Um den Qualitätsrisiken bei manuellen Reinigungsprozessen und der steigenden Herausforderung durch den Fachkräftemangel zu begegnen, entwickelt das Fraunhofer IVV innovative Sensortechnik und digitale Anwendungen für adaptive Reinigungsprozesse.

Automatisierung und Reproduzierbarkeit – mobiler Reinigungsroboter detektiert, reinigt und protokolliert den Sauberkeitszustand von hygienekritischen Bereichen

Das »Exo-MCD« ist ein modularer Reinigungsroboter, der als autonom fahrendes Gerät zur automatisierten Reinigung hygienekritischer Anlagen und Produktionsumgebungen eingesetzt werden kann. Die hochintegrierte Verschmutzungssensorik des »MCD« erfasst automatisch den Verschmutzungsgrad und ermöglicht so eine durchgängige Dokumentation des Reinigungsprozesses. In täglichen Vorführungen in der Robot Arena können sich die Besucherinnen und Besucher hautnah ein Bild von den Potentialen des »Exo-MCD« machen.

Die Reinigung erfolgt durch ein innovatives, um drei Achsen rotierendes Zielstrahlreinigungssystem (AJC). Dessen Weiterentwicklung, der »AJCsens«, wird ebenfalls auf der Messe zu erleben sein. Dieser adaptive, autonom operierende Zielstrahlreiniger ermöglicht mittels hochintegrierter Sensortechnik erstmals ein permanentes Inline Monitoring des Reinigungsprozesses und damit eine hocheffiziente, bedarfsgerechte Reinigung.

Qualitätssicherung – digitale Assistenz für die manuelle Reinigung

Mit der Technologieentwicklung »CleanAssist« gibt das Fraunhofer IVV neue, wegweisende Impulse für die manuelle strahlbasierte Reinigung: Virtuelle Assistenz, Digitaler Zwilling und neuartige Sensortechnik erlauben eine vollständige, vollautomatisierte Dokumentation der Reinigung sowie eine schnelle, aufwandsarme Qualifikation des Reinigungspersonals.

Die Reinigungslanze verfügt über Trackingsensoren, mit denen sowohl die Reinigungsleistung als auch beispielsweise Sprühschatten visualisiert werden. Ein Digitaler Zwilling überträgt den Reinigungsfortschritt in die Reinigungsumgebung und zeigt den realen Reinigungsfortschritt in Quasi-Echtzeit auf Endgeräten wie z. B. Tablet oder AR-Brille an. Dadurch werden dem Bedienpersonal vergessene oder unter- bzw. überreinigte Bereiche visualisiert und gehören so der Vergangenheit an.

Verschmutzungsdetektion – Inline-Verschmutzungssensorik für einen bedarfsgerechten Reinigungsprozess

Ziel der Forschungsarbeit des Fraunhofer IVV im Bereich der Verschmutzungssensorik ist die Bereitstellung von leistungsfähigen Technologielösungen für den Paradigmenwechsel hin zu einer wirklich bedarfsgerechten Prozessführung. Dabei geht es nicht nur darum, Reinigungsressourcen einzusparen. Durch die stetig anspruchsvolleren Herausforderungen, die aus der steigenden Vielfalt an Produkten und den damit einhergehenden häufigen Umrüst- und Reinigungsvorgängen resultieren, ist vor allem der Gewinn zusätzlicher Produktionszeit von großer Bedeutung. Dafür präsentieren wir auf der Interclean 2024 zwei Sensorlösungen aus der CoControl-Reihe: »LumiHD« und »QCM«.

»CoControl-LumiHD« ist ein ultra-kompakter und gleichzeitig enorm leistungsstarker optischer Verschmutzungssensor für sowohl filmische als auch partikuläre Verschmutzungen. Als hybrides System wertet der Sensor für die Verschmutzungsdetektion sowohl Informationen unter UV- als auch Weißlichtanregung aus. Durch diese innovative Kombination von Fluoreszenzeigenschaften mit charakteristischen optischen Merkmalen, ist eine zuverlässige Detektion von einer bisher nicht erreichbaren Bandbreite an unterschiedlichen Verschmutzungsarten und -zuständen kontaktlos und großflächig möglich. Selbst nicht-fluoreszierende Rückstände, wie eingebrannte Lebensmittel, können erkannt werden. Durch seine Ausführung im Hygienic Design und mittels eines universellen, hygienegerechten Anschlusses kann das Sensorsystem aufwandsarm in den Reinigungsprozess integriert werden. Damit ist eine durchgehende, automatisierte Inline-Kontrolle und Dokumentation der Reinigung und des Verschmutzungszustands möglich.

