2007 Annual Report

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2007 Annual Report

Leibniz-Institut für Agrartechnik
Potsdam-Bornim e. V.
Jahresbericht des ATB
2007
Potsdam-Bornim, Juni 2008
Erarbeitet vom Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. (ATB)
mit Förderung des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz
und des Ministeriums für Ländliche Entwicklung, Umwelt und Verbraucherschutz
des Landes Brandenburg
Anschrift:
Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V.
Max-Eyth-Allee 100
14469 Potsdam-Bornim
Telefon: +49/(0)331/5699-0
Telefax: +49/(0)331/5699-849
E-Mail: [email protected]
Internet: http://www.atb-potsdam.de
Inhaltsverzeichnis
I
Allgemeiner Teil
1
Aufgaben und Forschungsschwerpunkte ........................................................................................
1
2
Bericht des Wissenschaftlichen Direktors ........................................................................................
2
II
Fachliche Ergebnisse
1
Forschungsfeld: Umweltverträgliche, tiergerechte und wettbewerbsfähige landwirtschaftliche
Produktionsverfahren ........................................................................................................................
6
Nachhaltige Ressourcenbewirtschaftung ........................................................................................
6
Stoff- und Energieströme ..............................................................................................................
8
Multifunktionale Landwirtschaft.....................................................................................................
10
1.1
1.2
1.3
Sensorgestützte Informationsgewinnung und Informationsmanagement ........................................ 12
Sensoren und ihre technologische Einordnung ............................................................................
14
Technologie der Präzisionslandwirtschaft ....................................................................................
16
Tiergerechte und umweltverträgliche Haltung von Nutztieren.......................................................... 18
Tiergerechte und emissionsarme Haltungsverfahren ...................................................................
22
Melktechnik ...................................................................................................................................
26
Umweltverträgliche Nutzung von Wirtschaftsdünger ....................................................................
30
2
Forschungsfeld: Qualität und Sicherheit von Lebens- und Futtermitteln.......................................... 32
2.1
Qualitätssicherung bei leichtverderblichen Produkten...................................................................... 32
2.2
Produktorientierte Qualitätskriterien..............................................................................................
34
Verfahrenstechnische Prozesse bei hochempfindlichen gartenbaulichen Produkten..................
36
Verfahrenstechnische Prozesse bei Kartoffeln, Möhren und Speisezwiebeln .............................
40
Qualitätssicherung bei Futtermitteln ................................................................................................. 42
Trocknung .....................................................................................................................................
44
Feuchtkonservierung.....................................................................................................................
48
3
Forschungsfeld: Nachwachsende Rohstoffe und Energie im ländlichen Raum............................... 50
3.1
Naturfaserproduktion......................................................................................................................... 50
Aufbereitung und Verarbeitung von Naturfaserkonservat ...........................................................
3.2
Biokonversion stärkehaltiger Agrarrohstoffe..................................................................................... 56
Verfahrenstechnische Optimierung von Fermentationsprozessen .............................................
3.3
4
52
58
Erzeugung und Nutzung von Bioenergieträgern............................................................................... 62
Rohstoffproduktion .......................................................................................................................
64
Aufbereitung und Konversion .......................................................................................................
68
Nutzung von Bioenergieträgern ...................................................................................................
72
Zukunftsfonds .................................................................................................................................
74
ATB - Jahresbericht 2007
Inhaltsverzeichnis
III
Veröffentlichung der Ergebnisse
1
Ausgewählte Wissenschaftliche Veröffentlichungen ......................................................................
76
1.1
Monografien ....................................................................................................................................
76
1.2
Wissenschaftliche Aufsätze .............................................................................................................
77
1.3
Wissenschaftliche Beiträge zu Sammelwerken ..............................................................................
80
2
Veröffentlichungen des Instituts .......................................................................................................
89
IV
Zahlen und Fakten
V
Haushalt, Finanzen und Personal....................................................................................................
90
Wissenschaftliche Zusammenarbeit ...............................................................................................
90
Nachwuchsförderung ......................................................................................................................
92
Wissenstransfer ...............................................................................................................................
93
Technologietransfer ........................................................................................................................
95
Dialog mit der Öffentlichkeit ............................................................................................................
95
Organisation und Ausstattung
Organisation ....................................................................................................................................
99
Ausstattung ..................................................................................................................................... 103
Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen
AF
-
Anaerobfilter
AFR
-
Aufstromfeststoffreaktor
AiF
-
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“
ALT
-
Activity, Laying time, Temperature
AMS
-
Automatisches Melksystem
BBE
-
Bundesverband Bioenergie
ARDRA
-
amplified rDNA restriction analysis
BLE
-
Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung
BMBF
-
Bundesministerium für Bildung und Forschung
BMELV
-
Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz
BMWi
-
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
BTL
Biomass-To-Liquid
BTU
-
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
CA
-
Controlled Atmosphere
CIGR
-
International Commission of Agricultural Engineering
CSTR
-
Continuous Stirred Tank Reactor
CWG
-
Collaborative Working Group
DAAD
-
Deutscher Akademischer Austausch Dienst
DBU
Deutsche Bundesstiftung Umwelt
DFG
-
Deutsche Forschungsgemeinschaft
DIN
-
Deutsche Industrie Norm
DLG
-
Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft
EC
-
Electrical Conductivity
EEG
Erneuerbare-Energien-Gesetz
EFRE
-
Europäischer Fonds für regionale Entwicklung
EurAgEng
-
European Society of Agricultural Engineers
FAL
-
Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft
FBR
-
Festbettreaktor
FCM
-
Fat Corrected Milk
FNR
-
Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe
GGA
-
Institut für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben Hannover
GHG
-
Greenhouse Gas
GPS
-
Ganzpflanzensilage
GWE
-
Global Warming Equivalent
HPLC
-
High Performance Liquid Chromatography
IGZ
-
Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau Großbeeren/Erfurt e.V.
Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen
IPCC
-
Intergovernmental Panel on Climate Change
KTBL
-
Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft
LAGB
-
Landesamt für Geologie und Bergwesen (LAGB) des Landes Sachsen-Anhalt
LAI
-
Leaf Area Index
LIFS
-
Laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie
LVLF
-
Landesamt für Verbraucherschutz, Landwirtschaft und Flurneuordnung des Landes
Brandenburg
MEG
-
Max-Eyth-Gesellschaft Agrartechnik im VDI
MELDOK
-
EDV-Programm „vereinheitlichte Melde-Dokumentation“
ML
-
Maximum Likelihood
MLUV
-
Ministerium für Ländliche Entwicklung, Umwelt und Verbraucherschutz des Landes
Brandenburg
MWFK
-
Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur des Landes Brandenburg
MWi
-
Ministerium für Wirtschaft des Landes Brandenburg
NawaRo
-
Nachwachsende Rohstoffe
NEMO
-
Netzwerkmanagement Ost
Nmin
-
mineralisierter Stickstoffgehalt
OTU
-
operational taxonomic units (taxonomische Einheiten)
PEM
-
Polymer-Elektrolyt-Membran
PtJ
-
Projektträger Jülich
PS
-
Propionsäure
rDNA
-
Ribosomale DNA
RFID
-
Radio Frequency Identification
SCAR
-
Standing Committee on Agricultural Research
TM
-
Trockenmasse
TS / oTS
-
Trockensubstanz / organische Trockensubstanz
VARI
-
Visible Atmospherically Resistant Index
VDI
-
Verein Deutscher Ingenieure
ZALF
-
Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung Müncheberg
I Allgemeiner Teil
I
Allgemeiner Teil
1
Aufgaben und Arbeitsschwerpunkte
1
Das ATB hat den satzungsgemäßen Auftrag, „anwendungsorientierte Grundlagenforschung in allen Bereichen der Agrartechnik“ durchzuführen. Die Arbeiten des ATB haben dabei „die Förderung des Gemeinwohls
durch Vermittlung von wissenschaftlichen Erkenntnissen an betroffene Bevölkerungs-, Fach- und Wirtschaftskreise“ zum Ziel.
Hieraus leitet das Institut seine Hauptaufgabe ab, verfahrenstechnische Grundlagen für eine nachhaltige
Landbewirtschaftung zu schaffen und innovative technische Lösungen für die Landwirtschaft und die Industrie bereitzustellen.
Durch entwicklungsbegleitende Prozessbewertung wird sichergestellt, dass die neu entwickelten Verfahren
und technischen Lösungen zu einer erhöhten Wirtschaftlichkeit und damit zur Verbesserung der Wertschöpfung im ländlichen Raum und der Wettbewerbsfähigkeit kleiner mittelständischer Unternehmen bzw. der
Industrie beitragen und gleichzeitig den Anforderungen von Umwelt-, Tier- und Verbraucherschutz sowie der
Nachhaltigkeit Rechnung tragen.
Das ATB ist in drei Forschungsfeldern aktiv, denen acht Forschungsprogramme zugeordnet sind. Diese
charakterisieren die strategische Ausrichtung der Forschung und stellen das mittel- bis langfristig angelegte
Forschungsprofil des Instituts dar. Hinzu kommt ein „Zukunftsfonds“, der neuen Forschungsrichtungen
Anschub gewähren soll.
Forschungsfeld 1: Umweltverträgliche, tiergerechte und wettbewerbsfähige landwirtschaftliche Produktionsverfahren
Forschungsprogramme:
•
Nachhaltige Ressourcenbewirtschaftung (Stoff- und Energieströme; Multifunktionale Landwirtschaft)
•
Sensorgestützte Informationsgewinnung und Informationsmanagement (Sensoren und ihre
technologische Einordnung; Technologie der Präzisionslandwirtschaft)
•
Tiergerechte und umweltverträgliche Haltung von Nutztieren (Tiergerechte und emissionsarme
Haltungsverfahren; Melktechnik; Umweltverträgliche Nutzung von Wirtschaftsdünger)
Forschungsfeld 2: Qualität und Sicherheit von Lebens- und Futtermitteln
•
Qualitätssicherung bei leichtverderblichen Produkten (Produktorientierte Qualitätskriterien; Verfahrenstechnische Prozesse bei hochempfindlichen gartenbaulichen Produkten; Verfahrenstechnische Prozesse bei Kartoffeln, Möhren und Speisezwiebeln)
•
Qualitätssicherung bei Futtermitteln (Trocknung; Feuchtkonservierung)
Forschungsfeld 3: Nachwachsende Rohstoffe und Energie im ländlichen Raum
•
Naturfaserproduktion (Aufbereitung und Verarbeitung von Naturfaserkonservat)
•
Biokonversion stärkehaltiger Agrarrohstoffe (Verfahrenstechnische Optimierung von Fermentationsprozessen)
•
Erzeugung und Nutzung von Bioenergieträgern (Rohstoffproduktion; Aufbereitung und Konversion;
Nutzung von Bioenergieträgern)
Zukunftsfonds
I Allgemeiner Teil
2
Eine weitere Aufgabe des ATB ist es, über Kooperationen mit Forschungseinrichtungen speziell in Ländern
Mittel- und Osteuropas sowie in Entwicklungsländern die regionale Forschungskompetenz weiterzuentwickeln und gemeinsam Problemlösungen für den ländlichen Raum und die regionale Industrie zu erarbeiten.
Darüber hinaus hat das ATB als Leibniz-Institut den generellen Auftrag, einen wesentlichen Beitrag zur Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses zu leisten.
Das ATB wird bei der Planung seiner Forschungsaktivitäten sowie bei deren Durchführung vom Wissenschaftlichen Beirat beraten. Dieses gilt auch für die Gestaltung der Zusammenarbeit in Forschung und
Lehre, mit der Wirtschaft und mit Administration und Politik. In regelmäßigen Abständen bewertet der Wissenschaftliche Beirat die Forschungsleistungen und die Arbeitsplanung des Instituts.
2
Bericht des Wissenschaftlichen Direktors (2007)
Erhöhte Aktivität und Abwarten
In Vorbereitung und während des Besuches der Evaluierungskommission im Oktober 2006 hatten die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Instituts wichtige Herausforderungen erkannt, denen sie sich mit Beginn des
Jahres 2007 zu stellen hatten.
Zu den wichtigsten Aufgaben der Wissenschaftler zählt die Einwerbung von zusätzlichen Forschungsgeldern, gestatten doch diese Finanzmittel vor allem die Einstellung junger motivierter Mitarbeiter. Projekte der
anwendungsorientierten Forschung, mit denen sich das ATB in den zurückliegenden Jahren einen guten Ruf
bei verschiedenen Projektträgern und in der Wirtschaft erarbeitet hat, werden überwiegend durch Doktoranden bearbeitet - angeleitet von erfahrenen, in der Regel haushaltsfinanzierten Wissenschaftlern.
Mit 2,374 Mio. € wurden 2007 soviel Drittmittel wie noch nie zuvor seit Gründung des Instituts ausgegeben.
Der Erfolg in der Einwerbung von Forschungsgeldern wird auch in der Zahl von 45 Doktoranden zum Jahresende 2007 sichtbar. Trotz des noch zu geringen Anteils an eingeworbenen DFG-Mitteln kann die Qualifizierung von wissenschaftlichem Nachwuchs somit nicht nur in hoher Qualität sondern auch in beachtlicher
Quantität erfolgen.
Das Jahr 2007 war auch geprägt durch das Warten auf die konkreten Empfehlungen der Bewertungskommission im Ergebnis der Evaluierung vom Herbst 2006. Über die bereits intern erkannten Handlungserfordernisse hinaus galt die Erwartung insbesondere der fachlichen Bewertung der einzelnen Forschergruppen
und deren Forschungsthemen. Der Entwurf des Bewertungsberichtes wurde dem ATB jedoch erst am 24.
September übermittelt. Auf Grund der elf Monate währenden Zeit des Wartens konnte weder in der Frühjahrssitzung des Wissenschaftlichen Beirats über Konsequenzen aus der Evaluierung beraten werden, noch
konnte eine daraufhin für August geplante Sondersitzung des Wissenschaftlichen Beirats stattfinden. Die
vom Institut zu erarbeitende Stellungnahme zum Bewertungsbericht war innerhalb nur einer Woche abzugeben, weshalb dies ohne Rücksprache mit dem Wissenschaftlichen Beirat erfolgen musste. Bei der Erarbeitung der Stellungnahme, die abschließend im Kollegium beraten wurde, konnte sich die Institutsleitung
jedoch in gewohnter Weise auf die im Evaluierungsprozess erprobte kollektive Meinungsbildung stützen.
Im Ergebnis der Evaluierung waren die fachlichen Leistungen des Instituts durchweg positiv beurteilt worden, resultierend in einer weiteren Förderempfehlung, die durch den Senat der Leibniz-Gemeinschaft ausgesprochen wurde. Für einzelne Themenbereiche konstatierte die Kommission eine exzellente Forschungsleistung, so für das Forschungsprogramm „Qualitätsicherung bei leichtverderblichen Produkten“. Der Bewertungsbericht hob die herausragenden Qualität der Bearbeitung und die international hohe Reputation hervor
und kam zu dem abschließenden Ergebnis, dass das Institut in diesem Themenbereich zu den zwei bis drei
führenden Forschungsinstitutionen weltweit gehöre.
I Allgemeiner Teil
3
Neubesetzungen von Leitungsfunktionen
Nachdem zum Jahresende 2006 der Kandidat für die in einer Gemeinsamen Berufung zu besetzende Stelle
des Wissenschaftlichen Direktors seinen Ruf nicht angenommen hatte, galt es, das laufende Verfahren
rechtskräftig zu beenden. Hierzu waren langwierige Verhandlungen mit allen Beteiligten (drei Ministerien und
die berufende Universität) zu führen. Schließlich konnte die Mitgliederversammlung in einer außerordentlichen Sitzung die Ausschreibungs- und Verfahrensmodalitäten für die Besetzung der Stelle des Wissenschaftlichen Direktors beschließen. Auf Empfehlung des Wissenschaftlichen Beirats und in Anbetracht der
bereits dreijährigen Interimslösung wurde von einem neuen Verfahren der gemeinsamen Berufung abgesehen und die Stelle der Institutsleitung erneut ausgeschrieben. Dem Engagement des Vorsitzenden der Mitgliederversammlung und der Mitglieder der Berufungskommission ist es zu verdanken, dass zur regulären
Mitgliederversammlung am 14. Dezember eine Liste zum Beschluss vorlag - mit einem beachtenswerten
Bewerberfeld. Im Ergebnis des Verfahrens wurde der bisherige kommissarische Institutsleiter Prof. Dr. agr.
habil. Reiner Brunsch mit Wirkung vom 1. Januar 2008 zum Wissenschaftlichen Direktor und Vorsitzenden
des Vorstands des Instituts berufen.
Erneut in den Vorstand gewählt wurden die bisherigen stellvertretenden Direktoren, Prof. Dr. habil. Bernd
Linke und Dr. Martin Geyer. Die Mitgliederversammlung bestätigte die Berufung für die neue Amtsperiode.
Die erneute Wahl durch das Kollegium ist Ausdruck des Vertrauens und Anerkennung der Leistungen, die
die gewählten Vorstandsmitglieder neben ihrer Arbeit als Abteilungsleiter in den vergangenen drei Jahren
erbracht haben.
Im Laufe des Berichtsjahres wurden zwei weitere Personalentscheidungen getroffen. Im August schied der
Verwaltungsleiter Dr. Ralf Habelt altersbedingt aus. Seine Leistungen für die Sicherung eines reibungslosen
Betriebsablaufs über viele Jahre bedürfen der besonderen Erwähnung und Anerkennung. Darüber hinaus
gilt Dr. Habelt besonderer Dank für sein enormes Engagement zum weiteren Ausbau der Forschungsinfrastruktur. In seiner früheren Funktion als Technischer Leiter und auch in der des Verwaltungsleiters hat er an
der Konzeption und Realisierung der beiden Pilotanlagen maßgeblichen Anteil - galt es doch auch, die verwaltungstechnischen Besonderheiten solcher EU-geförderten Großinvestitionen zu meistern.
Mit Frau Dr. Uta Tietz konnte das ATB eine bestens geeignete Nachfolgerin gewinnen. Als promovierte Lebensmitteltechnologin und mit langjähriger Erfahrung im Forschungsmanagement kann sie mit ihrer Kompetenz in idealer Weise die notwendige Brückenposition zwischen Wissenschaft und Administration einnehmen.
Die zweite Personalentscheidung betraf die Stelle des Leiters der Abteilung „Technik der Aufbereitung, Lagerung und Konservierung“. Herr Prof. Dr.-Ing. Christian Fürll wird altersbedingt im Mai 2008 ausscheiden.
Dr.-Ing. Thomas Hoffmann wird die Nachfolge von Prof. Fürll antreten.
Für eine strategische Ausrichtung des ATB, die den Empfehlungen aus der Evaluierung Rechnung trägt,
wurde durch diese Personalentscheidungen eine wichtige Grundlage geschaffen.
Politikberatung und Öffentlichkeitsarbeit
Die begrenzte Verfügbarkeit bzw. Endlichkeit vieler Rohstoffe rückt zunehmend ins öffentliche Bewusstsein
und führt zu einem zunehmenden Interesse an erneuerbaren Ressourcen und damit auch an „Biomasse“.
Jahrzehntelang verband die Bevölkerung in Europa Agrarproduktion mit Begriffen wie Überschuss, Subvention, Flächenstilllegung. Deshalb verwundert es nicht, dass noch vor Jahresfrist die Auffassung verbreitet
war, es sei ausreichend Produktionspotenzial vorhanden, um Biomasse für verschiedenste Anwendungen
im notwendigen Umfang bereitzustellen. Unterdurchschnittliche Ernten sowie eine gestiegene Nachfrage auf
dem Weltmarkt sorgten im vergangenen Jahr jedoch für erhebliche Turbulenzen, sowohl bei den Preisen für
Agrarrohstoffe als auch in der Wahrnehmung von Verfügbarkeitsgrenzen und Nutzungskonkurrenzen.
Die Nutzungspotenziale von Biomasse standen folgerichtig auch im Mittelpunkt des Interesses bei den zahlreichen Besuchen aus Politik, Wirtschaft und Wissenschaft.
4
I Allgemeiner Teil
Biomasseforschung am ATB umfasst das Spektrum vom Anbau, über Ernte, Konservierung und Nutzung
pflanzlicher Biomasse für energetische und stoffliche Zwecke, als auch die Nutzung sekundärer Biomasse,
beispielsweise tierischer Exkremente und Abwässer, für die Energiegewinnung. Dabei geht es nicht nur um
produktionstechnische Fragen, sondern auch um die Umweltverträglichkeit bestimmter Nutzungspfade und
um die Bewertung von Nutzungskonkurrenzen.
Das ATB konnte 2007 zahlreiche hohe Gäste aus der Politik am Institut begrüßen, die sich vor Ort zu diesem Themenbereich informieren wollten. Besonderes Interesse fanden die beiden Pilotanlagen zur stofflichen Verwertung pflanzlicher Biomasse. Unter den Gästen waren u. a. die Vorsitzenden der Agrarausschüsse der EU-Mitgliedsstaaten mit der Vorsitzenden des Agrarausschusses des Deutschen Bundestags,
Ulrike Höfken, Teilnehmer der anlässlich der deutschen EU-Ratspräsidentschaft in Berlin tagenden Internationalen EU-Zahlstellenkonferenz, die Mitglieder des Deutschen Bundestags Katharina Reiche und Cornelia
Behm, der Landwirtschaftsminister Israels mit Vertretern israelischer Außenhandelsbehörden, der Agrarminister Lettlands sowie der Minister für Landwirtschaft und Lebensmittel des Moskauer Gebiets mit einer Expertendelegation. Auch die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Unterabteilung Erneuerbare Energien des
Bundesministeriums für Umwelt (BMU) und der Abteilung Ländliche Entwicklung, Landwirtschaft des Ministeriums für Ländliche Entwicklung, Umwelt und Verbraucherschutz (MLUV) des Landes Brandenburg informierten sich am ATB über aktuelle Forschungsaktivitäten, nicht nur im Bereich der Biomasseforschung.
Auf der Suche nach potentiellen Anwendern der ATB-Forschungsergebnisse und neuen Forschungspartnern wurde die Arbeit des Instituts im Rahmen der „Berliner Wirtschaftsgespräche“ und des „Industrieclubs
Potsdam“ vorgestellt. Unter der Schirmherrschaft der Universität Potsdam und des Industrieclubs konnte
eine Veranstaltungsreihe ins Leben gerufen werden, die sich dem Thema „Nachhaltigkeit“ widmet. Dabei
werden Forschungskonzepte für wichtige Themenbereiche des täglichen Lebens in einzelnen Veranstaltungen der breiten Öffentlichkeit vorgestellt. Den Auftakt bildete das Thema Energie am 18. Oktober 2007. Der
Beitrag des ATB galt Fragen der nachhaltigen Bereitstellung von Energie aus Biomasse.
Wie bereits in den Jahren zuvor nutzen auch 2007 wieder zahlreiche Schulklassen regionaler Gymnasien
und Studierende von Fachhochschulen und Universitäten aus ganz Deutschland die Gelegenheit, am ATB
„Wissenschaft zum Anfassen“ zu erleben.
Pilotanlage „Verarbeitung von Naturfaserkonservat“
Gut ein halbes Jahr nach der Einweihung der Pilotanlage zur Herstellung von Milchsäure wurde am 26. März
2007 durch Brandenburgs Agrar- und Umweltminister Dr. Dietmar Woidke die zweite Pilotanlage des ATB
eingeweiht. Diese Anlage setzt auf Grundlage neuer Maschinenkonzepte und Technologien zur Verarbeitung von Naturfaserkonservaten neue Maßstäbe zur effizienten Verwendung von Faserpflanzen für die Bauund Dämmstoffherstellung. An der Veranstaltung nahmen rund 150 Besucher aus Forschung, Wirtschaft,
Administration und Politik des In- und Auslands teil.
Beide Pilotanlagen des ATB wurden maßgeblich aus Geldern des Europäischen Strukturfonds (EFRE) finanziert. Die Kofinanzierung erfolgte mit Mitteln des Bundes und des Landes Brandenburg.
Mit dem Betrieb von Pilotanlagen erreicht die anwendungsorientierte Forschung des Instituts eine neue Qualität. Interessant für Wirtschaftsunternehmen und internationale Forschungseinrichtungen ist die Möglichkeit
der Fertigung von Produktmustern in industrieähnlichen Maßstab. Pilotanlagen sind somit eine ganz wesentliche Voraussetzung zur schnellen Überleitung wissenschaftlicher Erkenntnisse in wirtschaftlich umsetzbare
Verfahren. Aus diesem Grund findet bei allen technischen und technologischen Forschungen auch die Bewertung im Sinn einer Technikfolgenabschätzung statt. Auch für die gemeinsame Projektakquise haben sich
die Pilotanlagen bereits bewährt.
I Allgemeiner Teil
5
Position der Agrartechnik in der Forschungslandschaft
Vielerorts wird die Bedeutung der Agrartechnik im Kontext von Grundlagenforschung und Excellenz kritisch
diskutiert. Gleichzeitig wird der Bedarf an Systemverständnis und Interdisziplinarität hervorgehoben. Die
eigenen Erfahrungen aus der Arbeit in interdisziplinären Projektgemeinschaften (z. B. „Interdisziplinäre Arbeitsgruppe LandInnovation“ der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften) verdeutlichen
das Potenzial der verfahrenstechnisch orientierten Forschung zur Synthese von disziplinären Erkenntnissen.
Pflanzengenetiker benötigen Spezialisten für Produktionsverfahren ebenso wie Sozialwissenschaftler, deren
Forschungsgegenstand die Menschen ländlicher Regionen sind. Nur im Ergebnis interdisziplinärer Diskurse
lassen sich tragfähige Konzepte zur nachhaltigen Nutzung ländlicher Räume entwickeln, sofern man den
drei Säulen der Nachhaltigkeit ausgewogene Bedeutung beimisst.
