Das Fachmagazin LEBENSMITTELTECHNIK sprach mit Prof. Stefan Witte, Prof. Hans-Jürgen Danneel und Prof. Volker Lohweg von der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe über die aktuellen Hürden und darüber, wie mit der Initiative smartFoodTechnologyOWL der Technologietransfer in eine Branche gelingen soll, die sich dem Thema Industrie 4.0 bisher relativ zurückhaltend nähert.
LT: Herr Prof. Witte, was verbirgt sich hinter der Forschungsinitiative smartFoodTechnologyOWL und was sind deren Ziele?
Stefan Witte: Gemeinsam mit rund 40 kleinen und großen regionalen Partnern aus Industrie, Handwerk, Handel und weiteren Forschungseinrichtungen arbeiten wir an der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe im Rahmen von smartFoodTechnologyOWL an innovativen Produkten und Technologien für die Lebensmittelindustrie. Durch die Zusammenführung von Industrie 4.0-Kompetenzen und lebensmitteltechnologischem Know-how entsteht am Innovation Campus Lemgo damit ein Kompetenzzentrum zum Thema "where food meets IT", das europaweit zu den Top-Adressen zählt, um die Potenziale der Digitalisierung im Umfeld der Lebensmitteltechnologien zu erarbeiten.
LT: Ging die Idee für die Initiative von der Hochschule aus? Oder gab es auch andere Initiatoren, beispielsweise die vielen kleinen und mittleren Unternehmen in der Region?
Witte: Den ersten Aufschlag haben wir gemacht. Gestartet wurde die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Initiative im Jahr 2016 durch das Institut für Lebensmitteltechnologie.NRW (ILT.NRW) und das Institut für industrielle Informationstechnik (inIT) der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe.
LT: Welchen Part übernimmt die Technische Hochschule Ostwestfalen-Lippe innerhalb der Initiative?
Witte: Einen sehr zentralen. Für uns stand von Beginn an fest: Wollen wir das Thema intelligente Lebensmitteltechnologie adressieren, dann müssen wir unsere Kompetenzen aus der Welt der Lebensmitteltechnologie mit denen aus der IT- und Automatisierungstechnik vereinen. Die Partnerschaft smartFoodTechnologyOWL nutzt die Potenziale von Digitalisierung und Industrie 4.0-Technologien, um bislang getrennte Einzelsysteme der Lebensmittelwirtschaft zu integrierten Wertschöpfungs- und Produktionsketten zu vernetzen. Dahinter stecken ganz konkrete Technologien und Konzepte, die sich Schritt für Schritt umsetzen lassen. An dieser Stelle reiche ich das Wort an Prof. Danneel und Prof. Lohweg weiter ...
Hans-Jürgen Danneel: Die beiden von Prof. Witte angesprochenen Schlüsselkompetenzen sind mit unseren beiden Instituten am Innovation Campus Lemgo in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander angesiedelt. Mit smartFoodTechnologyOWL wollen wir hier die Impulse für eine grundlegende Änderung der Qualitätsphilosophie in der Lebensmittelwirtschaft setzen: Weg von einer retrospektiven hin zu einer kontinuierlichen, prospektiven Überwachung.
Volker Lohweg: Dabei zielen wir mit unseren Technologien vor allem auf die kleinen und mittleren Unternehmen. Wir haben hier in der Region Ostwestfalen-Lippe eine starke Lebensmittelindustrie, einen breit aufgestellten Maschinen- und Anlagenbau sowie eine Vielzahl von Automatisierungsspezialisten – da bot es sich einfach an, diese ganzen Mosaiksteinchen mit unserer Partnerschaft zusammenzuführen, um so das geflügelte Wort "Industrie 4.0" auf den Boden der unternehmerischen Praxis zurückzuholen.
LT: Industrie 4.0 ist vor allem für den Maschinen- und Anlagenbau ein Chancenthema. Die Branche arbeitet intensiv an digitalen Lösungen. Sollte hier nicht ausreichend Know-how vorhanden sein, das die von Ihnen geforderten Kompetenzen miteinander vereint?
Lohweg: Im Grunde haben Sie Recht, einerseits. Anderseits haben wir festgestellt, dass der Nahrungsmittelmaschinenbau gegenüber anderen Disziplinen wie Automobil und Chemie technologisch in vielen Bereichen noch Nachholbedarf hat. Während die großen Marktführer hierzulande sicherlich schon weiter vorne sind, haben die kleinen und mittelständischen Anlagenbauer Themen wie Big Data und die Cloud noch nicht für sich entdeckt ...
Danneel: ... ein Fakt, der im Übrigen auch auf die Lebensmittelbranche zutrifft. Viele der kleinen und mittelständischen Betriebe stehen aufgrund eines harten Preiswettbewerbs mit dem Rücken zur Wand. Ihnen fällt es angesichts knapper Ressourcen schwer, die technologische Reife entsprechender Lösungen zu beurteilen und würden am liebsten alles so lassen, wie es ist.
