Humboldt-Universität zu Berlin - Albrecht Daniel Thaer-Institut für Agrar- und Gartenbauwissenschaften

Forschungsprojekte im FG Biosystemtechnik

(Auswahl drittmittelgeförderter Projekte der letzten 10 Jahre)

Forschungsstrategie Phytocontrol-Technologie zur Steuerung von Gewächshausanlagen

Laufend:

• CUBES Circle - Closed urban modular energy- and resource-efficiant agricultural Systems
• PROSIBOR - Process simulation based on plant response - Entwicklung eines sensorbasierten intelligenten Gewächshaus-Managementsystems (läuft)
• UNCOVER - Feasibility Study for Urban Controlled Environment Horticulture in Berlin and Mexico-City(läuft)

• MinTHG -Technische Verfahren für geschlossene Pflanzenproduktionssysteme zur Minderung von Treibhausgasemissionen und klimawandelbedingtem abiotischen Stress

Abgeschlossen:

• Entwicklung ionenselektiver Sensoren zur kontinuierlichen Erfassung von Ionenanteilen in zirkulierenden Nährlösungsversorgungssystemen
• Verbundprojekt "Qualitätsdifferenzierte Getreideernte"
• Modellierung und Steuerung von geschlossenen Systemen im Pflanzenbau mit Hilfe von Methoden der künstlichen Intelligenz
• Nationales Verbundprojekt "Zukunftsinitiative Niederigenergiegewächshaus" (ZINEG)
  • Datenmonitor der ZINEG-Anlage
• Entwicklung eines Messgerätes zur Analyse phytometrischer Reaktionen an Pflanzen (abgeschlossen)
• ELGEVOS Machbarkeitsstudie zur Elektroenergieversorgung von Gewächshäusern bei einer volatilen Stromversorgung mit hohem Anteil an erneuerbaren Energien
• SEWIG Praxiseinführung und Optimierung eines innovativen Systems zur elektrolytischen Wasserdesinfektion in Gewächhäusern 
• Entwicklung einer Anlage zur ionenspezifischen Steuerung der Ernährung von Kulturpflanzen beim Anbau in Gewächshäusern
•  

Leitthema in der Forschung am Fachgebiet Biosystemtechnik: Phytocontrol-Technologie zur Steuerung von Gewächshausanlagen

gefördert durch zahlreiche Projekte durch: BLE, Industrie, Status: laufend

Produkte: Prototypen, Patent, Sensorik, Steuerwissen, Software, Bewertungsverfahren (Mollier-Analyser), Publikationen

Die Phytocontrol-Technolgie nutzt Phytosignale zur Steuerung technischer Prozesse im Gewächshaus. Ziel ist die Optimierung des Wachstumsprozesses von Pflanzenkulturen im Sinne der Ausnutzung des Ertragspotenzials und der Erzielung gewünschter Qualitäten zu definierten Erntezeitpunkten. Phytosignale sind Kurzzeitinformationen über den thermischen Zustand, Stoff- und Energieaustausch sowie Wachstums- und Qualitätsbildungsprozesse von Pflanzenbeständen, die zerstörungsfei und online gemessen werden können.

Phytosignale können in 3 Bereiche eingeteilt werden:

thermisch-mikroklimatische Informationsgrößen: Gewebetemperatur der Blätter und Früchte, Wasserdampfpartialdruckdifferenzen, Grenzschichtwiderstände

Stoff- und Energieaustausch: Transpirationsmassenströme, Saftstromgeschwindigkeiten CO₂/O₂-Gaswechsel an Pflanzenteilen (Photosynthese, Atmung), CO₂/O₂-Gaswechsel in der Rhizosphäre, Wasser- und Nährstoffgehalt des Substrates.

physiologische Bewegungen und wachstumsbedingte Veränderungen: stomatäre Leitwerte, Stängellängenwachstum, Stängeldickenkontraktionen, Fruchtdurchmesserzuwachs, 

Phytomonitoring: den Pflanzen beim Wachsen zusehen... 

