Optimierung von Kosten, Energie- und Ressourcen-Nutzung in der Fruchtsaftindustrie - Bilanzmodell und Mehrzieloptimierung (OptiKERN)

Da eine effiziente und nachhaltige Nutzung von Energie und anderen Ressourcen (Wasser, Rohstoffe) vor dem Hintergrund stetig steigender Energiepreise, der Problematik der Klimaerwärmung sowie notwendiger Verbesserungen der Wirtschaftlichkeit industrieller Verarbeitungs- und Herstellungsprozesse zunehmend an Relevanz gewinnt, ist ein integriertes Energie- und Stoffstrommanagement in der industriellen Wasserwirtschaft entscheidend.

Eine schnelle und leicht handhabbare Möglichkeit zur Selbsteinschätzung und Abschätzung des Nutzens einer tiefergehenden Prozessoptimierung für Unternehmen bieten Benchmark-Vergleiche. Umgesetzt als „Software-Tool“ ermöglichen Bilanzmodelle für Produktionsprozesse mit hinterlegten Benchmark-Werten die Ermittlung des Potenzials von Maßnahmen zum produktionsintegrierten Umweltschutz sowie der Auswirkungen von Veränderungen innerhalb der Produktion (z. B. Austausch von Aggregaten) hinsichtlich der betrachteten Größen wie Wasser‑, Abwasser‑ oder Energiebedarf.

Für die Fruchtsaftherstellung existieren derartige Modelle noch nicht, während in anderen Branchen des Getränkesektors (z. B. Brauereien, Weinherstellung) bereits Bilanz- und Prognosemodelle zur Optimierung des Herstellungsprozesses im Hinblick auf den Wasser- bzw. Energieverbrauch erfolgreich eingesetzt werden. Ein Forschungsziel des Projekts ist daher die Entwicklung eines durch seinen modularen Aufbau flexibel einsetzbaren Bilanzmodells hinsichtlich maßgeblicher Stoff- und Energieströme bei der Fruchtsaftproduktion mit einer speziell auf die Fruchtsaftindustrie zugeschnittenen Modulbibliothek. Das Modell bildet die Basis für ein flexibles Werkzeug zur Ermittlung relevanter Steuerungs- und Einsparpotenziale hinsichtlich Kosten, Energie- und Stoffströmen in der Fruchtsaftindustrie.

In der Regel sind Bilanzmodelle auf „Benchmark-Basis“ bisher auf die reine Identifikation von Optimierungspotenzialen begrenzt. Für konkrete Hilfestellungen zur Prozessoptimierung können mathematische Optimierungsverfahren genutzt werden. Vor dem Hintergrund einer Vielzahl möglicher, oftmals gegenläufiger Optimierungsziele (Energie-, Wasserbedarfs-, Kostenminimierung etc.) bietet hier eine Mehrzieloptimierung eine gute Möglichkeit zur Unterstützung bei der Auswahl der bestmöglichen Umsetzung einer Prozessoptimierung. Ein weiteres Forschungsziel ist daher die Entwicklung und Implementierung einer Mehrzieloptimierung zur Prozessoptimierung auf Basis eines genetischen Algorithmus hinsichtlich drei für die Fruchtsaftherstellung wesentlicher Zielkriterien (Energie, CSB-Fracht, Kosten).

Ein genetischer Algorithmus ahmt die Prinzipien der biologischen Evolution nach und löst Optimierungsprobleme in Form einer gesteuerten Suche, bei der eine Menge an Lösungskandidaten mit der Zeit stetig verbessert wird. Genetische Algorithmen finden bereits in den verschiedensten Gebieten erfolgreich Anwendung, beispielsweise zur Optimierung von Fahrerassistenzsystemen oder photochemischen Prozessen in Solarzellen. Zur Optimierung der Herstellungsprozesse in der Fruchtsaftindustrie werden solche Mehrzieloptimierungsverfahren bisher nicht eingesetzt.