LT: Der Antrieb zur Digitalisierung kommt also nicht aus den Unternehmen der Lebensmittelindustrie?
Danneel: Trotz der hohen wirtschaftlichen Potenziale, die mit Industrie 4.0 einhergehen, nähert sich die Branche dem Thema relativ zurückhaltend. Was sich genau hinter den "neuen digitalen Lösungen" verbirgt, bleibt für die Unternehmen oft nebulös. Das dürfte ein Grund dafür sein, warum der Nahrungsmittelmaschinenbau das Thema erst später aufgegriffen hat. Das Verlangen der Lebensmittelproduzenten nach Industrie 4.0-Technologien war schlicht und einfach nicht so groß wie in anderen Branchen.
LT: Automatisierung und Digitalisierung sind für die Lebensmittelindustrie dennoch keine Fremdworte. Viele Prozesse wurden bereits in den zurückliegenden Jahren automatisiert und teilweise schon digitalisiert ...
Lohweg: Wir sprechen bei smartFoodTechnologyOWL deswegen nicht von Automatisierung, sondern immer von intelligenter Automation, denn die Durchgängigkeit der im Wertschöpfungsprozess erzeugten Daten erfordert die Vernetzung verschiedenster IT-Systeme innerhalb des Unternehmens und über dessen Grenzen hinaus. Dabei geht es um die Frage, wie wir die Produktion multikriteriell optimieren können. Zentrale Aspekte bei smartFoodTechnologyOWL sind beispielsweise die Themen Nachhaltigkeit und Lebensmittelverschwendung – sowohl im Kontext der einzelnen Lebensmittel wie auch der Verpackungen.
Witte: Die Projektteams um Prof. Danneel und Prof. Lohweg entwickeln dafür Sensoren zur gezielten Identifizierung und Bestimmung flüchtiger organischer Verbindungen, die als Verderbnisindikatoren bereits in einer sehr frühen Phase Rückschlüsse auf die Haltbarkeit zulassen.
Lohweg: Unsere Forschungen haben nicht nur die Vorhersage der Haltbarkeit zum Ziel. Die smarten Sensoren sollen es den Lebensmittelproduzenten künftig ermöglichen, mittels Echtzeitdaten auf Veränderungen im Prozess reagieren zu können, um die gewünschte Qualität sicherzustellen – ganz im Sinne eines Closed-Loop-Verfahrens. Bis diese Vision Realität wird, haben wir noch einige Jahre wissenschaftliche Grundlagenarbeit vor uns. Wir müssen herauszufinden, was die physikalischen oder auch chemischen Messmethoden im Bereich Echtzeit-Qualitätssicherung leisten können.
LT: Für eine erfolgreiche Einführung von Industrie 4.0-Lösungen sehen viele Experten die Akzeptanz der neuen Technologien durch die Beschäftigten als ein zentrales Schlüsselelement ...
Danneel: Die Lebensmittelindustrie ist geradezu gezwungen, den digitalen Wandel voranzutreiben, wenn sie neue Felder erschließen will. Insofern denke ich, müssen wir gar nicht mehr über Akzeptanz reden. Wir etablieren hier neue Standards, was Lebensmittelsicherheit und -qualität angeht, von denen die Unternehmen letztendlich profitieren werden. Aber Sie haben natürlich recht: Industrie 4.0 entfaltet sein volles Potenzial erst mit dem Erfahrungswissen der Mitarbeiter. Die Digitalisierung spielt in der Food Branche nicht zuletzt deswegen eine so große Rolle, weil der diesbezügliche Fachkräftemangel mittlerweile in den Unternehmen spürbar ist.
LT: Sie haben es bereits angedeutet: Für die Themen Digitalisierung und Vernetzung gibt es keinen Königsweg. Wo sehen Sie aktuell noch die größten Hürden, damit die Vision von der Echtzeit-Qualitätskontrolle Wirklichkeit wird?
Lohweg: Wenn wir die Prozesse in der Lebensmittelindustrie genauer betrachten, fällt uns ein Defizit immer wieder ins Auge: Eine Wertschöpfung aus Maschinendaten findet bisher kaum statt. Diese ist aber zwingend erforderlich, um eine produzierende Anlage im Sinne von Industrie 4.0 zu verstehen und um Materialoptimierungen für mehr Nachhaltigkeit vorzunehmen. Den größten Handlungsbedarf sehe ich bei der Entwicklung smarter Sensoren, der Datenanalyse und den Methoden des maschinellen Lernens.
