Bornimer Agrartechnische Berichte
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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.
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)
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.
Bornimer Agrartechnische Berichte
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.