»CoControl-QCM« ist eine innovative Sensorlösung zur zuverlässigen Detektion von Verschmutzungen in Wandbereichen von geschlossenen Systemen wie Rohrleitungen oder Tanks. Der auf dem piezoelektrischen Effekt basierende Dickenscherschwinger erhebt Informationen zur Schmutzschicht anhand von spezifischen Änderungen des Schwingverhaltens. Mithilfe eines speziellen Auswertungsalgorithmus kann dann das Erreichen des Reinigungsziels signalisiert werden. Damit ist es erstmalig möglich, den Verschmutzungszustand direkt während der Fouling- und Reinigungsprozesse zu messen und daraus verlässliche Rückschlüsse auf den tatsächlichen Reinigungsbedarf und Reinigungserfolg zu ziehen, anstatt nur indirekt über die Auswertung des Reinigungsfluids. Auch diese kleine, kompakte Sensorlösung kann mit geringem Aufwand hygienisch in bestehende Systeme nachgerüstet werden.

Prof. Eisner studierte an der TU München Verfahrenstechnik, machte 1991 dort seinen Abschluss und promovierte 1997. Nach Abschluss der Habilitation wurde er 2014 Privatdozent für den Bereich Verfahrenstechnik pflanzlicher Rohstoffe« an der TUM School of Life Sciences und hält seitdem dort für die Studierenden der Lebensmitteltechnologie Vorlesungen zu Allgemeiner Lebensmitteltechnologie und zu Pflanzlichen Proteinen.

1996 begann Prof. Eisner seine Tätigkeit im Fraunhofer IVV in verschiedenen Positionen. 2006 übernahm er die Leitung der Abteilung Verfahrenstechnik. In dieser Funktion arbeitete er maßgeblich an der Etablierung der Lebensmittelentwicklung und an der Konzeption des Lebensmitteltechnikums im Fraunhofer IVV. Seit 2017 ist Prof. Eisner stellvertretender Institutsleiter. In dieser Funktion ist er verantwortlich für den Bereich Technologietransfer. Seine Arbeit zeichnet sich auch durch seine internationale Vernetzung in die Industrie und durch die Akquise großer Forschungsprojekte aus. Beispiele dafür sind das 2013 in Brasilien etablierte Fraunhofer Project Center und die Erforschung neuer Lebensmittelsystem im Rahmen der seit 2021 bestehenden Fraunhofer Innovation Platform (FIP).

Die wissenschaftlichen Arbeiten und Publikationen von Prof. Eisner liegen in der Entwicklung von Verfahren zur Verarbeitung von Proteinpflanzen und Ölsamen und in der Gewinnung, Modifikation und Applikation pflanzlicher Lebensmittelzutaten. Die zeitnahe Überführung seiner Forschungs- und Entwicklungsergebnisse in Innovationen und damit in die Praxis stehen bei ihm stets im Fokus.

Proteindatenbank – schnell und sicher zum passenden Ingredient

Die langjährige Erfahrung in der Entwicklung und im Einsatz von pflanzlichen Proteinen hat das Fraunhofer IVV zum Aufbau einer Proteindatenbank genutzt. Damit ist das Institut in der Lage, Unternehmen dabei zu unterstützen, schnell und treffsicher die passenden pflanzlichen Proteine für ihre Lebensmittelinnovationen auszuwählen und im Anschluss die Entwicklungen entlang der gesamten Prozesskette zu begleiten.

Die Inhalte und Funktionen der Datenbank werden am 28. November um 16 Uhr im Exhibitor Showcase Theatre im Vortrag »Plant-Based Protein Ingredient Database: Empowering Targeted Product Development« erläutert.