Agrartechnische Forschung, wie sie am ATB betrieben wird, ist bereits interdisziplinär und bietet sich für
vielfältige Kooperationen an. Dabei muss der technische Schwerpunkt keinesfalls aufgegeben werden. Versteht man Technik nicht als Selbstzweck, sondern als Mittel zum Zweck, dann ist die Basis der interdisziplinären Zusammenarbeit gelegt.
Die Forschungstradition des Instituts liegt an der Schnittstelle zwischen biologischen und technischen Systemen. Die Kernkompetenz des Einzelnen liegt jeweils auf einer dieser Seiten. Verständnis für die „andere
Seite“ ist die Voraussetzung für erfolgreiche Systemlösungen. Die bereits bewusst gewordene oder noch
unbewusste Fähigkeit zur interdisziplinären Kommunikation setzt die Mitarbeiter des ATB in Verantwortung
zur Etablierung weiterer interdisziplinärer Forschungsverbünde auf regionaler, nationaler und internationaler
Ebene.
Hierfür Voraussetzungen zu schaffen, war und bleibt ein wichtiges Anliegen des Vorstands. Am Beispiel des
Engagements für eine bessere Positionierung der agrartechnischen Themen im Europäischen Forschungsprogramm muss aber auch festgestellt werden, dass es mehrjähriger Vorleistungen vieler Akteure bedarf.
Mitarbeiter des ATB nehmen diese Aufgabe mehr und mehr im Interesse der gesamten deutschen und internationalen Agrartechniker wahr, können sie aber nur in der Gemeinschaft lösen.
Es gibt ausreichend Gründe dafür, die Herausforderungen verantwortungs- aber auch selbstbewusst anzunehmen. Agrartechnik bleibt wissenschaftlich anspruchsvoll, von der Gesellschaft nachgefragt und für die
Lösung vieler Probleme unserer Zivilisation unabdingbar.
1.1 Nachhaltige Ressourcenbewirtschaftung
6
II Fachliche Ergebnisse
Stoff- und Energieströme
Nachhaltige
Ressourcenbewirtschaftung
Thema 1.1.1
Programm 1.1
Umweltverträgliche,
tiergerechte und
wettbewerbsfähige
landwirtschaftliche
Produktionsverfahren
Forschungsfeld 1
Multifunktionale Landwirtschaft
Sensorgestützte
Informationsgewinnung und
Informationsmanagement
Programm 1.2
Tiergerechte und umweltverträgliche Haltung von
Nutztieren
Programm 1.3
Qualität und
Sicherheit von
Lebens- und
Futtermitteln
Qualitätssicherung bei
leichtverderblichen Produkten
Programm 2.1
Futtermitteln
Forschungsfeld 2
Programm 2.2
Naturfaserproduktion
Programm 3.1
Nachwachsende
Rohstoffe und
Energie im
ländlichen Raum
Biokonversion stärkehaltiger
Agrarrohstoffe
Programm 3.2
Forschungsfeld 3
Erzeugung und Nutzung
von Bioenergieträgern
Programm 3.3
Zukunftsfonds
Programm 4.1
Thema 1.1.3
II Fachlicher Teil
7
Programm 1.1
Nachhaltige Ressourcenbewirtschaftung
Sustainable resource management
Programmverantwortliche: Annette Prochnow (Abt. 2)

[email protected]
Die Landwirtschaft nutzt und beeinflusst natürliche
Ressourcen wie Boden, Luft, Wasser, biologische
Vielfalt und Energie. Deren nachhaltige Bewirtschaftung gehört zu den grundlegenden Anforderungen an die Landwirtschaft und ist die herausragende Aufgabe für die agrartechnische Forschung.
Ziel der Forschungsarbeiten im Thema „Multifunktionale Landwirtschaft“ ist es, technische,
ökonomische, soziale und ökologische Auswirkungen verschiedener Bewirtschaftungsrichtungen
und Verfahren hinsichtlich vielfältiger gesellschaftlicher Anforderungen zu bewerten.
Übergeordnetes Ziel des Forschungsprogramms
ist es, Prozessgrundlagen und Methoden für die
Bewertung von Umweltwirkungen und von sozioökonomischen Auswirkungen von Verfahren der
Landbewirtschaftung bereitzustellen. Die Ergebnisse unterstützen damit auch die Forschungsarbeiten in anderen Programmen.
Die umweltgerechte und wirtschaftliche Bereitstellung von Biomasse für die energetische und stoffliche Nutzung war auch im Jahr 2007 Schwerpunkt
der Arbeiten. Die Untersuchungen konzentrieren
sich auf die ökonomische Bewertung und Optimierung auf betrieblicher und regionaler Ebene sowie
auf die Verbindung von Biomassebereitstellung mit
der Erfüllung landeskultureller und naturschutzfachlicher Funktionen. Die Arbeiten sind überwiegend in größere Verbundvorhaben eingebunden,
wobei die am ATB angesiedelten Teilprojekte untereinander in enger fachlicher Verbindung stehen.
Das Thema „Stoff- und Energieströme“ soll zu
einem umfassenden Verständnis biogeochemischer und mikrobiologischer Stoffumsätze und
-transportprozesse beitragen, um Stoff- und Energieströme erfassen und im Sinne einer nachhaltigen Landbewirtschaftung steuern zu können.
Auf der Rohstoffplantage des ATB wurden die
Langzeitversuche zu gasförmigen Emissionen bei
unterschiedlichen Kulturen und Bewirtschaftungsweisen fortgesetzt und um Untersuchungen zur
Auswaschung von Nitratstickstoff erweitert. Die
Potenziale nachwachsender Rohstoffe zur Einsparung von Treibhausgasen können somit auf der
Grundlage langjähriger Messungen quantifiziert
werden.
Auch die Arbeiten zur Energiebilanzierung in der
Tierhaltung wurden weitergeführt. Nach der Ermittlung der Anteile einzelner Verfahrensabschnitte
am Energieaufwand in der Milchviehhaltung erfolgen nun Untersuchungen zum Einfluss von Milchleistung, Reproduktionsrate und Erstkalbealter auf
den Energieaufwand. Daraus können Aussagen
zur Energieeffizienz in Abhängigkeit von den Parametern abgeleitet werden.
Die Arbeiten zur Anpassung von Technik und Verfahren an den Klimawandel konzentrierten sich auf
die Beantragung von Forschungsvorhaben, insbesondere im Rahmen von Verbundprojekten. Dabei
standen die effiziente Wassernutzung in der Landwirtschaft und betriebliche Anpassungsstrategien
an die Risiken des Klimawandels im Mittelpunkt.
Ein Entscheidungsunterstützungssystem für Landwirte, Investoren und weitere Akteure in der Biomassebereitstellung und -verwertung wurde so
weit ausgebaut, dass damit betriebliche und regionale Kalkulationen und Szenarienrechnungen vorgenommen werden können. Auf Grund der aktuellen Entwicklungen, wie steigende Preise für Agrarprodukte, verstärkte Nachfrage nach Biomasse
und Risiken durch den Klimawandel, bildeten Nutzungskonkurrenzen einen Untersuchungsschwerpunkt. Neben den ökonomischen Komponenten
wurden auch die Auswirkungen einer verstärkten
Biomassebereitstellung auf Natur und Landschaft
in das System integriert.
Zur energetischen Nutzung von Materialien aus
der Landschaftspflege wurden vertiefende Untersuchungen durchgeführt. Diese beziehen sich zum
einen auf die Biogaserzeugung aus Aufwuchs von
Grünlandstandorten und zum zweiten auf die Revitalisierung und energetische Nutzung von Windschutzhecken.
8
Stoff- und Energieströme (Thema 1.1.1)
Biogeochemical cycles and energy fluxes
Themenleiter: Jürgen Kern (Abt. 1)

[email protected]
Arbeitsgruppe: Werner Berg (2), Horst Domsch (4), Philipp Grundmann (2), Monika Heiermann (2), HansJürgen Hellebrand (2), Simone Kraatz (2), Andreas Meyer-Aurich (2), Matthias Plöchl (2), Annette Prochnow
(2), Cristina Rus (5), Volkhard Scholz (3)
The production of energy crops enables the removal of CO2. Their thermal conversion is one way
to substitute fossil fuels. During a period of four
years (2003-2006) the reduction of Global Warming Equivalents (GWE) by the production of poplar
and rye totalled up to 16.4 and 13.6 t CO2 ha-1 a-1,
respectively. In order to achieve a life cycle assessment, other factors have to be considered. If
direct N2O emissions from soil and indirect N2O
emissions from NO3 leaching are included, then
CO2 savings are reduced by 1 to 10 %.
In the field of animal husbandry the energy efficiency for the production of milk was studied in
terms of milk yield and replacement rate. The increase in milk yield usually results in an enhanced
energy efficiency, but a milk yield of above 8,000
kg fat corrected milk (FCM) cow-1 a-1 does not
seem to be efficient any more.
Gleichzeitig wird Nitratstickstoff ausgewaschen.
Dies konnte mit Harzboxen für 2006 in ungestörtem Boden nachgewiesen werden (Abb. 2). Bis zu
40 kg N ha-1 a-1 wurden in eine Tiefe von 0,9 m
verlagert. Das entspricht auf der mit 150 kg N gedüngten Pappelparzelle 25 % des applizierten
Vor dem Hintergrund globalklimatischer Veränderungen gewinnt die Produktion von nachwachsenden Rohstoffen zunehmend an Bedeutung. Ein
starker Biomasseaufwuchs kann dazu beitragen,
die bei der Verbrennung von fossilen Rohstoffen
freigesetzte CO2-Menge zu verringern. Voraussetzung für einen hohen Biomasseertrag ist eine gute
Nährstoffversorgung, die im Allgemeinen durch
entsprechende Düngung gewährleistet wird. Das
CO2-Einsparpotenzial kann dabei allerdings durch
anbau- und auswaschungsbedingte N2O-Emissionen reduziert werden. N2O hat gegenüber CO2 ein
um den Faktor 298 höheres Treibhausgaspotenzial.
Für den Zeitraum 2003 bis 2006 ergibt sich auf der
ATB-Rohstoffplantage ein Anstieg der direkten
N2O-Emissionen in Abhängigkeit der mittleren
Bodennitratgehalte, die ihrerseits durch die Stickstoffdüngung bestimmt sind (Abb. 1). Während auf
den ungedüngten Flächen weniger als 20 µg N2O
m-2 h-1 freigesetzt werden, liegen die Emissionsraten auf den mit 75 und 150 kg N ha-1 gedüngten
Flächen zwischen 20 und 50 µg N2O m-2 h-1. Die
düngungsinduzierten N2O-Emissionen in den
untersuchten perennierenden bzw. annuellen
Pflanzenkulturen können im vierjährigen Mittel
(2003-2006) mit 0,3 % bzw. 0,9 % des applizierten
Stickstoffs beziffert werden.
Abb. 1: Mittlere Bodennitratgehalte und N2O-Emissionsraten auf den von 2003 bis 2006 untersuchten Parzellen
mit perennierenden und annuellen Pflanzen (Weide,
Pappel, Roggen, Weizen, Raps, Hanf).
60
0 kg N
•
+ 150 k g N
75 kg N
40
-2
-1
N2O (µg m h )
o
20
2
R = 0,6182
0
0
1
2
3
NO3 -N (mg l-1)
Fig. 1: Mean values of soil nitrate contents and N2O
emission rates on the plots with perennial and annual
plants (willow, poplar, rye, triticum, rape, hemp) studied
from 2003 to 2006.
Auswasc hung/Leaching
-1 -1
(kg N ha a )
80
60
Rog gen
Rye
Papp el
Poplar
40
20
0
0
75
150
0
75
150
Düngung/Fertilisation (kg N ha-1 a -1)
Abb. 2: Ausgewaschener Nitratstickstoff in 0,9 m Tiefe.
Harzboxen zur NO3-Adsorption waren von November
2005 bis November 2006 im Boden der Rohstoffplantage
installiert (n=7).
Fig. 2: Leached nitrate-nitrogen in a depth of 0.9 m.
Resin cores for the adsorption of NO3 were installed in
the soil of the experimental field from November 2005 to
November 2006 (n=7).
II Fachlicher Teil
Beim einjährigen Roggen und hohen Düngungsgaben werden entsprechend hoher Biomasseerträge bis zu 12,2 t CO2-Äquivalente ha-1 a-1 eingespart.
Die ermittelten CO2-Einsparpotenziale sind als
Zwischenergebnis zu betrachten, das nach Berücksichtigung weiterer Treibhausgasäquivalente,
die z. B. aus der Synthese mineralischer Stickstoffdüngemittel resultieren, zu präzisieren ist.
Im Vergleich zur Pflanzenproduktion liegen im
Bereich der Tierhaltung bisher wenige Untersuchungen zur Ermittlung und Bewertung der Energieeffizienz vor. Am Beispiel der Milchviehhaltung
wurde der direkte und indirekte Energieaufwand
für die Bereitstellung verschiedener Futtermittel mit dem Bilanzierungsmodell REPRO berechnet. Der kumulierte Energieaufwand für verschiedene Futtermittel innerhalb verschiedener Ertragsklassen unterscheidet sich geringfügiger als der
Energieaufwand für einzelne Futtermittel (Maissilage, Grassilage, Heu, Weidegras und Triticale)
untereinander. Einen wesentlichen Einfluss auf
den Energieaufwand übt die Gestaltung der Futterrationen aus. So bewirkt z. B. ein höherer Anteil an
Weidefütterung eine Abnahme, ein größerer Anteil
an Kraftfutter in der Ration dagegen eine Zunahme
des kumulierten Energieaufwandes.
Weitere Berechnungen zur Energieeffizienz erfolgten hinsichtlich des Einflusses von Erstkalbealter,
Reproduktionsrate und Milchleistung auf den kumulierten Energieaufwand zur Futterbereitstellung.
Mit zunehmender Reproduktionsrate steigt der
kumulierte Energieaufwand zur Futterbereitstellung bei allen betrachteten Milchleistungen nahezu
linear an (Abb. 3). Mit steigender Milchleistung
nimmt er ab, wobei dieser Effekt bei Milchleistungen über 8.000 kg FCM (fettkorrigierte Milch) je Kuh
und Jahr kaum noch zum Tragen kommt. Damit
werden im darüber liegenden Milchleistungsbereich höhere Reproduktionsraten immer weniger
ausgeglichen. Das bedeutet, dass sich die Energieeffizienz mit zunehmender Milchleistung nur begrenzt
steigern lässt. /45/, /83/, /128/, /167/, /213/
4000 kg FCM/Kuh und Jahr (cow and year)
6000 kg kg
FCM/Kuh
undund
Jahr
(cow
andand
year)
FCM/Kuh
Jahr
(cow
year)
3,0
KEA/CED (MJ/kg FCM)
Stickstoffs, auf der mit 75 kg N gedüngten Roggenparzelle sogar 52 %. Die Nitratauswaschung
ist Quelle weiterer, sogenannter indirekter N2OEmissionen. Dabei wird in Anlehnung an IPCC
(2000) mit einem Stickstoffkonversionsfaktor von
2,5 % gerechnet. Stellt man der CO2-Fixierung
beim Biomasseaufbau (gleichbedeutend mit der
Einsparung fossiler Brennstoffe) die CO2-Äquivalente gegenüber, die durch anbau- bzw. auswaschungsbedingte
N2O-Emissionen
entstehen,
dann vermindert sich das CO2-Einsparpotenzial
um 1 bis 10 %. Gehölzkulturen, wie hier für Pappel dargestellt (Tab. 1) weisen mit 16,2 t CO2Äquivalente ha-1 a-1 das höchste CO2-Einsparpotenzial auf.
9
2,7
2,4
2,1
1,8
1,5
10
20
30
40
Reproduktionsrate/Replacement rate (%)
50
Abb. 3: Kumulierter Energieaufwand (KEA) zur Futterbereitstellung in Abhängigkeit von der Reproduktionsrate
für unterschiedliche Milchleistungen.
Fig. 3: Cumulative energy demand (CED) for the feedsupply as a function of the replacement rate for different
milk yields.
Tab. 1: Kohlenstofffixierung bei der Produktion oberirdischer Biomasse ausgedrückt als Treibhausgasäquivalente
(THGÄ). Gegenübergestellt sind die N2O-Emissionen, die als Treibhausgasäquivalente wirksam werden und das CO2Einsparpotenzial (Δ THGÄ) verringern.
Tab. 1: Carbon fixation during the production of aboveground biomass expressed as Global Warming Equivalent
(GWE). N2O emissions transformed to GWE reduce the potential of CO2 saving (Δ THGÄ).
¬ THGÄ
Ertrag
THGÄ N 2 O emission
THGÄ
¬ GWE
Yield
GWE
soil leachate
GWE
t DM h a
-1
t C O2 ha-1
kg N2 O-N ha-1
t C O2 equ ha-1
Pappel/Poplar
0 kg N
75 k g N
150 k g N
9.14
8.45
7.72
-16.40
-15.16
-13.85
0.41
2.72
2.01
0.02
0.10
0.59
0.20
1.32
1.22
-16.20
-13.84
-12.63
Roggen/Ry e
0 kg N
75 k g N
150 k g N
5.37
8.03
8.43
-8.65
-12.94
-13.58
0.96
1.64
2.72
0.20
0.63
0.29
0.54
1.06
1.41
-8.10
-11.88
-12.17
10
Multifunktionale Landwirtschaft (Thema 1.1.3)
Multifunctional Agriculture
Themenleiter: Philipp Grundmann (Abt. 2)

[email protected]
Arbeitsgruppe: Jörg Eberts (2), André Hoyer (2), Jürgen Kern (1), Hilde Klauss (2), Andreas Meyer-Aurich (2),
Annette Prochnow (2)
Rising market prices for agricultural products, increasing use of biomass for energy production,
climate changes and other factors ask for continual
adaptation of the land and resources use patterns.
The current adjustment processes in agriculture
and rural areas offer opportunities but carry also
risks for society and environment. Analyses of
impacts, developing methods and modelling approaches that integrate multiple levels as well as
evaluation criteria of multiple disciplines can contribute to an objective assessment of different adjustment strategies.
Zunehmende Marktpreise für Agrarprodukte, eine
steigende Nachfrage nach Biomasse für die energetische Nutzung sowie mögliche Veränderungen
des Klimas verstärken die Nutzungskonkurrenzen
um die knappen Ressourcen und den Druck auf
die Schutzgüter im ländlichen Raum. Die durch
diese Entwicklungen ausgelösten Prozesse bergen Chancen und Risiken für die Landwirtschaft.
Tab. 1: Wirtschaftliches Strohpotential (z. B. für die Ethanolproduktion) und Humusbilanz in Abhängigkeit vom
Strohpreis in der Region Havelland (Land Brandenburg).
Tab. 1: Availability of straw (e.g. for ethanol production)
and humus balance at different prices for straw in the
Havelland region in the state of Brandenburg.
Strohpreis
Strohentzug*
(in t)
Stroh auf
der Fläche
(in t)
Humus
Entzug
(in t HS-C)
HumusBilanz
(in t HS-C)
Status quo
16.004
81.002
1.861
-4.092**
Mäßiger
Preisanstieg
39.061
80.652
4.542
-4.546**
Hoher
Preisanstieg
54.655
76.785
6.355
-4.546**
Sehr hoher
Preisanstieg
55.416
76.149
6.443
-4.546**
Sehr hoher
Preisanstieg***
91.005
37.427
10.581
-9.093***
*Strohbereitstellung an der Anlage; ** Cross-Compliance wird eingehalten
*** Cross-Compliance wird auf Entzugsgrenzwert von 150 kg HS-C entschärft
Änderungen der Land- und Ressourcennutzung werden mit Hilfe von betrieblichen und regionalen Modellen simuliert und in weiterführenden
Wirkungsanalysen bewertet.
Am Beispiel der Bereitstellung von Stroh als Rohstoff für die Energiegewinnung in der Region Havelland (Land Brandenburg) ist zu erkennen, dass
steigende Strohpreise zu einem verstärkten Entzug von Stroh von den landwirtschaftlichen Flächen führen. Bei entsprechenden Preissteigerungen werden bis zu 42 % des gesamten Strohaufkommens in der Region Havelland abgeführt (Tab.
1). Die zusätzlichen Erlöse aus dem Strohverkauf
finden ihren Ausdruck in steigenden Gewinnbeiträgen der Landwirtschaft (Abb. 1).
Eine weitere Mobilisierung von Stroh ist nur bei
gleichzeitiger Nichteinhaltung von „Cross-Compliance“-Auflagen bzw. einer deutlichen Verschlechterung der Humusbilanz über die tolerierte Entzugsgrenze von 75 kg Humuskohlenstoff hinaus
möglich.
Der Anbau von Kurzumtriebsgehölzen auf landwirtschaftlichen Flächen stellt eine Alternative zum
Anbau einjähriger Energiepflanzen da. Im Projekt
Abb. 1: Anstieg des regionalen Gewinnbeitrags in der
Landwirtschaft bei steigenden Erlösen aus dem Strohverkauf.
Fig. 1: Profit increases in agriculture with increasing
revenues (i.e. prices) from straw sales for ethanol production.
DENDROM werden diese Verfahren verglichen.
Stand zu Projektbeginn noch im Vordergrund, eine
wirtschaftlich tragfähige Nutzungsalternative zur
Stilllegung auf ertragsschwachen Standorten zu
finden, so haben die Preisanstiege auf den Agrarmärkten die Rahmendingungen stark verändert.
Energiepflanzenbau und Nahrungsmittelproduktion
konkurrieren um die knappen Ressourcen, insbe-
II Fachlicher Teil
11
sondere um die Fläche. Die Chance des Agrarholzes besteht vor allem in den geringen Verfahrenskosten. Steigende Preise für Agrarprodukte führen
allerdings dazu, dass auch kostenintensive Kulturen wieder gewinnbringend angebaut werden können. Abbildung 2 zeigt, wie sich eine allgemeine
Preissteigerung auf die Konkurrenzfähigkeit von
Agrarholz auswirkt. Steigen die Preise für Pappeln
und Weizen in gleichem Maß, verliert das Produktionsverfahren Pappelanbau an Attraktivität.
Gewinnbeitrag €/ha
Ausgangspreise:
Winterweizen 9 €/dt
Pappelhackschnitzel 40 €/tatro
Abb. 3: Pappelfällungen zur Sicherung angrenzender
Agrarflächen bieten Erträge von bis zu 110 tatro je ha
Heckenfläche.
Fig. 3: Harvest of windbreak tree features offer a wood
potential of up to 100 t per ha.
Preisanstieg in %
Pappeln
Winterweizen
Abbildung 4 zeigt, wer maßgeblich an der Heckenpflege beteiligt ist. Alle Akteure streben nach
eigenen Aussagen die Entwicklung von funktionsfähigen Hecken an, allerdings setzen sie dabei
unterschiedliche Schwerpunkte.
Abb. 2: Gewinnbeiträge von Pappeln und Weizen bei
einem relativen Preisanstieg im Vergleich.
Fig. 2: Comparison of profit margins of poplar and wheat
with relative price increases.
Die Ertragsmodelle zeigen eine deutliche Abhängigkeit der Erträge vom Transpirationswasserangebot. Dieses ist nicht zwangsläufig an die Kriterien der Bodengüte gekoppelt, die sich in den
Ackerzahlen widerspiegeln. Eine Fläche mit
schlechter ackerbaulicher Bodengüte kann durchaus hohe Agrarholzerträge liefern. Die Höhe der
Holzerträge ist das entscheidende Kriterium für
den Gewinnbeitrag einer Kurzumtriebsplantage.
Neben der Betrachtung der Verfahrensebene wird
untersucht, ob sich der Anbau von Agrarholz auch
auf regionaler Ebene etablieren kann. Dazu werden Landnutzungsmodelle mit den relevanten
Restriktionen verwendet. Ziel ist es, regionale Potentiale von Agrarholz und anderer landwirtschaftlicher Biomasse abschätzen zu können.
Abb. 4: Hauptakteure und ihre wichtigsten Interessen bei
der Heckenpflege.
Windschutzhecken bereiten Brandenburg derzeit
große Probleme: überalterte und stark brüchige
Pappeln fallen den Landwirten in die Bewirtschaftungsflächen und stellen eine große Gefährdung
an begleitenden Straßen dar (Abb. 3). Aus diesem
Grund sollen die Hecken möglichst zügig in einen
vitalen Zustand überführt werden. Auf welchem
Wege dies erreicht werden kann, darüber entscheidet eine Vielzahl von Akteuren.
Für Infrastrukturbetreiber und Landwirte ist die
Wirtschaftlichkeit der Pflegemaßnahmen entscheidend, denn sie müssen die entstehenden Kosten
tragen. Diese Gruppe ist nur zur Finanzierung von
Maßnahmen bereit, die zur Absicherung der angrenzenden Flächen notwendig sind. Mit der Fällung der Pappeln ist dieses Ziel häufig bereits erreicht. /4/, /35/, /38/, /150/, /205/
Fig. 4: Stakeholders and their interests in hedge maintenance.
