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Bringing automated, real-time process control into starch-processing industries

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Mit Online-Überwachung Effizienz der Bier- und Bioethanolherstellung steigern

Ein EU-finanziertes Projekt hat eine automatisierte Echtzeitkontrolle für eine kritische Phase der Bier- und Bioethanolproduktion auf Getreidebasis eingeführt. Auf diese Weise könnten die in diesen Sektoren agierenden Herstellungsbetriebe erhebliche Effizienzsteigerungen erzielen.

Industrielle Technologien

Die Verfahren zur Herstellung von Bier und aus Getreide gewonnenem Bioethanol sind überraschend ähnlich. Bei beiden werden Kohlenhydrate (Zucker und Stärke) mithilfe ausgewählter Hefestämme in Ethanol umgewandelt. Doch während bei der Bierherstellung ein Konsumerzeugnis von gleichbleibendem Geschmack und konstanter Qualität erzeugt werden soll, steht beim Bioethanolverfahren die Produktionsausbeute im Vordergrund. „Zu beiden Verfahren zählt der Schritt des ‚Maischens‘, bei dem das Getreide mit Wasser vermischt und erwärmt wird“, erklärt der Projektkoordinator von OptiSpec, Christian Nybo Petersen, Mitbegründer und technischer Ingenieur bei Specshell, Dänemark. „Dabei entsteht eine breiige Aufschlämmung, in der die Stärke in fermentierbaren Zucker umgewandelt wird.“ Diese Maische wird dann in einem nachfolgenden Fermentationsschritt in Alkohol umgewandelt. Im Bioethanolverfahren wird das entstehende Fermentationsprodukt im Weiteren zu reinem Alkohol destilliert. Bis dato war es jedoch sowohl bei der Bier- als auch bei der Bioethanolherstellung schwierig, diese Umwandlung prozessintern, d. h. online, zu überwachen. Ein automatisiertes System, das detaillierte Einblicke in Zusammensetzungsdaten wie etwa die Zuckerkonzentrationen während des gesamten Prozesses gestattet, könnte für mehr Genauigkeit sorgen und den Unternehmen zu einer besseren Produktionseffizienz verhelfen.

Verbesserte Online-Überwachung

2014 wurde das dänische Start-up Specshell gegründet, um auf dieses Ziel hinzuarbeiten. „Unser anfängliches Konzept bestand darin, die Spektroskopie im mittleren Infrarot auf die Online-Überwachung des Biermaischprozesses anzupassen“, erklärt Petersen. „2018 konnten wir unser erstes industrielles Produkt auf den Markt bringen.“ Dieses Instrument konnte jedoch nicht auf das Bioethanolverfahren angewendet werden. Zudem war es nicht ausgereift genug, um bei der Produktion in Echtzeit Empfehlungen für Anpassungen während des Biermaischprozesses geben zu können. Zur Lösung dieser beiden Probleme wurde im Oktober 2019 das EU-finanzierte Projekt OptiSpec gestartet. Das Projekt verfolgte vier spezielle Ausbaumöglichkeiten. Zuerst wurde die Konstruktion des Instruments geändert, damit es besser in die industriellen Umgebungen beider Prozesse passt. Zweitens entwickelte das Projektteam Prognosefähigkeiten. Dazu wurden auf den Schritt des Biermaischens Technologien des maschinellen Lernens angewandt. „Als Drittes haben wir den für die Anwendung unseres Instruments bei der Bioethanolfermentation erforderlichen Datensatz entwickelt, und die Benutzungsoberfläche an den Einsatz in diesem speziellen Industriesektor angepasst“, sagt Petersen. „Der letzte Schritt war die industrielle Validierung.“

Bereit für die Industrie

Das Projekt wurde mit Erfolg und wie geplant durchgeführt. „Das Ethanolfermentationsmodell hat sich wiederholt unter realen industriellen Bedingungen bewährt“, ergänzt Petersen. „Natürlich gibt es bei einem Projekt immer Herausforderungen, und wir mussten bei bestimmten Elementen neue Prioritäten setzen. Außerdem zwang uns die COVID-19-Situation dazu, unsere Bemühungen um industrielle Validierung näher an unsere Heimat, also nach Europa, zu verlagern.“ Nach der erfolgreichen Durchführung dieser Versuche sind die neuen Instrumente nun kommerzialisierungsbereit. „Wir erwarten erhebliche neue wirtschaftliche Aktivitäten“, merkt Petersen an. „Wir sind zuversichtlich, dass unsere Technologien jetzt sowohl den weltweiten Brauerei- als auch den Bioethanolsektor bedienen können.“ Laut Petersen wird die Kommerzialisierung im Brauereibereich über vorhandene kommerzielle Netzwerke erfolgen, während im Bioethanolsektor neue Kontakte geknüpft werden sollen. „Zunächst werden wir sowohl die europäischen als auch die nordamerikanischen Bioethanolhersteller ansprechen“, erklärt er. „Letztendlich wird dieses Projekt beiden Sektoren Vorteile bringen, denn noch vor wenigen Jahren konnte man von einer prozessinternen Überwachung der Maisch- und Fermentationsverfahrungsschritte nur träumen.“

Schlüsselbegriffe

OptiSpec, Bioethanol, Bier, Ethanol, Brauen, Hefe, Kohlenhydrate, Fermentation

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