Danneel: Es gibt vor allem eine Hürde, die wir meistern müssen: Die Übersetzung der Lebensmitteleigenschaften in sensortechnische Daten großer Bandbreite. Gerade dieses Thema und die damit einhergehende Fleißarbeit haben wir anfangs unterschätzt. Noch fehlen uns diese hochdatenintensiven Sensoren, mit denen wir die Vielzahl unserer Lebensmittel realitätsnah und in Echtzeit abbilden können. Sie sind das Fundament auf dem Weg zur digitalen und vernetzen Produktion und ihre Entwicklung ist mit einem erheblich höheren Aufwand verbunden, als wir zu Beginn gedacht haben. Das war eine Lektion, die wir bei smartFoodTechnologyOWL gelernt haben.
LT: ... hochdatenintensive Messtechnik, was genau verbirgt sich hinter diesem Begriff?
Danneel: Sie erlaubt uns die Echtzeitbestimmung wichtiger Qualitätsparameter. Aktuell arbeiten wir am ILT.NRW an Sensorlösungen für den Einsatz in industriellen Prozessen, die auf der Nahinfrarotspektroskopie (NIR) basieren. Das Team um Prof. Lohweg vom inIT ergänzt unsere Forschung mit Kompetenzen aus den Bereichen der Signal- und Bildverarbeitung, der hochdimensionalen Datenanalyse sowie Mustererkennungsmethoden. Anschaulich umgesetzt wird dies mit einer Demonstrationsanlage für den Maisch-Prozess beim Bierbrauen. Die von uns entwickelten Sensoren bestimmen die kritischen Zucker- und Stickstoffgehalte und ermöglichen eine Vorhersage über den Endvergärungsgrad des Bieres.
Lohweg: Der Demonstrator ist für uns zugleich eine Prototyp-Forschungsplattform, an der wir Industrie 4.0-Technologien wie maschinelles Lernen, Künstliche Intelligenz, Cloud Computing, hochdatenintensive Sensorik und Big Data-Anwendungen testen können, um sie später in reale Produktionsumgebungen zu integrieren.
LT: Inwieweit sind die Sensorhersteller am Markt daran interessiert, entsprechende Lösungen für die Food Branche bereitzustellen?
Lohweg: Selbst den marktführenden Technologieanbietern fällt es schwer, derartig spezifische Sensoren zu entwickeln. Die Gründe dafür liegen in den heterogenen Automatisierungsmärkten und darauf aufbauender Geschäftsmodelle. Die Intention der Unternehmen ist es, möglichst hohe Stückzahlen an Sensoren in beliebig viele Branchen zu verkaufen.
Witte: ... und wir dürfen den Kostenaspekt nicht außer Acht lassen: Die geringeren Stückzahlen von Spezialsensoriken in industriellen Anwendungen führen dazu, dass die Entwicklungskosten auf verkauften Einheiten umgelegt werden müssen. Gegenwärtig sind diese Preisregionen für Nahrungsmittelmaschinenbauer noch unwirtschaftlich. Hinzu kommt, dass bei derartig neuen Features bei den Anwendern in der Lebensmittelindustrie häufig keine hohe Zahlungsbereitschaft vorliegt.
LT: Die Kosten von Sensorsystemen bleiben dadurch hoch, neue Anwendungen können nicht erschlossen werden ...
Lohweg: Ein Teufelskreis, den wir durchbrechen wollen. Wir müssen hochdatenintensive Lösungen finden, die auch erschwinglich sind. Infolgedessen konzentrieren wir uns bei smartFoodTechnologyOWL gemeinsam mit unseren Partnern auf die Entwicklung eigener, nicht-invasiver Verfahren, mit denen wir beliebige und beliebig viele relevante Lebensmittelinhaltsstoffe erfassen können. Diese auf Nahinfrarotspektroskopie beruhenden Sensoren kommen beispielsweise in unserem Maisch-Demonstrator zum Einsatz. Sie ermöglichen eine umfassendere Qualitätssicherung als die konventionelle Stichprobennahme mit anschließender Laboruntersuchung.
LT: Was denken Sie, wann wird die neue Technologie marktfähig sein?
Lohweg: Im Bereich Nahinfrarotspektroskopie kommen wir gut voran. Auch wenn ich mich jetzt mit meiner Voraussage nicht zu weit aus dem Fenster lehnen will: Ich denke in zwei bis drei Jahren haben wir praxistaugliche Lösungen, die auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten konkurrenzfähig sind.
LT: Mit den Produktionsanlagen von heute lassen sich bereits hohe Qualitäts- und Produktivitätsstufen erreichen. Inwiefern können die Lebensmittelproduzenten darüber hinaus noch profitieren?