12
1.2 Sensorgestützte Informationsgewinnung und Informationsmanagement
Nachhaltige
Programm 1.1
tiergerechte und
wettbewerbsfähige
landwirtschaftliche
Sensorgestützte
Programm 1.2
Forschungsfeld 1
Nutztieren
Programm 1.3
Qualität und
Sicherheit von
Lebens- und
Futtermitteln
Programm 2.1
Futtermitteln
Forschungsfeld 2
Programm 2.2
Programm 3.1
Nachwachsende
Rohstoffe und
Energie im
ländlichen Raum
Agrarrohstoffe
Programm 3.2
Forschungsfeld 3
Programm 3.3
Zukunftsfonds
Programm 4.1
Sensoren und ihre
technologische Einordnung
Thema 1.2.1
Technologie der Präzisionslandwirtschaft
Thema 1.2.3
II Fachlicher Teil
13
Programm 1.2
Sensorgestütze Informationsgewinnung und Informationsmanagement
Sensor-based information acquisition and management
Programmverantwortlicher: Detlef Ehlert (Abt. 4) [email protected]
Die im Berichtszeitraum geleisteten Forschungsarbeiten sind nicht nur die Fortführung der Arbeiten
aus dem Vorjahr, sie sind auch als neue Ansätze
für eine sensorgestützte Informationsgewinnung
und Informationsmanagement zu werten. Die Arbeiten zur Entwicklung und Einführung der Präzisionslandwirtschaft beruhen auf einer gründlichen
Forschungsbedarfsanalyse unter Beachtung der
Wechselwirkungen zwischen technischer Entwicklung und verfahrenstechnischer Einordnung. Gleiches gilt auch für die neuen Forschungsansätze.
Auch das in einem Zeitraum von ca. drei Jahren im
BMBF-Verbundprojekt pre agro II bearbeitete Teilprojekt zur sensorgestützten Fungizidapplikation
wurde abgeschlossen. Der untersuchte Lösungsansatz beinhaltete die teilflächenspezifische Applikation von Fungiziden durch den kombinierten
Einsatz eines Prognosemodells zur Errechnung
von Infektionswahrscheinlichkeiten (proPlantexpert.precise), eines Pflanzenmassesensors (CROPMeter) sowie einer hinterlegten Karte mit Zonen
der Ertragserwartung (hybrider Ansatz).
Die Landwirtschaft steht vor neuen Herausforderungen. Sie muss sowohl die Ernährung sichern
als auch zunehmend nachwachsende Rohstoffe
für die stoffliche und energetische Nutzung bereitstellen. Vor diesem Hintergrund sind die landwirtschaftlichen Produktionsverfahren effizienter zu
gestalten.
Auch das von der BLE geförderte Forschungsvorhaben zur praktischen Erprobung und Einführung sensorgestützter Verfahren der Düngung und
des Pflanzenschutzes wurde zum Abschluss gebracht. Die Forschung zielte auf die Verbesserung
von Umweltverträglichkeit, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit in der Getreideproduktion. Durch
umfangreiche Untersuchungen über drei Vegetationsperioden in sechs Praxisbetrieben in Brandenburg, Sachsen und Sachsen-Anhalt konnte nachgewiesen werden, dass durch die sensorgestützte
teilflächenspezifische Applikation von Dünge- und
Pflanzenschutzmitteln erhebliche Aufwandmengen
ohne Ertragseinbußen eingespart werden können.
Mit dem Ziel, den Boden als begrenzt zur Verfügung stehendes Hauptproduktionsmittel der Landwirtschaft effizienter zu nutzen, wird eine Methode
entwickelt, Eigenschaften wie Tongehalt und daraus resultierend die nutzbare Feldkapazität messtechnisch präziser und in Schichten aufgelöst zu
erfassen.
Mykotoxine belasten unsere Nahrungsmittel. Werden sie frühzeitig erkannt, lassen sich entsprechende Gegenmaßnahmen ergreifen. Einen Beitrag dazu leistet die Erkennung von mit Fusarium
befallenen Ähren in Getreidebeständen noch vor
bzw. während des Mähdrusches mittels spektraler
Analysen und anschließender Bildauswertung.
Während unter Laborbedingungen brauchbare
Ergebnisse erzielt wurden, ist für Feldbedingungen
mit sehr unterschiedlichen Lichtverhältnissen (Licht,
Schatten) das Verfahren weiter zu verbessern.
Einige Forschungsarbeiten konnten 2007 abgeschlossen werden. Dies betrifft vor allem das
CROP-Meter, das technisch wesentlich verbessert
werden konnte. Es wird mit der Vegetationsperiode
2008 in Form einer Vorserie von einem Industriepartner (Fa. AGRO-COM) in die industrielle Fertigung überführt.
Um die Wirkung teilflächenspezifischer Düngungsmaßnahmen besser bewerten zu können,
wurde ein Stickstoffsteigerungsversuch unter Einbeziehung von Messungen zur elektrischen Bodenleitfähigkeit in einem Praxisbetrieb in SachsenAnhalt durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass
zwischen den Anforderungen an die statistische
Genauigkeit und den Kosten der Versuchsdurchführung Kompromisse möglich sind.
Wird in einem Landwirtschaftsbetrieb jeder Mähdrescher mit einem Ertragserfassungssystem ausgerüstet, entstehen relativ hohe Investitionskosten.
Als kostengünstige Alternative wurde eine Methode entwickelt, die es erlaubt, mit wenigen Ertragsmesswerten für einen Schlag in Kombination mit
einer Luftaufnahme die Ertragskarte für den gesamten Schlag zu generieren.
14
Sensoren und ihre technologische Einordnung (Thema 1.2.1)
Sensors and their integration into technical processes
Themenleiter: Horst Domsch (Abt. 4) [email protected]
Arbeitsgruppe: Horst Beuche (2), Ulrich Brehme (5), Karl-Heinz Dammer (4), Detlef Ehlert (4), Robin Gebbers (4), Hans-Jürgen Hellebrand (2), Werner B. Herppich (6)
Modern sustainable and efficient agriculture needs
sensors and intelligent software. To address soil
conditions a non-invasive three-dimensional mapping system was developed. For the early detection of Fusarium in cereals a measuring lab enabling hyper spectral images was established.
Based on practical tests, ATB’s well-known CROPMeter, an on-the-go sensor for assessing crop
biomass and leaf area, was redesigned and further
improved. The ALT-Pedometer, a sensor for animal husbandry developed at the ATB, was tested
on 150 dairy cows and at several horse farms. It
proved his capabilities for documenting animal
behaviour at a much higher level of precision than
conventional sporadic observation.
Nachhaltige und effiziente Produktion landwirtschaftlicher Produkte erfordert zwingend den Einsatz von Sensoren und intelligenter Software, damit Bewirtschaftungsentscheidungen optimiert
werden können. Um den großen Einfluss der Bodenbedingungen auf das Pflanzenwachstum besser berücksichtigen zu können, wurde ein Lösungskonzept für die präzise und flächenscharfe,
dreidimensionale Erfassung des Bodens abgeleitet. Dem frühzeitigen Erkennen von Ähren mit Fusarium-Befall in Getreidebeständen diente der
Aufbau eines Labormessplatzes, der Hyperspektralaufnahmen mit einer Auflösung bis zu 2,5 nm
zulässt. Die Robustheit des am ATB entwickelten
CROP-Meters wurde auf der Grundlage von
Rückmeldungen aus dem Praxiseinsatz weiter
erhöht. Zudem wurde die Ausführung noch vereinfacht. Das für die Tierhaltung am ATB entwickelte
ALT-Pedometer kam in einem Produktionsexperiment mit 150 Milchkühen und in mehreren Pferdehaltungen zum Einsatz. Es dokumentiert Tierverhalten im Vergleich zu sporadischen Beobachtungen wesentlich exakter.
Die Entwicklung umweltgerechter Methoden und
Verfahren der Flächennutzung und -bewirtschaftung basiert auf der Berücksichtigung der standortabhängigen Bodenverhältnisse. Kleinräumige
Bodenverhältnisse sind aber nur partiell bekannt.
Deshalb lassen landwirtschaftliche Betriebe zunehmend die scheinbare elektrische Bodenleitfähigkeit (apparent electrical conductivity ECa) auf
ihren Flächen kartieren, aus denen Bodenkarten
im großen Maßstab erzeugt werden können (HofBodenkarten). Eine präzisere, für alle Maßnahmen
der Landnutzung anzustrebende Standortkennzeichnung, die auf der Grundlage einer hinreichend hohen Beprobungsdichte sowie einer Ansprache des Bodens bis zu einer Tiefe von etwa
2 m eine flächenscharfe Unterteilung des Standortes ermöglicht, ist jedoch bei Anwendung herkömmlicher Methoden wirtschaftlich bisher nicht
durchführbar.
Einen Lösungsansatz für dieses Problem bietet die
räumlich dichte Bestimmung von ECa-Profilen
mittels geophysikalischer Messmethoden. Aus den
ECa lässt sich der Tongehalt mittels zu bestimmender Kalibrierfunktionen hinreichend genau
schätzen.
Das ATB hat in Zusammenarbeit mit dem Institut
für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben
(GGA) auf 28 ha eine 20er Multielektrodenkette
getestet, die die summarische elektrische Bodenleitfähigkeit aus 9 unterschiedlichen Tiefen liefert.
Um den Transport der Multielektrodenkette zwischen den Messpositionen auf dem Feld zu erleichtern, wurde vom ATB ein fahrbarer, zerlegbarer Elektrodenträger gebaut, der die Elektroden in
der vorgegebenen Anordnung aufnimmt und das
gleichzeitige Absenken und Ausheben der Elektroden gewährleistet (Abb. 1).
Ein vom GGA entwickeltes Inversionsprogramm
ermöglichte es, aus den aufgenommenen Daten
EC-Profile für 2 bis 5 Schichten zu schätzen. Letztere ergaben nach einer Interpolation eine dreidimensionale EC-Verteilung für den Schlag.
Gemeinsam mit dem Landesamt für Geologie und
Bergwesen Sachsen-Anhalt (LAGB) wurden an
ausgewählten Messpositionen Bodenproben aus
den drei oberen Bodenschichten gezogen. Die
LAGB analysierte die Körnungsverteilung der Bodenproben. Zwischen Tongehalt und EC ergab
sich ein enger Zusammenhang. Die ermittelten
Regressionsfunktionen mit Bestimmtheitsmaßen
zwischen 0,7 und 0,9 ermöglichten es, die geschätzten EC-Verteilungen in Tongehaltsverteilungen in den einzelnen Schichten zu transformieren.
II Fachlicher Teil
15
Wellenlängenbereich eine Spektralbild-Serie mit
einer Bandbreite / Rasterung ≥ 2,5 nm. Die Gesamtinformation dieser Bildserie wird mit ENVI,
einer Software zur Auswertung hyperspektraler
Bildinformationen, hinsichtlich relevanter Wellenlängenbänder analysiert. Der hyperspektrale Bildscanner wurde unter Nutzung eines Transmissionsspektrographen (V10E der Fa. Specim), einer
12-bit Schwarz-Weiß-Kamera und einer Drehspiegeleinheit aufgebaut. Die erforderliche Software
HyBiS 1.0 wurde aufgabenspezifisch entwickelt
und unter LabView 8.2 programmiert.
Abb. 1: Fahrbarer Elektrodenträger.
Fig. 1: Mobile carrier for the electrode.
Um Risiken für die tierische und menschliche Ernährung zu vermeiden, sollte eine Verunreinigung
von Getreideerntegut mit Mykotoxinen vom Anfang
der Verarbeitungskette an ausgeschlossen werden. Die Zielstellung des Forschungsprojektes
„Sensorgestützte Detektion von Mykotoxinbildnern im Getreidebau“ innerhalb des BMBF/PtJgeförderten Verbundprojektes „ProSenso.net2“ ist
die sensorgestützte Erkennung von Fusariumbefallenen Ähren in Winterweizenfeldern. Dazu
wurde ein Labormessplatz aufgebaut (Abb. 2), der
eine Analyse der spektralen Reflektion von gesunden und Fusarium-befallenen Weizenähren im
Wellenlängenbereich von 400-1000 nm ermöglicht.
Abb. 2: Versuchsaufbau zur Erzeugung von Hyperspektralbildern der Weizenähren.
Fig. 2: Experimental set-up for generating hyperspectral
images of wheat ears.
Innerhalb dieses Bereiches sollen Bänder gefunden werden, die eine Unterscheidung zwischen
gesunden und kranken Ähren möglich machen.
Ein hyperspektraler Bildscanner erfasst dabei die
Ähren zeilenweise und erzeugt über den gesamten
Erste Versuche unter Freilandbedingungen mit
Rot/Grün/Blau (RGB)-Bildaufnahmen erfolgten mit
künstlich infizierten Fusarium-Ähren der Sorte
„Taifun“. Von jeweils 15 infizierten und gesunden
Ähren wurden Bilder unter Sonnenlicht und im
Schatten aufgenommen. Es erfolgte eine Klassifizierung der Bildpixel hinsichtlich des kranken und
gesunden Ährengewebes anhand der roten, grünen und blauen Spektralbereiche mit Methoden
der digitalen Bildauswertung in ENVI. Die Maximum-Likelihood (ML)-Klassifizierungsmethode ergab einen mittleren relativen Fehler von 10 % gegenüber visueller Quantifizierung der Symptome,
während die „Spectral-Angle-Mapper“ (SAM)Klassifikation einen mittleren relativen Fehler von
50 % aufwies. In Abbildung 3 ist der über beide
Klassifizierungsmethoden ermittelte prozentuale
Anteil kranken Ährengewebes der visuellen Einschätzung gegenübergestellt. Je näher die Punkte
im Scatterplot zur 1:1 Linie liegen, desto besser
stimmen die Werte der Klassifikationsmethode mit
den visuellen Ergebnissen überein. Überbelichtungen und Reflexionen sind Störfaktoren, deren Einfluss bei der digitalen Bildanalyse zu minimieren
ist.
Ein am ATB entwickelter mechanischer Sensor
(CROP-Meter) zur Ermittlung der Pflanzenmassedichte arbeitet nach dem Prinzip eines physikalischen Pendels, das beim Durchfahren von Pflanzenbeständen ausgelenkt wird. Der entstehende
Auslenkwinkel wird mittels eines Potentiometers
gemessen und ist eng mit der Pflanzenmassedichte korreliert. Infolge des mechanischen Messprinzips sind der Nachtbetrieb und der Einsatz bei
feuchten Pflanzenoberflächen (Tau, Regentropfen)
uneingeschränkt möglich.
Nachdem das CROP-Meter der Öffentlichkeit erstmalig zur AGRITECHNICA'2003 vorgestellt wurde,
erfolgte im Frühjahr 2004 seine Markteinführung
durch die Firma AGROCOM in Bielefeld. In den
zurückliegenden Jahren konnten umfangreiche
Erfahrungen beim Einsatz dieses mechanischen
Sensors zur teilflächenspezifischen Düngung und
zum Pflanzenschutz gemacht werden, die die
auch auf die induktiven Näherungsschalter plus
Verkabelung zur elektro-mechanischen Höhenregelung verzichtet. An ihrer Stelle wird eine direkte
Höhenführung verwendet, bestehend aus einem
Bodentaster und einer Parallelogrammführung. Um
die Auflagekräfte und damit den Verschleiß am
Bodentaster sowie Beschädigungen an den Kulturpflanzen zu minimieren, wurde eine Zugfeder in
Form eines Gummiseiles eingesetzt.
Infizierter Anteil durch Klassifizierung [ % ]
Infected area classified ML [ % ]
16
Infizierter Anteil durch Klassifizierung [ % ]
Infected area classified ML [ % ]
Infizierter Anteil durch Bonitur [ % ]
Infected area by visual rating [ % ]
Um abzusichern, dass der Bodentaster sich entsprechend der Fahrtrichtung selbst ausrichtet, ist
er in einem Rohr um eine vertikale Achse drehbar
gelagert. Zum Vermeiden von Schädigungen durch
plötzlich einwirkende extrem hohe Kräfte infolge
von z. B. großen Steinen, Bodenrinnen und -wällen
ist der Bodentaster zusätzlich um eine horizontale
Achse schwenkbar gelagert und stützt sich auf
einem federbelasteten Anschlag ab.
Als eine weitere Verbesserung ist mit dem neuen
CROP-Meter ein sehr schnelles und flexibles Einstellen der unteren Lage des Bodentasters sowie
der Höhe des Pendel-Drehpunktes möglich. Dies
wird mit Rundstahlketten erreicht, deren Glieder in
die eingearbeiteten Schlitze eingehängt werden.
Infizierter Anteil durch Bonitur [ % ]
Infected area by visual rating [ % ]
Abb. 3: Scatterplots der mit der ML und SAMKlassifizierung ermittelten prozentual mit Fusarium infizierten Ährenfläche im Vergleich zur visuellen Schätzung.
Fig. 3: Scatterplots of the Fusarium infected ear area
estimated by visual rating versus ML- and SAMclassification results.
Grundlage für die Entwicklung eines neuen und
verbesserten CROP-Meters bildeten.
Der Praxiseinsatz zeigte, dass das PendelMessprinzip grundsätzlich geeignet ist, die Pflanzenmassedichte in stehenden Halmfruchtbeständen und auch im Raps unter Feldbedingungen
funktionssicher zu erfassen. Hinsichtlich der Robustheit wurde deutlich, dass die bisherige Ausführung in Extremfällen empfindlich gegen mechanische Beschädigungen reagierte. Auch der verwendete elektro-mechanische Linearantrieb und
die für seine Steuerung erforderlichen induktiven
Näherungsschalter erwiesen sich als kostenintensiv und als potenzielle Störquellen. Von den Nutzern, Landwirte und Lohnunternehmer, wurde
zusätzlich gefordert, dass das Wechseln zwischen
Transportstellung und Arbeitsstellung per Knopfdruck möglich sein sollte.
Beim neuen CROP-Meter (Abb. 4) wird auf den
Linearantrieb zum Spurtiefenausgleich und somit
Das Wechseln zwischen der Transportstellung und
der Arbeitsstellung vom Fahrersitz aus wird mittels
eines Zugbandes und eines kleinen ElektroGetriebemotors erreicht. Für einen längeren
Transportbetrieb und zum Zweck der Montage
bzw. Demontage kann das CROP-Meter mit einer
mechanischen Transportsicherung zusätzlich verriegelt werden.
Mit dem neuen CROP-Meter wird der Landwirtschaft ein kostengünstiger mechanischer Sensor
zur Erfassung der Pflanzenmassedichte zur Verfügung gestellt, der sich gegenüber der bisherigen
Ausführung durch höhere Robustheit, verbesserte
Messgenauigkeit und eine erweiterte Funktionalität
auszeichnet.
Abb. 4: Neues CROP-Meter.
Fig. 4: New CROP-Meter.
II Fachlicher Teil
Eine spezielle Gleitkufe aus verschleißfestem
Stahl am Bodentaster erhöht die Standzeit und
Instandhaltungseignung deutlich. Das CROPMeter ist als Gerät für den Traktoren-Frontanbau
konzipiert. Infolge der auf ca. 450 mm gesteigerten
Bodenfreiheit in der Transportstellung ist der zusätzliche Hubweg eines Frontkrafthebers nicht
mehr erforderlich. Die erhöhte Präzision der Höhenführung infolge der direkten Abtastung der
Bodenoberfläche ermöglicht eine Ausweitung des
Geräteeinsatzes hin zu weniger entwickelten
Pflanzenbeständen und damit zu früheren Einsatzterminen.
Mit der Möglichkeit, zwischen Transportstellung
und Arbeitsstellung vom Fahrersitz über das
ISOBUS-Terminal zu wechseln, werden sowohl
Verbesserungen hinsichtlich der Ergonomie als
auch eine bessere Ausnutzung der Arbeitszeit
erreicht, wovon Lohnunternehmer und Landwirtschaftsbetriebe profitieren werden.
Auf dem Gebiet der Tierhaltung lag der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten 2007 auf der Durchführung eines Produktionsexperiments zur Brunsterkennung bei Milchkühen. Es handelte sich um
150 Hochleistungskühe mit einer Milchleistung von
mehr als 10.000 kg pro Kuh und Jahr. In einer
bilateralen Forschungszusammenarbeit mit Italien
wurde die Eignung unterschiedlicher Laufgangprofile zum Aktivitäts- und Liegeverhalten von Milchkühen untersucht. Die Brunsterkennung bei Mutterkühen war Gegenstand bilateraler Forschungskooperation mit Irland. Die Arbeiten befinden sich
im Stadium der Auswertung.
Die bisher vorliegenden Ergebnisse bestätigen
deutlich den Trend einer verminderten Fruchtbarkeit von Hochleistungskühen. Neben einem spürbaren Anstieg stillbrünstiger Kühe war das Brunstgeschehen bei den übrigen Tieren durch verminderte Brunstintensität, verminderte Duldungsdauer,
Verkürzung der Zyklusdauer (Abb. 5) und erhöhte
Unregelmäßigkeit der Brunstzyklen gekennzeichnet. Neben der wachsenden Bedeutung von technischen Systemen zur Tierüberwachung bei der
17
0.54%
4.32%
9.19%
19.46%
31.35%
1h - 4h
5h - 8h
9h - 12h
13h - 16h
17h - 20h
21h - 24h
35.14%
Abb. 5: Im Produktionsexperiment ermittelte Brunstdauer
bei Milchkühen.
Fig. 5: Oestrus duration determined during production
experiment in dairy cows.
Verbesserung von Fruchtbarkeit und Tiergesundheit, kommt der Frage der stetig steigenden Tierleistung unter ökonomischen und gesundheitlichen
Aspekten entscheidende Bedeutung zu.
Zweiter Arbeitsschwerpunkt war der Einsatz von
Pedometern in der Pferdehaltung. Im Rahmen
einer Promotionsarbeit wurden Untersuchungen
zur Eignung von ALT–Pedometern als Geburtsmelder beim Fohlen von Stuten durchgeführt. Zwei
Bachelorarbeiten untersuchten in einem Gestüt die
Auswirkung verschiedener Bewegungs- und Platzangebote auf das Aktivitätsverhalten bei Hengsten.
Dabei stand einmal die Bewertung der Ergebnisse
unter dem Aspekt der Tiergerechtheit im Vordergrund. Die zweite Arbeit nahm eine Bewertung der
Untersuchung unter den Aspekten der Arbeitswirtschaft und der Reiteigenschaften vor. Zwei bilaterale Forschungsvorhaben mit der Veterinärmedizinischen Universität Wien zur artgerechten Haltung
von Pferden in verschiedenen Gruppengrößen und
verschiedenen Haltungsverfahren wurden begonnen. /15/, /17/, /19/, /54/, /57/, /59/
18
Technologie der Präzisionslandwirtschaft (Thema 1.2.3)
Technologies for precision agriculture
Themenleiter: Karl-Heinz Dammer (Abt. 4) [email protected]
Arbeitsgruppe: Horst Domsch (4), Detlef Ehlert (4), Andreas Meyer-Aurich (2), Heinrich Thöle (4), Judith
Wollny (4)
Site-specific plant protection: The objective of the
project ‘plant protection’ within the joint research
project preagro2 supported by BMBF was to combine the information of the expert system „proPlant
expert.classic“ with information about the current
status of the plant surface provided by the CROPMeter. A new decision support system “proPlant
expert.precise” was designed which allows the
calculation of fungicide application rates for up to 3
management zones. The resulting prescriptive
map can be exported and transferred into the onboard terminal of the tractor. In each management
zone the applied quantity is adapted sitespecifically according to the values provided by the
CROP-Meter. In three field trials fungicide savings
up to 32.6 % were achieved. The sole use of
CROP-Meter resulted in up to 20.3 % fungicide
savings.
Soil nutrient mapping: A study was conducted to
evaluate the suitability of on-the-go mapping by an
adapted soil sampling design compared with conventional bulk soil sampling. Results showed a
high gain in spatial information for P and soil pH
using the fine-scale multi-core sampling pointing to
the benefits of soil on-the-go techniques for mapping of these soil properties. On the other hand,
spatial models for Mg indicated no difference between both sampling designs and K content was
better predicted by using bulk sampling on a
coarse
grid.
On-farm research: New statistical methods were
tested to account for spatial auto- and crosscorrelation in field trials. Analysis of crop yield and crop
quality response functions showed that these
methods are suitable to quantify the response of
nitrogen fertilisation on yield and protein content
more accurately.
Yield mapping: The possibility to generate yield
maps using true colour aerial images and measured yield data of a few tracks was examined. Data
sub-sets of the measured yield defined by zones
derived from the images by calculating the Visible
Atmospherically Resistant Index (VARI) differed
significantly. Consequently, the approach was
successful in the case of the experimental sites.
Im Rahmen des vom BMBF geförderten Verbundprojektes „pre agro“, Teilvorhaben „Grundlagen zum
Pflanzenschutz im Precision Farming“, wurde ein
sensorbasiertes Applikationssystem für Fungizide in Winterweizen entwickelt. Die Bearbeitung
erfolgte in Zusammenarbeit mit den Unternehmen
Müller-Elektronik, Salzkotten, und proPlant Gesellschaft für Agrar- und Umweltinformatik mbH,
Münster.
Informationen
• zur Schaderregerentwicklung in maximal 3
Zonen unterschiedlicher Ertragsentwicklung,
• zur kurativen und protektiven Wirkungsdauer
der Fungizide,
• und zum ökonomischen Nutzen einer Fungizidapplikation
werden vom Expertensystem „proPlant expert.precise“ (Prototyp) zu einer Zonenkarte mit
unterschiedlichen Aufwandmengen (Applikationskarte im XML-Format) umgesetzt. Diese Karte
dient als Grundlage für die Ansteuerung einer
Feldspritze mit dem CROP-Meter. Die Ansteuerungssoftware wurde durch den Projektpartner
Müller-Elektronik programmiert.
In Abbildung 1 ist beispielhaft der Verlauf des
Pendelwinkels und der Applikationsmenge entlang
einer 800 m langen Fahrspur dargestellt. Die
Obergrenzen der Applikationsmenge in den Zonen
werden durch die Karte festgelegt. Die untere
Grenze bestimmt der Landwirt selbst. Dazwischen
wird die Menge entsprechend des Auslenkwinkels
des CROP-Meters linear angepasst.
