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Process Automation of Flows in Bio- and Medical Technology

Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado

Dr.-Ing. Bernhard Gatternig

The Chair of Fluid Mechanics (LSTM) has extensive expertise in the field of model-based simulation, optimization and automation of chemical and energy engineering as well as food and biotechnological processes, documented by numerous publications and patent applications. In the field of process monitoring, the development focus is on non-invasive, optical on- and inline sensors for practical use. The classical and adaptive process control strategies developed are based on efficient modelling, simulation, diagnosis, prognosis, control, regulation and optimization tools.

For modelling, simulation and knowledge management, methods of machine learning, data mining, graph theory, metaheuristic algorithms, statistical approaches, multi-value logic but also common differential equations and analytical models are used. Examples are fuzzy logic, artificial neural networks, genetic algorithms and reference networks. The LSTM achieves unique selling points in the field of synergetic use of information technology methods in the sense of hybrids (such as neuronumerics, neurofuzzy, numerostatistics, hybrid simulation of discrete and continuous processes). Preferred automation hardware are industrial programmable logic controllers, databases, process computers and process control systems, but also rapid prototyping methods based on open source physical computing platforms.

  • Anwendung von atmosphärischer kalter Plasma-Technologie auf Weizenmehl mit anschließender Quantifizierung der Auswirkungen auf die Netzwerkfunktionalität von Teigen und Qualität von Backerzeugnissen
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1. March 2019 - 28. February 2021
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
    Die Qualität von Mehl unterliegt insbesondere hinsichtlich seiner funktionellen Eigenschaften natürlichen Schwankungen. Um diese zu kompensieren bzw. um die Mehlqualität und -funktionalitätzu verbessern, ohne dabei nährwertbezogene und sensorische Charakteristika zu beeinträchtigen, wurde bereits eine Vielzahl an Mehlbehandlungsverfahren (Oxidationsmittel, oxidierende Enzyme, Autoklaven, Mikrowellen-, IR-und UV-Technik) untersucht. Die für die Nutzung dieser Verfahren z. T. erforderlichen,aufwändigen Verarbeitungs-schritte und die damit verbundenen Kosten stehen einem Einsatz der meisten dieser Behandlungsmethoden jedoch entgegen. Eine Alternative, insbesondere zur Verwendung chemischer Oxidationsmittel, könnte sich durch den Einsatz atmosphärischen kalten Plasmas bieten. Kaltes Plasma erfordert nur einen geringen Energieeinsatz(0,19 W/cm²) und ist rückstandsfrei.Voruntersuchungen mit diesem Verfahren zeigten eine Verbesserung der elastischen und viskosen Eigenschaften von Mehlen und hieraus resultierend Verbesserungen in der Netzwerkfunktionalität, der optimalen Knetzeit und der rheologischen Eigenschaften von Teigen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, aufbauend auf diesen Voruntersuchungen ein Betriebsfenster für eine Anwendung der kalten Plasma-Technologie bei Mehl zu ermitteln. Hierfür ist ein Versuchsstand vorgesehen bestehend aus einem rotierenden Zylinder mit Elektroden, der so gestaltet ist, dass die Plasmabehandlung des Mehlsüber verschiedene Parameter (Plasmaeinheit: Behandlungsdauer, Drehgeschwindigkeit, Leistung und Elektrodenabstände; Probenmaterial: Mehltype, Qualitätssorte) eingestellt werden kann. Es werden die Auswirkungen der Plasmabehandlung auf die Funktionalität von resultierenden Teigen sowie auf die Qualität der Backerzeugnisse untersucht.
  • Physikalisch basiertes Management störender Schäume in Produktionsanlagen: Prävention, Inhibierung und Zerstörung - Experimentell validierte ingenierusmäßige Optimierung gekoppelter Impuls-, Energie-, und Stofftransportprozesse in Behandlungsanlagen schaumfähiger Lebensmittel (Teilprojekt 6)
    (Third Party Funds Group – Sub project)
    Overall project: Physikalisch basiertes Management störender Schäume in Produktionsanlagen: Prävention, Inhibierung und Zerstörung - Experimentell validierte ingenierusmäßige Optimierung gekoppelter Impuls-, Energie-, und Stofftransportprozesse in Behandlungsanlagen schaumfähiger Lebensmittel (Teilprojekt 6)
    Term: 1. January 2019 - 30. June 2021
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
  • Verbesserung der Teigstruktur von Roggenteigen mittels Anwendung von Hochleistungs-Ultraschall während Misch- und Knetphase