Vom Rohstoff bis zum fertigen Lebensmittel

Das Fraunhofer IVV entwickelt aus unterschiedlichsten pflanzlichen Rohstoffen wie Leguminosen, Ölsaaten und Nebenströmen der Lebensmittelindustrie funktionelle Lebensmittelzutaten wie Proteine und Ballaststoffe. Spezifisch für den jeweiligen Rohstoff und maßgeschneidert für jede Anwendung optimiert das Institut nass- und trockentechnische ressourcenschonende Gewinnungsverfahren und Verarbeitungsprozesse im Labor- und Pilotmaßstab im Hinblick auf Zusammensetzung, funktionelle und sensorische Eigenschaften. Hinzu kommt die Charakterisierung der Lebensmittelzutaten hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, funktioneller Eigenschaften, Molekulargewichts-verteilung, Anwesenheit endogener Enzyme und Enzym-Inhibitoren sowie anderer antinutritiver Bestandteile. Zur Herstellung von Lebensmittelzutaten und Produktmustern im Pilotmaßstab steht im Fraunhofer IVV ein Ingredients- und Lebensmitteltechnikum zur Verfügung. Veränderungen der Produkte während der Lagerung können im Fraunhofer IVV direkt vor Ort in Lagertests und durch ein speziell ausgebildetes Sensorikpanel überprüft werden.

Für die individuelle und zielgerichtete Entwicklung und Optimierung von Produkten steht im Fraunhofer IVV ein langjähriges Wissen über das komplexe Zusammenspiel von Rohstoff, Herstellverfahren und Fermentation zur Verfügung. Das Institut entwickelt deshalb auch Milchproduktalternativen auf Basis pflanzlicher Rohstoffe und proteinreicher, funktioneller Zutaten. Dabei wird die Fermentation mittels Milchsäurebakterien für die zielgerichtete Generierung von Produkteigenschaften wie Cremigkeit, Viskositätserhöhung und Gelbildung in Milchproduktalternativen wie veganen Joghurt- und Käsealternativen genutzt.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung von texturierten Lebensmitteln für die Anwendung in Fleisch-, Fisch- und Meeresfruchtalternativen. Das Fraunhofer IVV untersucht insbesondere die Gewinnung von Texturaten unter Verwendung alternativer Proteinzutaten aus Pflanzen, Algen, Pilzen oder Insekten für die Herstellung von innovativen, sicheren und sensorisch attraktiven Fleischalternativprodukten. Dabei nutzt das Institut seine langjährige Expertise im Bereich der Extrusion für die Entwicklung kundenspezifischer Texturierungslösungen, die von kleinen orientierenden Untersuchungen im kg-Maßstab bis hin zum industrienahen Maßstab reichen.
Nach den Vorgaben und Fragestellungen der Kunden entwickelt und optimiert das Fraunhofer IVV Produkte und Ingredients und erarbeitet darüber hinaus auch nachhaltige Verpackungslösungen für sichere Lebensmittel.

Neue Agrarsysteme für eine nachhaltige Ernährung der Zukunft

Weltweit werden zunehmend neue, geschlossene Agrarsysteme eingesetzt, um gesunde Lebensmittel mit hoher Qualität bereitzustellen und die Weltbevölkerung mit wertvollen Proteinen zu versorgen. Diese »Contained Environmental Agriculture« hat den Vorteil, dass Nahrungsmittel orts- und wetterunabhängig das ganze Jahr ressourcenschonend produziert werden können. Das Fraunhofer IME in Aachen bearbeitet die neuen Agrarsysteme »Vertical Farming« von Pflanzen, »Single Cell Protein« und »Cultured Meat« und bietet seinen Forschungspartnern und Kunden Lösungen für optimierte Prozesse entlang der Wertschöpfungskette vom Rohstoff bis zum Produkt.

Als Pionier der pflanzenbasierten Produktion besitzt das Fraunhofer IME eine langjährige Expertise im Bereich der Pflanzenkultivierung und verfügt über eine hervorragend ausgestattete Infrastruktur. Zur praxisnahen Erforschung aktueller Fragestellungen in den Bereichen des Indoor/Vertical Farmings wird eine Vielzahl von Kultivierungsansätzen unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt. Diese reichen von der klassischen einebigen Pflanzenkultivierung im Gewächshaus über die Indoor-Kultivierung in Wachstumskammern bis hin zur mehrebigen Kultivierung in verschiedenen Vertical Farming Systemen. Hierbei steht mit den am Fraunhofer IME entwickelten Vertical Farming Systemen OrbiLoop® und OrbiPlant® eine neuartige Plattformtechnologie zur Verfügung, die eine skalierbare Produktion bei minimalem Platz- und Ressourcenbedarf direkt im vertikal verlaufenden Förderband erlaubt.

