SMARTOPTION: Smart Yeast Filtration - Selbstoptimierende Prozessautomatisierung einer dynamischen Mikrofiltration mit KI-Unterstützung zur wirtschaftlichen Rückgewinnung von Hefe-Nebenstoffströmungen in Brauereien

Mit der Rückgewinnung von Bier durch Filtration von Überschusshefe werden im Brauprozess Rohstoffe und Energie eingespart, Lebensmittelabfälle vermieden und die Wirtschaftlichkeit verbessert. Gleichzeitig erhöht sich die Qualität und Konzentration der Überschusshefe als Sekundärprodukt. Die Bierrückgewinnung stellt einen für die Lebensmittelindustrie typischen Prozess der Verarbeitung kontinuierlicher Ströme von Rohstoffen veränderlicher Qualität dar, die automatisierungstechnisch bisher nur bedingt beherrscht werden.

Die Rotoramic-Anlage der GEA beruhen auf einem innovativen dynamischen Filtrationsverfahren mit rotierenden keramischen Membranen. Sie weisen aufgrund niedrigerer Betriebsdrücke einen gegenüber konventionellen Crossflow-Membranfiltrationsanlagen geringeren Energiebedarf auf und können besser skaliert werden, sodass dieser technisch sehr aufwendige Filtrationsprozess von Hefen nicht nur bei großen, sondern auch bei mittleren und kleinen Brauereien wirtschaftlich beherrschbar wird. Da sich die Brauwirtschaft in Deutschland durch einen vergleichsweise großen Anteil kleiner und mittlerer Brauereien auszeichnet (ca. 66% klein- und 32% mittelständischen Produktionsstätten mit einem Produktionsanteil von etwa 30% der insgesamt 93,5 Mio. hl/Jahr), kann mit dieser innovativen Technik ein signifikanter Beitrag zur Ressourcenschonung, insbesondere landwirtschaftlicher Rohstoffe geleistet werden.

Für den effizienten und kontinuierlichen Betrieb der Rotoramic-Anlagen müssen die Filtrat- und Retentatabströme sowie der Unfiltratzustrom und dessen Konzentration automatisiert eingestellt werden, wobei im Brauprozess eine zunächst in Quantität und Qualität veränderliche, unbekannte Unfiltratsuspension vorliegt. Die bisherige konventionelle Prozessgestaltung und -führung sowie das Prozessmonitoring erlauben nicht, das erreichbare und für die wirtschaftliche Umsetzung in kleineren Betrieben notwendige Potenzial der Technik auszuschöpfen. Dies betrifft unter anderem den mittleren Filtratvolumenstrom (Flux), die Energiekosten, die Standzeit bis zum Reinigungszyklus oder die bisher nicht vollständig kontinuierliche Betriebsweise aufgrund von Rückspülungen.

Ziel des beantragten Vorhabens ist, die Optimierung des Prozesses und der Prozessautomatisierung der Rotoramic-Anlagen mit den Methoden der Industrie 4.0, um
● eine möglichst hohe Ausbeute und Qualität des zurückgewonnenen Bieres,
● eine hohe Stand- und Lebenszeit der Membranen und
● einen möglichst energie- und ressourcenschonenden Betrieb zu erreichen.
Neben den wirtschaftlichen Vorteilen einer verbesserten Produktion erlaubt die Digitalisierung eine durchgehende Qualitätskontrolle und schließt so Sicherheitslücken im Verbraucherschutz. Die im Projekt zu entwickelnden technologischen Ansätze sind methodisch auf ähnliche, komplexe Prozesse der Lebensmittelindustrie (Fest-Flüssig-Trennverfahren, Produktentgasung, Erhitzungsverfahren zur Entkeimung) übertragbar und es kann als “Best-Practice”-Beispiel gezeigt werden, wie derartige Prozesse mittels Industrie 4.0 besser beherrschbar und ressourceneffizienter zu gestalten sind.