten Zeitraum hinweg auf einem konstanten Niveau gehalten werden, um eine höhere Qualität des Endprodukts zu erhalten. Um dieses Ziel zu erreichen wird ein modellprädiktiver Regler eingesetzt, der auf einem mathematischen Prozessmodell basiert. DieseMethode überzeugt beim Einsatz im realen Prozess und führt zu einem sehr guten Regelergebnis

The effect of ply folds as manufacturing defect on the fatigue life of CFRP materials

Manufacturing defects are inherent to any manufacturing process. However, in composite materials they might be unavoidable, e.g. ply waviness or even folds of plies are present in complex shaped parts during high pressure resin transfer molding of carbon fiber reinforced polymers. In this work, the effect of the ply folds on the fatigue life of the composite material is investigated. Folds along fiber direction (as they commonly appear during manufacturing) were artificially introduced in unidirectional non crimp fabric plies. The target of this study is the prediction of damage initiation due to this particular type of manufacturing defect. The folds locally increase the fiber volume fraction and also introduce resin rich areas. Fatigue tests in fiber direction and transverse to fiber direction are performed at different load ratios under constant amplitude loading. The influence of the defect geometry on damage initiation and progression is investigated at different scales by non-destructive methods before testing, continuous strain measurement and monitoring the damage progression during testing and fractography analysis after final failure. Most of the time, the first damage was observed at the location of the introduced fold for all considered load cases. However, it was also found, that the folds lead to no significant reduction in fatigue life.&nbsp

Second order analysis of geometric functionals of Boolean models

This paper presents asymptotic covariance formulae and central limit theorems for geometric functionals, including volume, surface area, and all Minkowski functionals and translation invariant Minkowski tensors as prominent examples, of stationary Boolean models. Special focus is put on the anisotropic case. In the (anisotropic) example of aligned rectangles, we provide explicit analytic formulae and compare them with simulation results. We discuss which information about the grain distribution second moments add to the mean values.Comment: Chapter of the forthcoming book "Tensor Valuations and their Applications in Stochastic Geometry and Imaging" in Lecture Notes in Mathematics edited by Markus Kiderlen and Eva B. Vedel Jensen. (The second version mainly resolves minor LaTeX problems.

Minkowski Tensors of Anisotropic Spatial Structure

This article describes the theoretical foundation of and explicit algorithms for a novel approach to morphology and anisotropy analysis of complex spatial structure using tensor-valued Minkowski functionals, the so-called Minkowski tensors. Minkowski tensors are generalisations of the well-known scalar Minkowski functionals and are explicitly sensitive to anisotropic aspects of morphology, relevant for example for elastic moduli or permeability of microstructured materials. Here we derive explicit linear-time algorithms to compute these tensorial measures for three-dimensional shapes. These apply to representations of any object that can be represented by a triangulation of its bounding surface; their application is illustrated for the polyhedral Voronoi cellular complexes of jammed sphere configurations, and for triangulations of a biopolymer fibre network obtained by confocal microscopy. The article further bridges the substantial notational and conceptual gap between the different but equivalent approaches to scalar or tensorial Minkowski functionals in mathematics and in physics, hence making the mathematical measure theoretic method more readily accessible for future application in the physical sciences