Im Zuge der pflanzenbasierten Lebensmittelherstellung stellen Pflanzenzellkulturen (PZK) eine wichtige Alternative zu konventionell angebauten Pflanzen dar, da sie unabhängig von saisonalen Begebenheiten, verfügbarer Anbaufläche sowie unter vollständigem Verzicht von Pestiziden kultiviert werden. Daher wurde am Fraunhofer IME mit »LEDitSHAKE« ein Beleuchtungssystem für PZK entwickelt, um optimale Lichtrezepte für die Herstellung der wertvollen Inhaltsstoffe zu finden – ganz ohne Gentechnik.

Weitere Forschungsschwerpunkte am Fraunhofer IME sind »Single Cell Protein« und »Cultured Meat«. Die Arbeitsgruppe »Single Cell Protein« erschließt neue Proteinquellen aus Bakterienstämmen, die aus der Umwelt isoliert werden und in der Lebensmittelindustrie als Ei- und Molke-Ersatz zum Einsatz kommen können. »Cultured Meat« – in Laboren kultiviertes Fleisch – ist eine revolutionäre Alternative zur herkömmlichen Fleischproduktion. Dabei werden Tierzellen in vitro kultiviert, wodurch die Tierschlachtung entfällt und mit der Viehzucht einhergehende negative Umwelteinflüsse reduziert werden. Die Arbeitsgruppe »Cultured Meat« ist unter anderem auf die Etablierung stabiler, immortalisierter Zelllinien sowie auf die Entwicklung von kosteneffizienten, pflanzenbasierten Gerüststrukturen für eine tierfreie Fleischherstellung fokussiert.

»CleanAssist« – manuelle Reinigung neu gedacht

Um den Herausforderungen manueller Reinigungsprozesse zu begegnen, hat das Fraunhofer IVV eine sensorgestützte Reinigungslanze entwickelt, die erstmals auch bei der manuellen strahlbasierten Reinigung einen sicheren, protokollier- und reproduzierbaren Reinigungsprozess gewährleistet. Durch die systematische Aufzeichnung jedes Reinigungsschrittes ermöglicht »CleanAssist« ein präzises und effizientes Reinigungsmanagement, das auch die Einhaltung von Audit-Richtlinien und standardisierte Schulungen erleichtert.

Die hochintegrierte Sensorik der innovativen Reinigungslanze erfasst automatisch die Reinigungsleistung und alle relevanten Prozessparameter. Gereinigte Bereiche werden dokumentiert und sensible Bereiche, wie z. B. empfindliche Bauteile, können bei Bedarf für die Reinigung gesperrt werden.

Die Prozessparameter und Positionsdaten werden von der Reinigungslanze in nahezu Echtzeit an ein mobiles Endgerät, wie beispielsweise eine AR-Datenbrille oder ein Tablet, übertragen. Der Digitale Zwilling wird auf die reale Produktionsumgebung projiziert und der Bediener der Reinigungslanze erhält so unmittelbar Rückmeldung über den Reinigungserfolg und die noch zu reinigenden Bereiche.

»CleanAssist« unterstützt bei der Durchführung der Reinigung und der Auswahl des geeigneten Reinigungsablaufs. Reinigungszyklen können gezielt optimiert und Fehler durch unsachgemäße Reinigung vermieden werden. Gleichzeitig ermöglicht die Technologie eine effiziente Schulung des Reinigungspersonals und eine deutliche Verkürzung der Einarbeitungszeit neuer Mitarbeitender.

»CoControl-Lumi3D« – automatisierte Detektion von filmischen Verunreinigungen auf dreidimensionalen Bauteilen

Grundvoraussetzung für eine qualitätssichernde, bedarfsgerechte Gestaltung des Reinigungsprozesses bzw. ein effizientes Qualitätsmanagement ist die zuverlässige Detektion des Istzustandes der Verschmutzung auf den Oberflächen.

Um auch bei komplexen Bauteilen eine reproduzierbare, schnelle und vollständige
Verschmutzungsdetektion zu ermöglichen, wurde am Fraunhofer IVV das optische Detektionssystem »CoControl-Lumi3D« entwickelt. Das System bestimmt die filmischen Verunreinigungen auf Basis der Fluoreszenzreaktion organischer Substanzen innerhalb weniger Sekunden. Zusätzlich ermöglicht »CoControl-Lumi3D« eine automatisierte, nachvollziehbare Dokumentation des Verschmutzungszustandes.

