Controlled Environment Agriculture
Überblick
In den letzten Jahren hat unsere Professur einen großen Teil ihrer Forschung auf die Bereiche Landwirtschaft unter kontrollierten Bedingungen und zirkuläre Lebensmittelproduktion ausgerichtet. Aber was ist eine kontrollierte Umgebung und warum sollten meine Lebensmittel zirkulär sein?
Controlled Environment Agriculture (CEA) hat sich zu einem wichtigen Bereich der modernen Landwirtschaft entwickelt und bietet ein immenses Potenzial, die Lebensmittelproduktion zu revolutionieren und die Herausforderungen der nachhaltigen Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung zu bewältigen. Dabei geht es um die Schaffung optimaler Wachstumsbedingungen für Pflanzen in geschlossenen und hochautomatisierten Einrichtungen wie Gewächshäusern, vertikalen Farmen oder Indoor-Farmen, in denen Umweltfaktoren wie Temperatur, Licht, Feuchtigkeit und Nährstoffgehalt überwacht und präzise gesteuert werden können - daher der Name.
Die Bedeutung von CEA liegt in seiner Fähigkeit, die Grenzen traditioneller Anbaumethoden zu überwinden, die in hohem Maße von unvorhersehbaren Wettermustern abhängig und anfällig für Schädlingsbefall und Krankheiten sind. Durch die Bereitstellung einer kontrollierten und optimierten Umgebung ermöglicht CEA einen ganzjährigen Anbau, reduziert den Wasserverbrauch erheblich, macht den Einsatz schädlicher Pestizide überflüssig und maximiert die Ernteerträge. Darüber hinaus bietet CEA das Potenzial für eine regionale und nachhaltige Nahrungsmittelproduktion, wodurch die Abhängigkeit von langen Transportwegen verringert und der mit der konventionellen Landwirtschaft verbundene CO2-Fußabdruck minimiert wird.
Neben dem Pflanzenanbau setzen wir unsere Regelungsmethoden ein, um das Wachstum von Larven und Fischen zu optimieren, mit dem Ziel einer zirkulären Nahrungsmittelproduktion. Im Rahmen des CUBES Circle-Projekts erforschen wir das Konzept, die Nebenprodukte des Pflanzenanbaus, wie Reste und organische Abfälle, als Futter für Insektenlarven zu verwenden. Diese Larven wiederum dienen als nahrhafte Futterquelle für Fische. Das nährstoffreiche Fischabwasser wird wiederum als Nährlösung für die Pflanzen wiederverwendet, womit sich der "Kreislauf" schließt. Dieses geschlossene Kreislaufsystem minimiert die Abfälle, maximiert die Ressourceneffizienz und schafft eine symbiotische Beziehung zwischen den verschiedenen Komponenten des Produktionssystems.
Um ein optimales Wachstum von Larven und Fischen im Kreislaufsystem zu erreichen, werden in jeder Phase des Prozesses Regelungssysteme eingesetzt, die es ermöglichen, wichtige Parameter wie Wasserqualität, Temperatur, Sauerstoffgehalt oder Fütterungszeiten zu überwachen und zu regulieren. Durch die präzise Kontrolle dieser Variablen stellen wir sicher, dass die Pflanzen, Larven und Fische optimale Bedingungen für Wachstum, Gesundheit und Nährstoffaufnahme erhalten. Diese Integration der Rückkopplungskontrolle in das Kreislaufsystem der Lebensmittelproduktion verbessert die Gesamtproduktivität, die Nachhaltigkeit und die Ressourcennutzung.
Es überrascht nicht, dass der Aufbau eines solchen Kreislaufsystems ein tiefes Verständnis der biologischen Prozesse erfordert, die das Wachstum der beteiligten Organismen steuern. Die erfolgreiche Umsetzung und Optimierung dieser Systeme erfordert die Zusammenarbeit von Experten aus den Bereichen Pflanzenwissenschaften, Aquakultur, Biologie, Umweltwissenschaften und Ingenieurwissenschaften. Dieser interdisziplinäre Ansatz ermöglicht es den Forschern nicht nur, die komplexen physiologischen und ökologischen Wechselwirkungen innerhalb des Systems zu verstehen, sondern auch innovative Lösungen zu entwickeln, um das Wachstum zu verbessern, den Nährstoffkreislauf zu optimieren und die allgemeine Gesundheit und das Wohlbefinden der beteiligten Organismen zu erhalten. Durch die Förderung der interdisziplinären Zusammenarbeit fördert diese Forschung ein ganzheitliches Verständnis für die Verflechtung von biologischen Prozessen, technologischen Fortschritten und nachhaltigen Praktiken und ebnet so den Weg für transformative Lösungen für die Lebensmittelproduktion der Zukunft.
