Bornimer Agrartechnische Berichte
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Ziel des Leitfadens ist die Vermittlung von grundlegenden Informationen über die Trocknung von Arznei- und Gewürzpflanzen. Maximale Energieeffizienz ist entscheidend für die wirtschaftliche Effizienz von Trocknungsanlagen. Eine maximale Auslastung im Verlauf der Ernteperiode besitzt absolute Priorität. Die Betriebsweise von Trocknern und wechselnde Wetterbedingungen haben einen wesentlich größeren Einfluss auf den spezifischen thermischen Energiebedarf als das Trocknungsverhalten einzelner Pflanzenarten. Zuerst sollten deshalb die jeweiligen Trocknungsprozesse luftseitig und regelungstechnisch optimiert werden. Die Realisierung einer effizienten Energieversorgung ist dann der zweite Schritt.
Zu den Möglichkeiten der lufttechnischen Effizienzsteigerung zählt insbesondere die Trocknung mit Teilumluft. Wird der Umluftanteil optimal geregelt, so verlängert sich die gesamte Trocknungsdauer nur geringfügig. Andere effektive Maßnahmen bei der Chargentrocknung sind die Nutzung von Abluft in nachgeschalteten Trocknern oder die Umlagerung und Zusammenlegung von angetrockneten Arzneipflanzen auf einer kleineren Rostfläche. Alle diese Maßnahmen ermöglichen Energieeinsparungen von mehr als 25 %.
Basierend auf Simulationsergebnissen zur Flächentrocknung von Kamilleblüten wurden verschiedene Varianten der Energieversorgung vergleichend analysiert. Bei ununterbrochener Trocknung über mehrere Tage und Nächte sind die durch Solarwärme erreichbaren Energieeinsparungen relativ klein. Die Kombination einer Wärmepumpe mit einem Blockheizkraftwerk (BHKW) und Teilumluft ergab hingegen Primärenergieeinsparungen von 73 %. Wirtschaftlichkeitsanalysen zeigen, dass sich der geregelte Teilumluft-Betrieb in weniger als zwei Jahren amortisiert. Unter Berücksichtigung von Fördermitteln wurden für die untersuchten Varianten Nutzung von BHKW-Abwärme, Kombination Wärmepumpe und BHKW sowie Nutzung von Solarwärme Amortisationsdauern zwischen ca. sechs und zehn Jahren ermittelt.
Im Rahmen des BiogasCropNetwork (BCN) haben zehn Forschungseinrichtungen aus Deutschland den Prozess der Biogasbildung aus Pflanzen systematisch untersucht. Dieses Netzwerk wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt. Ziel des BCN lag in der systematischen Analyse der Biogasbildung aus pflanzlicher Biomasse entlang der gesamten Weitschöpfungskette. Beispielhaft wurden unterschiedliche Biogaspflanzen ausgewählt, die sich hinsichtlich Struktur und stofflicher Zusammensetzung unterschieden. Schwerpunkte der Arbeiten bildeten die mechanisch- enzymatische Vorbehandlung, die verfahrenstechnische Optimierung der Biogasbildung, die Analyse und Dynamik der am biochemischen Abbau beteiligten Mikroorganismen sowie die Entwicklung von Modellen zur optimalen Einlagerung und zur Beschreibung des anaeroben Abbauprozesses.
Die gesicherte Bereitstellung und Aufbereitung von Holzhackschnitzeln ist Grundlage für den wirtschaftlichen Betrieb von Bioenergieanlagen. In den folgenden Beiträgen werden mögliche Potentiale zur Optimierung der Biomassebereitstellung für eine energetische Nutzung gezeigt. Vorgestellt werden unterschiedliche Varianten zur Lagerung, Belüftung und Trocknung. Für die fremdenergiefreie Trocknung wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem spezielle Belüftungskanäle in einen Hackschnitzelhaufen eingebaut werden. Das Verfahren weist unter allen bekannten Möglichkeiten einer gezielten Trocknung von Hackgut die geringsten Kosten auf. Ein bisher nicht wenig betrachtetes Problem stellt die Selbstentzündung von Lagerhaufen dar. Ergebnisse der Simulation von Selbstentzündungsvorgängen bei Kieferhackschnitzeln werden mit Testdaten verglichen und diskutiert, um optimale Lagerbedingungen abzuleiten, die eine Selbstentzündung ausschließen. Ein weiterer Bericht zeigt Ergebnisse der seit 1998 durchgeführten Lagerversuche im halb- und großtechnischen Maßstab zur Analyse von Schimmelpilzentwicklung und Trockenmasseverlusten in Holzhackschnitzelhaufen. Hier konnte ein dominierender Einfluss der Hacklänge auf die untersuchten Parameter Temperatur in der Schüttung, Schimmelpilzentwicklung, Trocknungsverlauf sowie Trockenmasse- und Energieverlust festgestellt werden. Mit der Entwicklung von pilzlichen und bakteriellen Lebensgemeinschaften in einer Kiefernholzhalde befasst sich ein weiterer Bericht. Dafür wurde eine Halde 15 m x 20 m x 6 m errichtet um ein Verständnis der Abläufe mikrobiologischer Prozesse erhalten zu können. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Funktion und die Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften über die Lagerzeit ändern und die Prozesse nur zum Teil mit denen in Kompostieranlagen vergleichbar sind. Die strömungsmechanische und thermodynamische Modellierung von Hackschnitzelschüttungen und der Vergleich mit experimentellen Untersuchungen ermöglichen die Optimierung der Hackschnitzeltrocknung. Hierfür wurden Pappelhackschnitzel mit den Korngrößen grob (24 mm), mittel (14 mm) und fein (8,5 mm) unter Zwangsbelüftung getrocknet und analysiert. Das beste Ergebnis konnte bei groben Holzhackschnitzeln mit homogener Korngrößenverteilung erreicht werden. Ein thermodynamisches Modell der Trocknungsvorgänge zeigt die Temperatur- und Feuchteverläufe im Lagerhaufen für unterschiedliche Korngrößen.