Im Gegensatz zu konventionellen Systemen, die filmische Verunreinigungen nur ein- oder zweidimensional erfassen, ist »CoControl-Lumi3D« in der Lage, die detektierte Verschmutzung einer Position im Raum zuzuordnen. Wird das 3D-Modell des Bauteils mit den gewonnenen Informationen verknüpft, können Funktionsflächen, wie beispielsweise Dichtungen oder Fügestellen, selektiv auf die Einhaltung der geforderten Sauberkeitskriterien überprüft werden.

Das Messsystem ist bis hin zu Reinraumanforderungen kundenspezifisch anpassbar und kann sowohl als Inline-Anwendung direkt in der Produktion als auch Atline- bzw. Off-line-Lösung eingesetzt werden.

Virtuelle Realität und digitaler Zwilling erlauben ortsflexible Qualifikation von Maschinenbedienenden

Das Fraunhofer IVV entwickelt digitale Schulungssysteme zur Aus- und Weiterbildung von Bedien- und Technikpersonal auf Basis von Virtueller Realität (VR). Diese ermöglichen das Erlernen von Handlungsschritten wie sie zum Beispiel beim Formatwechsel erforderlich sind. Ebenso unterstützen sie gezielt den schnellstmöglichen Aufbau eines tiefgreifenden Prozessverständnisses, welches für eine nachhaltige Störungsbeseitigung und -vermeidung notwendig ist. Die Schulungsanwendung ist auf VR-Endgeräten als Stand-alone-Anwendung lauffähig und die Maschine muss für die Qualifikationsmaßnahme nicht verfügbar sein. Die Lernenden können Fehler machen und Erfahrungen sammeln, ohne dabei die Maschinenverfügbarkeit zu beeinträchtigen oder gar Schäden zu riskieren.

Die VR-Schulungsszenarien basieren auf dem CAD-Modell der Maschine und den entsprechenden Prozessmodellen sowie einem individuell zugeschnittenen didaktischen Konzept. Letzteres wird an den konkreten Arbeitsaufgaben der Bedienenden ausgerichtet und definiert verschiedene modulare Lernbausteine. Am Messestand kann das Schulungssystem für die Anwendung an einer Anlage zur Herstellung tiefgezogener Verpackungen selbst getestet werden.

Digitalisierungsberatung für eine zukunftssichere, unternehmensspezifische Digitalisierungsstrategie

Die Digitalisierung bietet Lösungen für aktuelle Herausforderungen wie die Sicherstellung resilienter Prozesse, die Implementierung der Kreislaufwirtschaft oder den Fachkräftemangel. Bei der konkreten Umsetzung von Konzepten wie der vernetzten Produktion, einem Datenaustausch entlang der gesamten Wertschöpfungskette oder dem »Industrial Internet of Things« unterstützt das Fraunhofer IVV Unternehmen bei ihrem Transformationsprozess mit der Entwicklung unternehmensspezifischer Technologie- und Assistenzlösungen, individueller Software zur Systemintegration sowie beim Einsatz von KI in der Produktion.

Intelligente Reinigungstechnologien zur Gewährleistung der Produktsicherheit

Manuelle Reinigungsprozesse von Maschinen, Anlagen oder Produktionsumgebungen unterliegen großen Qualitätsschwankungen, sind nicht reproduzierbar und stellen Unternehmen angesichts des sich weiter verschärfenden Fachkräftemangels zusätzlich vor große Herausforderungen. Um dem entgegenzuwirken, entwickelt das Fraunhofer IVV intelligente Technologielösungen für die Automatisierung manueller Reinigungsprozesse.

Auf der interpack demonstriert das Fraunhofer IVV mit dem AR-basierten »CleanAssist« sowie zwei Varianten des »Mobile Cleaning Device« zukunftweisende Technologieanwendungen für qualitätssichernde, effiziente und resiliente Produktionsprozesse. Mittels intelligenter Sensorik und Digitalem Zwilling ist eine vollständige, vollautomatisierte Dokumentation der Reinigung und Reinigungsvalidierung möglich.

Qualitätssicherung durch digitale Assistenz: »CleanAssist« ist der erste virtuelle Reinigungsassistent für die manuelle Reinigung. Die Reinigungslanze verfügt über Trackingsensoren, mit denen der aufgetragene Volumenstrom (= Reinigungsleistung) und Sprühschatten analysiert und dokumentiert werden können. Mittels eines AR-Geräts wird ein Digitaler Zwilling in die echte Reinigungsumgebung übertragen und der reale Reinigungsfortschritt in Quasi-Echtzeit im Sichtfeld des Bedienenden angezeigt. Vergessene oder unter- bzw. überreinigte Bereiche werden dem Personal visualisiert und gehören somit der Vergangenheit an.

