Ziel des Projekts war es, eine betriebsfähige und vollautomatisch arbeitende Pilotanlage sowie ihren digitalen Zwilling für die Herstellung von mikrofibrillierter Cellulose (MFC) aus Buchenholzfasern aufzubauen. In der zweiten Phase sollte diese durch eine KI in ihrer Effizienz vollautomatisch verbessert werden. Der Industrie sollten dadurch wichtige Entscheidungshilfen und ein praktischer Erfahrungsvorsprung übermittelt werden.

Die Projektlaufzeit wurde in zwei Phasen aufgeteilt: Der erste Teil wurde im November 2023 erfolgreich abgeschlossen, das Ende der zweiten Förderperiode erfolgte dann gut zwei Jahre später. Während der ersten Projektphase wurde die Pilotanlage ausgelegt, geplant, gebaut und in Betrieb genommen. Ein besonderes Augenmerk wurde dabei auf die vollumfängliche Automatisierung der Prozessabläufe gelegt. Damit wurde transparent dargestellt, welche Chancen und Herausforderungen bei diesem Schritt bestehen.

Berücksichtigt wurde dabei bereits die zweite Projektphase für eine anschließende, KI-Prozessoptimierung zur Steigerung der Energieeffizienz, unterstützt durch einen Digitalen Zwilling. Der erarbeite Ansatz dient einer beschleunigten Implementierung neuer Verfahren und Materialien in der Bioökonomie.

Um der Anwendung von holzbasierter Nanocellulose einen Impuls zu verschaffen, ist es deshalb notwendig, die Herstellung mit einem Höchstmaß an Automatisierung und modernster Technologie auszustatten, um die Kosten sowie die Entwicklungszeit auf ein Minimum zu reduzieren. Der im Projekt angestrebte Automatisierungsgrad sollte vollumfänglich 100 Prozent betragen. Das bedeutet, dass die Anlage nach der Inbetriebnahme von der Beschickung mit Rohstoff bis zum fertig produzierten Produkt komplett selbstständig und ohne personellen Eingriff betrieben werden kann. Ist die erwünschte Qualität des Endproduktes erreicht, stellt sich die Anlage automatisch ab.

Im Anschluss sollte mit Hilfe der gewonnenen Daten aus der Praxis, des digitalen Zwillings und des entwickelten KI-Algorithmus eine vollautomatische Prozessoptimierung umgesetzt werden. Ziel war es, die Herausforderungen und Chancen bei der Planung, dem Bau und Betrieb einer völlig automatisch betriebenen und mit KI zu optimierenden Anlage zu demonstrieren und dem interessierten Publikum zu vermitteln.

Durch diese Maßnahme entstanden mehrere Vorteile: Es wird zum einen demonstriert, welche Schritte, Kosten und Chancen bei der Integration von künstlicher Intelligenz in Prozessanlagen zu berücksichtigen sind. Zum anderen wird mit der KI-gestützten Prozessoptimierung der Wandel hin zu einer biologisch orientierten, industriellen Fertigung deutlich beschleunigt. Aufgrund der enormen Senkung von Investitions- und Herstellungskosten soll der breite Markterfolg von holzbasierter MFC einen großen Schritt nach vorn gebracht werden.

Forst und Holz: Aufgrund der Erkenntnisse im Projekt wird der Rohstoff Holz in seiner Wertschöpfung gesteigert. Durch die Erzeugung von Nanocellulose werden Holzfasern als Rohstoffquelle herangezogen und die Nanocellulose in neue Anwendungen überführt. Die Branche der Zellstoffindustrie kann dadurch in Zukunft ihre Produkte an neue Unternehmen vermarkten oder selbst Anlagen zur Weiterverarbeitung, der eigens hergestellten Zellstoffe, in Betrieb nehmen.

Energie: Steigende Stromkosten und strengere Auflagen stellen stromintensive Industrien vor neue Herausforderungen. Die im Projekt eingesetzte innovative Technologie, Produktionstechnik in Verbindung mit zukünftiger KI, knüpft an diesen Problemen an. Die Grundlagenforschung zur Umsetzung der Industrie 4.0 bringt den Einsatz neuer Technologien – vor allem in der Zellstoffindustrie sowie Papierindustrie – voran und besitzt ein hohes Effizienzsteigerungspotenzial.

Neue Werkstoffe und Oberflächen: Bisher ist die Herstellung von Nanocellulose kostenintensiv und wird daher in nur sehr wenigen Branchen und Anwendungen eingesetzt. Durch die preiswertere Herstellung von Nanocellulose kann diese in neuen Werkstoffen eingesetzt werden und ist somit nicht nur der Schlüssel für Produktinnovationen, sondern zugleich auch potenzielle Lösung von Zukunftsfragen und Herausforderungen.

KI als Schlüssel zur nachhaltigen Materialproduktion

Das Forschungsprojekt KIckBio hat seine zweite Projektphase erfolgreich abgeschlossen und bewiesen, dass Künstliche Intelligenz die nachhaltige Herstellung von Mikrofibrillierter Cellulose (MFC) aus Laubholz effizienter, skalierbarer und wirtschaftlicher gestalten kann. Die gewonnenen Erkenntnisse untermauern das Potenzial für die industrielle Anwendung.

KI-gestützte Rezeptoptimierung: Verschiedene KI-Modelle wurden erprobt und verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine automatisierte Optimierung von Rezepturen grundsätzlich möglich ist. Zusätzlich lässt sich die Produktqualität über den Zeitverlauf zuverlässig vorhersagen – ein entscheidender Vorteil für Qualitätssicherung und Effizienzsteigerung.

Digitaler Zwilling realisiert: Der vollständige Digitale Zwilling der Anlage inklusive Simulation wurde erfolgreich entwickelt. Das zugehörige Prozessmodell ist bereit zur Integration in die Plattform Celluportal – ein wichtiger Schritt hin zur breiteren Nutzung und Vernetzung.

Fundiertes Prozessverständnis als Basis für Skalierung: Das im Projektverlauf gewonnene tiefgehende Verständnis der Prozessabläufe ist von hohem Wert für eine mögliche Skalierung und Industrialisierung der Herstellung von MFC. Es liefert eine solide Entscheidungsgrundlage für zukünftige Investoren und Anlagenbetreiber.

Lerneffekte für künftige KI-Projekte: KIckBio hat gezeigt, dass KI-Projekte vom systematischen Testen und Lernen leben. Das Projekt bot ideale Voraussetzungen dafür und schafft damit eine wertvolle Erfahrungsbasis, von der künftige Projekte in der Prozessindustrie direkt profitieren können.