Adv Biochem Eng Biotechnol (2021) 177: 63–94
https://doi.org/10.1007/10_2020_151
© Springer Nature Switzerland AG 2020
Published online: 20 November 2020
Digital Twins for Bioprocess Control
Strategy Development and Realisation
Christian Appl, André Moser, Frank Baganz, and Volker C. Hass
Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2 Advanced Bioprocess Control Development, Realisation and Optimisation Using
Digital Twins . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 66
2.1 General Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.2 Design of Digital Twins as Control Strategy Development Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.3 Control Strategies for Bioprocesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.4 Digital Twin Based Development, Realisation and Optimisation of Control Strategies
for Bioprocesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3 Digital Twins as Training and Educational Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4 Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1 Digital Twin “SSF-BC-Simulator” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 77
4.2 Digital Twin Based Development of Control Strategies for the Cultivation
of S. cerevisiae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5 Conclusion and Future Perspectives . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . 89
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
C. Appl and V. C. Hass (*)
Faculty of Medical and Life Sciences, Furtwangen University, Villingen-Schwenningen,
Germany
Department of Biochemical Engineering, University College London, London, UK
e-mail: Christian.Bernhard.Appl@hs-furtwangen.de; christian.appl.18@ucl.ac.uk;
Volker.Hass@hs-furtwangen.de; v.hass@ucl.ac.uk
A. Moser
Faculty of Medical and Life Sciences, Furtwangen University, Villingen-Schwenningen,
Germany
e-mail: Andre.Moser@hs-furtwangen.de
F. Baganz
Department of Biochemical Engineering, University College London, London, UK
e-mail: f.baganz@ucl.ac.uk
https://doi.org/10.1007/10_2020_151
© Springer Nature Switzerland AG 2020
Published online: 20 November 2020
Digital Twins for Bioprocess Control
Strategy Development and Realisation
Christian Appl, André Moser, Frank Baganz, and Volker C. Hass
Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2 Advanced Bioprocess Control Development, Realisation and Optimisation Using
Digital Twins . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 66
2.1 General Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.2 Design of Digital Twins as Control Strategy Development Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.3 Control Strategies for Bioprocesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.4 Digital Twin Based Development, Realisation and Optimisation of Control Strategies
for Bioprocesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3 Digital Twins as Training and Educational Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4 Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1 Digital Twin “SSF-BC-Simulator” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 77
4.2 Digital Twin Based Development of Control Strategies for the Cultivation
of S. cerevisiae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5 Conclusion and Future Perspectives . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . 89
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
C. Appl and V. C. Hass (*)
Faculty of Medical and Life Sciences, Furtwangen University, Villingen-Schwenningen,
Germany
Department of Biochemical Engineering, University College London, London, UK
e-mail: Christian.Bernhard.Appl@hs-furtwangen.de; christian.appl.18@ucl.ac.uk;
Volker.Hass@hs-furtwangen.de; v.hass@ucl.ac.uk
A. Moser
Faculty of Medical and Life Sciences, Furtwangen University, Villingen-Schwenningen,
Germany
e-mail: Andre.Moser@hs-furtwangen.de
F. Baganz
Department of Biochemical Engineering, University College London, London, UK
e-mail: f.baganz@ucl.ac.uk