Vollautomatisierte, flexible Reinigung 4.0: Das »Mobile Cleaning Device« (MCD) ist ein intelligenter, modularer Reinigungsroboter, der auf der interpack in zwei einsatzspezifischen Varianten präsentiert wird. Zum einen als autonom fahrendes Gerät zur automatisierten Reinigung ganzer Produktionsumgebungen. Die hochintegrierte Verschmutzungssensorik des »MCD« erfasst automatisch den Verschmutzungsgrad und ermöglicht die Dokumentation des Reinigungsprozesses. Die Reinigung erfolgt mittels innovativem, um drei Achsen rotierendem Zielstrahlreinigungssystem (AJC). Zum anderen existiert das »MCD« als Inline-Version (»Inline-MCD«) für die automatisierte Reinigung von Prozessanlagen und -linien. Das »Inline-MCD« ist zusätzlich mit diversen Reinigungsdüsen und -bürsten ausgerüstet und fährt für den Reinigungsprozess auf dem Produktweg über Förderbänder bzw. Schienensysteme durch die Prozessanlagen.

Einstieg in die Kreislaufwirtschaft – naturfaserbasierte Verpackungslösungen und Materialsubstitution

Den wachsenden Forderungen an die Verpackungsindustrie nach kreislauffähigen Verpackungssystemen begegnet das Fraunhofer IVV mit der gezielten Entwicklung von faserbasierter Verpackungslösungen und Technologien zur sicheren Beherrschung des Verarbeitungsverhaltens von Papier und alternativen Materialien in schnelllaufenden Maschinen.

Anhand von Exponaten werden die erreichbare Formenvielfalt tiefgezogener faserbasierter Verpackungen, die Synergie von Prägungen mit 3D-Formteilen zur Gestaltung von Verbraucherverpackungen sowie die Kombination von Formteilen mit funktionellen und teilweise organischen Barrieren demonstriert.

Mit dem Fokus auf Effizienz, Sicherheit und Machbarkeit bietet das Fraunhofer IVV ganzheitliche Unterstützung bei der Umstellung auf alternative Materialien und Rezyklate. Auf der interpack gibt das Institut Einblick in weiterentwickelte Umform-, Füge-, Mess- und Überwachungstechnologien und Forschungsdienstleistungen entlang der Prozesskette. Diese reichen von der Materialauswahl und -charakterisierung über die Prozess- und Maschinenanalyse bis hin zur Verpackungsauslegung. Dafür entwickelt das Fraunhofer IVV Inline-Überwachungstechnologien, Vorgaben für die Prozessparametrierung, bedarfsgerechte Prozess- und Maschinenkonzepte und führt Vor-Ort-Effizienzanalysen in industriellen Produktionsumgebungen durch.

Aufgrund aktueller Krisen und Ressourcenknappheit besteht branchenübergreifend großer Handlungsdruck, die Resilienz der Lebensmittelproduktion zu stärken – so das Ergebnis aus Umfragen und Gesprächen mit Fachverbänden und Unternehmen der Ernährungswirtschaft, die das Forschungsteam der Fraunhofer-Initiative »ReSearchL« hervorgebracht hat. Als resilient gelten im Produktionskontext vor allem Unternehmen oder Fertigungssysteme, die sich unter anderem stets an interne und externe Veränderungen und Störungen in komplexen, sich schnell verändernden Produktions- und Wertschöpfungsnetzwerken anpassen können, und die auch unter veränderten Rahmenbedingungen sichere und qualitativ hochwertige Produkte liefern.

Um die Resilienz in der Lebensmittelproduktion zu bewerten, haben die Forschenden zwei Dimensionen betrachtet: die technische Resilienz der genutzten Produktionsanlagen und die Ökosystemresilienz der angebauten Nahrungsmittel. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME untersuchten hierbei gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT beide Resilienzdimensionen anhand der neuartigen Vertical-Farming-Plattformtechnologie OrbiPlant® des Fraunhofer IME. Das Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV analysierte die Ökosystemresilienz am Modell der »Neuartigen Pflanzenölmühle«. Beide Fälle zeigen im Ergebnis die erfolgreiche Anwendung einer resilienten Systemarchitektur: Dafür wurde zunächst mithilfe digitaler Technologien auf Basis möglicher Störfälle ein digitaler Schatten für beide Anwendungsfälle konzipiert, um Einflussgrößen und Produktqualitätsgrößen zu bestimmen.