In dem entwickelten Applikationssystem werden
Informationen aus dem proPlant Expertensystem
mit aktuellen Informationen der Pflanzenoberfläche
zum Spritzzeitpunkt kombiniert. In Streifenversuchen auf 3 Winterweizenfeldern ergaben sich im
Vergleich zu einer herkömmlichen flächeneinheitlichen Applikation Einsparungen durch den CROPMeter-Einsatz von bis zu 20,2 %. Die Kombination
mit einer Applikationskarte führte zu Einsparungen
bis zu 32,6 %. Der Wert hängt entscheidend von
der Heterogenität im Schlag zum Zeitpunkt der
Applikation ab. Der Einspareffekt war in dem Feld
am größten, in dem hohe Flächenanteile mit niedriger Ertragserwartung vorhanden waren.
II Fachlicher Teil
19
Abb. 1: Auslenkwinkel des CROPMeters und aktuelle Aufwandmenge
in 3 Managementzonen mit unterschiedlicher oberer Aufwandmengengrenze.
300
40
250
30
200
20
150
10
0
0
Fig. 1: Deviation angle of the CROPMeter as well as actual application
rate along a tramline across 3 management areas with different upper
application rate.
Die traditionelle Bodenprobenahme und Nährstoffanalyse ist ein Hemmnis für die stärkere Verbreitung der teilflächenspezifischen Düngung der
Grundnährstoffe sowie des Kalks. International
wird ein neuer Ansatz für eine On-the-go Bestimmung von Bodennährstoffen und des pHWertes unter Nutzung ionenselektiver Elektroden
verfolgt. Durch eine höhere räumliche Dichte der
Beprobungspunkte sowie eine schnellere Analyse
der Proben soll dieser Ansatz eine genauere und
sofortige Beschreibung der Nährstoffverteilung im
Boden gewährleisten. Der Vorteil einer dichteren
Beprobung sollte untersucht werden. Dazu wurde
ein von dem On-the-go Ansatz abgeleitetes Beprobungsschema mit einem traditionellen verglichen.
Für die simulierte automatische Beprobung wurden 256 einzelne Bodenproben aus der oberen 10
cm-Schicht in einem 25 x 25 m Raster auf zwei
Flächen von jeweils 400 x 400 m entnommen. Zum
Vergleich erfolgte die Probenahme von 64 Mischproben, zusammengesetzt aus 18 Einstichen aus
dem Krumenbereich auf einem 10 m-Kreis, in
einem 50 x 50 m sowie einem 100 x 100 m Raster.
Die Bodenproben wurden hinsichtlich des Phosphor- (P), Kalium- (K) und des Magnesiumgehaltes
(Mg) sowie des pH-Wertes analysiert. Die Berechnung räumlicher Modelle erfolgte unter Nutzung
der Maximum Likelihood Methode (REML) sowie
der Kriging-Interpolation mit der Box-Cox Transformation. Eine Bewertung der Qualität der Modelle erfolgte über eine Kreuzvalidierung. Die Ergebnisse zeigen eine bedeutend höhere räumliche
Auflösung der P- und pH-Verteilung bei Verwendung der Daten aus der dichteren Beprobung. Für
K und Mg konnte ein solcher Informationszuwachs
100
200
300
400
500
Applikationsmenge [l ha-1] /
application rate [l ha-1]
Pendelwinkel [°] /
pendulum angle [°]
50
100
600
Distanz in der Fahrspur [m] /
distance in tramline [m]
Pendelwinkel/pendulum angle
Applikationsmenge/application rate
Maximalwert pro Zone/maximum value in area
nicht bestätigt werden. Trotz schlechterer räumlicher Auflösung der Beprobungspunkte zeigt die
Kreuzvalidierung für K eine bessere Qualität des
räumlichen Modells der Mischproben (Abb. 2). Der
On-the-go Ansatz bei der Nährstoffbeprobung ist
also nicht nur geräteseitig sondern auch verfahrensseitig noch zu präzisieren.
Abb. 2: Vergleich der räumlichen Modelle auf Grundlage
einer Kreuzvalidierung für Kalium. Oben: 25 m Beprobungsweite, ein Einstich je Probe. Unten: Beprobungsweite 35–50 m, Mischprobe aus 18 Einstichen).
Fig. 2: Comparison of spatial models based on cross
validation for potassium. Top: 25 m separation distance,
sole core samples. Bottom: 35-50 m separation distance,
compound samples of 18 cores.
Ertragskarten, die durch die Verwendung von Ertragsmesssystemen erstellt werden, sind oft prinzipbedingt oder aufgrund einer unzureichenden
Beachtung der Einsatzvorschriften fehlerhaft.
Durch Luftbilder lassen sich Bestände dagegen
positionsgenau abbilden. Da Luftbilder von Beständen in einem fortgeschrittenen Entwicklungsstadium häufig räumliche Muster aufweisen, die
denen von Ertragskarten ähneln, wurde die Möglichkeit untersucht, Ertragskarten unter Verwendung von Luftbildern zu erzeugen.
Voraussetzung für eine Generierung von Ertragskarten aus Luftbildern ist eine hinreichend
genaue Beziehung zwischen einem aus dem Luftbild ableitbarem Vegetationsindex und dem Pflanzenertrag. Auf eine Ertragsmessung kann folglich
nicht generell verzichtet werden. Erforderlich sind
jedoch nur relativ wenige Ertrags-Vegetationsindex-Punktepaare, um eine Kalibrierfunktion zu
bestimmen.
9,5
-1
Die Ergebnisse zeigen, dass das gewählte Design
es ermöglicht, die Düngewirkung auf Ertrag und
8,5
8
7,5
7
6,5
150
130
110
100
90
80
70
6
0
Die Erträge wurden mit dem Ertragsmesssystem
eines Claas-Mähdreschers ermittelt. Eine Bestimmung des Proteingehaltes erfolgte mittels Nahinfrarotspektroskopie im Labor. Aufgrund des unbalancierten Designs und möglicher Beeinflussung
durch räumliche Effekte wurde SAS Proc Mixed für
die Varianzanalyse und SpaceStat für Regressionsanalysen verwendet. Um festzustellen, inwiefern Bodeneigenschaften die Auswirkungen der
Düngung auf Ertrag und Protein bestimmen, wurde
die scheinbare elektrische Leitfähigkeit des Bodens mit einem EM 38 bestimmt und in die statistischen Analysen mit einbezogen.
9
60
Abb. 3: Versuchsdesign zur Erfassung der Wirkung von
Stickstoffdüngung auf Qualität und Ertrag in einem Praxisbetrieb.
Fig. 3: Experimental design for the analysis of the impact of fertiliser application rates on crop yield and crop
quality.
Der Versuchsansatz zeigt eine Kompromissmöglichkeit zwischen den Anforderungen an die statistische Genauigkeit und den Kosten der Versuchsdurchführung auf.
40
Auf einem Praxisbetrieb in Sachsen-Anhalt wurde
ein Stickstoffsteigerungsversuch durchgeführt mit
dem Ziel die teilflächenspezifische Wirkung der
Stickstoffdüngung auf Ertrag und Proteingehalt
zu analysieren. Um die Kosten für den Landwirt
und den Versuchsansteller so gering wie möglich
zu halten, wurde ein On-farm Ansatz mit praxisüblicher Großtechnik gewählt. Der Versuch wurde
auf drei Streifen etabiliert, die etwa 10 % der Fläche des Gesamtschlages ausmachen. Stickstoffgaben von 0 bis 150 kg/ha N wurden randomisiert
auf 30 Parzellen ausgebracht (Abb. 3).
Proteingehalt hinreichend genau abzubilden, so
dass auf dieser Basis Düngestrategien überprüft
werden können (Abb. 4 und 5). Im untersuchten
Fall beeinflusste die elektrische Leitfähigkeit des
Bodens den Ertrag und Proteingehalt nicht. Festgestellt wurde allerdings ein Trend für beide Parameter in West-Ost Richtung, der eine teilflächenspezifische Bewirtschaftung rechtfertigt. Das Kovarianzmodell liefert nur für den Proteingehalt eine
bessere Anpassungsstatistik.
20
Ziel von Experimenten in landwirtschaftlichen Betrieben ist die praxisnahe Quantifizierung des Einflusses von Prüffaktoren auf die entsprechenden
Prüfmerkmale.
ErtragCropyield (t ha )
20
Stickstoffdüngung
-1
Fertilizer Input (kg N ha )
Abb. 4: Winterweizenertrag und Standardfehler für untersuchte Düngestufen mit SAS Proc Mixed mit bestangepasstem Modell (Ertragswirkung mit p<0,05; n=27).
Fig. 4: Crop yield and standard error for analysed fertiliser rates with model with best fit (n=27).
II Fachlicher Teil
Als Vegetationsindex wurde der Visible Atmospherically Resistant Index (VARI) nach Stark unter
Nutzung einer entwickelten Software für ein 20 x
20 m Raster berechnet. Die Datenmengen der
gemessenen Erträge innerhalb der aus den Luftbildern geschätzten Ertragszonen unterschieden
sich signifikant voneinander. Dies bestätigt, dass
der untersuchte Ansatz zu nutzbaren Ertragskarten führt (Abb. 6).
13
-1
Protein content (t ha )
14
Proteingehalt
21
12
11
10
9
8
7
150
130
110
100
90
80
70
60
40
20
0
6
Stickstoffdüngung
-1
Fertilizer Input (kg N ha )
Abb. 5: Schätzwerte für Proteingehalte und Standardfehler mit SAS Proc Mixed mit dem bestangepassten
Modell mit Kovarianzanalyse (Modell Sphärisch Exponential) unter Berücksichtigung der geografischen x- und
y-Koordinaten (n=60).
Fig. 5: Estimated values for protein content and standard error with SAS Proc Mixed with best fitted model
with covariate analysis with consideration of x- and ygeografic coordinates (n=60).
Folglich reicht die Messung des Ertrages entlang
nur weniger Mähdrescherspuren aus, um eine
hinreichende Menge von kleinen Flächenarealen
auszusondern, denen Erträge und Werte des gewählten Vegetationsindexes für die Erstellung der
Kalibrierfunktion zugeordnet werden können. Mittels der Kalibrierfunktion lässt sich eine aus dem
Luftbild erzeugte Karte eines gewählten Vegetationsindexes in eine Ertragskarte konvertieren.
Die Untersuchungen erfolgten auf zwei Schlägen
im Randgebiet der Magdeburger Börde und in
zwei Jahren, in denen Getreide angebaut war. Es
konnte auf Luftbilder im RGB-Spektrum, aufgenommen aus einem Sportflugzeug, und auf Ertragsmessungen der Gesamtschläge, ausgeführt
von dem Flächennutzer, zurückgegriffen werden.
Abb. 6: Boxplots der Datensätze der Ertragswerte für
die aus den VARI-Werten geschätzten Ertragszonen vor
dem Hintergrund der Ertragswerte der Rasterzellen.
Fig. 6: Boxplots of the data sub-sets of the yield zones
based on the VARI values against the background of the
yield values of the grid cells.
Der unbestreitbare Vorteil der vorgeschlagenen
Lösung ist die Reduzierung des Aufwandes für die
Ertragsmessung während der arbeitsintensiven
Ernteperiode. Darüber hinaus wäre selbst in großen Betrieben grundsätzlich nur noch eine Ertragsmesseinrichtung erforderlich, die intensiver
gewartet werden könnte. /5/, /18/, /46/, /56/, /120/,
/124/
1.3 Tiergerechte und umweltverträgliche Haltung von Nutztieren
22
Nachhaltige
Programm 1.1
tiergerechte und
wettbewerbsfähige
landwirtschaftliche
Forschungsfeld 1
Sensorgestützte
Programm 1.2
Nutztieren
Tiergerechte und emissionsarme Haltungsverfahren
Thema 1.3.1
Melktechnik
Thema 1.3.2
Programm 1.3
Umweltverträgliche Nutzung
von Wirtschaftsdüngern
Qualität und
Sicherheit von
Lebens- und
Futtermitteln
Programm 2.1
Futtermitteln
Forschungsfeld 2
Programm 2.2
Programm 3.1
Nachwachsende
Rohstoffe und
Energie im
ländlichen Raum
Forschungsfeld 3
Agrarrohstoffe
Programm 3.2
Programm 3.3
Zukunftsfonds
Programm 4.1
Thema 1.3.4
II Fachlicher Teil
23
Programm 1.3
Tiergerechte und umweltverträgliche Haltung von Nutztieren
Environmental and animal-friendly livestock management
Programmverantwortlicher: Ulrich Brehme (Abt. 5) [email protected]
Die Erzeugung von Nahrungsmitteln tierischer
Herkunft wird sich in den kommenden Jahren
weltweit erheblich ausweiten. Dabei steht die Tierhaltung verstärkt im Focus zwischen sich verändernden Richtlinien und Rahmenbedingungen des
Tier- und Umweltschutzes. Mehr denn je wird die
vorhandene Sensibilität der Verbraucher in den
entwickelten Industriestaaten für die Belange des
Umwelt- und Tierschutzes auch in allen anderen
wichtigen Erzeugerländern zum Tragen kommen.
Durch ständig neue Reformen in der EUAgrarpolitik und den damit verbundenen Preisdruck auf die Erzeuger landwirtschaftlicher Nahrungsprodukte werden die Tierhalter nachhaltig zur
Verbesserung der Rentabilität ihrer Produktion
gezwungen. Dies wirft viele neue Fragen auf, an
deren kompetenter Beantwortung die Wissenschaftler des ATB involviert sind.
Im Mittelpunkt der Arbeiten im Thema „Emissionen und Stallklima“ stehen Verfahrenslösungen
und Haltungseinrichtungen, die sowohl den Anforderungen der artgemäßen Tierhaltung als auch
den Umweltschutzforderungen entsprechen. Die
experimentellen Untersuchungen werden an Praxisanlagen sowie an einem Windkanal des ATB
durchgeführt und durch physikalische Modellierung
von Emissionsquellen, Raumströmungs- und Ausbreitungsvorgängen sowie numerische Strömungssimulation ergänzt. Die Ergebnisse bilden
eine Grundlage für die Bewertung von Tierhaltungen und sind nutzbar für die Neuformulierung entsprechender Richtlinien. In Kooperation mit dem
Fachgebiet Klimatologie der TU Berlin konnten an
einer Broileranlage die Zusammenhänge von
Emissions- und Immissionsgeschehen gezeigt
werden. Weitere Untersuchungen dienten der Ermittlung von Emissionsmassenströmen sowie von
Hitzestress bei der Schweine- und der Rinderhaltung.
Rahmen ergonomischer Analysen. Hinsichtlich der
Auswirkungen auf das Tier wurde der Einfluss des
viertelindividuellen Systems auf den Verlauf der
Milchflusskurve und die Milchmenge untersucht.
Bewegungsanalysen in Kombination mit Elektromyografie-Messungen dienten dazu, die Belastung
für den Melker einschätzen zu können. Im Hinblick
auf die Überwachung der Eutergesundheit wurden
verschiedene Methoden zur Bestimmung von
Milchinhaltsstoffen untersucht.
Das ATB erhielt 2007 die Anerkennung als offizielles Testcenter des Internationalen Komitees für
Leistungsprüfungen in der Tierproduktion (ICAR)
zur Prüfung von Milchmengenmessgeräten.
Im Thema „Umweltverträgliche Nutzung von
Wirtschaftsdüngern“ nahmen Arbeiten mit Gärsubstraten und -resten aus Biogasanlagen einen
breiten Raum ein. Neben Untersuchungen zum
Fließverhalten der hochviskosen Suspensionen
und Arbeiten zu fremdkörperresistenteren Pumpensystemen wurden Untersuchungen zu Geruchsfreisetzungen aus Biogasanlagen durchgeführt. Darüber hinaus fanden umfangreiche Untersuchungen zur Freisetzung von Ammoniak (NH3),
klimarelevanten Gasen (CH4, CO2, N2O) und Geruch aus verschiedenen Substraten (unvergorene
und vergorene Rinder- sowie Schweinegülle;
Fruchtwasser aus einer Stärkefabrik) während der
Lagerung statt. In diesem Zusammenhang zeigte
sich, dass das Separieren sowohl von unvergorener als auch von vergorener Gülle keinen nennenswerten Einfluss auf die Emissionen hat. Das
Separieren kann sogar zu insgesamt höheren
Emissionen führen, sofern bei höheren Temperaturen N2O-Emissionen aus der festen Phase auftreten.
Die Arbeiten im Thema „Melktechnik“ waren dem
Praxiseinsatz eines neuen euterviertelbezogenen
Melkverfahrens (MultiLactor®) gewidmet. Untersucht wurden sowohl die Tier-Technik-Beziehungen durch die Erfassung relevanter Melkparameter
als auch die Mensch-Tier-Technik-Beziehungen im
24
Tiergerechte und emissionsarme Haltungsverfahren (Thema 1.3.1)
Animal-friendly emissions-reduced animal keeping
Themenleiter: Hans-Joachim Müller (Abt. 5)
Forschergruppe: Werner Berg (2), Kristina von Bobrutzki (5), Reiner Brunsch (5), Manfred Gläser (5), Alaa
Kiwan (5)
Research has to take into consideration the legal
regulations regarding animal-friendly and emission-reduced keeping systems. The demand is to
develop new animal-friendly keeping systems and
ventilation systems with low emission streams.
In this field, methods of investigation at ATB cover
numerical simulation, in collaboration with the Johann Heinrich von Thünen Institute (vTI) in Braunschweig, physical modelling of emission sources,
air flow in rooms and dispersion pro-cesses as well
as investigations in real livestock buildings. Figure 1 shows the measured emission mass flow of
a broiler house and the immission concentration of
ammonia 10 m above the ground in the surrounding of a broiler farm. In collaboration with the Technical University Berlin wind field and other meteorological parameters are investigated to characterize the dispersion behaviour and to develop and
calibrate dispersion models. Research work was
done in collaboration with scientists from China
and Czech Republic.
Den gesetzlichen Anforderungen in Bezug auf die
artgerechte Haltung landwirtschaftlicher Nutztiere
und hinsichtlich des Umweltschutzes ist auch seitens der Forschung verstärkt Rechnung zu tragen.
Die Arbeiten des ATB sind in diesem Zusammenhang ausgerichtet auf Fragen der Gewährleistung
der in den gültigen Regelwerken (z. B. DIN 18910)
geforderten Stallklimaparameter, auf das Emissionsverhalten von Stallanlagen und auf die
zielgerichtete Minderung von Emissionen sowie
deren Ausbreitung in der Umgebung von Tierhaltungen. Die Forschungsvorhaben sollen nicht nur
zu neuen technischen Lösungen führen. Die Ergebnisse sind auch nutzbar für die Neuformulierung von Richtlinien, beispielsweise von Abstandsregelungen. Sie bilden zudem die Grundlagen für
die Bewertung von Tierhaltungen im Hinblick auf
die Emissionsmassenströme und das Immissionsgeschehen.
Die Untersuchungsmethoden reichen von der numerischen Strömungssimulation, die insbesondere
in Kooperation mit dem Institut für Agrartechnologie und Biosystemtechnik des von Thünen-Instituts
(vTI) Braunschweig ausgeführt wird, über die physikalische Modellierung von Emissionsquellen,
Raumströmungs- und Ausbreitungsvorgängen in
der Umgebung von Ställen bis hin zu den unverzichtbaren Praxisuntersuchungen. Numerische
und physikalische Modelle müssen genutzt werden, da sich nicht alle Einflussgrößen systematisch
durch Praxismessungen untersuchen lassen.
Abb. 1: Ammoniakemissionsmassenstrom aus einem untersuchten Broilerstall mit 30.000 Tieren und Immissionskonzentrationen in 10 m Höhe
(Februar/März 2007).
Fig. 1: Ammonia emission mass flow
from the investigated broiler chicken
house with 30,000 animals and the
immission concentration in 10 m height
(February/March 2007).
II Fachlicher Teil
25
2007 konnte mit der Konzipierung eines neuen
Windkanals begonnen werden, dessen Aufbau
2008 beginnt. Dieser erlaubt eine effektivere und
zuverlässigere modelltechnische Untersuchung
der Durchströmung und Umströmung landwirtschaftlicher Gebäude. Des Weiteren konnte ein
hoch effektiver Messplatz zur Luftwechselmessung
mit dem radioaktiven Gas Krypton 85 in der ersten
Ausbaustufe fertig gestellt werden. Dadurch wird
es künftig möglich sein, den Luftdurchsatz bei frei
gelüfteten Stallgebäuden mit einer höheren Zuverlässigkeit zu bestimmen.
Beispielhaft sind in Abbildung 1 Ergebnisse von
Untersuchungen an einer Broileranlage dargestellt.
In der Umgebung wurden mit einem NOxKonverter und mit Passivsammlern (14-tägige
Mittelwerte) Ammoniakimmissionskonzentrationen
gemessen. Parallel dazu erfolgte die Bestimmung
der Ammoniakemissionen mit Hilfe von Konzentrations- und Volumenstrommessungen. Das Beispiel
zeigt deutlich den Zusammenhang zwischen
Emission und Immissionsgeschehen.
In Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Klimatologie der TU Berlin werden das Windfeld und andere
meteorologische Parameter an der Anlage systematisch untersucht (Abb. 2). Damit wird die Ausbreitung der Emissionen analysiert. Prognosemodelle zur Ermittlung der Immissionskonzentrationen sind das Ziel.
Abb. 2: Messstation neben einem Broilerstall zur Bestimmung des Windfeldes und der Stoffflüsse in der
Atmosphäre.
Fig. 2: Gauging station beside the broiler house to determine wind field and materials flux in the atmosphere.
Weitere Untersuchungen waren 2007 auf die Problematik Hitzestress bei der Schweine- und Rinderhaltung sowie auf die bei diesen Tieren entstehenden Emissionsmassenströme gerichtet.
Diese Forschungsarbeiten wurden im Rahmen
bilateraler Kooperation gemeinsam mit Partnern
aus China und Tschechien bearbeitet. /55/, /74/,
/75/, /111/, /114/, /116/
26
Melktechnik (Thema 1.3.2)
Milking techniques
Themenleiter: Sandra Rose (Abt. 5)
Forschergruppe: Werner Berg (2), Ulrich Brehme (5), Reiner Brunsch (5), Martina Jakob (6), Maren Kauke (5),
Oliver Schlüter (6)
Udder health is very important for milk quality and
safety. Daily milking causes stress for cow and
udder tissue. Primary tests of a new quarter individual milking system (MultiLactor®, Fa. Siliconform, Türkheim), carried out in co-operation with
industry and international research partners, revealed promising results. One of the problems still
to be solved is caused by the long milk tubes with
short diameter influencing the vacuum system and
injuring the teat ends. The MultiLactor® with an
extra air inlet caused less problems for the teat
ends. At present there are no sensors available
allowing the online quarter individual control of milk
quality and vacuum level. Therefore new sensor
systems have to be developed.
In response to the high rate of absenteeism
amongst milking persons the physical strain of
working conditions on the milker was also investigated. A combination of motion analysis and electromyography was used to find out the muscular
activity under controlled laboratory settings to
name the impact of different influencing factors on
the overall workload.
Für die Sicherung der Qualität des Lebensmittels
Milch ist ein gesundes Euter essentiell. Die Eutergesundheit wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, die sich zum Teil nur schwer voneinander abgrenzen lassen. Großen Einfluss hat zweifelsfrei die Melktechnik. Eine starke Belastung des
Eutergewebes kann Ursache für Mastitis sein.
Insbesondere Hochleistungskühe, die täglich bis
zu dreimal gemolken werden, sind diesbezüglich
sehr empfindlich. Eine gut funktionierende und
dem Tier angepasste Melktechnik und Fütterung
ist unerlässlich, um Eutererkrankungen vorzubeugen. Die Entwicklung und Testung von neuen
viertelindividuellen Melksystemen mit Niedrigvakuum sollen die Belastungen am Euter reduzieren. Die Untersuchungen erfolgen in enger Zusammenarbeit mit der Industrie.
Melkzeuge mit einem zentralen Sammelstück sind
seit vielen Jahrzehnten weltweit Standard. Bei
dieser Konstruktion ergeben sich jedoch einige
Nachteile. Die Melkparameter können zwar bedingt viertelindividuell erfasst und gesteuert werATB - Jahresbericht 2007
den. Die Positionierung der Melkzeuge ist aber als
ungünstig einzustufen. Viertelindividuelle Melksysteme bringen deutliche Vorteile, wurden aber bisher nur in automatischen Melksystemen eingesetzt. Ein neues Melksystem mit viertelindividueller
Schlauchführung, das für konventionelle Melksysteme geeignet ist, soll zur Marktreife weiterentwickelt werden. Die Erprobung und Entwicklung dieses neuen Melksystems MultiLactor® in Zusammenarbeit mit der Industrie erwies sich als sehr
vielversprechend. Probleme bei viertelindividuellen
Systemen treten jedoch durch die langen Milchschläuche auf, die große Vakuumschwankungen
und -abfälle bei hohen Milchflüssen hervorrufen.
Vakuumanalysen und Analysen der Milchflusskurven wurden in Kooperation mit verschiedenen
internationalen Einrichtungen durchgeführt, u.a.
