Intelligente Sprühtrocknung mit hybriden digitalen Zwillingen [28.01.26]
Ob Milchpulver, Instantkaffee oder Waschmittel: Die Sprühtrocknung ist gerade in der Lebensmittelverarbeitung eine der wichtigsten Methoden moderner Verfahrenstechnik. Sie soll künftig transparenter, energieeffizienter, und damit wirtschaftlicher und technologisch zukunftsfähiger werden. Dieses Ziel verfolgt das Forschungsprojekt DigitalTwinSD an der Universität Hohenheim. Der Schlüssel dazu sind sogenannte hybride digitale Zwillinge – virtuelle Abbilder der realen Prozesse, mit denen man die Auswirkungen von Änderungen vorhersagen kann. Mit ihrer Hilfe sollen vor allem kleine und mittlere Unternehmen ihre Anlagen schneller auf neue Produkte umstellen und gleichzeitig Verluste sowie Energieverbrauch deutlich reduzieren können.
Die Sprühtrocknung ist ein zentrales Verfahren in der Lebensmittel-, Chemie- und Pharmaindustrie. Mit ihr lassen sich Flüssigkeiten schonend und schnell in Pulver umwandeln – etwa bei der Herstellung von Milchpulver. Dabei wird die Flüssigkeit in feine Tröpfchen zerstäubt, die in einem heißen Luftstrom getrocknet werden, so dass ein feines Pulver zurückbleibt. Das Verfahren gilt als äußerst effizient, ist aber auch komplex: Schon geringfügige Veränderungen in den Produkteigenschaften oder der Umgebungsfeuchtigkeit können erhebliche Auswirkungen auf den Prozess haben.
Bislang hängt eine stabile Produktion stark von erfahrenem Fachpersonal ab, das beispielsweise die Feuchtigkeits- und Temperaturregelung manuell vornimmt. Eine automatisierte Regelung– sei es durch Standardlösungen, maschinelles Lernen oder digitale Zwillinge – ist in der Regel nicht praktikabel, da die Prozesse meist nicht linear verlaufen und geeignete Sensoren fehlen, welche die für eine präzise Regelung notwendige Online-Messdaten zur Verfügung stellen.
Hier setzt das Hohenheimer Forschungsprojekt an. Unter der Leitung von Prof. Reinhard Kohlus und Jun.-Prof. Christian Krupitzer entwickeln die Forschenden sogenannte hybride digitale Zwillinge. Diese digitalen Abbilder der realen Prozesse kombinieren physikalisches Wissen über den Trocknungsprozess mit Methoden des maschinellen Lernens. So entsteht ein realistisches Modell, das den tatsächlichen Anlagenbetrieb genau abbildet und daraus lernt. Ziel ist es, beim Start neuer Anlagen oder beim Wechsel auf andere Produkte sofort optimale Einstellungen vorschlagen zu können – ein sogenannter „first time right“-Ansatz. Dadurch lassen sich lange Anlaufphasen, kostenintensive Prozessanpassungen und lange Stillstandzeiten vermeiden.
Da die eingesetzten Künstlichen-Intelligenz-Systeme erklärbar gestaltet werden, bleiben ihre Empfehlungen für die Mitarbeitenden nachvollziehbar – ein wichtiger Schritt, um Vertrauen in die Technik zu schaffen und Fachwissen im Betrieb zu sichern.
Besonders für kleine und mittlere Unternehmen bietet diese Technologie große Vorteile. Sie können ihre Produktionsanlagen schneller an neue Produkte anpassen, Ausfallzeiten verkürzen und den Energieeinsatz senken. Denn, anders als Großbetriebe konzentrieren sie sich meist nicht auf wenige Massenprodukte, sondern stellen eine breite Palette von Spezialprodukten her – was die relativen Kosten für Entwicklung und Prozessoptimierung überproportional erhöht. Ein schnellerer Produktionsstart, geringere Verluste und ein stabiler Betrieb könnten KMU erhebliche Wettbewerbsvorteile verschaffen.
Projekt-Steckbrief
- Titel: Konzeption, Entwicklung, Validierung hybrider digitaler Zwillinge für den Sprühtrocknungsprozess mittels erklärbarer künstlicher Intelligenz − DigitalTwinSD
- Fördersumme: insgesamt 524.948 Euro, davon 275.000 Euro für das Fachgebiet Lebensmittelverfahrenstechnik und Pulvertechnologie und 249.948 Euro für das Fachgebiet Lebensmittelinformatik
- Förderinstitution: Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE)
- Dauer: 1.5.2025-31.10.2027
- Beteiligte: Fachgebiet Lebensmittelverfahrenstechnik und Pulvertechnologie und Fachgebiet Lebensmittelinformatik, Milchindustrie-Verband e.V. (MIV), Berlin
Schwergewichte der Forschung
Als „Schwergewichte der Forschung“ gelten herausragende Forschungsprojekte mit einem finanziellen Volumen von mindestens 350.000 Euro bei den Experimental- bzw. 150.000 Euro bei den Sozial- und Gesellschaftswissenschaften.
Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Reinhard Kohlus, Universität Hohenheim, Fachgebiet Lebensmittelverfahrenstechnik und Pulvertechnologie, +49 (0)711 459 23258, R.Kohlus@uni-hohenheim.de
Jun.-Prof. Dr. Christian Krupitzer, Universität Hohenheim, Fachgebiet Lebensmittelinformatik, +49 (0)711 459 23664, christian.krupitzer@uni-hohenheim.de