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1. February 2019 - 31. January 2021
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
    Bei der Fertigung von Backwaren aus nicht oder nur unzureichend gesäuerten Roggenteigen lassen sich in der Praxis vielfach unerwünschte Phänomene in der Backfähigkeit beobachten, die im Vergleich zu reinen Weizen-mehlteigen zu einer geringeren Elastizität des Teiges und zu einem geringeren Blasenbindungsvermögen führen. Dies äußert sich später im Endprodukt durch eine nicht elastische Krume, eine inhomogene Blasenvertei-lung im Brotlaib und eine ungenügende Schnittfähigkeit. Als eine der Ursachen wird eine störende Wirkung auf die Netzwerkbildung von Kleberproteinen durch den hohen Gehalt an Pentosanen bzw. Arabinoxylanen („Schleimstoffe“) im Roggen genannt. Besonders die wasserunlösliche Fraktion der Pentosane unterbindet eine Vernetzung der Kleberproteine durch eine räumliche Umlagerung derselben und durch den Entzug von Wasser, das zur Quellung der Kleberstruktur benötigt wird. Um diese Hemmung zu minimieren, werden in der Praxis durch Zugabe von Endolasen und Xylanasen jene Pentosane wasserlöslich gemacht, wodurch ebenfalls wieder mehr Wasser von den Pentosanen freigegeben wird. Allerdings müssen bei diesem Verfahren Reaktionszeit und Enzymkonzentration an den Teig angepasst werden, da die Menge an Lignin und Ferulasäure, die als Brückenbildner zwischen unlöslichen Arabinoxylanen und Zellwand fungieren, die Enzyme räumlich von den Erstgenannten fernhalten. Im Gegenzug muss eine zu lange Einwirkzeit vermieden werden, da sie sonst ein Zerfließen des Teigs nach sich zieht.
    Alternativ versuchen Backbetriebe, über die Vernetzung der Stärke die fehlende Kleberwirkung zu kompensie-ren. Dies verlangt jedoch auch eine Ansäuerung des Teiges, um die Stärke vor einem enzymatischen Abbau durch die roggeneigenen Amylasen zu schützen und ihre Wasserbindung aufrecht zu erhalten. Beide Vorgehensweisen verlangen besondere Führungsbedingungen (Temperatur, pH, Zeit, Zugussmenge) und speziell bei Enzymen einen Verzicht auf Qualitätssiegel, wie Bio oder Demeter. Eine Alternative zur enzymatischen Behandlung von Teigen verspricht die Anwendung von Hochleistungsul-traschall. Je nach Wahl der Frequenz hat Ultraschall unterschiedliche Auswirkungen in einem viskoelastischen Körper. Bei niedrigen Frequenzen werden vermehrt kleine Kavitationen erzeugt, die durch Implosionen umgebende Partikel zerstören und in wässrigen Lösungen freie Radikale erzeugen können. Bei hohen Frequenzen werden hingegen Stoffströme geschaffen, die eine unterstützende Wirkung für enzymatische Reaktionen besitzen. Zwischen beiden Frequenzbereichen werden zusätzlich Resonanzverhaltensweisen von Partikeln und Blasen beobachtet, die in direkter Beziehung zwischen ihrer Größe und der Wellenschwingung stehen. Eine systematische Untersuchung einer derartigen Teigbehandlung wurde bislang noch nicht durchgeführt.
    Ziel des Forschungsvorhabens ist es, mittels einer Ultraschallbehandlung von Roggenteigen die Wasserauf-nahme und Quellung der Stärke und der Proteine zu verbessern und dadurch die Teigstruktur ohne Enzymadditive zu stärken. Hierdurch sollen auftretende Backfehler durch eine unzureichende oder fehlende Säuerung bei unterschiedlichen Roggenmehlanteilen im Teig kompensiert werden. 

  • Charakterisierung, Simulation und Erprobung ausgewählter physikalischer Schaumzerstörungsverfahren in großskaligen Produktionsanlagen - Teilprojekt 8 - Physikalisch basiertes Management störender Schäume in Produktionsanlagen: Prävention, Inhibierung und Zerstörung
    (Third Party Funds Group – Sub project)
    Overall project: Charakterisierung, Simulation und Erprobung ausgewählter physikalischer Schaumzerstörungsverfahren in großskaligen Produktionsanlagen - Teilprojekt 8 - Physikalisch basiertes Management störender Schäume in Produktionsanlagen: Prävention, Inhibierung und Zerstörung
    Term: 1. July 2018 - 30. June 2021
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
  • Entwicklung einer neuartigen Milchpulver Sprühtrockenanlage mit einem innovativen ultraschallbasierten Abreinigungsystem für eine Steigerung der Energieeffizienz um 70% bei gleichzeitiger Reduktion der Lärmimmission auf unter 45 dB.
    (Third Party Funds Group – Sub project)
    Overall project: Entwicklung einer neuartigen Milchpulver Sprühtrockenanlage mit einem innovativen ultraschallbasierten Abreinigungsystem für eine Steigerung der Energieeffizienz um 70% bei gleichzeitiger Reduktion der Lärmimmission auf unter 45 dB.
    Term: 1. November 2018 - 31. May 2021
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

