Das vollautomatisierte Backen von Brot und Brötchen ist ein grundlegender Bestandteil unserer Nahrungsmittelversorgung. Wegen Zeitverzögerungen beim individuellen Anpassen der Backprozesse misslingt aber ein Teil dieser Lebensmittel und muss »entsorgt« werden. Im Projekt SensoBack hat ein Konsortium aus Forschung und Industrie nun ein System entwickelt, das ein Eingreifen auf Knopfdruck ermöglicht, um eine konstant hohe Backqualität zu erreichen. Ein einfaches Ampelsystem signalisiert auch weniger erfahrenen Bäckern, ob und an welcher Station ein Eingriff nötig ist. 

Mit Brötchen kann man sein Brot verdienen. Rund 10.000 Backbetriebe und Bäckereien mit ihren insgesamt rund einer Viertel Million Beschäftigten beweisen das fast jeden Tag. Neben Geschmack, Zutaten, Hygiene und Preis gibt es dabei aber eine entscheidende Einschränkung: Denn ein oder eine Bäcker*in kann nur mit denjenigen Brötchen sein oder ihr Brot verdienen, die er oder sie auch verkauft. Jedes zusätzliche Backwerk ist Überschuss und damit ein Verlust an Rohstoffen, Energie und Arbeitskraft. Der Schaden ist dabei umfangreicher als wir Kunden es vermutlich annehmen würden. Wegen Fehl- und Überproduktionen landen rund 15 Prozent der Teigwaren, die in größeren Bäckereien mit angeschlossenen Filialen produziert werden, nicht duftend in der Auslage, sondern müssen als unverkäuflich anderweitig »restverwertet« oder vernichtet werden. 

Diesen Lebensmittel-Ausschuss so weit wie möglich zu reduzieren, ist Ziel des Projekts »SensoBack«, bei dem der Bäckereimaschinen-Hersteller WP Kemper GmbH, der Spezialist für Bildverarbeitung und Robotik CLK GmbH, der Plattform-Entwickler myview systems GmbH, die Fachgruppe Regelungstechnik der Universität Paderborn, sowie das Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM zusammenarbeiten. Das Projekt wird im Rahmen des Leitmarktwettbewerbs Produktion.NRW durch die Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) unterstützt.

Kein Brötchen wie das andere 

Obwohl die industrielle Kleingebäckproduktion vollautomatisch abläuft, ist der Backvorgang eine der Hauptursachen für den hohen Ausschuss bei Großbäckereien. Das liegt unter anderem daran, dass Backen nicht nach klassischen, industriellen Herstellungsverfahren mit immer exakt den gleichen Rohstoffen und Prozessen Qualitäten wie am Fließband produzieren kann. Die individuell angestrebte Beschaffenheit, die Eigenschaften der verwendeten Materialien, Zeit und die Verschiedenartigkeit der Temperaturen und Backvorgänge werden nach wie vor von dem*der Bäcker*in oder dem*der Backexpert*in individuell bestimmt und angepasst. Er oder sie bedient eine bis zu 80 Meter lange Anlage und stellt für jede Verarbeitungs-Station die Prozessparameter ein. »Bevor aber bis zu 36.000 Brötchen pro Stunde bei gleichbleibend hoher Qualität gebacken werden können, arbeitet er oder sie ein Stück weit zunächst auch nach dem Prinzip des Herantastens an das gewünschte Ergebnis«, erklärt Jan Pollmann vom Fraunhofer IEM. Allerdings dauert es rund 15 Minuten, bis bei einer Einstellungsänderung am Anfang das Ergebnis »hinten«, am Ende der Backstraße, sichtbar wird. Und diese Änderungen sind nicht zur Rezepterstellung, sondern unter Umständen auch noch während des laufenden Backprozesses nötig. Notwendige Änderungen der Einstellungen und die Verzögerung, bis das Ergebnis offensichtlich wird, können bislang zu größeren Fehlproduktionen bei den Brötchen oder Donuts führen. 

Qualität ohne Ausschuss

»SensoBack hat sich zur Aufgabe gemacht, durch eine nahezu optimale Ausnutzung der Ressourcen schnell und ohne nennenswerten Ausschuss die gewünschten Produktqualitäten zu erzielen«, erklärt Pollmann. Dafür haben die beteiligten Forscher*innen unter anderem ein intelligentes Messsystem entwickelt, um an verschiedenen Stellen der Backstraße die aktuell erreichte Produktqualität zu erfassen. So haben sie einen technischen Grundstock geschaffen, die Regelung der gesamten Anlage an jeder Station an einem vorgegebenen und vorher eruierten Ideal auszurichten. Herzstück beziehungsweise Herzstücke dabei sind Sensoren, die an mehreren Stellen im Herstellungsprozess die Qualitätsvorgaben hinsichtlich Form, Gewicht oder Teigeigenschaften erfassen. So wird es erstmals möglich, den Backprozess Schritt für Schritt entlang der Backstraße zu überwachen, jeden Backschritt mit den Vorgaben zu vergleichen und die einzelnen Prozesse schnell so anzupassen, dass sie trotz beispielsweise wechselnder Zutateneigenschaften oder-mengen gleichbleibend hohe Qualitäten erzielen. Teiglinge, die absehbar den erwarteten Ergebnissen nicht entsprechen, werden so frühzeitig erkannt, dass die Parameter angepasst werden können. Der Ausschuss reduziert sich.