Der anaerobe Abbau von Biomasse zu Biogas erfolgt durch eine komplexe mikrobielle Lebensgemeinschaft aus fermentativen Bakterien und methanogenen Archaeen. Der Großteil der daran beteiligten Arten ist bislang jedoch noch unbekannt, ebenso ihr jeweiliger Einfluss auf die Reaktorleistung. In den letzten Jahren konnten in der mikrobiologischen Analytik jedoch gewaltige technologische Durchbrüche erzielt werden, welche die Analyse von komplexen Lebensgemeinschaften auch für höheren Probenzahlen ermöglichen. Im Rahmen des im Folgenden dargestellten Forschungsvorhabens sollten diese neuartigen Techniken gezielt eingesetzt werden, um die Auswirkungen verschiedener Betriebsweisen von Biogasanlagen auf die Prozessmikrobiologie in der Praxis zu untersuchen. Weiterhin sollten Zusammenhänge zwischen der Prozessmikrobiologie sowie der Reaktorleistung ermittelt werden. Übergreifendes Ziel war die Ermittlung besonders prozessrelevanter Arten oder Organismengruppen.
Das Verbundprojekt umfasste die Teilvorhaben (1) Mikrobiologisches Monitoring (Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. Abt. Bioverfahrenstechnik), (2) Taxonomisches Profiling (Universität Bielefeld, Centrum für Biotechnologie), (3) Metaproteom-Analytik (Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Bioprocess Engineering) und (4) Biostatistische Prozessdatenauswertung (Universität Hohenheim, Institut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie).
Die Schlussberichte aller vier Teilvorhaben sind in diesem Band der Bornimer Agrartechnischen Berichte in ungekürzter Form enthalten.
In dieser Studie wurde die Entwicklung methanogener Biofilme in meso- und thermophilen ein- und zweistufigen Biogasreaktoren bei der Vergärung von Maissilage untersucht. Ziel war neben der kultivierungsunabhängigen Charakterisierung von Struktur und Dynamik der mikrobiellen Lebensgemeinschaften und ihrer Stoffwechseleigenschaften insbesondere auch die Entwicklung von Strategien zur Ansiedlung solcher Biofilme.
Die Produktion von Biogas aus landwirtschaftlichen Primärprodukten oder Reststoffen stellt einen wesentlichen Beitrag zur Reduktion des Co2-Ausstoßes sowie zur Entwicklung einer nachhaltigen Landbewirtschaftung dar. Im Rahmen dieses Projektes soll daher die Artenzusammensetzung der methanogenen Mikroflora in ausgewählten Praxis-Biogasanlagen anhand ihrer 16S rDNA analysisert werden.
Der Erfolg einer präzisen Düngung der Grundnährstoffe (P, K, Mg, Kalk) hängt wesentlich von dem Aufwand ab, der für die Erzeugung genauer Ausbringekarten erforderlich ist. In diesem Projekt wurden Daten, die in einem großen landwirtschaftlichen Betrieb (3000 ha) verfügbar waren bzw. durch zusätzliche Untersuchungen gewonnen wurden, genutzt, um den Einfluss der Probenahmedichte und verschiedener Interpolationsmethoden auf die Genauigkeit der Ausbringekarten zu untersuchen. Eine Simulation der on-the-go Erfassung des pH-Wertes sowie der Grundnährstoffe zeigte, dass diese Technik in der Lage ist, die Mängel, die mit der traditionellen Probenahme verbunden sind, zu überwinden. Außerdem wurden die Wirtschaftlichkeit sowie die potentielle Über- und Unterdüngung verschiedener Varianten der teilflächenspezifischen Düngung kalkuliert. Das beste Ergebnis wurde für die kleinste untersuchte Teilfläche von 1 ha ermittelt.
In vorliegendem Forschungsbericht wird sowohl der internationale Stand der Forschung und Entwicklung zum Einsatz von Biogas in Brennstoffzellen dargestellt als auch die jüngsten im ATB gewonnen experimentellen Ergebnisse. Bislang wurden in Japan, USA, Deutschland und der Schweiz mehr als 10 Brennstoffzellensysteme im Leistungsbereich von 25 Wel bis 250 kWel mit Bio- oder Klärgas in Labor- und Pilotanlagen getestet. Dabei handelt es sich um Phosphorsäure-, Schmelzkarbonat-, Festoxid- und Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PAFC, MCFC, SOFC, PEMFC). Die Auswahl der Typen wurde insbesondere von den Kosten, aber auch von Wirkungsgrad, Lebensdauer und Toleranz gegenüber Brennstoffzellen schädigenden Gasen bestimmt. Die Arbeiten im ATB Potsdam-Bornim sind auf die Ermittlung von Schadgasen im Spurenbereich fokussiert sowie auf die Analyse und Optimierung von PEMFC-Systemen, einschließlich des Dampfreformers. In Biogas aus verschiedenen Praxisanlagen und Laborfermentern werden Schwefelwasserstoff (H2S), Carbonylsulfid (COS), Schwefelkohlenstoff (CS2), Dimethylsulfid (DMS), Ethylmerkaptan (EtSH) und Methylmerkaptan (MeSH) analysiert und teilweise in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt sowie erste Zusammenhänge zu Technologie, Prozessführung und Substrat hergestellt. In den Untersuchungen zur Reformierung wird der Einfluss des Methangehaltes (CH4), der Reformierungstemperatur, des Dampf-Methan-Verhältnisses (S/C) und der Reformerlast auf den Wasserstoff- und Kohlenmonoxidgehalt sowie auf die Wirkungsgrade ermittelt. Der Wasserstoffwirkungsgrad liegt im Bereich von 45 bis 55 % und die Methanumsatzrate zwischen 83 und 98 %, wobei ein enger Zusammenhang zur Kohlenmonoxidkonzentration im Reformat besteht. Mit einer 500 Wel-Laboranlage wird die Eignung des Biogasreformats für die Verstromung in PEM-Brennstoffzellen experimentell nachgewiesen.