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Entwicklung ionenselektiver Sensoren zur kontinuierlichen Erfassung von Ionenanteilen in zirkulierenden Nährlösungsversorgungssystemen

Förderung durch: BMWi Status: abgeschlossen

Partner: Fa. Pronova, Berlin

Produkte: Prototyp Sensor und Kalibrierroboter, Software, Steuerwissen, Publikation

Projektziel: Produktentwicklung zur online Nährlösungsanalyse und Herstellung von exakt dosierten Nährlösungen unter Nutzung von Sensoren zur Messung der Ionenanteile in der Lösung

Ionenselektive Sensoren

Entwicklung eines Kalibrierroboters

Förderung: BMBF, Conacyt (Mexiko) Status: laufend

Partner: Universität Chapingo, Mexiko-City

geplante Produkte: Steuerwissen, Software, Publikationen

Laufzeit: 2012 bis 2014

Nationales Verbundprojekt Zukunftsinitiative Niedrigenergiegewächshaus (ZINEG) (abgeschlossen)

Förderung: BMELV, BMU, Rentenbank und der Koordination der BLE, Status: abgeschlossen

Partner: TU München, LU Hannover, ATB, IGZ, LVA Hannover-Ahlem, DLR Rheinpfalz, HS Osnabrück

Produkte: Prototyp, Steuerwissen, Technologie, Software, Patente, Publikationen

Laufzeit: 2009 bis 2014

Das Fachgebiet arbeitet im Rahmen eines  nationalen  Programms an der Entwicklung einer Kollektorgewächshausanlage an der Minimierung des Energieeinsatzes im Gewächshausproduktion und der Reduzierung der Emission von CO₂ Treibhausgasen. 

Mit dem ZINEG Verbundprojekt soll ein ehrgeiziges Ziel erreicht werden: Durch Einsatz aller bisher verfügbaren Technologien zur Absenkung des Wärmeverbrauches sollen Gewächshäuser entstehen, in denen möglichst CO₂-neutral produziert werden kann.

Am Fachgebiet Biosystemtechnik der Humboldt-Universität zu Berlin soll das System Kollektorgewächshaus weiterentwickelt werden. Durch Kühlflächen im Dachraum eines geschlossenen Gewächshauses wird die überschüssige Wärmeenergie abgeführt und in einem Wassertank gespeichert. Ziel ist der Wärmeexport aus der Kollektorkabine, um möglichst viele Flächen beheizen zu können. Der geschlossene Betrieb des Hauses, die Anwendung von Niedertemperaturwärme zur Erwärmung von Pflanzen, das an der HU entwickelte Phytomonitoring und die Softwareentwicklung zur Steuerung derartiger Anlagen stehen im Mittelpunkt der Untersuchungen.

Bitte besuchen Sie uns auf unserer ZINEG-Projektseite

Die ZINEG-Versuchsanlagen in Berlin, Neustadt, Osnabrück und Hannover-Ahlem

Entwicklung eines Messgerätes zur Analyse phytometrischer Reaktionen an Pflanzen  (abgeschlossen)

Förderung: ZIM-Programm des BMWi, Industrie, Status: Markteinführung

Projektpartner: Fa. Pronova Berlin, Steinbeis GmbH Stuttgart

Produkte: Marktreifes Messgerät, Software, Systemanbindung zur Steuerung, Publikationen

Laufzeit: abgeschlossen

Das Projekt umfasst die Entwicklung  eines Monitoring-Systems für Pflanzenkulturen für die permanente Erfassung pflanzenphysiologischer Daten wie Transpiration, Photosynthese sowie Messung von Spurengasen wie Ethylen zur Analyse von Stresszuständen in Pflanzenbeständen. Dafür sind die an der HU-Berlin vorhandenen Erfahrungen bezüglich der Wasserdampf- und CO2-Gaswechselmessung an Pflanzenorganen und das bei der Firma ProNova verfügbare Know How bezüglich der Spurengasmessung zu nutzen, um einen Prototyp für die kombinierten Gasanalyse an Pflanzen zu konzipieren, zu entwickeln, herzustellen und zu testen. In Anbauversuchen in Gewächshäusern sollen Grenzwerte für Ethylenemissionen ermittelt werden, welche biotische und abiotische Stresszustände bei Pflanzen signalisieren können. Es ist die Software für die Datenanalyse und Entscheidungsfindung zu entwickeln und es ist die Anbindung der phytometrischen Analyse an die Prozesssteuerung eines Gewächshauses vorzubereiten.   