Parallel dazu könnten Sensorik und Steuerung in Zukunft auch genutzt werden, um das Einhalten von Hygienestandards zu gewährleisten: Wurden die Produktionsanlagen bislang meist unabhängig vom tatsächlichen Hygienezustand in festen Intervallen gereinigt, könnte das künftig in Abhängigkeit vom tatsächlichen Verschmutzungsgrad geschehen. Das – so Pollmann - wäre einerseits effizienter und andererseits auch hygienischer. Gewährleistet werden könnte das beispielsweise durch Kamerasysteme, die an eine optische Analysesoftware angeschlossen sind. Für ein derartiges System sei aber noch Zusatzforschung nötig.

Herzstücke der Backstraße sind Sensoren, die an mehreren Stellen im Herstellungsprozess die Qualitätsvorgaben hinsichtlich Form, Gewicht oder Teigeigenschaften erfassen. So wird es erstmals möglich, den Backprozess Schritt für Schritt entlang der Backstraße zu überwachen, jeden Backschritt mit den Vorgaben zu vergleichen und die einzelnen Prozesse schnell anzupassen. Bild: Fraunhofer IEM

Der virtuelle Backmeister

Nahezu abgeschlossen aber ist die Arbeit an einem »virtuellen Backmeister«, für den das Fraunhofer IEM federführend zuständig ist. »Der virtuelle Backmeister von SensoBack ist das Leitstandsystem, dass die Sensorwerte bewertet und Einfluss auf die einzelnen Prozessschritte der Backmaschine nehmen kann», erläutert Pollmann. So kann beispielsweise auf Knopfdruck der Anteil an Zutaten modifiziert, der Anpressdruck beim Ausformen des Teiges verändert oder die Ruhe- und Backgeschwindigkeit nachjustiert werden. Die komplette Datenkommunikation verläuft dabei im Hintergrund. Nach außen sichtbar ist der virtuelle Backmeister in Form einer Displayanzeige auf dem Monitor oder auf einem Mobilgerät. Auch eine umfangreiche Anbindung an die Cloud und damit die Integration von Steuermöglichkeiten außerhalb der Großbäckerei ist vorstellbar – wird im Moment allerdings noch diskutiert. Denn so komfortabel es wäre, die Produktion letztlich von überall auf der Welt aus zu steuern, so selbstverständlich ist es auch, dass menschliche Backmeister ohnehin vor Ort sind. Zudem müssen Datenschutz- und Sicherheitsbedenken in diesem sensiblen Lebensmittelbereich im Vorhinein ausgeräumt sein. Die Cloud wird deshalb aktuell nur für die Installation und Konfiguration des virtuellen Backmeisters eingesetzt. 

»Wer den virtuellen Backmeister nutzt, sieht eine Webseite mit einem sehr einfachen Modell von aktuell fünf Stationen - von der Portionierung des Teiges über das Wirken bis zum Backprozess. Jede dieser Stationen ist mit einer virtuellen Ampel auf dem Display kombiniert«, erklärt Pollmann. Grün stehe für eine optimale Situation bei Produkt und Verarbeitung, Gelb für den möglichen Bedarf des Nachjustierens und Rot bedeute, dass aktuell Ausschuss produziert werde. Ein Klick oder Fingerdruck auf eine Station auf der Webseite führe dann zu näheren Erklärungen und – falls notwendig – zu Verbesserungs- oder Lösungsvorschlägen. »Wir haben den virtuellen Backmeister bewusst so einfach gehalten, dass eine Nutzung auch durch Personal möglich ist, dass mit Maschine und Backen weniger vertraut ist als ein erfahrender Backmeister des Herstellers«, sagt Pollmann. 

SensoBack wird aller Voraussicht nach im März kommenden Jahres abgeschlossen sein. Die konkreten Ergebnisse können dann Einzug finden in die Entwicklung neuer Backmaschinen. »Aber die allgemeinen Erkenntnisse aus dem Projekt könnten durchaus auch für die Entwicklung anderer Maschinentypen genutzt werden«, meint Pollmann. Gerade im Bereich der Produktion bei mittelständischen Unternehmen sei es sinnvoll, auch andere Produktionsstraßen mit einem vergleichbar zuverlässigen und einfach zu bedienenden Steuerungssystem auszustatten. 

(aku)

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Mike Figge
  • Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM
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