Im vorliegenden Band werden die Ergebnisse aus zwei Forschungsprojekten, die mit finanziellen Mitteln des Bundesprogramms Ökologischer Landbau ( BMVEL (BLE)-02OE556und -02OE482 ) gefördert wurden, vorgestellt. Beide Forschungsprojekte befassen sich mit Fragen der Qualitätserhaltung/-sicherung von ökologisch erzeugten Gartenbauprodukten im Nacherntebereich. Auf der Grundlage unterschiedlicher Wissenschaftsdisziplinen wurden mit einem technisch-technologischen Ansatz und mit einem sozio-ökonomischen Ansatz Ergebnisse erarbeitet, die die in der Nachernte handelnden Akteure befähigen sollen, qualitativ hochwertige Produkte bereitzustellen. Die Zielstellung des Projekts "Qualitätserhaltendes Handling von Bioobst und Biogemüse im Einzelhandel und bei der Direktvermarktung" bestand darin, eine verbesserte Qualitätserhaltung von ökologisch erzeugtem Obst und Gemüse in der Nacherntekette vom Erzeuger bis zu Verbraucher durch optimale Umgebungsbedingungen zu gewährleisten. Am Beispiel von drei ausgewählten Produktarten wurde einfach, wirksame und praxistaugliche Methoden zur qualitätserhaltenden Aufbewahrung empfindlicher Produkte abgeleitet. Fast alle Aussagen basieren auf aufwendigen, eigenen Versuchsanstellungen, die im Rahmen von Nacherntesimulationen unter Laborbedingungen ermittelt wurden.
Das Ziel dieser Studie besteht daher in der Ermittlung und Bewertung der technischen und merkantilen Möglichkeiten der Nutzung von in Brasilien produziertem Rizinusöl. Neben einer Einschätzung der Marktchancen dieses hochwertigen Pflanzenöls in Deutschland und Europa besteht der Schwerpunkt insbesondere in der Darstellung der technischen Eigenschaften des Öls und der daraus resultierenden Eignung als Kraft-stoff in Form von naturbelassenem Öl und Biodiesel. Außerdem soll ein Überblick über moderne für Brasilien geeignete Pflanzenölaufbereitungstechnologien und Motorenkon-zepte, einschließlich der bisherigen Erfahrungen dazu in Deutschland, gegeben wer-den.
In Deutschland wird auf mehr als 58 % des Ackerlandes Getreide angebaut. Getreide ist gleichzeitig Hauptfrucht und Haupteinnahmequelle der Landwirte. Mehr als 61% der Getreideernte 2003 wurden als Futtergetreide verwendet; auf Nahrungsgetreide entfielen knapp 25%. Obwohl es das primäre Ziel der Erzeuger ist, Getreide trocken zu ernten, gelingt dies in Mitteleuropa im 10-Jahres-Durchschnitt nur zu etwa 60-70%. In der Getreideproduktion ist überdies ein Wandel hin zu weniger Arten und Sorten zu verzeichnen, der weniger Erntetage zur Folge hat. Hinzu kommt der Trend zu einer sinkenden Anzahl größer werdender Mähdrescher mit erheblich gesteigerter Ernteleistung. Aus betriebswirtschaftlichen Gründen werden zukünftig moderne Großmähdrescher nebeneinander liegende Flächen ernten, die noch nicht die erforderlichen Endfeuchtegehalte erreicht haben, so dass mehr Getreide getrocknet werden muss. Der Getreidequalität sowie der Rückverfolgbarkeit wird mit Inkrafttreten neuer EU-Verordnungen zur Lebensmittelsicherheit immer mehr Aufmerksamkeit gewidmet. Trocknungsprozesse sind stets sehr energieintensiv: in der Industrie werden bis zu 15 % der eingesetzten Energie für Verfahren der Trocknung verbraucht. Für die Warmlufttrocknung von Weizen, Reis und Mais werden weltweit zunehmend Dächerschachttrockner eingesetzt. Die zum Teil erheblichen Schwankungen der Getreidefeuchte zu Beginn des Trocknungsprozesses am Einlass des Trockners (Trocknereintrag) stellen nach wie vor das größte regelungstechnische Problem dar. Bisherige Steuerungssysteme sind nicht in der Lage, diese Feuchteschwankungen im Laufe des Trocknungsprozesses ausreichend zu verringern. Aufgrund dessen kommt es häufig zur Unter- bzw. Übertrocknung begleitet von Schwankungen der Austrittsfeuchte. Qualitätseinbußen durch thermische Schädigungen oder die Bildung von Mykotoxinen im Getreidelager sind die Folgen. Ziel des Vorhabens war deshalb, ein adaptives modellbasiertes Automatisierungskonzept zur Regelung der Trockengutfeuchte bei gleichzeitiger Reduzierung des Energieverbrauches und der Staubbelastung zu entwickeln, dessen Ergebnisse auf unterschiedliche Typen von Dächerschachttrocknern und Getreidearten übertragbar sind.
Die Stärkegehalte von Kartoffelknollen einer Warenpartie können in einem weiten Be-reich streuen. Mit dem Stärkegehalt ändern sich oftmals die Kocheigenschaften der Knollen. Um bei der Frischkartoffelaufbereitung oder der Veredlung eine gleichbleiben-de Produktqualität erzielen zu können, müssen die Kartoffeln nach ihrem Stärkegehalt klassiert und getrennt verarbeitet werden. Die in der Praxis vorherrschende Methode zur Dichtebestimmung durch Tauchen der Knollen in Solbäder oder Dispersionen belastet die Umwelt und ist nicht mehr zeitge-mäß. Ziel des Projektes war die online - Stärkebestimmung von Einzelknollen als Vorausset-zung für das Klassieren eines Kartoffelstroms in 3 Stärkeklassen. Zur Stärkebestim-mung sind zwei Wege untersucht worden: - Bestimmen der Knollendichte durch eine neuartige Verknüpfung von optoelektro-nisch ermitteltem Volumen und dynamischem Wiegen der Einzelknollen. - Spektrale Messung des Stärkegehaltes oder geeigneter Hilfsgrößen mit Hilfe von nah-infrarotem (NIR) Licht. Beim ersten Lösungsweg wird der Stärkegehalt aus der Knollendichte berechnet. Um die Dichte der Knollen ermitteln zu können, wurde vom ATB ein Verfahren zur dynami-schen Massebestimmung der Einzelknollen und vom Kooperationspartner SELECT® ein Verfahren für die Volumenmessung entwickelt. Zur dynamischen Wägung der Knollen wurde eine Bandwaage der Firma WIPOTEC eingesetzt. Zum Wiegen der unruhig liegenden Knollen innerhalb des zulässigen Feh-lerbereiches war ein spezieller Auswertalgorithmus zu programmieren. Durch Anpassen von Baugruppen für die Vereinzelung der Knollen sowie für die Zu- und Abführung konnten mit einer Wägelinie 4 -5 Knollen pro Sekunde gewogen werden. Um höhere Stückzahlen erreichen zu können, sind Konzepte für den parallelen Einsatz mehrerer Wägelinien erarbeitet und im Versuchslabor erprobt worden. Für die Volumenbestimmung entwickelte die Firma SELECT® einen ihrer optoelektroni-scher Verleseautomat weiter. Dieses System arbeitet mit vier Kameras, die gegenüber-liegend in einem ringförmigen Gehäuse angeordnet sind und die Knollen beim Hin-durchfallen vermessen. Beim zweiten Lösungsweg wurde mit Hilfe spektraler Messungen versucht, den Stärke-gehalt über die Absorption eines Laserstrahls zu bestimmen. Diese Untersuchungen führten auf Grund der unerwartet starken Absorption der Knollen nicht zum Erfolg.
