There is an increasing demand for sustainable production of chemicals, food and pharmaceuticals. This work shows how digitalization and virtualization, based on simulation modelling, can be applied to holistically analyze process industry production systems and to increase production sustainability, using breweries as an example. A novel tool, based on Reference nets, Java, database systems and a model coupling mechanism called Balance Flows was developed. It was used to virtualize plant-wide operations of breweries (including wort production, beer production, bottling and cleaning). This tool provides great support in quantifying ecologically and economically saving potentials, which was shown based on various case studies: The installation of a second wort pan in one brewery increases the production capacity by 30 %. Replacing a specific wort pump led to savings of 30 kWh per week and an additional storage water tank in the Clean-In-Place plant of one brewery reduces fresh water requirements by 5000 kg/week. Additionally, modifying the production schedule results in savings in the double-digit percentage range due to varying electricity costs. These potentials are analyzed in the context of the whole enterprise and are based on single “digital twins” of the considered breweries. The analysis of the various departments of breweries in a holistic manner led to numerous ecologically and economically insights. The novel virtualization tool provides an excellent basis for modelling and simulating typical entities of batch orientated process industry production systems (recipes, processes and devices) and is a great assistance for plant managers and engineers.

Die Nachfrage nach einer nachhaltigen Produktion von Chemikalien, Lebensmitteln und Pharmazeutika steigt stetig. Diese Arbeit zeigt, wie die Digitalisierung und Virtualisierung, basierend auf Modellierung und Simulation, zur ganzheitlichen Analyse von Produktionssystemen der Prozessindustrie und zur Steigerung der Nachhaltigkeit der Produktion am Beispiel von Brauereien eingesetzt werden kann. Ein neuartiges Tool, basierend auf Referenznetzen, Java, Datenbanksystemen und einem Modellkopplungsmechanismus namens Balance-Flows wurde hierfür entwickelt. Mit diesem Tool wurden Brauereien aus einer unternehmensweiten Perspektive, inklusive der Abteilungen Würzeherstellung, Bierherstellung, Abfüllung und Reinigung, virtualisiert. Dieses Tool bietet eine große Unterstützung bei der Quantifizierung ökologischer und ökonomischer Einsparpotenziale, die anhand verschiedener Fallbeispiele aufgezeigt wurden: Die Installation einer zweiten Würzepfanne in einer Brauerei erhöht die Produktionskapazität um 30 %. Der Austausch einer bestimmten Würzepumpe führte zu einer Einsparung von 30 kWh pro Woche und ein zusätzlicher Stapelwassertank in der Clean-In-Place-Anlage einer Brauerei reduziert den Frischwasserbedarf um 5000 kg pro Woche. Die Änderung des Produktionsplans ermöglicht Einsparungen im zweistelligen Prozentbereich aufgrund von schwankenden Strompreisen. Die aufgezeigten Einsparpotenziale stehen dabei im Kontext des gesamten Unternehmens und basieren jeweils auf einen einzelnen „digitalen Zwilling“ der betrachteten Brauerei. Die ganzheitliche Analyse der verschiedenen Abteilungen von Brauereien führte zu zahlreichen ökologischen und ökonomischen Erkenntnissen. Die neuartige Virtualisierungsmethode bietet eine hervorragende Grundlage für die Modellierung und Simulation typischer Entitäten chargenorientierter Produktionssysteme der Prozessindustrie (Rezepte, Prozesse und Geräte) und ist eine große Hilfe für Betriebsleiter und Ingenieure.