Lohweg: Durch die zeitnah zur Verfügung stehende Messergebnisse lassen sich aufwändige Qualitätsaufgaben deutlich reduzieren. Datenhandling- und Datenverknüpfung sind hier zwei wichtige Treiber, um Regelkreise zu schließen und somit der Schlüssel zu mehr Produktivität. Qualitätssicherung und Lebensmittelproduktion werden nicht mehr getrennt und unabhängig voneinander agieren, sondern als ganzheitlich integrierter Prozess funktionieren.
Danneel: Das digitale Abbild des Lebensmittels wird zum wertvollen Wissenspool. In dem Moment, wo ich die Möglichkeit habe, mit einem schnellen Closed-Loop-Feedback in den Prozess einzugreifen, bin ich nicht nur in der Lage, den immer gleichen Standard herzustellen, sondern auch persönlich auf die Verbraucher zugeschnittene Produkte. Hier beginnt die Diskussion um die viel beschworene Losgröße 1.
LT: Mit der Smart FOODFACTORY wollen Sie einen Großteil Ihrer Industrie 4.0-Technologien der Branche zugänglich machen. Welche Schubkraft versprechen Sie sich von diesem Projekt?
Witte: Das Thema Digitalisierung in der Lebensmittelindustrie unterstreicht mit unserer Smart FOODFACTORY noch einmal deutlich seine Relevanz für die Branche. Viele Partner aus dem Verbund smartFoodTechnologyOWL haben ihr Engagement zugesagt. Allen voran die Anlagenbauer und Lebensmittelproduzenten aus der Region Ostwestfalen-Lippe signalisieren ein sehr großes Interesse.
LT: Wie weit ist das Bauvorhaben vorangeschritten?
Witte: Spätestens Ende 2022 mit der Eröffnung der Smart FOODFACTORY sollen die kleinen und mittleren Unternehmen Unterstützung erhalten, um bei der zunehmenden Digitalisierung in der Lebensmittelbranche mitwachsen zu können. Aber auch den Big Playern am Markt steht die Tür offen.
Danneel: Wir sehen uns hier als Vorreiter bei der Modernisierung der Produktionsprozesse in der Lebensmittelindustrie. Mit der Smart FOODFACTORY wird die intelligente Automation greifbar und bekommt eine Verortung auf dem Innovation Campus in unmittelbarer Nähe zum ILT.NRW und inIT. Wir schaffen damit eine weit über die Region sichtbare Plattform, die alle erforderlichen Kompetenzen unter einem Dach bündelt.
LT: Welche technischen Möglichkeiten bieten sich Ihnen dann?
Danneel: Was die Ausstattung betrifft, sind uns bei der Lebensmittel- und Getränkeproduktion fast keine Grenzen gesetzt. Gerade was die Themen Plant-Based-Food und Nachhaltigkeit anbelangt, versprechen wir uns mit den Möglichkeiten in der Smart FOODFACTORY zusätzliche Impulse. Zur Erstausstattung wird beispielsweise ein Extruder zur Texturierung gehören. Ferner wollen wir eine Großanlage integrieren, die uns die Möglichkeiten für eine ganzheitliche Verwertung pflanzlicher Materialen bietet, um daraus veredelte Rohstoffe für die Lebensmittelproduktion zu gewinnen.
LT: Anfang 2021 sind Sie mit smartFoodTechnologyOWL in die vierjährige Intensivierungsphase gestartet. Rückblickend auf den Start im Jahr 2016: Wie lautet Ihr Fazit nach der jetzt ausgelaufenen Aufbauphase?
Witte: Eine wichtige Erkenntnis, die wir in Zusammenarbeit mit unseren Partnern in der Aufbauphase gewinnen konnten, ist, dass sich die Prozesse ganz anders gestalten lassen als ursprünglich von uns gedacht. Nicht zuletzt deswegen konnten wir in dieser ersten Phase bereits Fortschritte auf allen Ebenen erzielen. Diese auf den industriellen Maßstab zu übertragen, ist wesentlicher Inhalt der Aktivitäten bis Ende 2024.
Danneel: Darüber hinaus hat uns die Aufbauphase deutlich vor Augen geführt, dass die Lebensmittelproduzenten zwar die Anwendungsfelder für Industrie 4.0 liefern, aber nicht über die Ressourcen für die Entwicklungsarbeit verfügen. Es ist vor allem der Nahrungsmittelmaschinenbau, der die Modernisierung der Branche vorantreibt ...
Lohweg: ... und deswegen werden wir uns in Zukunft noch stärker auf die Zusammenarbeit mit den Maschinenbauern konzentrieren. Gemeinsam mit unseren Partnern wollen wir die für die Lebensmittelindustrie relevanten Lücken schließen und die für die Food Branche spezialisierten Industrie 4.0-Technologien liefern.
Das Gespräch führten Mareike Bähnisch, freie Fachjournalistin für Prozesstechnik, und LT-Chefredakteur Thomas Wiese. Sie finden das Interview auch in der LT 3/21, die am 16. März erscheint.