Zur Messung und Kontrolle der Qualität von Obst und Gemüse wurde ein portables einsetzbares zerstörungsfreies Messverfahren auf der Basis der Multigas-Analyse entwickelt und hinsichtlich seiner Eignung untersucht, die qualitätsrelevanten Gaswechselprozesse zwischen Produkt und umgebender Atmosphäre zu erfassen. Ziel war es eine online-fähige Methode zur Produktzustandsanalyse in den Vor- und Nachernteprozessen der Versorgungskette gartenbaulicher Kulturen zu erhalten.
Im Rahmen des BMBF/PTJ-Verbundprojektes „Erschließung von Nachhaltigkeitspotenzialen durch Nutzung innovativer Sensortechnologien und ganzheitlicher Bewertungsmodelle in der Produktionskette von pflanzlichen Lebensmitteln - ProSenso.net 2“ wurden seit Juli 2006 für die zwei wirtschaftlich bedeutenden Wertschöpfungsketten Getreide und Obst/Gemüse/Kartoffeln innovative praxisnahe Lösungskonzepte entwickelt, die erheblich zur Gewährleistung von Produktqualität und -sicherheit beitragen können. Mit den neu- oder weiterentwickelten sensorgestützten Lösungen lassen sich Prozess- und Produktqualitäten an den relevanten kritischen Stellen der Prozesskette online bestimmen. In der Wertschöpfungskette Getreide war die Reduktion von Mykotoxinen ein Schwerpunktthema und konnte durch frühzeitiges Erkennen befallener Pflanzen auf dem Feld, durch berührungslose Detektion von Schimmelpilz- und Mykotoxinbelastungen im Lager und durch sensorgestützte Optimierung der Trocknerregelung realisiert werden. In der Wertschöpfungskette Obst/Gemüse/Kartoffeln bildeten die Erfassung von spezifischen Produkteigenschaften durch Sensoren im Prozess, die Entwicklung eines Nachweisverfahrens für bakterielle Kontaminationen in der Gemüsewäsche und der Aufbau eines modularen intelligenten Systems zur durchgängigen Qualitätskontrolle die Arbeitsschwerpunkte.
Die Fachtagung „Energiepflanzen im Aufwind“ wird mit finanzieller Unterstützung des Interreg IIIB-Projektes „Baltic Biomass Network (BBN)“ durchgeführt. Im Rahmen dieses Projektes sollen der Energiepflanzenanbau gefördert, die Kompetenzen bei der Planung einer nachhaltigen Nutzung der Ressourcen gestärkt, die Bioenergieentwicklung unterstützt sowie weitere Investitionen im Bereich Bioenergie gefördert werden.
Der Markt für Ökolebensmittel wird nach der Erwartung von Experten (GRONEWALD & HAMM 2003, HAMM 2002) in Zukunft weiter wachsen und damit einheimischen Landwirten und Gärtnern gute Absatzmöglichkeiten bieten. Als besonders günstig werden diese u.a. für Obst und Gemüse eingeschätzt. Um das vorhandene Potential vollständig nutzen zu können, wird es in Zukunft vor allem darauf ankommen, dass sich Erzeuger und Handel konsequenter als bisher, qualitativ und quantitativ, an den Bedürfnissen, Anforderungen und Wünschen der Abnehmerseite orientieren.