Das Ziel des  Projekts „Entwicklung eines sensorbasierten intelligenten Gewächshaus-Managementsystems“ ist es ein Analysetool zu für die Industrie zu entwickeln, welches es dem Produzenten erlaubt, die Reaktionen der Kultur, Ressourceneinsparungen (z.B. Wasser, Energie) und die daraus resultierenden betriebswirtschaftlichen Konsequenzen auf eine Änderung der Kulturführung am Computer zu simulieren, ohne in den laufenden Produktionsprozess eingreifen zu müssen. Dazu wird eine auf Sensordaten basierende Software entwickelt die den Produktionsprozess simuliert: Process simulation based on plant response

Gleichfalls erweiternd werden Informationen über pflanzenphysiologische Prozesse mittels Phytomonitoren (Wachstum, Photosynthese, Transpiration, Stomatabewegungen  etc.) kontinuierlich, nicht-invasiv messend, gesammelt. Aus der großen Vielfalt der Informationen und Vielzahl an Einzelmessdaten (Big-Data) müssen verdichtete Informationen erzeugt und durch modellgestützte Verrechnung Indikatorgrößen wie zum Beispiel photosynthetische Lichtnutzungseffizienz, Auslastung des Photosynthesepotenzials, photosynthetische Wassernutzungseffizienz oder Dampfkonzentrationsdifferenz generiert werden, mit denen zukünftig Entscheidungsfindungsprozesse hinsichtlich Auswahl von Kulturführungsstrategien ablaufen können.

Zu den größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts gehört die Folgeneindämmung der
weltweiten Klimaveränderungen, die hauptsächlich durch THG-Emissionen verursacht
werden. Einen Beitrag dazu könnten weiterentwickelte und intelligent gesteuerte
Gewächshaussysteme leisten. Deshalb liegt das Hauptziel des Projekts mit
insgesamt 4 Projektpartnern darin, neue innovative technische Verfahren für das
Gesamtsystem Gewächshaus zu entwickeln, mit denen nicht nur eine substanzielle
Reduzierung der THG-Emissionen erzielt, sondern auch der Verbrauch von Frischwasser- und
Düngerressourcen reduziert wird. Dieses Ziel liegt im sehr engen Kontext mit der
Optimierung mikroklimatischer Bedingungen (Temperatur, relative Luftfeuchte,
Lichtintensität und CO 2 -Konzentration) im geschlossenen Pflanzenproduktionssystemen, um
unabhängig von den Klimaveränderungen die Nahrungsmittelversorgung der Bevölkerung mit
qualitativ hochwertigen Produkten zu gewährleisten. Dabei liegt der Fokus auf der Findung
eines optimalen Kühlverfahrens, der Entwicklung neuer außenklimaangepasster CO 2 -, Lichtund
Nährlösungssteuerungsstrategien sowie neuer Substrate und substratloser Kultursysteme
für geschlossene Gewächshaussysteme, die unter Berücksichtigung der Reduzierung
abiotischer Stressfaktoren in Zeiten der zunehmenden Variabilität der Klimabedingungen
vorgenommen wird. Innerhalb der Untersuchungen zu den Veränderungen des Phänotyps in
Abhängigkeit der angewendeten Verfahren sind die gemessenen Phytosignale (Photosynthese,
Transpiration, Blatttemperatur stomatäre Leitfähigkeit, Chlorophyllfluoreszenz etc.) und
Laboranalysen Teil des Projekts, um Veränderungen im Primär- und Sekundärmetabolismus
der Pflanzen und somit Veränderungen der Produktqualität und –quantität zu detektieren. Dafür werden Experimente in speziell für das Projekt errichteten Tageslichtphytotronen durchgeführt.

Für die effiziente Kühlung von geschlossenen Gewächshäusern zur Gewinnung von solarere Überschusswärme werden gekühlte Wasservorhänge als technische Innovation eingeführt und untersucht.  