In unserer Professur entwickeln wir in Zusammenarbeit mit Experten aus der Biologie Methoden, um verschiedene Herausforderungen in den beschriebenen Versuchsanordnungen zu bewältigen. Techniken zur Entwicklung von Beobachtern ermöglichen die Schätzung von nicht gemessenen Variablen und helfen bei der Überwachung von Wachstum und Gesundheit der Organismen. Algorithmen des maschinellen Lernens werden eingesetzt, um riesige Datenmengen aus dem System zu analysieren und verborgene Muster und Trends zu erkennen, die Vorhersagemodelle und fundierte Entscheidungen ermöglichen. Durch optimale Regelung erleichtern wir die effiziente Zuweisung von Ressourcen wie Licht, Wasser und Nährstoffen, um die Gesamtproduktivität zu maximieren und die Verschwendung zu minimieren. Darüber hinaus werden hierarchische Regelungen implementiert, um die komplexen Wechselwirkungen und die Dynamik zwischen den verschiedenen Komponenten des Systems zu steuern und einen koordinierten und effizienten Betrieb zu gewährleisten.
Die Einbindung von Ingenieuren in das Studium der CEA bietet ihnen eine einzigartige Gelegenheit, einen Beitrag zur nachhaltigen Landwirtschaft zu leisten. Erforschen Sie mit uns in unserer Professur innovative Ansätze zur Optimierung des Pflanzenwachstums, entwickeln Sie Strategien für einen effizienten Nährstoffkreislauf und entwerfen Sie Regelungssysteme zur Verbesserung des Wachstums und des Wohlbefindens von Pflanzen, Larven und Fischen. Diese interdisziplinäre Forschung fördert ein tieferes Verständnis für die Verflechtung der verschiedenen Elemente in einem Kreislaufsystem der Lebensmittelproduktion und vermittelt den Studierenden die notwendigen Fähigkeiten, um die komplexen Herausforderungen der zukünftigen Lebensmittelproduktion zu bewältigen.
Zugehörige Projekte
Im Projekt CUBES Circle (closed urban modular energy- and resource-efficient agricultural systems) werden drei agrarische Produktionssysteme – die Aquakultur, die Produktion von Insekten und die gärtnerische Pflanzenproduktion – als Kreislaufsystem miteinander vernetzt. Die Organismen verwerten dabei die Reststoffe aus den jeweiligen anderen Produktionsprozessen. So werden die Reststoffe aus dem einen Produktionsschritt im nächsten wieder zu Wertstoffen. Um das Kreislaufsystem zu kontrollieren und zu optimieren, sind die CUBES-Produktionssysteme digital miteinander vernetzt.
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Weitere Informationen werden bald hinzugefügt.
Mikroalgen sind ein vielversprechender Rohstoff für neuartige und innovative Lebensmittel. Insbesondere die einzelligen Süßwasseralge Chlorella zofingiensis zeichnet sich durch zahlreiche wertbringende Inhaltsstoffe wie primäre und sekundäre Carotenoide und ein breites Spektrum an ungesättigten Fettsäuren aus. Ziel des Vorhabens ENABLE ist es, die verschiedenen trophischen Prozessmodi auf ihre ökonomische Rentabilität hin zu analysieren. Dazu werden sowohl ein Prozessmodell entwickelt als auch eine techno-ökonomische Analyse für verschiedene Herstellungsverfahren durchgeführt. Zudem stehen neue, möglichst schonende Aufarbeitungs- und Verarbeitungstechnologien mittels gepulster elektrischer Felder zur effizienten Extraktion frischer Algenbiomasse und einer entsprechend hohen Produktqualität und Bioaktivität im Fokus weiterer Untersuchungen. Abschließend werden im Projekt Demonstrationsprodukte aus C. zofingiensis entwickelt und sensorisch analysiert. Das soll wichtige Erkenntnisse zur Produktwahrnehmung und für zukünftige Produktentwicklungen liefern.
Das Projekt zielt darauf ab, innovative Lebensmittel mit Insektenprotein zu entwickeln, die im Vergleich zu anderen konkurrierenden Produkten eine deutlich höhere Qualität, Nachhaltigkeit und Wettbewerbsfähigkeit aufweisen, indem sie die Produktionskosten senken. Darüber hinaus sollen diese Lebensmittel auch als alternative Proteinquelle dienen. Um dieses Ziel zu erreichen, sollen im Rahmen des Projekts die technologischen Grundlagen für die Entwicklung solcher Insektennahrungsmittel auf nachhaltige Art und Weise entwickelt und umgesetzt werden. Zum einen konzentriert sich das Projekt auf die Verarbeitung von Insektenprotein zu einem verzehrbaren Produkt. Zweitens konzentriert sich das Projekt auf die Senkung der Produktionskosten und die Erhöhung der Nachhaltigkeit der Produktionskosten durch die Auswahl der landwirtschaftlichen Nebenströme für Insektenfutter. Drittens muss ein geeignetes Proteinprodukt auf Insektenbasis auf der Grundlage des ausgewählten Futters entwickelt werden, indem der Wachstumsprozess der Insekten automatisiert wird. Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert und in Zusammenarbeit mit anderen Partnern durchgeführt. Unsere Aufgabe in diesem Projekt ist es, den Aufzuchtprozess in Abhängigkeit vom Futtereinsatz zu modellieren, um später anhand des Modells Entscheidungen zur Optimierung des Prozesses zu treffen, so dass qualitativ hochwertige (proteinreiche) Insekten produziert werden. Weitere Einzelheiten über das Projekt und seine Kooperationspartner finden Sie auf der Internetseite.
