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16.07.2013

Die Formel für mehr Aroma und Ertrag

Würzburger Mathematiker arbeiten in einem neuen Forschungsprojekt an Formeln, die Gärprozesse in der Wein- und Biogasproduktion modellieren und simulieren. Mehr Aroma beim Wein, eine höhere Energieausbeute beim Biogas und allgemein ein geringerer Energieverbrauch sind ihre Ziele.

Eine Formel für den perfekten Wein wollen Mathematiker in einem neuen Forschungsprojekt nicht entwickeln. Sie arbeiten an einem mathematischen Grundmodell mit dem Ziel, den Gärprozess zu optimieren. (Foto: Gunnar Bartsch)

Eine Formel für den perfekten Wein wollen Mathematiker in einem neuen Forschungsprojekt nicht entwickeln. Sie arbeiten an einem mathematischen Grundmodell mit dem Ziel, den Gärprozess zu optimieren. (Foto: Gunnar Bartsch)

Es klingt ein wenig wie ein Witz: Mathematiker der Universität Würzburg wollen in einem neuen Forschungsprojekt gemeinsam mit Kollegen aus Trier und Geisenheim Formeln und Modelle entwickeln, die unter anderem dazu dienen sollen, den Prozess der Weingärung besser zu verstehen und zu steuern. Mit der Formel könnten Winzer unter Umständen in der Lage sein, das Aromaprofil ihrer Weine zu kontrollieren und zu optimieren.

BMBF finanziert das Projekt

Alfio BorziDass es sich dabei um keinen Witz handelt, beweist allerdings die Tatsache, dass sich das Projekt gegen rund 100 Konkurrenzanträge durchsetzen konnte und nun für drei Jahre vom Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert wird; rund 250.000 Euro werden in dieser Zeit nach Würzburg fließen. „Roenobio – Robuste Energie-Optimierung bei Gärprozessen in der Produktion von Biogas und Wein“ lautet der Titel des Verbundprojekts. Verantwortlich in Würzburg ist Professor Alfio Borzi, Inhaber des Lehrstuhls Mathematik IX – Wissenschaftliches Rechnen (Foto: Gunnar Bartsch).

Eines von Borzis Spezialgebieten sind rechnergestützte numerische Simulationen. Damit berechnen Mathematiker beispielsweise, wie der Einlasskanal eines Zylinderkopfs in Motoren aussehen muss, damit der Sprit optimal verbrannt wird. Oder sie modellieren und visualisieren die elektrischen Erregungswellen im Gehirn und im Herz. Und nun also Gärprozesse in der Produktion von Wein und Biogas.

Mathematisches Modell für die Gärung

„Natürlich gibt es bereits chemische Formeln, die diese Gärprozesse beschreiben“, sagt Alfio Borzi. Die würden das Geschehen in den Gärtanks und Weinfässern aber nur bruchstückhaft widergeben. Beispielsweise enthalten sie keinerlei räumliche Informationen, keine Angaben über den Einfluss der Temperatur, keine Details über die Entstehung der charakteristischen Aromen. Das wollen die Mathematiker ändern. „Mit Hilfe einer Formoptimierung können wir beispielsweise herausfinden, welche Gestalt optimal für das Gefäß ist, in dem die Gärung abläuft: der große Tank, das kleine Fass oder möglicherweise eine eiförmige Konstruktion, wie sie zur Zeit in der Bayerischen Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau in Veitshöchheim getestet wird“, sagt Borzi. Dazu müssen die Mathematiker beispielsweise Informationen über Wärmeleitfähigkeit und Strömungsverhalten der Flüssigkeit in ihre Modelle und Simulationen einbauen.

Vom Wein zum Biogas

Ginge es nur darum, Winzern eine Formel für den perfekten Wein zu liefern, würde das Forschungsministerium wohl kaum so viel Geld in das Forschungsprojekt stecken. Tatsächlich „üben“ die Mathematiker an der Weinvergärung nur. „Die Weingärung ist leichter zu kontrollieren und kann deshalb als Prototyp für die komplexere Biogasgärung betrachtet werden“, sagt Borzi. Die Wissenschaftler wollen zunächst ein mathematisches Grundmodell entwickeln mit dem Hauptziel, den Energieaufwand dieser Gärprozesse zu optimieren. In einem nächsten Schritt wollen sie dann produktspezifische Aspekte berücksichtigen, also beispielsweise das Aromaprofil beim Wein und die Energieausbeute beim Biogas. Aus diesem Grund gehört das Projekt zum Bedarfsfeld „Klima/Energie“ der Hightech-Strategie der Bundesregierung.

Partner aus Industrie und Landwirtschaft

Mehrere Vertreter aus Industrie und Landwirtschaft sind an dem Forschungsprojekt beteiligt. Mit ihrer Hilfe können die Mathematiker Daten gewinnen und ihre Simulationen mit den Ergebnissen aus der Realität vergleichen. Im Gegenzug profitieren ihre Partner von ihren Arbeiten: Drei Hersteller von Biogasanlagen – Stirl Anlagenbau, Biogas Warsow und agriKomp – können auf dieser Basis neue, effizientere Anlagen entwickeln und die Steuerung in bereits bestehenden Anlagen optimieren. Die beiden Weinbau-Versuchsanstalten in Veitshöchheim und in Bernkastel-Kues (Mosel) werden die Ergebnisse in die Beratung der Weinproduzenten einfließen lassen. Und der Anlagenbauer fp sensor systems aus Bürgstadt (Franken) kann damit seine Regelungs- und Steuerungstechnik weiter verbessern.

Der nächste Schritt

Alfio Borzi denkt allerdings schon über die nächsten drei Jahre hinaus: Er könne sich gut vorstellen, die Zusammenarbeit von Mathematikern und Lebensmittelproduzenten zu intensivieren, sagt er. Das sei schließlich eine gute Investition in die Zukunft.

Kontakt

Prof. Dr. Alfio Borzi, T. (0931) 31-84132, E-Mail: alfio.borzi@mathematik.uni-wuerzburg.de