Als Ergebnis des Projektes konnte im Labormaßstab ein neues Verfahren zur Aufberei- tung von Schlachthofabwasser mittels aerob betriebenem Membranbioreaktor entwickelt und seine Funktionsfähigkeit nachgewiesen werden. Dabei zeigte sich, dass besonders anorganische Rohrmembranen gegenüber organischen Hohlfasermembranen eine relativ hohe und über einen längeren Versuchszeitraum nur gering abnehmende Permeabilität aufweisen. Infolge der Abwasserreinigung nach dem Sequencing-Batch-Verfahren und einer hohen Selektivität beider Membranen konnten größtenteils die für CSB und BSB5 vorgegebenen Einleitungsgrenzwerte des über die Membranen abgeführten aufbereiteten Abwassers eingehalten und unterschritten werden. Das Permeat war stets wasserklar und feststofffrei. Enterokokken und fäkalcoliforme Keime wurden durch die Membranen zu 100 % zurückgehalten, wodurch das aufbereitete Abwasser ein hohes Potential zur Wie- derverwendung darstellt. (Teil I) Es konnte aufgezeigt werden, dass durch den Einsatz einer elektronischen Nase die Steuerung von Biogasanlagen wesentlich verbessert werden kann. Den Betreibern von Biogasanlagen ermöglicht dies ein sicheres und frühzeitiges Erkennen von Überlastungs- zuständen im Fermenter. Ökonomische Vorteile entstehen dabei zum einen durch eine höhere Auslastung der Leistungskapazität der Fermenter und zum anderen durch die Vermeidung von verlustreichen Ausfallzeiten. Basierend auf den Ergebnissen des Forschungsprojektes wurde von der Firma Airsense ein Prototyp der elektronischen Nase speziell für den Einsatz an Praxis-Biogasanlagen entwickelt . (Teil II)
Naturfasern waren über Jahrhunderte der wichtigste Rohstoff für Kleidung und Baustoffe. Erst mit der Entwicklung synthetischer Kunstfasern am Ende der fünfziger Jahre gingen der Anbau von Hanf und Flachs in den Industrieländern fast vollständig zurück. Die Produktion und Verarbeitung von Kunstfasern sind aber verbunden mit dem Verbrauch von nicht erneuerbaren Rohstoffen und der Anreicherung der Atmosphäre mit klimaschädlichen Gasen. Ein Beweis dafür sind die weltweit immer häufigeren Klimaextreme. Seit Mitte der neunziger Jahre werden Naturfasern, insbesondere Hanf und Flachs, weltweit wieder entdeckt. Für diese Entwicklung sind hauptsächlich die ökologi-schen Aspekte verantwortlich. Naturfasern sind erneuerbare Rohstoffe. Anbau und Anwendung sind CO2 neutral. Faserpflanzen fügen sich sehr gut in die Fruchtfolge der ökologischen Landwirt-schaft ein. In den Entwicklungsländern sind Naturfasern, insbesondere Kokosfasern aber auch Sisal, Jute, Hanf und Flachs, eine gute Möglichkeit für zusätzliche Einkommen. Ergebnisse der Werkstoffforschung zeigen, dass naturfaserverstärkte Verbundstoffe annähernd glei-che Eigenschaften wie glasfaserverstärkte Verbundstoffe besitzen. Auf Grund ihres um etwa ein Drittel geringeren Gewichts sind sie beispielsweise besonders als Konstruktionswerkstoffe für Au-tos und auch Flugzeuge geeignet. Die Einsparung an Gewicht hat einen geringeren Kraftstoff-verbrauch zur Folge, was ebenfalls ökologische sehr bedeutsam ist. Trotz dieser Vorteile wurde der große Durchbruch in der Anwendung der Naturfaser gegenwärtig noch nicht erreicht. Ursache sind hauptsächlich die relativ hohen Faserkosten. Neben der fehlenden Unterstützung durch die politischen Rahmenbedingungen, sind dafür die noch zu hohen Kosten für den Anbau der Faserpflanzen und für die Fasergewinnung verantwortlich. Außerdem muss durch ein Qualitätsmanagementsystem die Qualität für die Verarbeitung der Fasern gesichert werden. Deshalb stehen im Vergleich zu anderen Konferenzen bei der Potsdamer Faserkonferenz 2002 Probleme des Anbaues, der Ernte, der Logistik und der Fasergewinnung im Mittelpunkt. Das Institut für Agrartechnik Bornim e.V. leistet mit seinen Kooperationspartnern einen Beitrag auf dem Gebiet der Forschung für eine verbesserte Anlagentechnik für die Entholzung der Faserpflan-zen und die Faserreinigung. Ich wünsche allen Teilnehmern, dass die Konferenz ihnen neue Erkenntnisse und wertvolle Hinweise für ihre Tätigkeit auf dem Gebiet der Naturfasern gibt.
Das Seminar "Energieholzproduktion in der Landwirtschaft", dessen Vortrags- und Posterbeiträge in dem vorliegendem Heft enthalten sind, soll Antwort auf einige dieser Fragen geben. Es wird durch Maschinenvorführungen auf dem Versuchsfeld des ATB und durch Präsentation einer 55 kW-Holzhackschnitzel-Feuerungsanlage der AWO Potsdam ergänzt. Damit sollen Landwirte ermutigt werden, die Idee, die diesem Seminar zugrunde liegt, in die Praxis umzusetzen und Pilotprojekte in Angriff zu nehmen. Voraussetzung für eine erfolgreiche Realisierung von Pilotprojekten zur Produktion von Holz auf landwirtschaftlichen Flächen ist allerdings eine enge Zusammenarbeit zwischen Land- und Forstwirtschaft einerseits und zwischen Forschung und Praxis auf der anderen Seite.
Entwicklung eines Dekontaminationsverfahrens für zukünftiges Qualitätsmanagement im Nacherntebereich
(2006)
Das Ziel des FuE-Vorhabens war es, die derzeit beträchtlichen, mikrobiell bedingten Verluste von Möhren und Kartoffeln auf dem Weg von der Aufbereitung über den Handel zum Verbraucher zu minimieren. Im Rahmen des von der Fa. Schneider Fördertechnik GmbH und dem ATB beantragten Kooperationsprojektes sollte daher das Potenzial von ozontem Wasser zur keimabtötenden Behandlung von Wurzelgemüseoberflächen nach der Wäsche untersucht werden, um, basierend auf grundlagenwissenschaftlichen Experimenten, eine Desinfektionsanlage im Pilotmaßstab zu entwickeln.
19. Arbeitswissenschafltiches Kolloquium des VDI-MEG Arbeitskreises Arbeitswissenschaften im Landbau
(2014)
Der Bornimer Agrartechnischer Bericht 83 ist das Sammelwerk zum 19. Arbeitswissenschaftlichen Kolloquium des Fachausschusses Arbeitswirtschaft im Landbau beim VDI-MEG. Die Veranstaltung stand unter dem Motto „Arbeit im Wandel“ und findet im zweijährigen Turnus statt. 17 Einzelvorträge der unterschiedlichen Themen sind in ihrer Langfassung im Tagungsband veröffentlicht. Als Themenkomplexe wurden Arbeitsorganisation, Arbeitswissenschaftliche Methodik, Arbeitssicherheit, Ergonomie, Arbeitswirtschaft, Prozesstechnik und Betriebsmanagement mit Einzelbeiträgen im landwirtschaftlichen Kontext vorgestellt.