Im interdisziplinären Kooperationsprojekt PhotoKon zwischen der TU Chemnitz, der Universität Leipzig und dem Fraunhofer FEP beschäftigen sich Biologen und Ingenieure mit der Entwicklung photokatalytischer Zellfabriken, die CO2 über den Photosyntheseapparat in die organische Plattformchemikalie Glykolat umwandeln. PhotoKon erarbeitet die wissenschaftlichen Grundlagen zur Nutzung ionisierender Strahlung als neues Verfahren zur gezielten Züchtung und Optimierung von photosynthetisch aktiven Zellen. Das Screening und die Isolation von positiven Mutanten erfolgt durch ein KI-basiertes Bilderkennungsverfahren. Durch die Isolation vielversprechender Zellfabriken können sowohl die biologischen Grundlagen zur Wirkung ionisierender Strahlung auf die Zellen untersucht als auch die Skalierung in technischen Bioprozessen umgesetzt werden. Durch eine intelligente Regelungstechnik zur effizienten Produktion von Glykolat im Labormaßstab eröffnet die PhotoKon-Technologie eine Möglichkeit zur nachhaltigen und biobasierten Konversion von CO2 in die Basischemikalie. Das Verfahren liefert wichtige biologische Erkenntnisse und technologische Entwicklungen zur Bereitstellung organischer Verbindungen, die direkt aus CO2 für eine regionale Bioökonomie bereitgestellt werden können.
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines digitalen Zwillings zur Optimierung und Automatisierung von Kultivierungsprozessen für die Landwirtschaft in kontrollierter Umgebung (Gewächshäuser, vertikale Farmen). Kern des digitalen Zwillings ist eine Wachstumsmodellierung, die das Pflanzenwachstum in Abhängigkeit von den Stoff - und Energieströmen beschreibt, die unter anderem von der energieintensive Klima- und Lichtsteuerung beeinflusst werden. Durch die Modellierung soll das Prozessverständnis für das biotechnische System Gewächshaus vertieft werden, sodass der Energiebedarf reduziert werden kann. Dies soll etwa durch eine Verkürzung der Beleuchtungszeit mit künstlichem Licht (LED-Beleuchtung) durch erhöhte CO2-Düngung erreicht werden. Außerdem soll insbesondere das Potential optimaler Reglungsalgorithmen auf Grundlage der Modellvorhersagen genutzt werden (prädikative Regelung). Zur Modellbildung werden Daten in Experimente an GreenResearcher-Systemen von greenhub erhoben, der Datentransfer sowie die Entwicklung eine grafischen Userinterfaces erfolgt durch mewedo.
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Im Projekt ResKIPP wird eine robuste, flexible und zugleich kostengünstige Überwachung bei der Produktion von Pflanzen unter kontrollierten Bedingungen. So soll beispielsweise durch die Automatisierung eines Sensorsystems, etwa durch eine automatische Sensorkalibrierung und eine Rekonfiguration bei Sensorausfällen, der Bedarf an Fachpersonal bei der Pflanzenproduktion verringert werden. Zudem solle eine Verknüpfung von Prozessmodellen und Messwerten verschiedener Sensoren mithilfe von Künstlicher Intelligenz und regelungstechnischer Methoden die Verwendung günstigerer Sensoren ermöglichen und somit die Technologiekosten reduzieren. Weitere Informationen finden sich in dieser Pressemitteilung.
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Im Hinblick auf den weiteren Ausbau erneuerbarer Energieträger (wie Wind- und Solarenergie) leistet die bedarfsgerechte Strombereitstellung durch Biogasanlagen einen wichtigen Beitrag für die Flexibilität und Stabilität der zukünftigen Energieversorgung. Das Forschungsvorhaben zum Fütterungsmanagement für flexible Biogasanlagen im Praxisbetrieb befasst sich mit der Weiterentwicklung und großtechnischen Demonstration verfügbarer Regelungsverfahren zur bedarfsgerechten Biogasproduktion an landwirtschaftlichen Biogasanlagen. Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit in den Fachgebieten der Bioverfahrenstechnik, Regelungstechnik und Betriebsökonomie wird eine aussagekräftige und belastbare Anwendung geeigneter Verfahren zur modellbasierten Anlagensimulation, Strompreisprognose und Prozessregelung ermöglicht. So sollen erstmals verfügbare Methoden zur automatisierten Prozesssimulation und -regelung gezielt im regulären Praxisbetrieb an einer großtechnischen Biogasanlage implementiert, evaluiert und optimiert werden.
