Spanische Wissenschaftler revolutionieren mit künstlicher Intelligenz die Modellierung der Weingärung

Forscher des Spanischen Nationalen Forschungsrats (CSIC) setzen künstliche Intelligenz ein, um die Gärung von Wein zu modellieren und den Winzern zu helfen, diesen komplexen Prozess besser zu steuern. Das Projekt mit der Bezeichnung Tailored-Wine wird von der staatlichen spanischen Forschungsagentur finanziert und vom Institut für Meeresforschung (IIM-CSIC) in Vigo geleitet. Das Team entwickelt seit Jahren computergestützte Werkzeuge, um Weinkellereien bei der Vorhersage und Steuerung der Gärung zu helfen, einer Phase, an der lebende Mikroorganismen und viele schwer zu überwachende Variablen beteiligt sind.

Die neue Initiative fügt künstliche Intelligenz zu bestehenden Modellen hinzu, die auf Physik, Chemie und Biologie basieren. Laut Eva Balsa, der leitenden Forscherin, besteht das Ziel darin, hybride Modelle zu erstellen, die wissenschaftliche Kenntnisse mit KI-Techniken kombinieren. Es wird erwartet, dass diese Modelle genauer und anpassungsfähiger sind, insbesondere da der Klimawandel die Variabilität der Traubenzusammensetzung erhöht.

Die Forschungsgruppe hat bereits digitale Zwillinge für den Weinsektor entwickelt - virtuelle Nachbildungen von Gärungsprozessen, die Simulationen und Vorhersagen ermöglichen. Jetzt konzentrieren sie sich darauf, den Hefestoffwechsel im Detail zu verstehen, insbesondere wie Hefen während der Gärung mit Kohlenstoff und Stickstoff umgehen. Dies ist wichtig, da der Gehalt an diesen Nährstoffen in Trauben je nach Rebsorte, Jahrgang und zunehmend auch aufgrund des Klimawandels variieren kann.

Um experimentelle Daten für ihre Modelle zu sammeln, arbeitet das Team in Vigo mit dem Institut für Agrochemie und Lebensmitteltechnologie (IATA-CSIC) in Valencia zusammen. Die Pilotkellerei des IATA wird unter der Koordination von Amparo Queral und Eladio Barrio Daten aus der realen Welt liefern. Ein Bioinformatik-Experte des IATA ist ebenfalls beteiligt, um genetische Informationen über Hefestämme in die Modelle einzubeziehen.

Nach ihrer Entwicklung werden die Berechnungsmodelle in der Versuchsanlage in Valencia validiert, bevor sie auf die industrielle Nutzung übertragen werden. Balsa merkt an, dass die Berücksichtigung von Änderungen des Stickstoff- und Kohlenstoffgehalts jetzt eine Priorität ist, da diese Verschiebungen die Fermentationsergebnisse erheblich beeinflussen können.

Die Forscher haben bereits damit begonnen, KI in der letzten Phase ihres früheren Projekts einzusetzen. Sie haben kürzlich einen wissenschaftlichen Artikel veröffentlicht, in dem sie wissensbasierte Modelle mit solchen vergleichen, die sich ausschließlich auf KI stützen. Ihre Ergebnisse zeigen, dass reine KI-Modelle viel mehr Laborarbeit erfordern, während hybride Modelle nützlich sind, wenn es an Detailwissen mangelt. Das Training von KI mit bestehenden wissenschaftlichen Modellen kann schnell eine ähnliche Genauigkeit erreichen, was diesen Ansatz für industrielle Anwendungen vielversprechend macht.

Parallel zu Tailored-Wine hat Balsas Team ein weiteres öffentlich-privates Partnerschaftsprojekt ins Leben gerufen, an dem die Weinkellereien Ramón Bilbao und Bodegas Roda aus Haro, eine auf Aromen spezialisierte Gruppe der Universität Zaragoza, das Ingenieurbüro Inconef und das multinationale Unternehmen Lallemand, das Hefe und Nährstoffe für die Gärung herstellt, beteiligt sind. Ziel dieses Konsortiums ist es, detailliertere digitale Zwillinge in Weinkellereien zu implementieren und sie mit intelligenten Sensoren und Hardwaretechnologien zu kombinieren, die in der Branche noch nicht weit verbreitet sind. Das System wird die Entscheidungsfindung der Winzer in Echtzeit unterstützen.

Diese digitalen Werkzeuge könnten auch außerhalb der Weinproduktion eingesetzt werden. Hefen spielen eine Schlüsselrolle in vielen biotechnologischen Prozessen, z. B. bei der Joghurtgärung. Während der Wein einzigartige Herausforderungen mit sich bringt - wie die Aromaproduktion -, könnten die von den CSIC-Forschern entwickelten Modellierungsstrategien auch anderen Sektoren zugute kommen, in denen die hefegetriebene Gärung von wesentlicher Bedeutung ist.