Ege-University, Türkei, und Danish Cattle Research Centre, Dänemark. Zum Einsatz kamen die
Nassmessmethode sowie dynamische Messungen
(Abb. 1). Diese bieten gegenüber der DIN-ISOStandardmethode (Trockenmessungen) den Vorteil, dass die Zustände während des Melkens erfasst werden können. Damit lassen sich die realen
Gegebenheiten am Euter bzw. an der Zitze genau
analysieren. Die Ergebnisse liefern die Grundlage
zur Entwicklung einer viertelindividuellen Onlinesteuerung des Vakuumsystems. Der MultiLactor®
erzielte insgesamt gute Ergebnisse. Trotz der langen Schläuche kann mit einem Niedrigvakuum von
33,4 kPa gemolken werden. Technische Möglichkeiten zur viertelindividuellen Online-Erfassung
verschiedener Melkparameter fehlen noch.
Das ATB erhielt 2007 die Anerkennung als offizielles Testcenter des Internationalen Komitees für
Leistungsprüfungen in der Tierproduktion (ICAR)
zur Prüfung von Melktechnik. Zu den Aufgaben
des Testcenters gehört u. a. die Prüfung von
Milchmengenmessgeräten. Ein "ICAR-Melklabor"
wurde in der LVAT Groß Kreutz zu Test- und Forschungszwecken eingerichtet. Mit dem Labor, das
die Arbeit mit frischer Kuhmilch ermöglicht, wurden
die Voraussetzungen für weitere grundlagenorientierte Untersuchungen geschaffen.
Die Überwachung der Eutergesundheit gewinnt
immer mehr an Bedeutung, insbesondere beim
II Fachlicher Teil
27
Abb. 1: Nassmessungen im
MultiLactor®.
Fig. 1: Wet-test measurements
in MultiLactor®.
Einsatz von automatisierten Melksystemen. Die
Einbindung geeigneter Sensorsysteme, z. B. in
das Melkwerkzeug, könnte ein prozessbegleitendes Qualitätsmonitoring gewährleisten. Eine
viertelindividuelle Erkennung von Veränderungen
während des Melkprozesses kann für die Sicherung der Milchqualität und der Eutergesundheit
von Nutzen sein. Das Ziel ist, auf Basis zuverlässiger Informationen geeignete Onlinesysteme zu
entwickeln, die in allen Melksystemen Anwendung
finden können.
Im Rahmen eines Promotionsvorhabens wurden
zunächst anhand von Vorgemelken verschiedene
Analysemethoden auf ihr Potenzial zur Früherkennung von Mastitis untersucht. Dabei wurde geprüft,
inwieweit in der Milch die Konzentrationen der
Natrium- (Na+), Kalium- (K+) und Chloridionen (Cl), die zu 60 % die Leitfähigkeit bestimmen, bzw. ihr
Verhältnis zueinander die Aussagefähigkeit der
Leitfähigkeit erhöhen können. Viertelgetrennte
Milchproben wurden mittels Atomabsorptionsspektrometer analysiert. Die Überprüfung der Zellzahl erfolgte mit der Referenzmethode (Fossomatic). Eine Erhöhung der Anzahl somatischer Zellen
in der Milch deutet dabei auf eine Mastitiserkrankung hin.
Die ermittelten Milchparameter (Ionenkonzentration, Leitfähigkeit) wurden in die diagnostischen
Kategorien der Deutschen Veterinärmedizinischen
Gesellschaft (DVG) eingeordnet (Tab. 1). Die Untersuchungsergebnisse ließen jedoch keine eindeutige Abgrenzung zwischen den Kategorien
"gesund" und "latent" zu.
Nach weiteren alternativen Nachweismöglichkeiten
von Euterveränderungen wird in einer Diplomarbeit
gesucht, die 2007 begonnen wurde. Als potenzielle Methoden zur Erkennung von Mastitis werden
die Fluoreszenzspektroskopie, die Impedanz-,
NIR-, UV-, sowie VIS-Spektroskopie, Coulter–
Counter-Verfahren und die Durchflusszytometrie
hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit überprüft.
Das Melken macht einen Großteil der täglichen
Arbeit auf dem Milchviehbetrieb aus und wird in
der Regel von spezialisierten Fachkräften erledigt.
Die Arbeitsbelastung im Melkstand resultiert aus
der Dauer und der Schwere der Arbeit. Durch die
Umstellung auf Gruppenmelkstände ging man
zunächst davon aus, dass die Arbeitsbelastung
ausreichend reduziert wurde. Diverse Untersuchungen zeigen jedoch das Gegenteil. Die Intensivierung der Milchwirtschaft mit dem Übergang vom
Anbindestall zum Laufstall und vom zwei- zum
dreimaligen Melken am Tag verstärkt das Problem
noch. Damit haben sich auch die Anforderungen
an Mensch und Tier verändert. Das Tragen schwerer Lasten und ungünstige Körperhaltungen stellen
heute in modernen Anlagen kein Problem mehr
dar. Hingegen ist die reduzierte Aufgabenvielfalt
mit sich häufig wiederholenden manuellen Arbeitsvorgängen problematisch. Eine Reihe von arbeitswissenschaftlichen und epidemiologischen Studien
bestätigt die relativ hohen physischen Belastungen
an Melkarbeitsplätzen. Dies äußert sich auch in
der signifikant über dem Durchschnitt der Erwerbsbevölkerung liegenden Häufigkeit von Arbeitsunfähigkeitsfällen durch degenerative Erkran-
28
Tab. 1: Statistische Maßzahlen der Na+-, K+- und Cl--Konzentrationen (mg l-1) und der elektrischen Leitfähigkeit
-1
(mS cm ) je Kategorie der Eutergesundheit.
Tab. 1: Statistic data of Na+-, K+-, and Cl--concentrations and electrical conductivity per category of udder health.
DVG-Kategorie
n
Category of DVG1
Na+-Konzentration (mg l-1)
1 gesund
1.112
2 unspezifisch
461
3 latent
189
4 krank
98
K+-Konzentration (mg l-1)
1 gesund
1.176
2 unspezifisch
471
3 latent
202
4 krank
97
Cl--Konzentration (mg l-1)
1 gesund
1.215
2 unspezifisch
494
3 latent
205
4 krank
100
elektrische Leitfähigkeit (mS cm-1)
1 gesund
1.207
2 unspezifisch
492
3 latent
208
4 krank
102
1
DVG = German Veterinarian Society
Mittelwert
mean value
xmax
466
601
423
754
205
205
205
249
2.470
6.700
2.320
2.670
1.588
1.539
1.590
1.385
371
518
682
611
3.740
2.390
2.440
2.110
854
1.009
849
1.135
444
516
432
600
1.872
2.388
1.548
2.388
4,74
5,20
4,67
5,41
kungen im Bereich des Muskel-Skelett-Systems
bei Melkerinnen und Melkern.
Ein wesentlicher Weg in der Prävention arbeitsbezogener Belastungen des Muskel-Skelett-Systems
bei Melkern liegt in der ergonomischen Gestaltung
der Melkstände sowie in der individuellen Anpassung an die Körpermaße der Melker. Die Faktoren,
welche die Arbeitsbelastung von Melkern beim
Melken von Kühen in modernen Melkständen beeinflussen, sind vielfältig. Einen wesentlichen Einfluss haben das Melkzeuggewicht und die beim
Melken notwendigen Körperhaltungen. Diese sind
einerseits abhängig von der Geometrie des Melkarbeitsplatzes selbst (Flurkantenhöhe, Position der
Kuh im Melkstand, Geometrie des Euters, Anordnung der Bedienelemente) und andererseits von
der Anthropometrie der Arbeitskräfte (Körpermaße). Entsprechende Normen, Vorschriften und
Leitlinien zur optimalen, individuellen Anpassung
sind leider nicht verfügbar. Auch gibt es nur begrenzte Anpassungsmöglichkeiten im modernen
Melkstand, wie beispielsweise Hubböden.
Versuche in Zusammenarbeit mit der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAUA)
sollten aufzeigen, inwieweit die Ergonomie des
Melkarbeitsplatzes (Arbeitshöhe = Flurkantenhöhe
+ Bodenabstand zum Euter, Gestaltung und GeATB - Jahresbericht 2007
xmin
3,61
3,78
3,87
4,04
9,09
9,00
5,71
9,26
wicht des Melkzeugs) einen Einfluss auf die objektive Arbeitsbelastung, ermittelt mit Hilfe von
Elektro-Myographie (EMG) und Bewegungsanalyse, und die subjektive Einschätzung der Arbeitsbelastung des Melkers haben.
Die Auswertung dieser Vorversuche ergab, dass
eine typische muskuläre Aktivierung in der rechten
Körperhälfte (vorrangig Schulter-Nacken-Muskulatur) sowie in der linken Körperhälfte (vorrangig
Brust- und Unterarmmuskulatur) nachgewiesen
werden kann.
Die höchste muskuläre Arbeit wurde beim Ansetzen des Melkzeugs am Musculus pectoralis und
M. trapezius gemessen. Für den M. trapezius betraf dies nur den rechten Arm, der in der Versuchsdurchführung das Ansetzen der Melkbecher
übernahm. Die Muskulatur des linken Unterarms
sowie die Muskulatur der rechten Schulter führten
statische Haltearbeit aus, wie dies in den im Seitenvergleich deutlich erhöhten Summenaktivitäten
des integrierten EMGs deutlich wurde. Unterschiede in den dynamischen Anteilen der muskulären
Aktivierung sowie der Vergleich der Anteile dynamischer zu statischer Muskelaktivität müssen noch
detaillierter analysiert werden. Weiterhin war eine
Abhängigkeit der muskulären Aktivierung von der
Arbeitshöhe messbar. Die videogestützte Auswer-
II Fachlicher Teil
29
Abb. 2: Oberkörperneigung
bei Melkflurkantenhöhe von
102 cm (niedrig), 88 cm
(normal) und 74 cm (hoch)
während des Ansetzens des
Melkzeugs.
Fig. 2: Trunk inclination for
varying floor heights (black =
low, 102 cm; gray = medium,
88 cm; light gray = high, 74
cm) while attaching two
milking units of different
weight.
tung des Bewegungsverhaltens zeigte ebenfalls
eine deutliche Abhängigkeit zur Arbeitshöhe und
zum Gewicht des Melkzeugs, z. B. in der Rumpfvorbeugung und der Armbewegung in der vertikalen und horizontalen Ebene (Abbildung 2). Es ist
die mittels 3-D-Bewegungsanalyse gemessene
Oberkörperneigung dargestellt. Die Abhängigkeit
vom Bodenniveau ist deutlich zu erkennen. Je
höher der Melker positioniert wurde, desto stärker
musste der Oberkörper nach vorne geneigt werden. Die Untersuchungen wurden am Labormelkstand des ATB durchgeführt.
Um die Kenntnisse über in der Praxis auftretende
Körperhaltungen zu gewinnen, wurde ein personengebundenes Messsystem (CUELA, BGIA) im
Rahmen einer Machbarkeitsstudie eingesetzt. Dies
erfolgt in Kooperation mit dem Hauptverband der
landwirtschaftlichen Berufsgenossenschaft sowie
der ARTänikon, Schweiz (Abb. 3). /30/, /32/, /47/,
/81/, /110/, /117/
Abb. 3: CUELA-Messsystem im Praxiseinsatz.
Fig. 3: Field test of CUELA-device.
30
Umweltverträgliche Nutzung von Wirtschaftsdüngern (Thema 1.3.4)
Environmentally sound use of manures
Themenleiter: Werner Berg (Abt. 2) [email protected]
Arbeitsgruppe: Reiner Brunsch (5), Monika Heiermann (2), Jürgen Kern (1), Bernd Linke (1), Hans-Joachim
Müller (5), Meno Türk (5)
Animal manures from livestock farms deliver valuable nutrients to plants, improve humus provision
and structure of soils. Furthermore, manures can
be used as energy resources. Reducing emissions
from animal manures means both the better utilisation of these resources and diminishing harmful
effects on the environment.
The material properties of different manures, influencing their use and management, were characterised for various systems of cattle and pig husbandry as well as biogas production. The effects of
manure management on material properties, inclusive nutrient contents and emissions were analysed.
Several investigations on substrates and fermentation residues from biogas plants were carried out.
The flow behaviour of the highly viscous suspensions was determined by means of a tube type and
a rotary viscometer. Conveyance of these suspensions is impeded additionally by foreign particles
which cause high mechanical wear or even breakdown of pumps. Together with industry a project
has been launched to develop highly resistant
pump systems. Further examinations focused on
odour emissions from biogas plants.
Emissions of ammonia (NH3), greenhouse gases
(CH4, CO2, N2O), and odour from stored fresh and
fermented slurry, as well as waste water from a
starch plant were determined. These investigations
were carried out on laboratory scale and on small
farm scale. One goal at the ATB emission lab was
to analyse the effects of slurry separation into solid
and liquid phase on gaseous emissions. Rough
and separated pig and cattle slurry was stored for
30 days in an air-conditioned room set up at 5 and
25°C respectively.
Solid phase emits much less than liquid phase or
rough slurry, but there is nearly no difference between the rough slurry and the sum of solid and
liquid phase. Separation can lead to even higher
emissions, especially at increased temperatures.
This is caused by N2O emissions. Methane is the
most prevalent greenhouse gas emission from
manures during storage.
Wirtschaftsdünger enthalten wertvolle Nährstoffe
für den Pflanzenbau. Sie tragen zur Verbesserung
der Humusversorgung und der Struktur der Böden
bei, und sie können darüber hinaus energetisch
genutzt werden. Gelingt es, die von Wirtschaftsdüngern ausgehenden Emissionen zu reduzieren,
dann werden diese Ressourcen besser genutzt
und zugleich negative Umweltwirkungen verringert.
Unterschiedliche Wirtschaftsdünger aus der Rinder- und Schweinehaltung sowie für die Biogasgewinnung wurden hinsichtlich der Stoffeigenschaften charakterisiert, welche ihre Nutzung und
Handhabung beeinflussen. Untersucht wurden die
Auswirkungen des Wirtschaftsdüngermanagements auf die Stoffeigenschaften, einschließlich
der Nährstoffgehalte und Emissionen.
Untersuchungen an Gärsubstraten und –resten
aus Biogasanlagen bildeten einen Schwerpunkt
der Arbeiten in diesem Forschungsthema. Zum
einen wurde mit Hilfe eines Rohr- und eines Rotationsviskosimeters das Fließverhalten dieser hochviskosen Suspensionen ermittelt. Diese Suspensionen, die ohnehin schon eine große Herausforderung für die Förderaggregate darstellen, sind darüber hinaus oft mit Fremdkörpern belastet. Dies
führt zu stark erhöhtem Verschleiß der Pumpen,
Betriebsstörungen oder sogar zum Totalausfall
von Aggregaten. Gemeinsam mit der Pumpenindustrie wurde ein von der Arbeitsgemeinschaft
industrieller Forschungseinrichtungen (AiF) gefördertes Projekt begonnen, das die Entwicklung und
Prüfung fremdkörperresistenterer Pumpensysteme
zum Gegenstand hat. Zum anderen wurden Untersuchungen zu Geruchsfreisetzungen aus Biogasanlagen durchgeführt, die sich in das Bundesmessprogramm zur Bewertung neuartiger Biomasse-Biogasanlagen einordnen.
Ein weiterer Schwerpunkt waren Untersuchungen
zur Freisetzung von Ammoniak (NH3), klimarelevanten Gasen (CH4, CO2, N2O) und Geruch
während der Lagerung von Gärresten, unvergorener Gülle und Fruchtwasser aus einer Stärkefabrik.
Diese Arbeiten erfolgten sowohl mit weiterentwickelten Methoden im Labormaßstab als auch mit
einer neuen Methode im kleintechnischen Maß-
II Fachlicher Teil
stab (Lagerbehälter mit Volumina von ca. 17 m³)
auf einem landwirtschaftlichen Betrieb.
Gegenstand der Arbeiten im Labor war u. a. der
Einfluss des Separierens vergorener und unvergorener Rinder- und Schweinegülle in die Fest- und
Flüssigphase auf die gasförmigen Emissionen
während der Lagerung. Die Fest-Flüssig-Trennung
von Gülle zielt darauf ab, eine geringe Menge
Feststoff mit einer hohen Nährstoffkonzentration
zu erzeugen, die auch über größere Entfernungen
transportwürdig ist. Vorteilhaft ist das Verfahren
insbesondere bei hohen Tierkonzentrationen. Die
flüssige Phase kann vorzugsweise über Rohrleitungen auf der landwirtschaftlichen Nutzfläche
ausgebracht werden. Zur Wirkung des Separierens auf die gasförmigen Emissionen liegen jedoch kaum Kenntnisse vor.
Die Temperatur beeinflusst die gasförmigen Emissionen ebenfalls. Zur Bestimmung dieses Einflusses wurden die Untersuchungen bei einer Raumtemperatur von 5 und 25°C durchgeführt. Das
Volumen aller untersuchten Proben betrug 1 Liter,
der Untersuchungszeitraum 30 Tage. Bei der
Auswertung fanden die unterschiedlichen Mengenverhältnisse von Fest- und Flüssigphase Berücksichtigung, wie auch die Lagerung der festen
Phase in geschütteten Haufen mit einem durch die
entsprechenden Schüttwinkel bestimmten Verhältnis von Oberfläche zu Volumen.
Im Folgenden werden beispielhaft die Ergebnisse
für unvergorene Schweinegülle dargestellt.
Tabelle 1 zeigt die chemischen Hauptparameter
der untersuchten Substrate. Abbildung 2 gibt den
Gesamtüberblick zu den gasförmigen Emissionen
auf der Basis der spezifischen Treibhausgaspotenziale (NH3: 2,96 – indirekt durch induzierte N2OFreisetzung; N2O: 296; CH4: 23).
31
Tab. 1: pH-Wert (pH), Trockenmassegehalt (TS), Ammoniumstickstoffgehalt (TAN) und Gesamtstickstoffgehalt (TKN) der untersuchten Schweinegülle zu Beginn
der Untersuchungen.
Tab. 1: Main chemical characteristics of the tested pig
manure at the beginning of the investigation period.
Phase
pH
TS
(%)
TKN
TAN
-1
-1
(g kg ) (g kg )
Rohgülle
Untreated slurry
7.79
5.90
4.31
6.40
Flüssige Phase
Liquid phase
7.86
4.65
4.33
5.90
Feste Phase
Solid phase
8.82
21.1
4.05
Es wird deutlich, dass die separierte feste Phase
wesentlich weniger emittiert als die flüssige Phase
oder die unseparierte Rohgülle. Allerdings zeigen
die Untersuchungsergebnisse, dass das Separieren der Gülle insgesamt keine positiven Auswirkungen auf die gasförmigen Emissionen während
der Substratlagerung hat. Im Gegenteil: bei einer
höheren Temperatur (25°C Raum- und Substrattemperatur) ist sogar mit höheren Emissionen zu
rechnen. Dieser Effekt wird durch die N2OEmissionen hervorgerufen, die bei einer geringeren Temperatur (5°C) nicht auftreten. Alle anderen
Emissionen sind für die Rohgülle und die Summe
der separierten Fest- und Flüssigphase in etwa
gleich. Der Hauptanteil der klimarelevanten Emissionen geht auf Methan zurück.
Zur Verminderung der klimarelevanten Emissionen
aus Wirtschaftsdünger während der Lagerung
bietet sich gegenwärtig nur die Verwertung in Biogasanlagen als praktikable Lösung an. /97/, /129/,
/130/, /135/
Fig. 2: Total emissions
during the storage of pig
slurry on the basis of the
global warming potential of
each gas.
Korrigierte kumulative Emissionen
in CO2-Äquivalenten (g)
Corrected cumulative losses in CO2-equivalents (g)
NH3
Abb. 2: Gesamtemissionen
während der Lagerung von
Schweinegülle, Bezugsbasis: spezifisches Treibhausgaspotential der einzelnen
Gase.
12.2
N2O
CH4
CO2
Sum
140
T = 5 °C
T = 25 °C
116
120
100
91
87
80
60
45
40
45
39
29
20
6
0
Rohgülle
Rough
slurry
Flüssigphase
Liquid
phase
Festphase
Solid
phase
Summe beider
Phasen
Phases sum
Rohgülle
Rough
slurry
Flüssigphase
Liquid
phase
Fest- Summe beider
phase
Phasen
Solid
Phases sum
phase
2.1 Qualitätssicherung bei leichtverderblichen Produkten
32
Nachhaltige
Programm 1.1
tiergerechte und
wettbewerbsfähige
landwirtschaftliche
Sensorgestützte
Programm 1.2
Forschungsfeld 1
Nutztieren
Programm 1.3
Produktorientierte
Qualitätskriterien
Thema 2.1.1
Qualität und
Sicherheit von
Lebens- und
Futtermitteln
Forschungsfeld 2
leichtverderblichen
Produkten
Verfahrenstechnische Prozesse
bei hochempfindlichen
gartenbaulichen Produkten
Programm 2.1
Thema 2.1.2
Futtermitteln
Programm 2.2
Verfahrenstechnische Prozesse
bei Kartoffeln, Möhren und
Speisezwiebeln
Thema 2.1.3
Programm 3.1
Nachwachsende
Rohstoffe und
Energie im
ländlichen Raum
Agrarrohstoffe
Programm 3.2
Forschungsfeld 3
Programm 3.3
Zukunftsfonds
Programm 4.1
II Fachlicher Teil
33
Programm 2.1
Qualitätssicherung bei leichtverderblichen Produkten
Quality assurance for perishable produce
Programmverantwortlicher: Martin Geyer (Abt. 6) [email protected]
Frisch geerntete gartenbauliche Produkte, Kartoffeln, aber auch frische Milch und frisches Fleisch
reifen. Sie entwickeln sich weiter und verderben oft
sehr schnell. Gegenüber chemischen, biologischen, mikrobiologischen, mechanischen und klimatischen Belastungen sind sie sehr empfindlich.
Genaue Kenntnisse über die spezifischen physiologischen, biochemischen und biophysikalischen
Eigenschaften der einzelnen Produkte und deren
oft komplexe Interaktionen sind unerlässlich, um
Qualität sichernde technische Verfahren von der
Ernte bis zur Vermarktung weiter zu entwickeln
und ein hohes Maß an Produktsicherheit zu gewährleisten.
Im Rahmen des Forschungsprogramms werden
diese Fragen in drei miteinander eng verknüpften
Themen interdisziplinär bearbeitet. „Produktorientierte Qualitätskriterien“ untersucht die produktbezogenen physiologischen und qualitätsrelevanten physikalischen Grundlagen und entwickelt
bzw. optimiert hierfür innovative Messverfahren
und Sensoren. Die Themen „Verfahrenstechnische Prozesse bei hochempfindlichen gartenbaulichen Produkten“, beispielsweise Beerenobst oder Blattgemüse, und „Verfahrenstechnische Prozesse bei Kartoffeln, Möhren und
Speisezwiebeln“ befassen sich dagegen mit den
produktspezifischen, verfahrenstechnischen Fragen in den Prozessketten. Arbeiten zur Arbeitswissenschaft und Ergonomie bilden eine Klammer um
die beiden verfahrenstechnischen Themen.
Als wesentliches Element der Forschung werden
insbesondere neue optimierte Methoden zur
Quantifizierung physiologischer Produktveränderungen und zur Erarbeitung von Schwellenwerten
für die Reaktion auf Umwelteinflüsse entwickelt
bzw. angepasst. In diesem Zusammenhang steht
auch die Weiterentwicklung von Sensorsystemen
zur kostengünstigen, nicht destruktiven und
schnellen Qualitätsanalyse in der gesamten Nacherntekette.
Das vorliegende Forschungsprogramm wurde bei
der Evaluierung durch den Senat der Leibniz Gemeinschaft 2007 insbesondere auf Grund der herausragenden Qualität der Bearbeitung sehr positiv
bewertet. Der Bewertungsbericht hob die international hohe Reputation hervor und kam zu dem
abschließenden Ergebnis, dass das Institut in diesem Themenbereich zu den zwei bis drei führenden Forschungsinstitutionen weltweit gehöre.
Im Berichtszeitraum wurde die Forschung im Programm „Qualitätssicherung bei leichtverderblichen
Produkten“ zielgerichtet fortgeführt. Die Prozesskette erfuhr eine Ausweitung in Richtung Vorerntebzw. Produktionsbedingungen mit dem Ziel, das
Verhalten von Obst und Gemüse in der Prozesskette noch besser beschreiben zu können. Beispielsweise wurde die Fruchtreifeentwicklung in
einer Apfelanlage mit Bodenparametern und der
Wasserversorgung der Bäume in Beziehung gesetzt. Entsprechend befassen sich gemeinsame
Arbeiten mit dem Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau Großbeeren/Erfurt (IGZ) damit, den
Einfluss der Kulturbedingungen bei Tomaten auf
das shelf life in der Nachernte weiter zu spezifizieren. Haltbarkeitsprognosemodelle werden entwickelt, um an jeder Stelle in der Kette an Hand der
Klimasummenwerte Aussagen über die weitere
Verwertbarkeit treffen zu können. Gemeinsam mit
Partnern aus der Industrie wird an einem innovativen Datenlogger gearbeitet, welcher die relevanten
Klimadaten erfasst, über RFID mit einer Internetgestützten Datenbank kommuniziert und online mit
Hilfe des Modells Aussagen zum Produktzustand
und dessen weiterer Verwertung trifft.
Weiter spezialisiert wurden auch die Arbeiten zur
Mikrobiologie. Der Fokus liegt dabei u. a. auf Verfahren zur Vermeidung der Ausbreitung von Mikroorganismen, beispielsweise durch Säureverdampfung bei Beerenobst oder durch Niedertemperaturplasma bei Feldsalat. Als innovative Verfahren
wurden die Durchflusszytometrie und die molekulargenetische Diagnostik eingeführt, die eine bessere Beschreibung der bakteriellen Kontamination
beispielsweise in gemüsebaulichen Waschwässern ermöglichen.