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Die Lagerung von Obst, insbesondere die Langzeitlagerung, ist heute für eine preisstabile Vermarktung, aber auch zur saisonübergreifenden Versorgung der Verbraucher in Europa von grundlegender Bedeutung. Robuste Vorhersagemethoden für Krankheiten von Äpfeln gibt es im Allgemeinen nicht. Methoden der Datenauswertung und des maschinellen Lernens zeigen ein großes Potenzial um solche komplexen Vorgänge zu klassifizieren. Basierend auf Spektralmessungen Wetterdaten und Lagermessungen wird so eine Klassifikation der Äpfel nach Fruchtqualität durchgeführt. Weitere Informationen finden sich auf dieser Internetseite.
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Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung von intelligenten Systemen (Sensoren und Regelungen), welche für die ressourceneffiziente Produktion von gesunden Lebensmitteln in gekoppelten agrarischen Produktionssystemen benötigt werden. Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung geeigneter Sensoriken, um die Regelung dieser komplexen biotechnologisch-agrarischen Produktionssysteme zu ermöglichen. Basierend auf den Daten werden mittels mathematischen Analyseverfahren weitere Optimierungen der Produktion erzielt.
Der Fokus des Forschungsvorhabens liegt in der Umsetzung und Untersuchung eines Sensorsystems zur Detektion von Nitrat und Messung der Nitratkonzentration. Darüber hinaus soll ein autarkes Sensornetzwerk entwickelt werden, mit welchem es sowohl möglich ist, die Nitratsensoren mit ambienter Energie, beispielsweise aus Sonnenlicht oder Temperaturgradienten, zu versorgen als auch die Sensordaten kontinuierlich zu erfassen und an eine zentrale Stelle zur Auswertung drahtlos zu übertragen. Mit dem entwickelten Sensorkonzept wird eine kontinuierliche Überwachung von Nitrat im Boden möglich. Aufgrund der autarken Energieversorgung arbeitet das Sensorsystem wartungsfrei und effizient. Durch geeignete Platzierung der Sensoren und einer geeigneten Messstellendichte wird eine feld- bzw. betriebsbezogene Zuordnung von Nitrateintrag möglich. Dieser Sensor dient damit gleichermaßen als Kontrollinstrument sowohl für die Landwirte zur Bewertung der Bodenbeschaffenheit als Grundlage der Düngebedarfsermittelung für die jeweilige Kultur und den nötigen Nährstoffeintrag als auch für die zuständigen Umweltbehörden zur Bewertung des Nitratgehalts in Böden zum Schutz der Gewässer und der Einhaltung der Regeln des Düngens nach guter fachlicher Praxis, z. B. Einhaltung von Abständen zu Gewässern oder Dünge-Sperrfristen. Aus dieser Bedarfsermittlung ergeben sich Kosteneinsparungen durch die optimale Düngung bei gleichzeitiger Bodenschonung. Unsere Professur beteiligt sich unter anderem mit der Analyse des Messdynamik und Sensorfehlertoleranz am Projekt. Weitere Informationen finden sich auf dieser Internetseite.
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In Deutschland werden die Qualitätsverluste und Fäulniserscheinungen bei Obst von der Ernte bis zum Verzehr auf bis zu 18% geschätzt. Neben dem direkten Verlust von Lebensmitteln für den menschlichen Verzehr entstehen auch erhebliche Verluste an natürlichen Ressourcen und menschlicher Arbeitskraft. Weitere wichtige Faktoren sind die Umweltkosten, der hohe Energieverbrauch und die CO2-Emissionen, die mit der Lagerung der Früchte verbunden sind. Das Projekt liefert Ansatzpunkte für eine nachhaltige, ressourcen- und energieeffiziente Apfelproduktionskette, die an die Obstanbauregion und -saison angepasst ist. Zu den Zielen des Projekts gehören die Entwicklung eines Managementsystems für die Apfelproduktionskette vom Feld bis zum Verbraucher, Energieeinsparungen zur Reduzierung der Mengen- und Qualitätsverluste durch ein maßgeschneidertes Produkt und eine optimierte Ernte und Obstlagerung, eine verbesserte Obstqualitätserzeugung und Qualitätserhaltung zum Nutzen der Verbraucher sowie die Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Obstbau- und Vermarktungsorganisationen.
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