  • Lebensmitteltechnologische Potentiale der innovativen, ressourcenproduktschonenden Gashydrattechnologie am Beispiel von ausgewählten Säften
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1. April 2017 - 30. September 2019
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
    Die Trocknung bzw. das Entfernen von Wasser stellt in der Lebensmittelherstellung eine zentrale Grundoperation dar, die hinsichtlich des Erhalts der Qualität und der Menge der zu behandelnden Produkte hohe Anforderungen stellt. So kann eine Reduktion des Wassergehalts einerseits dazu beitragen, dass Produkte ihre Funktionalität erhalten, während der Weiterverarbeitung und bei der Lagerung weniger anfällig sind oder dazu, dass Kosten für Verpackung, Lagerung und Transport eingespart werden. Andererseits besteht für diesen Produktionsschritt die kontinuierliche Herausforderung, nachhaltige und ressourceneffiziente Verfahren zu entwickeln.
    Das klassische Verfahren zur Konzentrierung von Lebensmitteln ist die Verdampfung. Um den damit potentiell verbundenen Verlust oder die Beschädigung von leichtflüchtigen oder hitzeempfindlichen Stoffen, wie Phenolen oder Vitamin C, zu vermeiden, wurden alternative Verfahren, wie Membranverfahren oder die Gefrierkonzentration, entwickelt. Der Wasserentzug mittels Gashydrattechnologie ist hingegen ein in der Le-bensmittelindustrie bislang noch nicht etab-liertes Verfahren. Eine Konzentrierung von flüssigen Lebensmitteln mittels Gashydraten bzw. CO2-Hydraten wurde bisher lediglich im Labormaßstab und bei Säften, im Speziellen bei Orangen- und Tomatensaft, durchgeführt. Erste Studien zur Konzentrierung  von
    Orangensaft mittels Ethylen-Gas (C2H4) wurden 2014 durchgeführt und erreichten maximale Konzentrierungsraten von 99,3 %. Unter Einsatz von CO2-Gas konnten vergleichbare Konzentrierungsraten erzielt werden. Eine Abtrennung von Wasser durch Gashydratbildung wurde auch im Bereich der Zuckerproduktion untersucht, da hier der Energieeinsatz zur Wasserabscheidung (Konzentrierung) sehr kostenintensiv ist. 
    Entwicklungen zum Einsatz von Gashydraten zur Wasserabtrennung finden bisher ausschließlich außerhalb Deutschlands statt und fokussieren auch nicht auf die erreichbare Produktqualität. Ziel des Forschungs-vorhabens ist es daher, am Beispiel von Fruchtsäften (Apfel-, Orange- und Sanddornsaft) zu untersuchen, ob sich die Gashydrattechnologie zur Konzentrierung von flüssigen Lebensmitteln eignet. Dabei soll CO2 als Arbeitsmedium eingesetzt werden und eine Prozessbewertung und -optimierung hinsichtlich der Effizienz des Material- und Energieeinsatzes unter besonderer Berücksichtigung der Produktqualität und des Scale-ups erfolgen. Dies geschieht systematisch im Vergleich zu etablierten Verfahren und unter besonderer Berücksichtigung von Prozessvariationen, welche mithilfe einer globalen und lokalen Modellierung abgebildet werden sollen. Dazu wird im Rahmen des Vorhabens außerdem quantifiziert, wie sich unterschiedliche Prozessbe-dingungen auf die Produktqualität auswirken und welche Prozessierungsansätze auch auf größere Maßstäbe übertragen werden können und damit für den industriellen Einsatz geeignet sind. Hierdurch schafft das Vorhaben belastungsfähige Grundlagen für das Design gashydratbasierter Verfahren und Produkte mit besonderer Eignung für einen Einsatz in KMU.
  • Wissensbasierte Prozessführungsstrategie zur stoffadaptiven Vermeidung des Überschäumens beim Abfüllen schaumfähiger, nichtkarbonisierter Getränke
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1. October 2017 - 30. September 2019
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
    Bei der Abfüllung nicht-karbonisierter Getränke kommt es in der Praxis häufig zu einer unerwünschten Schaumbildung, die die Produktion negativ beeinflusst (Anlagen-ausbringung, Abfüllungsgenauigkeit, Pro-duktverlustmenge, Hygiene des Abfüllprozesses). So muss sich die Abfülldynamik i.d.R. dem Schaumbildungsvermögen des abzufüllenden Produktes anpassen. Das Überschäumen bestimmt auch die Notwendigkeit und Häufigkeit von Flaschen- und Anlagenreinigung inkl. des damit verbundenen Einsatzes von Energie, Reinigungs- und Betriebsmitteln und der damit verbundenen Kosten. Vereinzelt verhindert ein unkontrollierter Schaumaustritt - etwa bei Obstsäften - schlichtweg den Einsatz einer aseptischen Abfüllung.
    Die größte wirtschaftliche Bedeutung besitzt das unerwünschte Überschäumen bei Orangensaft, mit einer Produktionsmenge von 656 Mio. L/Jahr (2015). Weitere Beispiele sind Säfte aus Ananas oder Roten Früchten sowie faserhaltige Säfte. Im Segment der Gemüsesäfte liegt ein besonders hohes Überschäumrisiko bei Rote-Bete- oder Sauerkrautsäften vor.
    Zum Überschäumen tragen folgende Effekte bei: (i) die von der Strömungsdynamik induzierte Freisetzung chemisch gelöster Gase aus der flüssigen Phase bzw. der induzierte Gaseintrag an der Getränkeoberfläche, (ii) die bei faserhaltigen Getränken zusätzlich stattfindende Freisetzung der an den Fasern anhaftenden Mikroblasen, (iii) die Anwesenheit oberflächenaktiver Stoffe, für das Schaumbildungsvermögen verantwortlich sind und (iv) die aus der stofflichen Zusammensetzung eines Saftes resultierenden physikalischen Eigenschaften (Dichte, Oberflächenspannung, Benetzungswinkel und rheologische Stofffunktionen). 
    Ziel des Forschungsvorhabens ist es , eine KNN-basierte Prozessführungsstrategie zu entwickeln und dynamisch entstehende Schaumschichten durch nicht-invasive, akustische oder alternativ thermische Schaumzerstörungsmechanismen während des Abfüllprozesses einzuschränken oder zu beseitigen.