Untersuchungen zum Kondensationsverhalten in
Stein- und Beerenobstverpackungen wurden fortgeführt. Es zeigte sich, dass in gekühlt gelagerten
Verpackungen Kondensation nicht zu verhindern
ist.
34
Produktorientierte Qualitätskriterien (Thema 2.1.1)
Product-oriented quality criteria
Themenleiter: Werner B. Herppich (Abt. 6)
Arbeitsgruppe: Laszlo Baranyai (6), Antje Fröhling (6), Martin Geyer (6), Klaus Gottschalk (3), Franziska
Grzegorzewski (6), Karin Hassenberg (2), Lena Hausdorf (1), Bernd Herold (6), Thomas Hoffmann (3), Michael Klocke (1), Manfred Linke (6), Zhaoshen Qing (6), Oliver Schlüter (6), Julia Schneider (6), Janina S.
Wulf (6), Manuela Zude (6)
Although the effectiveness of quality and safety
control for fresh and minimally processed food
from field to fork slightly increased during recent
years it still can not fully meet the demand of consumers, business, and politics. Partially this deficit
is due to the fact that effective, affordable, rapid,
and non-destructive sensors and devices are not
yet available for this purpose. In addition, the
knowledge of the specific microbial status and the
physiological, biochemical, and physical characteristics of produce, and their responses to environmental effects still is fragmentary, though it is indispensable for a meaningful interpretation of data
and the construction of knowledge based prediction models.
In 2007, several DFG-, BMBF-, BMWI-, or BMELVfunded projects aimed to develop innovative sensors for quality and safety control and to optimize
existing systems. These sensors were either
based on spectral optical and/or fluorescence
methods or on a combination of flow cytometry and
latest molecular biological approaches. Furthermore, water uptake and water transport in plant
seedlings was investigated using non-invasive
neutron tomography. Furthermore, the potential of
high hydrostatic pressure application for preservation of fresh produce and the treatment effects on
the integrity of product physiology was studied.
Verbraucher, Handel und Politik fordern seit vielen
Jahren für frische und minimal verarbeitete Lebensmittel eine lückenlose und zuverlässige Qualitäts- und Sicherheitskontrolle, vom Feld bis auf
den Teller. Für eine effektive kostengünstige, zerstörungsfreie und schnelle Qualitäts- und Sicherheitsanalyse fehlen aber bisher nicht nur entsprechende Sensoren und Messsysteme. Auch die
Kenntnisse der spezifischen physiologischen, biochemischen und biophysikalischen Produkteigenschaften und deren Veränderbarkeit durch mikrobiologische, chemische und physikalische Belastungen sind oft nur lückenhaft vorhanden. Speziell
dieses Wissen ist aber für eine sinnvolle Dateninterpretation und für die Erarbeitung wissensbasier-
ter Vorhersagemodelle unerlässlich.
Ziel dieses Forschungsthemas ist es deshalb, für
die genannten Aufgaben in miteinander verzahnten, z. T. von DFG, BMBF, BMWi oder BMELV
geförderten Projekten bestehende Sensorsysteme
zu optimieren bzw. neue zu entwickeln. Zum anderen wird essentielles Grundlagenwissen mit etablierten aber auch innovativen Methoden interdisziplinär und oft in enger Zusammenarbeit mit renommierten in- und ausländischen Partnern erarbeitet.
Beispielsweise werden im Rahmen des BMBFVerbundvorhabens „ProSeno.net2“ molekularbiologische Nachweismethoden sowie durchflusszytometrische Verfahren in Kombination mit Fluoreszenzfarbstoffen und -sonden genutzt, um robuste,
automatisierbare und einfach anwendbare Biosensoren zu entwickeln. Diese sollen eine spezifische,
quantitative Detektion mikrobieller Verderborganismen im Waschwasser aus der Gemüseproduktion ermöglichen. In weiteren, DFG- bzw.
BMBF-geförderten Projekten wird innovative spektraloptische und fluoreszenzbasierte Sensortechnik zum schnellen Nachweis von wertgebenden
Inhaltsstoffen, aber auch zur Erfassung des Verderbnisrisikos von empfindlichen Produkten entwickelt.
Wasserzustand, Wasserverteilung und Wassertransport sind wichtige Parameter von frischen
gartenbaulichen Produkten. Frisches Obst und
Gemüse ist durch einen hohen Wassergehalt gekennzeichnet, wirkungsvolle Wasserspeicherung
und Wassertransport sind Merkmale guter Haltbarkeit von Schnittblumen. Die gezielte Analyse
dieser Parameter ermöglicht es, die komplexen
Zusammenhänge zwischen Wasserzustand und
Produktqualität zu verstehen. Allerdings gibt es nur
wenige effektive zerstörungsfreie Methoden, die es
erlauben, die genannten Größen in situ an Pflanzen oder pflanzlichen Produkten zu untersuchen.
Kernspinresonanztomographie (MRI) und andere
konventionellen Methoden liefern entweder makroskopische Informationen oder bilden nur einen
sehr kleinen Bereich des Produktes detailreich ab.
II Fachlicher Teil
Dagegen bietet die tomographische Untersuchung
mit kalten Neutronen (CNR) eine hohe Auflösung
und einen relativ weiten Sichtbereich.
In enger Zusammenarbeit mit Dr. U. Matsushima
(Iwate Universität, Japan), und Dr. N. Kardjilov
(Hahn-Meitner-Institut HMI, Berlin) wurden an der
Messstelle für kalte Neutronenstrahlung (CONRAD)
vom Berlin Neutron Scattering Center (BENSC)
Untersuchungen zur in-situ Visualisierung von
Wasserflüssen in pflanzlichen Geweben durchgeführt. Dabei wurde D2O als ein Tracersystem genutzt, da unterschiedliche Dämpfungskoeffizienten
für kalte Neutronen eine klare Unterscheidung von
H2O und D2O erlauben. Der wechselnde Austausch von leichtem und schwerem Wasser ermöglicht beispielweise das direkte Verfolgen von
Wasseraufnahme, Wasserverteilung und Wassertransportraten (Abb. 1). Durch die Kombination
von CNR und Chlorophyllfluoreszenz-Bildanalyse
(CFA) konnte gezeigt werden, dass weder die angewandte D2O-Tracermethode noch die Bestrahlung mit kalten Neutronen die physiologische Aktivität der Versuchspflanzen behindern oder schädigen.
35
basiert auf bildgebenden Verfahren zur Messung
der laserinduzierten Rückstreuung. Hierbei wurde
die Fruchtgröße durch die Abweichung der Laserreflexion auf der Oberfläche bestimmt. Die Intensitäten des rückwärts gestreuten Lichtes als Funktion der Distanz vom Einstrahlpunkt in das Fruchtgewebe ergab charakteristische Verteilungsprofile.
Neben der Temperatur, der Gasatmosphäre und
den Strömungsverhältnissen kann auch der wirkende Systemdruck zu einer gezielten Beeinflussung der Produkte genutzt werden. Die Anwendung von hohem hydrostatischem Druck bietet
bereits neuartige Möglichkeiten zur Steuerung
zahlreicher Phasenumwandlungsprozesse in der
Lebensmittelverarbeitung. Eine Forschungsarbeit
beschäftigt sich daher mit der Einschätzung des
Potentials von Anwendungen hoher hydrostatischer Drücke zur Umsetzung innovativer Auf- bzw.
Verarbeitungsschritte im Bereich der Obst- und
Gemüseproduktion. Dabei wird der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf physiologisch
aktive Materialien zunächst am Beispiel von Feldsalat bewertet. Die Stressantwort des nativen Systems kann u. a. mit Hilfe der CFA charakterisiert
werden. Ansteigender hydrostatischer Druck beeinflusst den Zustand frischer pflanzlicher Produkte. Bei Drücken oberhalb von 150 MPa können
pflanzliche Systeme nachhaltig geschädigt werden. Basierend auf der Gesamtheit der gewonnenen Resultate sollen unter Berücksichtigung einzelner Verarbeitungskriterien mehrere Prozessstrategien vorgeschlagen werden, um das Potential der Anwendung hohen hydrostatischen Drucks
im niedrigen Temperaturbereich effizient bei innovativen Lebensmittelverarbeitungskonzepten nutzen zu können. /39/, /40/, /49/, /60/, /68/, /84/
Abb. 1: Visualisierung der Wasseraufnahme von Tomatensetzlingen mittels CNR, mit D2O als Tracer.
0,8
Fig. 1: In situ visualisation of water uptake of tomato
seedlings by CNR using D2O as tracer.
0,7
In einem weiteren Projekt wird ein neuer Ansatz
zur kombinierten Erfassung der beiden genannten
Fruchtqualitätsparameter erarbeitet. Der Ansatz
Fv / Fm
0,6
Daten zu inneren Qualitätsparametern von Früchten, wie der lösliche Trockensubstanzgehalt und
die Fruchtfleischfestigkeit, sind essentiell für das
Prozessmanagement entlang der Versorgungskette - von der Produktion über die Vermarktung bis
zum Verbraucher. Für deren prozessnahe Erfassung eignen sich besonders zerstörungsfreie Methoden. Akustische und mechanische Messmethoden sowie die Reflexionsspektroskopie im nahinfraroten Wellenlängenbereich zwischen 600-1100 nm
haben sich für die Analyse einzelner Parameter
bereits in der Qualitätskontrolle bewährt.
0,5
0,4
0,3
2.5 min
5 min
7.5 min
10 min
0,2
0,1
0,0
0
1
2
3
24
26
t [h]
Abb. 2: Verlauf der photochemischen Effizienz einer
Feldsalatprobe im Anschluss an eine Hochdruckbehandlung bei 150 MPa, 20°C und verschiedenen Behandlungszeiten.
Fig. 2: Variation of the photochemical efficiency of a
corn salad leaf after high pressure application (150 MPa
at 20°C) and various treatment times.
36
Verfahrenstechnische Prozesse bei hochempfindlichen gartenbaulichen Produkten
(Thema 2.1.2)
Process engineering of highly perishable horticultural produce
Themenleiter: Manfred Linke (6)
Arbeitsgruppe: Inka Gerbert (6), Martin Geyer (6), Sabine Geyer (3), Klaus Gottschalk (3), Karin Hassenberg
(2), Bernd Herold (6), Werner Herppich (6), Thomas Hoffmann (3), Martina Jakob (6), Oliver Schlüter (6),
Manuela Zude (6)
In the period under review experiments focusing
on the post harvest behaviour of tomato, cherry,
and plum as well as investigations on precision
horticulture referring to the spatial differentiation of
drought stress and fruit development taking citrus
fruits and apples as examples were continued.
Funding by the Federal Ministry of Research allowed the initiation of new projects aiming on the
development of a modular, internet supported data
logger system for process control of fruit and vegetables in the postharvest chain.
A new advanced controlled atmosphere storage
system comprising 12 vessels with temperature,
oxygen and carbon dioxide content control was
completed this season. In the future, the influence
of pre-harvest conditions on the postharvest behaviour of various produce can be examined in
detail under practical conditions.
Projects being undertaken with modified atmosphere packaging, premium qualities of sweet cherries, measuring and modelling of condensation
processes in film packages, and the electronic
image catalogue of defects in fruit, vegetables and
potatoes were continued. Within the scope of a
third party project studies on the optimisation of a
food display cabinet equipped with an innovative
cold-fog humidification were started.
2007 lag der Schwerpunkt der Arbeiten auf der
Fortsetzung der im Vorjahr begonnenen Untersuchungen zum Nachernteverhalten bei Tomate,
Kirsche, Pflaume und Apfel. Neue Fragestellungen, die die Entwicklung eines modularen, internetgestützten Datenloggersystems zur Prozesskontrolle von Obst und Gemüse in der Nacherntekette zum Inhalt haben, wurden insbesondere in
Zusammenhang mit einem vom Bundesforschungsministerium geförderten Drittmittelprojekt
aufgenommen.
Die 2006 begonnenen Arbeiten auf dem Gebiet
des Präzisionsgartenbaus zur räumlichen Differenzierung von Trockenstress und Früchteentwicklung am Beispiel von Äpfeln und Zitrusfrüchten
wurden fortgeführt und inhaltlich erweitert.
Nach dem Aufbau einer Laboranlage für die CALagerung (kontrollierte Atmosphäre) kann seit
dieser Lagersaison der Einfluss von Vorerntebedingungen auf das Nachernteverhalten praxisnah
untersucht werden. Die Anlage umfasst 12 Küvetten mit Temperatur-, Sauerstoff- und Kohlendioxidsteuerung.
Laufende Arbeiten zu Verpackungen unter modifizierter Atmosphäre, zu Premiumqualitäten bei
Süßkirschen, zur Messung und Modellierung von
Kondensationsvorgängen in Folienverpackungen
und zum elektronischen Schadbildkatalog wurden
fortgeführt. Aufgenommen wurden Untersuchungen zur Optimierung von Verkaufskühlmöbeln mit
zusätzlicher Kaltwasserdampfbefeuchtung der Luft.
Die Arbeiten erfolgen im Rahmen eines von der
Industrie geförderten Drittmittelprojektes.
Das in der Entwicklung befindliche modulare Datenloggersystem zur Prozesskontrolle (Abb. 1)
besteht aus den zwei Komponenten Vorhersagemodell und Hardware.
Im Rahmen von Nacherntesimulationen unter Laborbedingungen mit ausgewählten Produktarten
werden die Grundlagen für Haltbarkeitsvorhersagemodelle erarbeitet, die das Kernstück der
zeitnahen Prozesskontrolle bilden sollen. Bei der
Nacherntesimulation müssen frisch geerntete Produkte unter definierten Umgebungsbedingungen
aufbewahrt werden bis Verderberscheinungen
infolge von Inhaltsstoffabbau und/oder Wasserverlusten auftreten. Hierfür müssen die Produktveränderungen gemessen und Verderbgrenzen festgelegt werden. Die Kinetik der vorrangig temperaturabhängigen Stoffwechselprozesse muss bekannt
sein, wenn auf der Basis von Temperaturmessungen eine Haltbarkeitsvorhersage erfolgen soll.
2007 wurden Nacherntesimulationen mit Tomaten
und Äpfeln durchgeführt, deren Ergebnisse in das
zu erarbeitende Vorhersagemodell einfließen.
Die Hardware besteht aus Funkloggern, die Temperaturen (und Luftfeuchten) messen und Informationen über die Produkte transportieren können.
Über eine Datensammlereinheit erreichen die erfassten Daten einen Server, der u. a. die verblei-
II Fachlicher Teil
37
Monitoring the environmental conditions during transport and distribution and predicting shelf-life
Producer
Farm
Cooperative
Wholesale
Retail
Retail
Retail
Consumer
Webserver/Database
Input:

Produce
Producer
Time
Preharvest conditons
Quality relevant parameters
...
Control
Procedere 1
PredictionModel
Procedere 1
= expected shelf-life
Output:

Producer
Transportation conditions
Quality
Shelf-life
...
Abb. 1: Prozesskontrolle in der Nacherntekette.
Fig. 1: Process control in the postharvest chain.
bende Haltbarkeit ermittelt. Damit werden die in
der Kette handelnden Akteure in die Lage versetzt,
Produktströme so zu disponieren, dass diese den
Verbraucher mit den geringsten Qualitätsverlusten
erreichen.
Die konzeptionellen Vorarbeiten für die Hardwareentwicklung, u. a. Auswahl und Test der Sensorik,
Leistungsparameter und Abmessungen, erfolgten
in Zusammenarbeit mit den beteiligten Forschungspartnern. Erste Tests mit 30 Funktionsmustern des Datenloggers wurden 2007 unter
praktischen Bedingungen beim Transport von
Süßkirschen auf einem Kühl-LKW vorgenommen.
Im Präzisionsgartenbau lassen sich mit Hilfe
verschiedener Technologien genauere, insbesondere räumlich differenziertere Informationen über
Pflanze und Boden gewinnen. So können Bewirtschaftungsmaßnahmen besser an den tatsächlichen Bedarf von Boden und Pflanzen angepasst
werden. In Anlehnung an dieses Konzept wurden
zerstörungsfrei aufgezeichnete Spektraldaten zur
Zitrus- und Apfelentwicklung mit Bodenwerten in
Zusammenhang gebracht. Nichtdestruktive Messungen des Gehaltes an löslicher Trockensub-
stanz können bei Zitrusfrüchten zur Bestimmung
des teilflächenspezifisch optimalen Erntetermins genutzt werden. Durch Remissionsmessungen im sichtbaren Wellenlängenbereich können
zerstörungsfrei Pigmente erfasst werden. Der reifebedingte Fruchtchlorophyllgehalt und der qualitätsrelevante Anthocyangehalt im Verlauf der
Fruchtentwicklung bei Apfel wurden erfasst. Die
Messungen erfolgten an ausgewählten Bäumen
einer Anlage im Land Brandenburg bei zwei Sorten. Mikroklimatische Unterschiede und Differenzen der Bodenwassergehalte führen zu unterschiedlichen Fruchtentwicklungsstadien und –qualitäten (Abb. 2 und 3).
Bei teilflächenspezifischer Betrachtung können u. a.
durch selektive Ernte größere Qualitätsunterschiede ausgeglichen werden. Der Einfluss von Vorerntebedingungen auf das Nachernteverhalten der
Früchte war Inhalt der nachfolgenden Untersuchungen. Dazu wurden die in der Vorernte gemessenen Äpfel an drei Ernteterminen gepflückt und
unter CA-Bedingungen in einer Laboranlage eingelagert. Ein wesentlicher Vorteil einer solchen
Vorgehensweise besteht darin, dass im Gegensatz
38
NDVI [1-0]
zur Lagerung unter Praxisbedingungen im Labor
auch während der Lagerungsphase verschiedene
zerstörungsfreie Messungen von Produktparametern vorgenommen werden können. Als maßgeblicher Parameter für die Reifeentwicklung wurde
auch hier der Fruchtchlorophyllgehalt gemessen.
Die Äpfel sollen realitätsnah nach ca. 5 Monaten in
2008 ausgelagert und in einer Nachlagerungsphase weiteren Tests unterzogen werden. Die Untersuchungen dauern an.
1.0
0.8
0.6
0.4
d
c
a,b
a
Kondenswasserbildung in Folienverpackungen
von Obst und Gemüse führt häufig zu schnellerem
Verderb. Ursachen für dieses Problem sind bereits
geringe Schwankungen der Umgebungstemperatur und/oder Mängel bei der Bemessung der Verpackung (Luftvolumen innerhalb der Verpackung)
sowie unangepasste Folienauswahl (Durchlässigkeit, Dicke). Gegenstand von Untersuchungen war
deshalb die zeitliche und örtliche Intensität des
Kondenswasseranfalls in Folienverpackungen mit
passiver, modifizierter Atmosphäre. Dazu wurden
Messungen in Verpackungen mit Pflaumen (Abb. 4)
bei wechselnden äußeren Temperaturen durchgeführt. Im Ergebnis der Untersuchungen konnten
detaillierte Angaben zu Verweilzeiten des Kondenswassers auf Früchten und auf der Folieninnenseite ermittelt werden. Die Messungen bilden
die Grundlage für zukünftig vorgesehene Modellrechnungen, die die Folienauswahl erleichtern und
somit einen Beitrag zur Qualitätserhaltung leisten
sollen.
0.2
Pino va
+
Pinova
-
Elstar
+
Elstar
-
Faktoren / Factors
Abb. 2: Gruppenweiser Vergleich des Chlorophyll-Index
NDVI auf Standorten mit geringer (-) und ausreichender
Wasserversorgung (+) bei 2 Apfelsorten.
Fig. 2: Group-wise comparison of the chlorophyll-index
NDVI from drought zones (-) and zones with sufficient
water supply (+) for two apple cultivars.
Abb. 4: Messung der Kondenswassseranfalls in Folienverpackungen bei Pflaumen.
Fig. 4: Measuring condensation processes in film
packed plums.
Abb. 3: Kartierung des fruchtreifeabhängigen NDVIWertes in Abhängigkeit des Bodenwassergehaltes bei
zwei Apfelsorten.
Fig. 3: Mapping of the maturity-related fruit NDVI and
soil water content.
Premium-Süßkirschen länger frisch zu erhalten
war das Ziel der Forschungszusammenarbeit mit
dem Institut für Getreideverarbeitung (IGV) Potsdam-Rehbrücke und einem großen Süßkirschenerzeuger in Sachsen-Anhalt. Zur Erhaltung der
Frische werden qualitativ hochwertige Süßkirschen
nach den Prozessschritten Sortieren, Waschen,
Kühlen (1°C) in nassem Zustand in Folienbeutel
verpackt, die in eine Umverpackung (Karton mit
Deckel) gelegt werden. Verwendet werden spezielle, selektiv durchlässige Folien, die bei Einhaltung
der Temperatur die für das Produkt günstige Atmosphäre von 3 bis 10 % O2 und 15 bis 25 % CO2
in der Verpackung gewährleisten sollen. In diesem
II Fachlicher Teil
Zusammenhang wurden Untersuchungen durchgeführt, die das Handling der Folien (Verschlussformen gefaltet oder fest verschlossen) und das
Temperaturregime zum Inhalt hatten. Unter praktischen Bedingungen ist es technisch oder aus Kostengründen nicht immer möglich, die Umgebungstemperatur unter 3°C zu halten. Bei gefaltetem
Verschluss wurden auch bei Temperaturen bis 7°C
(üblicher, kostengünstiger Bereich in der Warenlogistik) keine höheren Kohlendioxidkonzentrationen
erreicht. Bei der fest verschlossenen Variante lagen die Gaskonzentrationen bei Temperaturen
unter 3°C nach 4 bis 7 Tagen in den gewünschten
Bereichen. Längere Verweilzeiten in der Nachernte und/oder höhere Umgebungstemperaturen führten jedoch zu unerwünschten Gaskonzentrationen
(zu hohe CO2- und/oder zu niedrige O2Konzentration) in der Verpackung. Entsprechende
Auswirkungen auf das Produkt (z. B. in Bezug auf
Ethanol und Acetaldehyd) sind noch nicht in ausreichendem Maße untersucht. Die Ergebnisse der
Untersuchungen konnten sofort im praktischen
Betrieb angewendet werden.
Die Expertensoftware ELSKA ist ein Produkt des
Arbeitskreises Qualitätskontrolle bei Obst, Gemüse und Speisekartoffeln des Verbandes der Landwirtschaftskammern, in dem erfahrene Qualitätskontrolleure des Bundes und der Länder sowie das
ATB zusammenarbeiten. Qualifizierte Kontrolleure
haben anhand etwa 2000 Bildern Anforderungen
der 37 Vermarktungsnormen erläutert und mit
entsprechenden Kommentaren bewertet. Mit Hilfe
dieses elektronischen Kompendiums lassen sich
nun auftretende Qualitätsmängel bei Obst und
Gemüse objektivieren und einheitlicher werten.
Von ELSKA profitieren vorrangig die amtlichen
Kontrollstellen, die effektiver und damit flächendeckender arbeiten können. Aber auch dem Handel
wird mit dem elektronischen Schadbildkatalog die
Einhaltung der Qualitätsanforderungen von Obst
39
und Gemüse erleichtert. Die neu erarbeitete Version enthält insgesamt mehr Abbildungen, zahlreiche Abbildungen wurden aktualisiert. Die Struktur
der Software wurde überarbeitet, so dass vorhandene Normen integriert werden konnten.
Aus Schwachstellenanalysen in der Nacherntekette ist bekannt, dass ein wesentlicher Anteil der
Verluste im Handel auftreten. Verkaufskühlmöbel
mit zusätzlicher Wasserverdunstung sind eine
Möglichkeit diese Verluste zu minimieren. Im
Rahmen eines von der Industrie geförderten Projektes wurden Untersuchungen zur Optimierung
der Fahrweise solcher Möbel aufgenommen (Abb.
5). Die beteiligten Masseströme (Kaltluft, Wasser
in Tröpfchenform bzw. Wasserdampf, Umgebungsluft) sind so aufeinander abzustimmen, dass
im Produktbereich die für die Haltbarkeit günstigsten Bedingungen (Temperatur, Luftfeuchte, Luftgeschwindigkeit) vorhanden sind. /10/, /16/, /22/,
/24/, /70/, /71/, /96/
Abb. 5: Versuchsaufbau zur Messung der beteiligten
Masseströme bei Verkaufskühlmöbeln mit zusätzlicher
Wasserverdunstung.
Fig. 5: Experimental setup for measuring mass flow of a
food display cabinet equipped with an innovative coldfog humidification.
40
Verfahrenstechnische Prozesse bei Kartoffeln, Möhren und Speisezwiebel
(Thema 2.1.3)
Process engineering for potatoes, carrots, and onions
Themenleiter: Thomas Hoffmann (Abt. 3)
Arbeitsgruppe: Sabine Geyer (3), Martin Geyer (6), Klaus Gottschalk (3), Karin Hassenberg (2), Werner
Herppich (6), Martina Jakob (6), Claudia König (6), Manfred Linke (6), Ulrike Praeger (6), Oliver Schlüter (6)
Potatoes, carrots, and onions are handled from
farm to fork in process chains. Each single process
step has to be adjusted and optimized. Expert
knowledge e. g. on air flow processes in storage
units, on biological and physical product changes,
or on the development of new sensors is essential
for the effective configuration of process chains.
The focus of this report is on two examples out of
many that will be presented here. The aim of the
first study is to build a model that reliably predicts
the risk of blackspot development in potato tubers
in response to mechanical load during the postharvest processing chain. Mechanical impacts are
exactly measured by means of a triaxial impact
sensor. The second study aimed on reducing microbial load in carrots by adding ozone or chlorine
to the washing processes. Results are presented.