In den Industriestaaten hat die Nachfrage nach minimally processed, ready-to-eat bzw. convenient - Produkten in den vergangenen Jahren stark zugenommen. Der Produkti-onsprozess für solche Lebensmittel ist sehr einfach. Das Obst bzw. Gemüse wird sor-tiert, gewaschen, geschnitten, getrocknet, sortiert und in Kunststofffolien verpackt. Bei der Lagerung von folienverpacktem, geschnittenen Eisbergsalat ist neben sensorisch wahrnehmbaren Veränderungen, wie der Verbräunung und die Bildung von Off-Odor, der mikrobielle Befall während der Lagerung ein entscheidendes Qualitätsmerkmal. Während in Frankreich und in den USA seit der Markteinführung von Fertigsalaten Chlor und chlorabspaltende Verbindungen als Zusatz zum Waschwasser zur Haltbar-keitsverlängerung üblich sind, bestehen in Deutschland Bedenken gegen die Anwen-dung von Desinfektionsmitteln. Der Einsatz von Chlor im Waschwasser ist hier zulässig, sofern Chlor oder seine Umwandlungsprodukte im Erzeugnis nur in technisch unver-meidbaren und technologisch unwirksamen Resten sowie in gesundheitlich, geruchlich und geschmacklich unbedenklichen Anteilen enthalten sind (LMBG i.d.F.d.B.v. 9.12.1997). Untersuchungen haben auch gezeigt, dass Chlor nicht so effektiv auf Pa-thogene wirkt wie erhofft (BEUCHAT & SOFOS 1999). Ziel des Projektes war es, Anlagen zum Waschen leichtverderblicher Produkte konzep-tionell zu erweitern, indem ein hygienisierender Schritt in den Waschprozess integriert wird. Dabei sollte Ozon zur Desinfektion der Produktoberflächen eingesetzt und die da-zu gehörige fuzzy-logic-Steuerung auf Basis von Modellen des Verhaltens von Ozon in Waschlösungen entwickelt werden. Für die Umsetzung des Projektes sollten zuerst Laborversuche durchgeführt werden. Basierend auf den dabei ermittelten Ergebnissen sollte eine Umsetzung beim Industrie-partner erfolgen, indem in den dortigen Salatwaschprozess ozontes Wasser zugesetzt wird (Bild 1) und abschließend sollten, die bei HAVITA gewonnenen Ergebnisse nut-zend, eine fuzzy-logic-Steuerung für den Waschprozess entwickelt werden.
Verschiedenen Prognosen zufolge wird sich innerhalb der nächsten 50 bis 100 Jahre die aus Biomasse gewonnene Energie weltweit um mehr als das Fünffache erhöhen. In der Europäi-schen Gemeinschaft wird eine Steigerung des Anteils biogener Energieträger am Primärener-gieverbrauch von derzeit 3 % auf 8,5 % bis zum Jahr 2010 angestrebt (EU-WEISSBUCH, 1997), und in Deutschland sollen bis zum gleichen Zeitpunkt 5,75 % aller Kraftstoffe aus Bio-masse bereitgestellt werden. Diese Ziele sind hoch gesteckt, denn in der Bundesrepublik werden zur Zeit lediglich et-wa 1,6 % des Primärenergiebedarfs durch Biomasse gedeckt (FNR, 2003). Der Zuwachs an Bioenergie ist nur realisierbar, wenn neben traditionellen Bioenergieträgern, wie Holz, neue bzw. in dieser Form bisher nicht genutzte biogene Rohstoffe erschlossen werden. Dazu zählen neben Getreidestroh insbesondere auch Energiepflanzen, also ein- und mehrjährige Pflanzen, aus denen feste, flüssige und oder gasförmige Brennstoffe gewonnen werden (EL BASSAM, 1998). In dem genannten EU-WEISSBUCH (1997) wird davon ausgegangen, dass im Jahre 2010 landwirtschaftlich produzierte Energiepflanzen mit 45 Mio t RöE (Rohöleinheiten) ca. 33 % der gesamten Bioenergie liefern. Davon sollen 27 Mio t RöE aus lignozellulosehaltigen Pflanzen erzeugt werden (auf 6,3 Mio ha) und der Rest überwiegend aus Flüssigkraftstoff liefernden Pflanzen. Das heißt, dass Energiepflanzen, die vorzugsweise auf den für die Nahrungsmittel-produktion nicht benötigten landwirtschaftlichen Flächen angebaut werden, mittelfristig etwa ein Drittel der aus Biomasse erzeugten Energie liefern sollen oder können. Damit würden sie im-merhin mit etwa 3 % zur Deckung des Primärenergiebedarfs in Europa bzw. in Deutschland beitragen. Der überwiegende Anteil wird aus für Verbrennung und Vergasung geeigneten zellu-losehaltigen Pflanzen bestehen, die in Zusammenhang mit der Entwicklung von Btl-Kraftstoffen besonders interessant sind.
Der methodologische und anwendungsorientierte Austausch zur Computergestützten Bildverarbeitung in der Agrarwirtschaft (CBA) war 1995 das Ziel, als die CBA-WORKSHOP-REIHE von der Ressortforschung des Bundes ins Leben gerufen wurde. Gastgeber waren wechselnde Forschungsinstitutionen in Deutschland. Die Themen umfassten landwirtschaftliche Fragestellungen von der molekularen und mikroskopischen Ebene bis zur räumlichen Analyse großer Landschaftsgebiete. Durch diese große thematische Bandbreite gab und gibt es Überschneidungen zu anderen Arbeitsbereichen. Daher zählt es zur Tradition des CBA-WORKSHOP, Veranstaltungen zusammen mit andern Arbeitskreisen durchzuführen. Beispielsweise wurde 2007 der 13. CBA-WORKSHOP zusammen mit dem 4. Workshop Precision Farming gemeinsam in Hohenheim abgehalten. Ein gemeinsamer Workshop mit internationalen Arbeitsgruppen fand 2009 statt, als der 15. CBA-WORKSHOP mit dem 1. Workshop der CIGR-Working Group Image Analysis for Agricultural Processes and Products (www2.atb-potsdam.de/CIGR-ImageAnalysis/) am ATB in Potsdam durchgeführt wurde. Und auch in diesem Jahr freuen wir uns auf eine gemeinsame Veranstaltung – mit den Arbeitsgruppen zum Einsatz von unbemannten Flugsystemen in der Landwirtschaft. Der Workshop zum Einsatz von Unmanned Aerial Systems (UAS) in der Landwirtschaft ist vergleichsweise jung. Er wurde erstmals 2012 von der Humboldt-Universität zu Berlin und dem ATB ausgerichtet. Die Veranstaltung fand großen Zuspruch aus dem deutschsprachigen Raum. Da bei der Datengewinnung durch UAS überwiegend optische Sensoren zum Einsatz kommen, lag es nahe, den CBA- und den UAS-WORKSHOP zu verbinden. In 2013 wurde der 19. CBA-WORKSHOP und 2. UAS-WORKSHOP gemeinsam von dem Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. (ATB) und der Beuth Hochschule für Technik Berlin (Beuth HS) ausgerichtet. Zum Organisations-Komitee gehörten Professor Michael Breuer, Harald Herda, Professor Dr. Karl-Heinz Strauch, Dr. Robin Gebbers, Andrea Gabbert, Professor Dr. Manuela Zude). Die Nutzung der Bildverarbeitung für die Steuerung und Datenerhebung sowie die radiometrische Auswertung nahm wie schon in der Vergangenheit einen Schwerpunkt ein. Phänotyping war ein weiterer Schwerpunkt. Besonderes Interesse riefen auch die Firmenpräsentationen hervor, die einen Innenhof der Beuth HS für Flugvorführungen nutzten.