Ziel und Innovation des Vorhabens ist die smarte Vernetzung intensiver agrarischer Produktionssysteme am Beispiel Fisch, Pflanze und Insekt (CUBES) zu einem Gesamtsystem (CUBES Circle) mit weitgehend geschlossenen Energie- und Stoffkreisläufen. Durch Einbindung neuester Produktionstechnologien, der Verwendung und Weiterentwicklung von commercial-off-the-shelf-Bausteinen, der Kopplung des Systems mit seiner Umwelt sowie der konsequenten Verfolgung eines Zero-Waste-Ansatzes wird eine bisher unerreichte Ressourcen- und Energieeffizienz bei gleichzeitig optimierter Produktivität gesunder Nahrungsmittel angestrebt. Der CUBES Circle geht in seiner Umweltbilanzierung sogar noch einen Schritt weiter. Es werden nicht nur die benötigten Energie- und Stoffmengen wie Exergie, Wasser und Nahrung aus Produkt- oder Reststoffen der jeweiligen anderen Produktionssysteme gewonnen, sondern Prozessexergie erzeugt, welche an die Umgebung (z. B. Industrieprozesse, urbane Infrastruktur) abgegeben werden kann. Darüber hinaus wird Wissen über die Stoffflusslenkung im CUBES Circle generiert, so dass die Produktion durch smarte Regelungsmaßnahmen dynamisch an Umweltbedingungen angepasst werden kann.

Wissenschaftliche Bedeutung der Innovation: Ein raumoptimiertes Produktionssystem über drei trophische Ebenen, dessen Stoff- und Energieströme in die Umgebung eingebettet sind und welches eine Zero-Waste-Philosophie verfolgt, ist in der angedachten Form weltweit einmalig. Der hohe Komplexitätsgrad des CUBES Circle kann nur durch einen systemorientierten Ansatz vollständig erfasst werden, wobei dessen Realisierung zahlreiche Innovationen vereint. Zu diesen zählen neben ionenselektiven Sensoren, thermischer Solarenergiegewinnung und einer Prozesssteuerung nach Pflanzensignalen auch Tageslichtleitsysteme. Die Konnektivitätsbewertung erfolgt durch den Einsatz stabiler Nährstoffisotopen. Es werden damit erstmals Nährstoffflüsse über mehr als zwei trophischen Ebenen wissenschaftlich untersucht. Darüber hinaus stellt auch eine konsequente Nutzer- und Nutzerinnenzentrierung und -einbindung in den CUBES-Entwicklungsprozess ein Novum für den agrarischen Bereich dar. Die Innovationen innerhalb eines jeden CUBES, bzw. Teilprojekts, dienen so der Prozess- und Produktoptimierung nach UN-Nachhaltigkeitskriterien. Mit dieser Innovationsdichte wurden agrarische Prozesse noch nie verbunden.

Wirtschaftliche Bedeutung: Die Forschung im Verbund trägt zur ressourcenschonenden Produktion hochwertiger Lebensmittel auf knapper Fläche bei und positioniert sich als tragendes Element bei der zukünftigen Sicherstellung der globalen Nahrungsmittelversorgung.

Erwartete Ergebnisse: Am Ende des Projektvorhabens ist ein Testbed für ein neuartiges zukunftsgerichtetes Agrarsystem etabliert. Die agrarischen Systeme und die notwendige Technologie zur Energie-, Stoff- und Informationskoppelung werden als räumlich weitgehend geschlossene, miteinander verbundene technische Systeme (CUBES) konzipiert und erprobt. Dies ermöglicht einerseits die Akkumulation von Steuerungswissen für derartige Verbünde und ein Scale-up auf zukünftig größere Produktionseinheiten. Es eröffnet andererseits Wege für die Etablierung von mobilen modularen Produktionssystemen an jedem für derartige Symbiosen geeigneten Standort. Die angedachte Koppel- und Stapelbarkeit der Produktionseinheiten ermöglicht einen außergewöhnlich hohen Ertrag pro Flächeneinheit. Bei Anwendung dieses Agrarsystems auf versiegelten Flächen im urbanen oder suburbanen Raum werden neue Flächen in die Produktion integriert und gleichzeitig wird dort produziert, wo die Verbraucher und Verbraucherinnen leben.