Kartoffeln, Möhren und Speisezwiebeln durchlaufen von der Ernte bis zur Verwertung Verfahrensketten. Die einzelnen Verfahrensglieder müssen
aufeinander abgestimmt und optimiert sein. Ihre
Gestaltung erfordert Fachkenntnisse aus verschiedenen Bereichen, z. B. aus der Physik zum
Modellieren von Strömungsvorgängen bei der
Lagerung, zu biophysikalischen Veränderungen im
Produkt oder zur Entwicklung und zum Einsatz
neuer Sensoren. Mit der Untersuchung stoßbedingter Beschädigungen bei Kartoffeln und dem
Hygienisieren von Möhren mit Ozonwasser bzw.
Chlorwasser werden zwei Forschungsarbeiten
vorgestellt.
Bei der Kartoffelproduktion entstehen durch mechanische Belastung und die daraus resultierende
Schädigung des Knollengewebes allein in
Deutschland jedes Jahr Verluste von etwa 40 Millionen EUR. Es ist bekannt, dass vor allem durch
die Mechanisierung der Produktion die Beschädigungen der Knollen, insbesondere die schwarzen
Flecke, hervorgerufen werden. Dennoch ist es bis
heute nicht gelungen, das Ausmaß der Beschädigungen in ausreichender Weise zu senken.
Seit Dezember 2006 wird zusammen mit zwei
mittelständischen Unternehmen ein mikrotechni-
scher triaxialer Beschleunigungssensor entwickelt,
der für Stoßbelastungsmessungen in das Produkt implantiert werden kann (Abb. 1). Mit dem
implantierten Beschleunigungssensor ist es erstmals möglich, die Stoßwirkung auf reale Produkte
mit differenzierten Gewebeeigenschaften zu messen. Die Messungen bilden die Grundlage für die
Entwicklung eines Modells, mit dem der Zusammenhang zwischen produktspezifischen Kennwerten, mechanischer Belastung und Produktschädigung beschrieben werden soll.
Abb. 1: Implantierter Beschleunigungssensor in einer
Kartoffelknolle.
Fig. 1: Impact device implanted in a potato tuber.
Erste Belastungsversuche mit einer Fallstation
zeigten, dass zu Beginn der Lagerperiode belastete Knollen zum Bruch neigen, länger gelagerte
Knollen bei verringertem Turgor und Elastizitätsmodul aber mehr schwarze Flecke ausbilden. Über
die Transpirationsrate konnte die Schädigung äußerlich unverletzter Kartoffeln nachgewiesen werden.
II Fachlicher Teil
41
0.8
Stoßkraft / impact force
60
0.6
40
0.4
20
0.2
Milva 1x100 cm
Afra 1x100 cm
Milva 2x50 cm
Afra 2x50 cm
Milva 4x25 cm
Afra 4x25 cm
Milva 10x10 cm
0
Afra 10x10 cm
0
Summe der maximalen Stoßkraft /
total maximum impact force [kN]
80
Milva 0cm
Fig. 2: Percentage of tubers with
damages at the impact position as
induced by different drop frequency
but same sum of drop height.
1
Anteil Schädigung / percentage
of damaged tubers
Afra 0cm
Abb. 2: Anteil geschädigter Knollen
an der Belastungsstelle bei unterschiedlicher Fallhäufigkeit aber gleicher Fallhöhensumme.
Anteil geschädigter Knollen /
percentage of tubers with black spots [%].
100
Kartoffelsorte und Fallhöhe / potato variety and drop height
Im Belastungsversuch wurden Knollen von unterschiedlicher Höhe auf einen Kraftsensor fallen
gelassen, wobei die Knollen durch Wiederholungen stets der gleichen Fallhöhensumme ausgesetzt wurden. Dabei führte die höchste Fallhöhe zu
den höchsten Beschädigungen (Abb. 2). Die dabei
auftretende Stoßkraft war jedoch geringer als die
Summe der Stoßkräfte bei geringerer Fallhöhe. Mit
weiterführenden Messungen soll ein Belastungsvorhersagemodell für das Implantat entwickelt
werden.
In der Literatur finden sich zahlreiche Hinweise
zum Hygienisieren von frischem Obst und Gemüse, die jedoch häufig sehr widersprüchliche
Ergebnisse darstellen. Insbesondere die starken
Oxidationsmittel Ozon und Chlordioxid sollen sich
für diese Behandlung eignen. Gemüsewaschwasser, beispielsweise von Möhren, ist mit bis zu
10.000 mg/l CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf)
organisch belastet. Daher wurde experimentell
untersucht, in welcher Weise sich der organische
Anteil im Waschwasser auf den Verfahrenserfolg
beim Einsatz der genannten Oxidationsmittel auswirkt.
Die Ergebnisse zeigen, dass bei Möhrenwaschwasser Hygienisierungsmaßnahmen mit Ozon
unter Praxisbedingungen eine deutlich eingeschränkte Wirkung erzielen. Ein Einsatz höherer
Ozonkonzentrationen als 3 mg/l ist technisch kaum
zu realisieren. Für Chlordioxid verhalten sich die
Ergebnisse ähnlich, wobei gegebenenfalls auch
höhere Chlordioxidmengen über 1 mg/l eingesetzt
werden können. Prinzipiell ist die Verwendung von
Ozon und Chlorverbindungen zum Hygienisieren
organisch belasteten Wassers bzw. organischer
Oberflächen deutlich begrenzt. Vor dem Einsatz
solcher Mittel sollten alle anderen betrieblichen
Maßnahmen zur Verbesserung von Hygiene und
Sauberkeit bei der Produktion und Distribution
optimal umgesetzt werden.
Weiterführende Untersuchungen im Rahmen des
BMBF-geförderten Verbundvorhabens „ProSenso.net2“ konzentrieren sich auf eine schnelle und
sichere Erfassung der bakteriellen Kontamination
von Waschwässern aber auch von anderen Lebensmitteln mit Hilfe der Durchflusszytometrie
(Abb. 3). /25/, /26/, /28/, /64/, /66/, /93/, /109/
Abb. 3: Bestimmung der bakteriellen Kontamination mit
Hilfe der Durchflusszytometrie.
Fig. 3: Detection of bacterial contamination by means of
cytological diagnostic.
2.2 Qualitätssicherung bei Futtermitteln
42
Nachhaltige
Programm 1.1
tiergerechte und
wettbewerbsfähige
landwirtschaftliche
Sensorgestützte
Programm 1.2
Forschungsfeld 1
Nutztieren
Programm 1.3
Qualität und
Sicherheit von
Lebens- und
Futtermitteln
Forschungsfeld 2
Programm 2.1
Futtermitteln
Trocknung
Thema 2.2.1
Programm 2.2
Feuchtkonservierung
Thema 2.2.4
Programm 3.1
Nachwachsende
Rohstoffe und
Energie im
ländlichen Raum
Agrarrohstoffe
Programm 3.2
Forschungsfeld 3
Programm 3.3
Zukunftsfonds
Programm 4.1
II Fachlicher Teil
43
Programm 2.2
Qualitätssicherung bei Futtermitteln
Quality assurance in feed
Programmverantwortlicher: Jochen Mellmann (Abt. 3) [email protected]
Getreide und Grünfutter bilden in der Milch- und
Fleischerzeugung die wesentlichen Fütterungskomponenten. Eine Schädigung der Futtermittel
durch sich entwickelnde Schimmelpilze und Toxine
bei z. B. fehlerhafter Trocknung muss konsequent
vermieden werden. Neben der Qualitätssicherung
rückt die Energieeffizienz der Verfahren in der
gesamten Produktionskette aufgrund steigender
Preise für fossile Energieträger mehr und mehr in
den Vordergrund.
Nachwachsende Rohstoffe erlangen zunehmend
Bedeutung in der landwirtschaftlichen Produktion.
Eine Grundvoraussetzung für deren stoffliche oder
energetische Verwertung ist die qualitätsgerechte
und energieeffiziente Aufbereitung, Konservierung
bzw. Veredelung zu lagerfähigen, verderbfreien
Zwischen- und Endprodukten. Zur Sicherung der
Produktqualität, Senkung der Nachernteverluste,
Erhöhung der Energieeffizienz, Verminderung von
Umweltbelastungen und Gewährleistung der Wettbewerbsfähigkeit werden Verfahren der Aufbereitung, Lagerung und Konservierung von Futtermitteln, Sonderkulturen und Non-Food-Produkten
untersucht und optimiert.
Im Thema „Trocknung“ lag der Fokus 2007 auf
Forschungsarbeiten zur Trocknung von Getreide
und Sonderkulturen. Innerhalb des vom BMBF/PtJ
finanzierten Verbundvorhabens „ProSenso.net2“
wurden die Arbeiten zur Entwicklung einer modellbasierten Regelung zur Getreidetrocknung fortgesetzt. Ziel ist die Erhöhung der Produktsicherheit
durch Minimierung der Gutfeuchteschwankungen
am Ende der Trocknung. Bestandteil des Regelungskonzeptes ist ein innovativer Mikrowellensensor zur Inline-Messung des Gutwassergehaltes, der vom Projektpartner in Zusammenarbeit mit
dem ATB entwickelt wird. In mehreren Labormessreihen wurden Versuche zur Sensorkalibrierung
durchgeführt, die bereits vielversprechende Ergebnisse mit einem Sensorprototyp hinsichtlich der
erzielten Messgenauigkeit über einem breiten Gutfeuchtebereich lieferten. In einem weiteren Teilprojekt von „ProSenso.net2“ wird die kettenübergreifende Technikbewertung bearbeitet.
Aufbauend auf einer Vorstudie zum Optimierungs-
potenzial bei der Trocknung von Sonderkulturen
wurde mit der Optimierung von Trocknungsverfahren für Arznei- und Gewürzpflanzen begonnen. Die
Arbeiten erfolgen im Rahmen eines BMELV/FNRgeförderten Verbundvorhabens mit vier Projektpartnern, das vom ATB koordiniert wird. Ziel des
Teilprojekts zur Flächentrocknung von Arzneipflanzen mit Hilfe von Wärmepumpen ist die Erschließung der wirtschaftlichen und energetischen
Optimierungspotenziale dieses Trocknungsverfahrens am Beispiel eines repräsentativen Anbaubetriebes in den neuen Bundesländern. Im Berichtszeitraum wurden Versuche zur Analyse des IstZustandes an der großtechnischen Trocknungsanlage durchgeführt.
Im Thema „Feuchtkonservierung“ konzentrierten
sich die Forschungsarbeiten auf die Gärfutterbereitung und die Feuchtgetreidekonservierung. Die mit
der Feuchtkonservierung einhergehenden Verluste
können durch geeignete Siliertechnik, vor allem
durch optimale Verdichtung, deutlich reduziert
werden. In einem vom BMWi/AIF geförderten Projekt wurde ein Online-Messverfahren zur Bestimmung der Verdichtung während der Einlagerung
auf Basis eines Mikrowellensensors entwickelt. Zur
Reduzierung des Messfehlers gegenüber der erreichten Entwicklungsstufe wurden radiometrische
Sonden in die Untersuchungen einbezogen. Neben einem geringeren Messfehler konnte mit diesem Messsystem eine Beziehung zwischen der
Zielgröße, der Dichte im Gutstapel, und der mit
dem Sensor an der Gutoberfläche gemessenen
Dichte nachgewiesen werden.
Auf dem Gebiet der Feuchtgetreidekonservierung
wurde im Rahmen eines BMWi/AIF-Projekts eine
neue Maschine zur Getreidezerkleinerung nach
dem Funktionsprinzip der keilförmig profilierten
Walzen entwickelt. Im Berichtszeitraum wurde ein
Forschungsmuster aufgebaut und erprobt. Ziel ist
ein kostengünstiger Zerkleinerer mit hohem Durchsatz bis zu 40 t/h bei hoher Energieeffizienz, der
zwischen Mähdrusch und Feuchtkonservierung im
Silo einsetzbar ist. Das Verfahren bietet Kostenvorteile gegenüber der Lagerung von getrocknetem Getreide.
44
Trocknung (Thema 2.2.1)
Drying
Themenleiter: Jochen Mellmann (Abt. 3) [email protected]
Arbeitsgruppe: Christian Fürll (3), Klaus Gottschalk (3), Ayub Hossain (3), Christine Idler (1), László Kocsis
(3), René Maack (2), Annette Prochnow (2), Thomas Ziegler (3)
The quality of animal feed, medicinal plants, and
other agricultural products is decisively influenced
by the nature and performance of the preservation
processes applied. Despite increasing energy
costs, drying remains an essential and highly productive process for a fast and safe preservation.
The research work is focused on the development
of new and on the optimization of established drying processes aiming to minimize the risk of deterioration, to reduce losses, and to enhance energy
efficiency. Rising concentration in agriculture and
agricultural business as well as increasing energy
prices result in the development of more powerful
and energy efficient mixed-flow dryers for grain.
Research work on the development of a new
model-based dryer control system is continued at
ATB. As a part of this control system, an innovative
microwave sensor for in-line measurements of the
grain moisture content is under design in cooperation with a project partner. Experiments were
carried out to calibrate and test the first sensor
prototype. The economic efficiency of the production of medicinal plants and herbs is crucially determined by energy efficiency. Energy costs vary
between 30 % and 55 % of the process costs of
which the consumption of fossil fuels amounts to
85 %. In co-operation with a representative cropping farm in East Germany, a joint research project
was started aiming at optimizing the batch drying
process for medicinal plants by means of heat
pumps. Experiments have been carried out at the
industrial drying plant including temperature, humidity, and air flow distribution measurements.
Die Qualität von Futtermitteln, Sonderkulturen und
anderen Agrarprodukten wird maßgeblich durch
die Art und Güte der jeweils angewendeten Konservierungsverfahren beeinflusst. Trotz steigender
Energiekosten bleibt die Trocknung ein unverzichtbares Verfahren zur schnellen und sicheren
Konservierung. Im Fokus der Forschungsarbeiten
stehen die Entwicklung neuer sowie die Optimierung etablierter Trocknungsverfahren mit dem Ziel,
das Verderbrisiko zu minimieren, Verluste zu senken und die Energieeffizienz zu erhöhen.
Die zunehmende Konzentration in Landwirtschaft
und Agrarhandel sowie steigende Energiepreise
führen zur Entwicklung von immer schlagkräftigeren und energieeffizienteren Warmluft-Dächerschachttrocknern für Getreide. Neben der Gestaltung und Dimensionierung der Trockner bietet
auch die Mess- und Regelungstechnik Potenzial
zur Verfahrensoptimierung. Am ATB werden gegenwärtig Forschungsarbeiten zur Entwicklung
und Umsetzung einer modellbasierten Trocknerregelung im Rahmen des vom BMBF/PtJ finanzierten Verbundvorhabens „ProSenso.net2“ durchgeführt. In diesem Teilprojekt findet eine enge Kooperation mit dem Sensorhersteller TEWS Elektronik, Hamburg, und dem Trocknungsanlagenbauer PETKUS Technologie, Wutha-Farnroda,
statt. Die Grundlage der Trocknerregelung bildet
ein mathematisches Modell der Wärme- und Stoffübertragung im Dächerschachttrockner. Ziel ist die
Senkung der Gutfeuchteschwankungen am Ende
der Trocknung und damit die Erhöhung der Produktsicherheit. Bestandteil des Konzeptes ist ein
innovativer Mikrowellensensor zur Inline-Messung
des Gutwassergehaltes in der Getreidetrocknung,
der von der Fa. TEWS in Zusammenarbeit mit dem
ATB entwickelt wird. Das physikalische Messprinzip basiert auf dem von Fa. TEWS patentierten
Mikrowellen-Resonator-Verfahren, mit dem Feuchte und Dichte (Schüttdichte) des Gutes unabhängig voneinander gemessen werden können. Der
Gutwassergehalt wird dabei über die Verstimmung
und Dämpfung der Resonanzfrequenz des Resonators ermittelt. Ausgangspunkt der Entwicklung
ist der Standard-Resonator P68-2. Abbildung 1
zeigt den Sensor in der Planar-Ausführung.
Im Berichtszeitraum wurden Messreihen zur
Getreidefeuchtebestimmung im Labormaßstab und
auch im Pilotmaßstab durchgeführt. Hierbei erfolgten Trocknungsversuche am Dächerschachttrockner des ATB mit verschiedenen Sensor-Prototypen. Die Experimente zielten auf die Testung,
Auswahl, Anpassung und Kalibrierung der Sensoren. Als Versuchsgut diente Weizen (naturfeucht,
getrocknet, befeuchtet) im Gutfeuchtebereich zwischen 7 % und 29 %.
II Fachlicher Teil
45
peratur von 60 °C bei einer Luftfeuchte von 3 g/kg
trockener Luft und einer Strömungsgeschwindigkeit im Lückenvolumen der Schüttung von ca. 0,25
m/s durchgeführt. Am Trocknereintrag wurde ein
Sprung in der Gutfeuchte von 15,6 auf 17,6 %
aufgegeben. Die gemessenen Antwortfunktionen
des Trockners sind in den Abbildungen 3 und 4
dargestellt. Der Versuch wurde gegen 12:00 Uhr
mit dem Aufheizen des Trockners begonnen, wozu
trockenes Getreide (Gutfeuchte 13,2 %) als Anfangsfüllung verwendet wurde. Gegen 13:15 Uhr
ist das Austragssystem in Betrieb genommen worden, (Abb. 3). Wie die Grafik zeigt, sank zunächst
die Gutfeuchte am Austrag bedingt durch das
Übertrocknen der Anfangsfüllung. Mit dem Eintrag
des Feuchtgutes ab 13:50 Uhr wurde die Anfangsfüllung nach und nach durch Frischgut ersetzt, so
dass der Feuchtegehalt wieder anstieg. Etwa 2,5
bis 3 h nach Inbetriebnahme des Austrages (gegen 16:30 Uhr) stellte sich ein stationärer Betriebszustand ein dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Gutfeuchte am Trockneraustrag auf einen
konstanten Wert von ca. 13,5 % einpegelte. Nach
Aufgabe des Gutfeuchtesprungs am Eintrag um
16:55 Uhr zeigte sich die Reaktion der Trockengutfeuchte am Austrag erwartungsgemäß nach etwa
2 h, der mittleren Gutverweilzeit im Trockner. Stationäre Bedingungen stellten sich wieder ein nach
einer Übergangsphase von ca. 1,5 h bei einer
mittleren Gutfeuchte am Austrag von ca. 15,6 %.
Das Anwortverhalten des Trockners auf den Gutfeuchtesprung wird auch anhand der gemessenen
Temperaturen und relativen Luftfeuchten der Abluft
sichtbar. Wie Abbildung 4 verdeutlicht, reagiert
die Ablufttemperatur nur geringfügig auf die
Sprungfunktion. Dagegen zeigt der Verlauf der
relativen Abluftfeuchte eine ausgeprägte Dynamik.
Im Unterschied zur Gutfeuchte am Austrag reagiert
die Abluftfeuchte bereits relativ kurze Zeit nach
Abb. 1: Standard-Resonator P68-2 (TEWS Elektronik).
Fig. 1: Standard resonator P68-2 (TEWS Elektronik).
Abbildung 2 zeigt die Ergebnisse von insgesamt
drei Labormessreihen mit dem Mikrowellensensor
P68-2. Dargestellt ist die mit dem Mikrowellensensor gemessene Gutfeuchte in Abhängigkeit
von der Referenzgutfeuchte (Trockenschrankmethode nach DIN 10350). Jeder Messpunkt entspricht dem Mittelwert aus jeweils 3 bis 5 Einzelmessungen. Wie die Grafik verdeutlicht, wird mit
diesem Sensor bei einer erzielten Standardabweichung von 0,51 % Gutfeuchte bereits eine hohe
Messgenauigkeit erreicht.
Neben den Arbeiten zum Mikrowellensensor wurden am Dächerschachttrockner des ATB Trocknungsversuche zum Umsteuerbetrieb und zur
Ermittlung des dynamischen Trocknerverhaltens
durchgeführt. Gemessen wurden die Antwortfunktionen des Trockners auf sprunghafte Änderungen
der Getreidefeuchte (Gutart: Weizen) am Trocknereintritt. Die Ergebnisse eines Versuches werden nachfolgend beispielhaft erläutert. Der Trocknungsversuch wurde bei einem TrockengutMassenstrom von 150 kg/h, einer Trocknungstem-
Fig. 2: Calibration of the microwave sensor prototype P68-2, frequency 2.81 GHz: Grain moisture
content measured with the sensor
versus grain moisture content
measured in the drying chamber
according to DIN 10350 standard
(reference).
M. C. Sensor in [% w.b.]
35
Abb. 2: Kalibrierung des Mikrowellensensor-Prototyps P68-2, Messfrequenz 2, 81 GHz: Mit dem Sensor gemessene Gutfeuchte als
Funktion der im Trockenschrank
nach DIN 10350 ermittelten Referenz-Gutfeuchte.
30
Type of grain: w heat
25
20
15
10
Standard deviation: 0.51 % w .b.
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
M. C. Reference in [% w .b.]
46
Grain moisture content [% w.b.]
20
inlet m.c.
18
outlet m.c.
Abb. 3: Gemessene Gutfeuchte
vor und nach der Trocknung (Eintrag / Austrag) während eines
Trocknungsversuches im Umsteuerbetrieb mit Aufgabe einer
Sprungfunktion der Gutfeuchte
am Eintrag.
16
14
12
M0 = 15.6 / 17.6 % w.b.;
10
M& G = 150 kg/h;
ϑAir = 60 °C; YAir = 3.0 g/kg dry air;
8
6
11:00
Fig. 3: Moisture content measured before and after drying (inlet
/outlet) during a reversible drying
experiment with a jump function of
the inlet moisture content.
wAir,0 = 0.25 m/s
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
40
80
36
70
32
60
Exit air temperature
28
50
Exit air humidity
24
40
20
30
16
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
Time [hh:mm]
dem Gutfeuchtesprung am Eintrag mit einem deutlichen Anstieg der Messwerte. Gut zu erkennen
sind in diesem Diagramm die zeitlichen Schwankungen der relativen Feuchte und Temperatur der
Abluft, die durch den satzweisen Betrieb des Austragssystems (alle 5 min eine Abspeisung) hervorgerufen werden. Die Messungen werden zur Ermittlung von Reglerparametern ausgewertet.
Die Wirtschaftlichkeit der Produktion von Arzneiund Gewürzpflanzen wird entscheidend von der
Energieeffizienz beeinflusst. Die umfassende Nutzung aller möglichen Energieeinsparpotentiale ist
zwingend erforderlich, um die Wettbewerbsfähigkeit der Agrarbetriebe zu sichern. Der Trocknung
kommt dabei besondere Bedeutung zu, da sie den
mit Abstand energie- und kostenintensivsten Verfahrensschritt darstellt. Der Anteil der Energie- an
den Verfahrenskosten variiert zwischen 30 % und
55 %, wovon allein etwa 85 % auf Brennstoffe
entfallen. Für die etablierte Flächentrocknung beinhalten insbesondere Wärmepumpen in Kombination mit konventioneller Warmlufterzeugung erhebliche energetische Optimierungspotenziale. Diese
sollen in Kooperation mit einem repräsentativen
Agrarbetrieb erschlossen und beispielhaft im großATB - Jahresbericht 2007
20:00
21:00
20
22:00
Exit air humidity [% r.h.]
Exit air temperature [°C]
Time [hh:mm]
Abb. 4: Gemessene Temperaturen und relative Luftfeuchten der
Abluft während eines Trocknungsversuches im Umsteuerbetrieb mit
Aufgabe einer Sprungfunktion der
Gutfeuchte am Eintrag.
Fig. 4: Temperatures and relative
humidities of the exit air measured during a reversible drying
experiment with a jump function of
the inlet moisture content.
technischen Maßstab umgesetzt werden. Die Arbeiten zur Flächentrocknung mit Wärmepumpen
sind Teil eines Verbundvorhabens zur Optimierung
von Trocknungsverfahren für Arznei- und Gewürzpflanzen. Das vom BMELV/FNR geförderte Projekt
wird vom ATB koordiniert.
Das Vorhaben setzt sich folgende Ziele: Senkung
des Energieverbrauchs um bis zu 40 %, Erhöhung
des Durchsatzes um bis zu 20 %, Senkung der
Trocknungskosten um bis zu 30 % und nicht zuletzt Sicherung einer gleich bleibend hohen Qualität der Endprodukte. Blatt-, Blüten- und Wurzeldrogen unterscheiden sich erheblich in ihrem
Trocknungsverhalten. Entsprechend ihrer Bedeutung für den deutschen Anbau stehen folgende
Produkte im Mittelpunkt der Untersuchungen: Pfefferminze und Zitronenmelisse (Ganzpflanzentrocknung), Kamille (Blütentrocknung) und Baldrian (Wurzeltrocknung).
Mit Flächentrocknern können hohe Durchsätze
bei guter Qualität erzielt werden. Das Verfahren
hat sich deshalb insbesondere in den großen Anbaubetrieben der östlichen Bundesländer bewährt.