Der Einsatz bildgebender Sensorsysteme stellt für die Landwirtschaft eine Schlüsseltechnologie dar. Die Verfügbarkeit und Interpretation differenzierter zeit- und ortsbezogener Daten unterstützt maßgeblich die Verbindung ökologischer, ökonomischer und sozialer Aspekte für eine Landtechnik, die den globalen Anforderungen hinsichtlich Ernährung, Energie, Umwelt und Ressourcen in Zukunft gerecht wird. Dabei ist der interdisziplinäre Erfahrungsaustausch von Forschenden und Anwendern ein wesentlicher Aspekt. Der seit 1995 vom Leibniz.-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. koordinierte jährliche Workshop „Computer-Bildanalyse in der Landwirtschaft“ fördert gerade diesen Erfahrungsaustausch und zeichnet sich durch die Kombination innovativer Forschungsthemen in Verbindung mit anwendungsorientierten Fragestellungen aus. In 2012 fand der gut besuchte Workshop bereits zum dritten Mal am WABE-Zentrum/Klaus-Bahlsen-Haus des landwirtschaftlichen Versuchsbetriebs der Hochschule Osnabrück statt und wurde vom Competence Center of Applied Agricultural Engineering COALA organisiert (insbesondere durch das Team um Susanne Fittje). Die Entwicklung von Methoden und Algorithmen war dabei ein zentraler Fokus, der sowohl aus Industriesicht (z.B. zur Gemüsebewertung oder zum Fleischformschneiden) als auch unter Forschungsaspekten diskutiert wurde (Überlappungsproblem von Pflanzen, Smartphone-Messung der Düngerquerverteilung, Wurzelmessung im Boden oder Detektion von Blattkrankheiten). Spektrale bildgebende Methoden - „Spectral Imaging“ – gewinnen zunehmend an Bedeutung, im Workshop wurden erste Anwendungen dieser Methoden in Feldversuchen präsentiert. Mehrere technologische Neuerungen wurden vorgestellt, hierzu zählen eine 1-Chip-NDVI-Kamera, Multicopter zur Pflanzenanalyse oder Multireflex-Ultraschallsysteme. Die Sensor-Aktor-Kopplung mit bildgebenden Systemen eröffnet weitreichende Möglichkeiten, die Präsentation zur Laser-Unkrautregulierung in Verbindung mit der Bildanalyse fand dabei besonderes Interesse. Der vorliegende Band enthält neben den Beiträgen zum 18. Workshop (Osnabrück) auch die Veröffentlichungen zum 17. Workshop (Stuttgart).
Die Bearbeitung des Bornimer Agrartechnischen Berichts, erfolgte im Rahmen des BMBF-Förderprogramms "Forschung für die Umwelt" zum Thema "Agrartechnik-Integrierter Umweltschutz in der Landwirtschaft". "Verbesserung der Umweltverträglichkeit landwirtschaftlicher Produktionsverfahren durch Entwicklung innovativer Sensorik und Gestaltung der Produktionsprozesse im sinne eines integrierten Umwelschutzes"
In den Untersuchungen vor und während der Projektlaufzeit konnte nachgewiesen werden, dass eine automatische Steuerung der teilflächenspezifischen Herbizidapplikation in Echtzeit durch den Einsatz von Sensoren technisch möglich ist. Bei der Sensorentwicklung wurde von der Voraussetzung ausgegangen, dass sich auf der zu untersuchenden Fläche keine Kulturpflanzen befinden (z.B. in den Fahrspuren) bzw. die Kulturpflanzen sich in der Größe deutlich vom Unkraut unterscheiden. Die technischen Lösungen für eine teilflächenspezifische Herbizidapplikation in Echtzeit wurden im Rahmen der Projektbearbeitung in Form von Prototypen entwickelt (Kameratechnik, Auswertesoftware, Spritze mit großem Regelbereich, Businterface zu den Jobrechnern und dem Bedienerterminal). Weiterhin wurden diese technischen Lösungen sowie die Software zur Auswertung der spektralen Reflexion verschiedener Materialien auf konventionellen Flächen und auf gemulchten Flächen umfangreich getestet. Die Auswertesoftware und der Algorithmus zur Detektion von Unkraut auf gemulchten Flächen haben sich in den Tests bewährt. Weitergehende Untersuchungen auf unterschiedlichen Bodentypen stehen noch aus. Insgesamt schließen die erarbeiteten hardware- und softwaretechnischen Lösungen die Lücke im Gesamtsystem einer teilflächenspezifischen Applikation von Herbiziden, die zwischen der Bewertung des Unkrautvorkommens und der Steuerung der Herbizidausbringung bestand. Zusammenfassend kann eingeschätzt werden, dass die entwickelten Messsysteme auf Basis der Multispektralkamera und der ImSpector-Kamera die wesentlichen Anforderungen bezüglich Erkennungssicherheit, Geschwindigkeit und optischen Parametern zur Unkrauterkennung erfüllen. Erste Erkenntnisse zur Kostenstruktur des Verfahrens, zur Weiterentwicklung der Kameras sowie zur Verbesserung der Gesamtlösung liegen vor. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Weiterentwicklungen zu kostengünstigeren Kamerasystemen in Zukunft zu einem für Industriepartner insgesamt attraktiven Gesamtsystem führen werden.