  • Wissensbasierte Reduzierung des Energie- und Wasserbedarfs bei der Weinerzeugung mittels informationstechnologischer Hybride auf der Grundlage von Referenz-Petri-Netzen
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1. May 2015 - 30. April 2019
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
    Ziel des Forschungsvorhabens ist die
    Reduzierung der Energie- und Wasserbedarfs bei der Weinerzeugung. Dazu
    soll ein hybrides, informationstechnologisches Werkzeug basierend auf
    Referenz-Petri-Netzen entwickelt werden, das in die Prozessleitebene der
    Betriebe integrierbar ist und auf im Prozess erfassten Daten eine
    Echtzeit-Abbildung und Visualisierung des Gesamtprozesses realisieren
    kann.

  • Development of an automatic, self-learning inline system for adaptive and resource-efficient CIP cleaning using a motor-driven target jet cleaner.
  • Knowledge-based reduction of energy and water consumption in wine production by means of an information technology hybrid based on reference Petri networks.
  • Energy-efficient drying on the basis of locally material-adaptive process intensification in automated pasta production
  • Functional model of an industrial production and fractionation plant (fat + protein) of insects
  • Modelling and simulation of biotechnological processes including integration of complex models and development of database-supported hybrid simulation environments
  • Integration of metaheuristic algorithms in decision making
  • Formation of stochastic models for integration into a simulation environment
  • Development of adaptive process controls based on machine learning
  • Online and offline training of automated flow processes with the help of the further development of numerical methods.

  • Automation
    • Development systems
    • Industrial systems
    • Data acquisition
    • Fuzzy logic
  • Optimization with metaheuristic methods
    • Evolutionary algorithms (e.g. genetic algorithms)
    • Particle swarm optimization
    • Simulated annealing
  • Methods of machine learning
    • Artificial neural networks (KNN)
    • Support Vector Machine (SVM)
    • Random Forest
    • Logistic regression & deep learning
    • Online learning
  • Modeling and Simulation
    • Stochastic processes
    • Event oriented simulation (DES)
    • Hybrid simulation of discrete and continuous processes

2019

2018

2015

2014

2013