Resilienz für Indoor-/Vertical-Farming-Produktionssysteme

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IME untersuchten auf Basis ihrer neuartigen OrbiPlant®-Vertical-Farming-Plattformtechnologie gemeinsam mit dem Fraunhofer IPT relevante Störfalle im Rahmen einer exemplarischen Basilikumproduktion, um daraus mögliche Ansätze zur Etablierung eines resilienten Produktionsprozesses abzuleiten. Indoor-Lebensmittel-produktionssysteme wie diese weisen spezifische Herausforderungen hinsichtlich ihrer technischen Resilienz und auch der Ökosystemresilienz auf, die sich aus der geschützten Produktionsumgebung bei gleichzeitig hohen Pflanzendichten ergeben. Relevant sind hier vor allem Störgrößen im Bereich der Anlagensystemtechnik und des pflanzlichen Zielprodukts. Im Fall einer Störung können sie innerhalb kurzer Zeit zu einem kritischen Ernteausfall führen.

In diesem Anwendungsfall induzierten die Forschenden auf zwei OrbiPlant®-Vertical-Farming-Anlagen technische und pflanzenspezifische Störfälle, die durch geeignete Sensorik und Echtzeiterfassung der Anlagendaten eindeutig detektiert werden konnten. Der verfolgte Resilienzansatz geht über ein einfaches Anlagen-Monitoring mit Fehlerbenachrichtigung hinaus
und kann zukünftig einen wichtigen Beitrag zur Sicherung der Versorgung mit sowohl
gesundheitlich unbedenklichen als auch qualitativ hochwertigen Lebensmitteln leisten.

Digitaler Schatten und Sensorkonzepte für eine neuartige Pflanzenölmühle

Zur Betrachtung der Resilienz eines Ökosystems hat das Team des Fraunhofer IVV eine neue Pflanzenölmühle als Fallbeispiel herangezogen: Der mitteleuropäische Pflanzenölmarkt ist geprägt von großen Ölmühlen mit einem Durchsatz von einer Million Tonnen pro Jahr, die fast ausschließlich Raps oder Sonnenblumen verarbeiten. Durch diese fehlende Rohstoffdiversität, die großen Produktionsanlagen, den geringen Wert der heimischen Futtermittelschrote und die daraus resultierende Abhängigkeit von Transporten aus Osteuropa, Asien und Südamerika ist das System jedoch sehr anfällig gegenüber Ernteausfällen, Pflanzenkrankheiten und vielem mehr.

Im Mittelpunkt des Projekts stand die Pressung der Ölsaaten, da sie der zentrale Prozessschritt bei der Ölgewinnung ist. Um die Systemresilienz zu qualifizieren wurde auf Basis leistungsfähiger Modelle untersucht, welche Kontinuitäts- und Wiederanlauf-Strategien die Auswirkungen von Störszenarien minimieren können. Dazu wurde der digitale Schatten einer neuartigen Ölmühle inklusive eines Sensorkonzepts erstellt und durch Untersuchung zweier ausgewählter Störfälle validiert: der komplette beziehungsweise der teilweise Ausfall der Energieversorgung. Abschließend leiteten die Forschenden Handlungsempfehlungen ab, um die Prozesse in Ölmühlen resilienter zu gestalten. Dazu zählen ein umfassendes Sensorkonzept sowie eine Reihe weiterer Maßnahmen.

Whitepaper

Das Whitepaper, das ab sofort kostenfrei zu Verfügung steht, ist Ergebnis der Initiative »Resiliente Systemarchitektur zur Sicherung der Lebensmittelproduktion« (ReSearchL). Das Team an Forschenden der Fraunhofer-Institute IVV, IPT und IME hat sich darin das Ziel gesetzt, die Resilienz der Systemarchitektur von Nahrungsmittelproduktionen analysierbar, bewertbar und gestaltbar zu machen. Der Fokus liegt vor allem darauf, relevante Daten zu gewinnen, um Lösungsansätze für eine verbesserte Resilienz zu generieren.