In der Ausgabe 99 der Schriftenreihe „Bornimer Agrartechnische Berichte“ (BAB) werden referierte Langfassungen von Beiträgen des 24. Computer-Bildanalyse-Workshops (CBA) zusammengefasst und veröffentlicht. Ziel der jährlichen Workshop-Reihe ist ein methodologischer und anwendungsorientierter Erfahrungsaustausch zwischen Forschergruppen bildgebender und spektroskopischer Verfahren in der Landwirtschaft und im Gartenbau. Gastgeber waren bisher wechselnde Forschungsinstitutionen in Deutschland. In diesem Jahr fand der CBA-Workshop erstmals nicht in Deutschland, sondern an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich und damit in der Schweiz statt.
Auch in 2018 deckte der Workshop eine große Bandbreite von Themen ab. Hierzu zählten die berührungslose spektrale Sensorik, die automatisierte Bildanalyse, vor allem aber auch neue Ansätze autonomen Phytomonitorings durch Boden- und Flugroboter auf Ackerflächen und in Obstplantagen. Besonders durch innovative Konzepte der räumlichen Datenanalyse können einzelne Produktionsschritte optimiert werden, eine Herangehensweise, die als Precision Agriculture und in Verbindung mit mobilen, intelligenten Kommunikationsmitteln inzwischen als "Smart Farming" bezeichnet wird.
Globale Vision ist es, die Produktion in der Landwirtschaft und im Gartenbau zu digitalisieren und damit so eng zu vernetzen, dass eine adaptive Beeinflussung möglich und somit ressourceneffizient und nachhaltig wird. Hier setzt die zielgerichtete Grundlagenforschung an, die darauf aufbauend spezielle Anwendungen für die Landwirtschaft hervorbringen wird. Der CBA-Workshop schafft hierbei ein geeignetes Forum für den Austausch zwischen Wissenschaft und Praxis.
Etablierung eines core-Mikrobioms für Biogasanlagen –
Genom-Sequenzierung von Isolaten aus Biogasanlagen und Mapping von Metagenom-Datensätzen
BIOGAS-CORE
Die Gewinnung von Biogas aus nachwachsenden Rohstoffen und landwirtschaftlichen Reststoffen ist wesentlicher Baustein einer nachhaltigen und CO2-neutralen Energieerzeugung. Der anaerobe Abbau von Biomasse zu Biogas erfolgt durch eine komplexe und dynamische Lebensgemeinschaft bestehend aus einer Vielzahl von Bakterien und Archaeen. Zur Aufklärung der mikrobiologischen Strukturen und funktionellen Zusammenhänge der Mikroorganismen untereinander gewinnen Hochdurchsatztechnologien zur DNA-Analyse zunehmend an Bedeutung.
Grundlegend hierfür ist der Aufbau einer Referenzdatensammlung für das Kern- („core“) Mikrobiom von exemplarischen Biogasanlagen. Im Rahmen von fünf Teilvorhaben wurden dazu folgende Arbeiten durchgeführt: (1) Gewinnung von Isolaten für cellulolytische, acidogene, acetogene und stickstoffumsetzende Bakterien sowie für methanogene Archaea unter Etablierung neuartiger Verfahren zur Isolierung von Mikroorganismen aus Biogasreaktoren, (2) Sequenzierung und bioinformatische Auswertung der Genome der Isolate ausgewählter, insbesondere neuartiger mikrobieller Arten, (3) ergänzende Erhebung, Analyse und Interpretation des mikrobiellen Metagenoms von ausgewählten Biogasreaktoren und Abgleich mit bereits vorhandenen Metagenomdaten und den Genomdaten der erzeugten Isolate.
Die Isolatgewinnung erfolgte aus Probenmaterial von insgesamt 16 mesophil oder thermophil betriebenen landwirtschaftlichen Biogasanlagen und sechs Modellfermentern im Labormaßstab. Mittels elf verschiedenen Kultivierungsverfahren wurden Isolate für insgesamt 78 Arten aus zwölf Klassen für fermentative Bacteria und acht Arten aus zwei Klassen für methanogene Archaea mit Wachstum bei mesophilen Temperaturen entwickelt. Ergänzende Kultivierungsverfahren für thermophile Mikroorganismen resultierten in Isolaten für insgesamt 32 Arten aus zusammen fünf Klassen für Bacteria und Archaea. Basierend auf diesen Isolaten wurden acht neue Arten von Mikroorganismen beschrieben. Für insgesamt 16 Arten aus der Domäne Bacteria und fünf Arten aus der Domäne Archaea wurden draft-Genome erstellt. Hiervon wurden fünf ausführlich charakterisiert.
Die Kombination von kulturbasierter und kultivierungsunabhängiger Analyse wies auf einen sehr hohen Anteil unbekannter Arten hin. Lediglich 17,5 % der sequenzierten 16S rRNA Gene konnten bereits bekannten Gattungen zugeordnet werden. Dieses unterstreicht die Notwendigkeit der Entwicklung und Anwendung von neuen Kultivierungsstrategien.
Bioindikatoren der Biogasfermentation (BIOGAS-MARKER) - Entwicklung von molekularen Markern und Nachweisverfahren auf Basis der quantitativen PCR für das Monitoring von prozessrelevanten Mikroorganismen als Frühwarnsystem für Prozessstörungen
Grundlegendes Problem der Biogaserzeugung ist, dass die hierbei stattfindenden biochemischen und mikrobiologischen Stoffwandlungsprozesse bislang nur ansatzweise verstanden sind. Der Großteil der beteiligten Mikroorganismen ist nach wie vor unbekannt. Eine Kenntnis der Biogas-Mikrobiologie wird jedoch allgemein als Schlüssel für die weitere technologische Optimierung der Biogasproduktion angesehen.
Im Rahmen dieses Verbundvorhabens wurden molekulare Marker für Arten und Gruppen von Mikroorganismen entwickelt, die von zentraler Bedeutung für den anaeroben Abbau von Biomasse zu Biogas sind. Nach Ermittlung besonders prozessrelevanter Mikroorganismen wurden kultivierungsunabhängige molekulare Nachweisverfahren für die Beurteilung der Systemmikrobiologie von Biogasreaktoren etabliert.