Der derzeitige Stand der Technik ist jedoch allgemein durch einen zu hohen Energieaufwand für
II Fachlicher Teil
die Trocknung gekennzeichnet. Nach einer aktuellen Studie des ATB liegt der spezifische Heizenergieverbrauch zwischen 8.500 und 12.500 kJ pro kg
entzogenem Wasser. Bei der Trocknung mit Wärmepumpen kann die Trocknungsluft vollständig
oder teilweise im Kreislauf gefahren werden. Die
Trocknerabluft wird zunächst durch den Verdampfer der Wärmepumpe unter den Taupunkt
abgekühlt, dabei entfeuchtet und anschließend
durch den Kondensator wieder auf die erforderliche Trocknungstemperatur erwärmt. Während der
Entfeuchtung wird ein Teil der in der Trocknerabluft enthaltenen latenten Wärmeenergie (Kondensationswärme) zurück gewonnen. Je feuchter
und kühler die Abluft ist, umso effektiver arbeitet
die Wärmepumpe. Wärmepumpen lassen sich
deshalb insbesondere zu Beginn der Trocknung
sehr effizient betreiben. Bei geringer Zufuhr an
Elektroenergie kann ein rascher und gleichzeitig
energiesparender Trocknungsprozess bei Temperaturen von ca. 40°C unterhalten werden.
Da der spezifische Energiebedarf im geschlossenen Betrieb mit sinkenden relativen Abluftfeuchten
47
weiter steigt (Abb. 5), sollte gegen Ende der
Trocknung auf konventionelle Lufterwärmung umgeschaltet werden. Dadurch kann eine Wärmepumpe beispielsweise im täglichen Rhythmus für
mehrere Trocknungsflächen eingesetzt werden,
was die Investitionskosten für die gesamte Trocknungsanlage entscheidend reduziert. Vorhandene
Gas- oder Ölheizungen können gegebenenfalls
weiter genutzt werden. Der Wärmepumpen- und
der Trocknungsprozess sind verfahrens- und regelungstechnisch auf komplexe Weise miteinander
verknüpft. Dimensionierung und Steuerung müssen anlagen- und produktspezifisch sehr sorgfältig
abgestimmt werden. Optimierte Anlagen werden
zukünftig nicht nur energetisch, sondern auch wirtschaftlich der konventionellen Warmlufterzeugung
überlegen sein. Im Ergebnis des Projekts wird eine
weitgehend optimierte Flächentrocknungsanlage
vorliegen, deren Technologie auf bestehende und
neu zu errichtende Trocknungsanlagen übertragbar ist. /33/, /73/, /103/, /173/
9
Fig. 5: Specific energy consumption (kJ/kg water) and moisture
removal (g/kg dry air) during closed
cycle dehumidification drying.
Dryer in let air:
40 ,0°C 2 1,4 % r.h . 10 g/kg dry a ir
Evapo rator exit air:
14 ,5°C 9 5,6 % r.h . 10 g/kg dry a ir
16.000
14.000
8
7
12.000
6
10.000
5
8.000
4
Cours e o f dryin g
3
6.000
2
4.000
Specifi c e nergy con sump tio n
2.000
1
Mo istu re re moval
Moisture removal (g/kg dry air)
Abb. 5: Spezifischer Energiebedarf (kJ/kg Wasser) und Wasserentzug (g/kg trockene Luft) bei der
Trocknung mit entfeuchteter Abluft
im geschlossenen Betrieb.
Spec. energy consum ption (kJ/kg water)
18.000
0
0
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Re lative humidity of dryer ex it air (%)
48
Feuchtkonservierung (Thema 2.2.4)
Wet preservation
Themenleiter: Christine Idler (Abt. 1) [email protected]
Arbeitsgruppe: Werner Berg (2), Christian Fürll (3), Bernd Möller (5), Annette Prochnow (2), Hartmut Schemel (3), Joachim Venus (1),
High quality feed is an important requirement for
healthy animals and, thus, for the production of
high-quality food. Well preserved plant material not
only serves as feed but also as co-substrate for
the bio-methanization. Research activities are
focusing on processes for the preservation of
grain, grass, and other energy plants to produce
low-loss and top-quality preserves.
Losses are unavoidable in the ensiling process.
Adequate ensiling technique, particularly the sufficient compression of the material, can considerably reduce these losses. The development of an
online procedure to measure the density of compacted grass has been concluded. A measuring
device was developed allowing on-line measuring
of density on the material surface. Microwave sensors tested in cooperation with an industrial partner (TEWS Hamburg) proved suitable in principle.
However, the required measuring error of
< 5 % was difficult to realize. Alternative sensor
solutions for density measurements have to be
taken into consideration. As a next step, the online measuring instrument is to be combined with a
radiometric sensor. It could be proven that densities measured on the surface are representative
for the density within the feedstock (Fig. 1) and
may be used for directly controlling the compaction
unit.
Development of an economical corn cracker with a
throughput of up to 40 t/h was started in collaboration with an industrial partner (Schoepstal Maschinenbau GmbH). The machine is supposed to be
integrated into the process chain between combine
harvesting and damp preservation. At present a
first sample for research purposes is being developed that allows testing of technical, technological,
and material impacts on the cutting size in connection with energy demand. Wedge-shaped molded
rollers serve as grinding tools (Fig. 2). A prototype
will be developed until the end of 2008.
Futter von hoher Qualität ist eine der wichtigsten
Voraussetzungen für gesunde Tierbestände und
für die Erzeugung qualitativ hochwertiger tierischer
Lebensmittel. Aber nicht nur im Bereich der Fütterung sind hochwertige Konservate notwendig,
sondern auch bei der Bereitstellung geeigneter
Substrate für die Biomethanisierung. Der Fokus
der Arbeiten in diesem Thema ist auf Verfahren
bzw. Verfahrensabschnitte gerichtet, die geeignet
sind, pflanzliche Biomassen so zu konservieren,
dass verlustarm verderbfreie Konservate von hoher Qualität erzeugt werden können.
Bei der Konservierung sind Verluste unvermeidbar.
Durch geeignete Siliertechnik, vor allem durch
optimale Verdichtung, können sie jedoch erheblich
reduziert werden. Die in den letzten Jahren begonnenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten
(BMWi/AIF) zu einem Online-Messverfahren zur
Bestimmung der Verdichtung während der
Einlagerung sind zunächst beendet worden. Im
Ergebnis der Arbeiten wurde eine Messeinrichtung
entwickelt, die am Verdichtungsfahrzeug angebaut
werden kann und in Verbindung mit geeigneten
Sensoren eine Online-Messung der Dichte von der
Gutoberfläche aus gestattet.
Die in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner
(Fa. TEWS, Hamburg) erprobten Mikrowellensensoren erwiesen sich als prinzipiell geeignet. In der
erreichten Entwicklungsstufe war ein angestrebter
Messfehler von 5 % jedoch ohne eine auf den
Einsatzfall und auf das Gut bezogene Kalibrierung
nicht zu realisieren. Insbesondere kann Wasser an
der Kontaktfläche das Messsignal unzulässig verfälschen. Für die weiteren Arbeiten werden deshalb Sensoren mit anderen Wirkprinzipen in die
Erprobung einbezogen werden. Sehr aussichtsreich erscheinen dabei radiometrische Sonden. Mit
diesen lassen sich nicht nur kleinere Messfehler
(< 3 %) realisieren, es gelang auch der Nachweis,
dass die an der Oberfläche des Silierguts gemessenen Dichten repräsentativ für die Dichte im Gutstapel sind (Abb. 1). Die an der Oberfläche gemessene Dichte kann zur Steuerung des Verdichtungsprozesses genutzt werden, denn sie kann
durch den Fahrer des Verdichtungsgerätes unmittelbar beeinflusst werden.
700
600
[kg/m³]
Dichte in 28 cm Tiefe, density in 28 cm depth
II Fachlicher Teil
500
y = 0,8468x + 197,65, R 2 =0,5999
49
Zunächst wurde ein Forschungsmuster gebaut,
das die Erprobung des Einflusses technischer,
technologischer und stofflicher Parameter auf den
Zerkleinerungsgrad in Verbindung mit dem Energiebedarf ermöglicht. Für die Mahlwerkzeuge wurde das Funktionsprinzip der keilförmig profilierten
Walzen ausgewählt (Abb. 2). Die experimentellen
Ergebnisse sowie ergänzende theoretische Untersuchungen fließen in die Konstruktion eines Prototyps ein, der bis Ende 2008 fertig gestellt werden
wird.
400
360
400
440
480
520
Dichte an der Oberfläche
density at the surface
[kg/m³]
Abb. 1: Relation zwischen Oberflächendichte und Dichte
in 28 cm Tiefe in einem Maissilo.
Fig. 1: Relation between surface density and compaction
in 28 cm depth in a maize silo.
Innerhalb eines vom BMWi/AIF geförderten Projektes wurden Arbeiten zur Entwicklung einer neuen
Maschine zur Getreidezerkleinerung begonnen.
Ziel ist ein effizienterer Energieeinsatz während
der Zerkleinerung sowie eine bessere Anpassung
an die vom Feld kommenden Stoffströme. In Kooperation mit einem Industriepartner (Schöpstal
Maschinenbau GmbH) wird an der Entwicklung
eines kostengünstigen Getreidezerkleinerers mit
Durchsätzen bis 40 t/h gearbeitet. Die zu entwickelnde Maschine soll vorwiegend zum Quetschen
von erntefeuchtem Getreide mit einer Gutfeuchte
bis 20 % eingesetzt werden und sich in die technologische Kette zwischen Mähdrusch und Feuchtkonservierung im Silo eingliedern lassen. Wenn
Getreide im Erzeugerbetrieb konserviert und verwertet wird, bietet das Verfahren unbestrittene
Kostenvorteile gegenüber der Lagerung von trockenem Getreide. Die Trocknung wird eingespart,
bzw. die Mähdrescher- Einsatzzeiten können auf
feuchte Erntebedingungen ausgeweitet werden.
Um eine bessere Auslastung zu gewährleisten,
soll die Maschine ebenfalls zum Schroten von
trockenem Getreide für die Schweinefütterung und
zur Zerkleinerung von Kosubstraten für Biogasanlagen einsetzbar sein.
Abb. 2: Keilförmig profilierte Walzen, 1) feststehende
Walze, 2) lose Walze, 3 und 4) Scheibenflanken, α)
Keilwinkel.
Fig. 2: Wedge-shaped molded rollers, 1) stationary
roller, 2) loose roller, 3 and 4) disk flanks, α) wedge
angle.
Ebenfalls begonnen wurden Arbeiten zur Entwicklung von Sensoren zur Erkennung von mit
Schimmelpilzen bzw. Mykotoxinen belasteten
Getreidepartien. Die Arbeiten sind Teil des vom
BMBF/PtJ geförderten Verbundvorhabens „ProSenso.net 2“. Ziel ist es, mittels einer Sensorfusion
in einem bewegten Gutstrom belastete Partien zu
erkennen und auszuschleusen. Dazu wurden
künstlich mit Schimmelpilzen bzw. Mykotoxinen
inokulierte Roggen- und Weizenproben sowie natürlich kontaminierte Proben von Weizen und Triticale mittels NIR-Spektroskopie, laserindizierter
Fluoreszenz sowie mit Gassensoren untersucht.
/20/, /63/, /131/, /137/, /163/, /214/
3.1 Naturfaserproduktion
50
Nachhaltige
Programm 1.1
tiergerechte und
wettbewerbsfähige
landwirtschaftliche
Forschungsfeld 1
Sensorgestützte
Programm 1.2
Nutztieren
Programm 1.3
Qualität und
Sicherheit von
Lebens- und
Futtermitteln
Programm 2.1
Futtermitteln
Forschungsfeld 2
Programm 2.2
Programm 3.1
Nachwachsende
Rohstoffe und
Energie im
ländlichen Raum
Agrarrohstoffe
Programm 3.2
Forschungsfeld 3
Programm 3.3
Zukunftsfonds
Programm 4.1
Aufbereitung und Verarbeitung
von Naturfaserkonservat
Thema 3.1.2
II Fachlicher Teil
51
Programm 3.1
Production of natural fibres
Programmverantwortlicher: Christian Fürll (Abt. 3) [email protected]
Aufgrund steigender Preise erdölbasierter Faserrohstoffe setzte sich der Trend einer zunehmenden Nachfrage nach Naturfasern auch im Jahr
2007 fort. Einsatzbereiche sind die Zellstoffindustrie, der Bau- und Dämmstoffbereich, die Fahrzeugindustrie und der Schiffbau. Die Entwicklung
neuer Verarbeitungstechnologien, zum Beispiel
geeigneter Spritzgießverfahren für Naturfaserverbundwerkstoffe, wird die Nachfrage nach geeigneten Faserrohstoffen zusätzlich beschleunigen. Die
Vorteile der Nutzung von Naturfasern ergeben sich
nicht nur aus der Schonung endlicher Ressourcen
und der Umwelt, sondern auch durch Kosteneffekte. Obwohl die Verarbeitung von Naturfasern der
stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe
zugeordnet wird, ergeben sich auch erhebliche
energetische Vorteile im Sinne von Energieeinsparungen. So kann durch Einsatz von Naturfasern
der Primärenergieverbrauch bei der Herstellung
von Dämmstoffen um mehr als 50 % reduziert und
durch das niedrigere Gewicht von Naturfaserverbundwerkstoffen der Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen bei 100 kg Massereduzierung um 1 Liter
gesenkt werden.
Für das Wachstum der europäischen Naturfaserindustrie ist immer noch von Nachteil, dass die
Kosten für die Bereitstellung der Fasern im internationalen Wettbewerb zu hoch sind. Die Ursachen
liegen in uneffektiven Verfahren der Fasergewinnung und in hohen Strohpreisen. Die Arbeiten im
Forschungsprogramm haben deshalb zum Ziel,
neue Verfahren der Fasergewinnung zu entwickeln, um einerseits den Investitionsbedarf und die
Bereitstellungskosten zu senken und andererseits
neue Einsatzbereiche für Roh- und Reststoffe zu
erschließen.
Die am ATB entwickelte Pilotanlage für den Trockenaufschluss von Naturfaserstroh wurde mit der
Umsetzung der Anlage in einen Landwirtschaftsbetrieb an die Praxis übergeben. Das Verfahren
wird dort erprobt und weiter wissenschaftlich begleitet. Neue Arbeiten wurden in den Bereichen
automatisiertes Qualitätscontrolling, Steigerung
der verarbeitbaren Masseströme, Faseraufschluss
neuer Naturfaserpflanzen sowie Aufbereitung von
Schäben und Reststoffen vorbereitet und teilweise
bereits begonnen.
Im Thema „Aufbereitung und Verarbeitung von
Naturfaserkonservat“ wurde 2007 eine Pilotanlage erfolgreich in Betrieb genommen. Damit konnten die Arbeiten zur Ernte und Konservierung, zur
Beleimung mit biologischen Bindemitteln sowie zur
Herstellung von Produktmustern im praxisnahen
Maßstab fortgesetzt werden.
Aus der Analyse und Bewertung der Rohstoffbereitstellung und –verarbeitung ergab sich die Forderung, dass für die Wirtschaftlichkeit des Gesamtverfahrens die Ernte mit dem Feldhäcksler
effektiver gestaltet werden muss. Ernteversuche
mit verschiedenen Feldhäckslern haben gezeigt,
dass bei Wahl eines geeigneten Häckslersystems
Hanf selbst bei einer Ernte Ende Oktober weitgehend störungsfrei gehäckselt werden kann. Ob
zum Erreichen hoher Flächenleistungen weitere
Modifizierungen notwendig sind, muss genauer
untersucht werden. Eine späte Ernte ist für die
kostengünstige Weiterverarbeitung gewünscht, da
sich hierdurch günstige Trockenmassegehalte
erzielen lassen. Ebenso beeinflussen die Sortenwahl, der Konservierungszusatz und die Lagerdauer den Trockenmassegehalt. Inwieweit sich
höhere Werte auf das Konservieren und letztendlich auf die Qualität der Endprodukte auswirken, ist
weiter zu untersuchen. Die ermittelten Biegefestigkeiten erster Produktmuster liegen für hochdichte
Faserplatten auch beim Einsatz biologischer Bindemittel oberhalb der nach DIN EN 622-2 geforderten Mindestwerte. Die Ergebnisse hängen deutlich vom verwendeten Bindemittel ab, wobei synthetische Bindemittel grundlegend höhere Festigkeiten liefern.
Schwerpunkte der nächsten Forschungsarbeiten
sind die weitere Optimierung aller Prozessstufen
von der Ernte, der Konservierung bis zum fertigen
Produkt, insbesondere der Applikation biologischer
Bindemittel und das sichere Vermeiden unzulässig
hoher Geruchsemissionen der hergestellten Faserwerkstoffe.
52
Aufbereitung und Verarbeitung von Naturfaserkonservat (Thema 3.1.2)
Preparation and processing of preserved natural fibres
Themenleiter: Ralf Pecenka (Abt. 3) [email protected]
Arbeitsgruppe: Detlef Ehlert (4), Christian Fürll (3), Philipp Grundmann (2), Christine Idler (1), Jochen Mellmann (3), Ljubomir Radosavljevic (3)
The conventional production of natural fibres on
the basis of field drying and retting of fibre straw is
connected to a higher weather risk under German
weather conditions. At the ATB a weatherindependent post harvest technique on the basis
of chopping hemp with a forage harvester followed
by anaerobic storage is under investigation. As a
further advantage of this novel processing technology, the whole plant material will be processed
to final products such as insulation materials and
fibre boards or semi products for injection moulding (Fig. 1).
Krone BIG X 650 forage harvester used for hemp
harvest at end of October 2007 proved to be appropriate to hemp chopping also under difficult
conditions. Without any modifications a working
rate of approx. 1.2 ha per hour has been achieved.
A pilot plant with a processing capacity of 1 ton per
hour wet preserved hemp has been put into operation at the ATB in March 2007. The production of
fibre board samples with the use of natural binders
has shown that general requirements regarding
bending strength according to DIN EN 622-2 can
be fulfilled with this new production line (Fig. 2).
Because a dry matter content of 40 to
50 % is favourable for defibration and drying of wet
preserved hemp, the ongoing research focuses on
the reduction of the water content of the raw material. According to Fig. 3 and Fig. 4 the hemp variety, harvest date, storage time and preservation
additives influence the dry matter (FM) content.
Finally, the harvest date has the most important
influence on the FM (Fig. 5). But late harvest dates
connected with a high degree of plant ripeness do
often lead to harvest problems if conventional forage harvesters are used for chopping. Furthermore, economic studies on tube ensiling have
shown that optimized harvesting technology is of
prime importance for viable hemp cropping. The
comparison of hemp cropping for straw and silage
production with rye has shown that comparable
revenues can be achieved at a working rate for
chopping the hemp of approx. 1.5 ha per hour. A
Mit dem Verfahren zur Verarbeitung von Naturfaserkonservat wird ein zur klassischen Fasergewinnung aus trockenem Faserstroh (z.B. Hanfstroh)
alternatives Verfahren zur Herstellung verschiedener Halbzeuge und Endprodukte für die Automobil-, Bau- und Kunststoffindustrie entwickelt und
erprobt. Für dieses neuartige Verfahren werden
die mit einem herkömmlichen Feldhäcksler grün
geernteten Faserpflanzen und nicht feldgetrocknetes und geröstetes Faserstroh als Rohstoff genutzt. Damit ist das Verfahren weitgehend witterungsunabhängig und passt sich in die Produktionsabläufe von Landwirtschaftsbetrieben besser
ein. Die Endprodukte werden aus der gesamten
feucht konservierten Pflanzenmasse hergestellt,
so dass keinerlei umweltbelastende Abfallprodukte
entstehen (Abb. 1). Darüber hinaus ist das Verfahren auch für die Verarbeitung von Mischungen
verschiedener Faserrohstoffe aus Land- und Forstwirtschaft geeignet.
The ongoing research focuses on the optimisation
of hemp harvest technology, raw material storage
and preparation as well as on application of natural
binders and processing of fibre boards in the new
pilot plant. Furthermore, the economic studies will
be continued.
Schwerpunkte der Arbeiten im Jahr 2007 waren
die vollständige Inbetriebnahme der Pilotanlage
mit einer Verarbeitungskapazität von 1 t/h Hanfkonservat, die Optimierung der Rohstoffbereitstellung und der Einsatz natürlicher Bindemittel in der
Formpressteilherstellung.
Abb. 1: Verfahrensschema der Verarbeitung von Naturfaserkonservat.
Fig. 1: Process flow for the processing of hemp preservats.
II Fachlicher Teil
53
Die Pilotanlage wurde am 26. März 2007 unter
großem öffentlichem Interesse in Betrieb genommen (Abb. 2). Damit stand für die Untersuchungen
zur Herstellung von Faserplatten (MDF und HDF)
unter Einsatz natürlicher Bindemittel erstmals die
gesamte Prozesskette von der Rohstoffzerfaserung bis zur Pressteilherstellung lückenlos zur
Verfügung.
dukt aus der Milchsäureherstellung aus Roggen können die in der Norm DIN EN 622-2 geforderten
Werte für die Biegefestigkeit von hochdichten Faserplatten erfüllt werden. Es ist zu erwarten, dass
sich die mit natürlichen Bindemitteln erzielten Ergebnisse durch weitere Prozessoptimierungen
verbessern lassen, so dass auch die Normwerte
für mitteldichte Faserplatten erfüllt werden.
Ergebnisse zu den in der Anlage hergestellten
Musterprodukten sind in Abbildung 3 dargestellt.
Aus diesen ersten Versuchen wurde ersichtlich,
dass sich unter Einsatz des herkömmlichen synthetischen Bindemittels Phenolformaldehydharz (f)
Faserplatten aus Hanfkonservat mit den höchsten
Biegefestigkeiten erzielen lassen. Doch auch unter
Einsatz verschiedener natürlicher Bindemittel (b - e)
wie Stärke und Roggenextrakt - einem Nebenpro-
Für den störungsfreien Betrieb der Anlage, die
Herstellungskosten und die Qualität der Endprodukte kommt der Rohstofffeuchte eine besondere
Bedeutung zu. Das Ziel der gegenwärtigen Untersuchungen ist es, den Rohstoff Hanf durch geeignete Ernte- und Konservierungsverfahren sowie
durch Mischung mit anderen Faserstoffen (Holz,
Hanfschäben) mit einem Trockenmassegehalt
(TM) von 40 bis 50 % der Zerfaserungstufe zuzu-
Abb. 2: Einweihung der Pilotanlage zur Verarbeitung von Pflanzenfaserkonservat.
Links: Demonstration des Pressvorgangs. Rechts: Brandenburgs Agrar- und Umweltminister Dr. Dietmar Woidke im
Gespräch mit Prof. Christian Fürll, ATB.
Fig. 2: Official opening of the pilot plant for the processing of preserved natural fibres.
Left: Demonstration of the press line. Right: Dr. Dietmar Woidke, Minister for Agriculture of the State of Brandenburg,
talking with Prof. Christian Fürll, ATB.
Fig. 3: Bending strength of fibre
boards from hemp silage with the
use of different natural binders.
a) rape press cake, b) starch powder,
c) agglutinated starch, d) lactic acid,
e) rye slurry, f) phenolic resin (thickness 10 mm, density 1140 kg/m³,
binder content 10 mass-%)
50
Biegefestigkeit [N/mm²]..
bending strength
Abb. 3: Biegefestigkeiten von Faserplatten aus Hanfsilage unter Einsatz verschiedener natürlicher Bindemittel.
(Dicke 10 mm, Dichte: 1140 kg/m³,
Bindemittelanteil 10 Masse-%)
45
40
35
30
25
DIN EN 622-2
20
15
10
5
a
b
c
d
e
f
Rapspresskuchen
Stärkepulver
Verkleisterte
Stärke
Milchsäure
Roggenextrakt
Phenolharz
0
Bindemittel binder
54
chen Hanfanbau einer optimierten Erntetechnik
eine zentrale Bedeutung zukommt. Mehr als 45 %
der Gesamtkosten der Rohstoffbereitstellung fallen
in der Ernte an. Ab einer Flächenleistung von ca.
1,5 ha pro Stunde für das Häckseln des Hanfes
kann der Landwirt im Land Brandenburg mit der
Herstellung von Hanfkonservat Einnahmen erzielen, die mit denen des Roggenanbaus oder der
Hanfstrohernte vergleichbar sind. Daher wurden
im Jahr 2007 die Untersuchungen zu unterschiedlichen Häckslervarianten fortgesetzt. Erstmals kam
ein Häcksler der Fa. Krone (Big X 650) zu Einsatz.
führen. Wie aus Abbildung 4 ersichtlich, kann ein
höherer TM-Gehalt des Rohstoffes durch eine
geeignete Sortenwahl und eine spätere Ernte erzielt werden. Die Zugabe eines geeigneten Silierhilfsmittels reduziert die Masseumsätze im Konservat und erhöht ebenso den TM-Gehalt des
Rohstoffs über eine Lagerdauer von 10 Monaten
von 20 % (ohne Zusatz) auf bis zu 23 % (mit Zusatz) (Abb. 5).
Die ökonomischen Untersuchungen zur Schlauchsilierung haben gezeigt, dass für den wirtschaftli-
Trockenmasse in % FM dry matter in % FM
Rohfaser in % TM crude fibre in % DM
70
Felina 32
Fedora 17
Erntetermin/ harvest time
Erntetermin/ harvest time
60
12.9.2006
17.8.2006
50
17.8.2006
12.9.2006
40
30
20
10
0
0 0,5 1
6 10
0 0,5 1
Trockenmasse/ dry matter
6 10
0 0,5 1
6 10
0 0,5 1
6 10
Lagerungszeit in Monaten
storage time in month
Rohfaser/ crude fibre
Trockenmasse-, Rohfaser- und Säuregehalt in %
dry matter, crude fibre and acid content in %
Abb. 4:Trockenmasse- und Rohfasergehalt in Abhängigkeit von Sorte, Erntezeitpunkt und Lagerdauer.
Fig. 4: Dry matter and crude fibre content in dependence on variety, harvest date and storage time.
70
Felina 32
60
Zusatz von 4 g/kg
Schaumasil-Granulat
ohne Zusatz
50
Zusatz von 8 g/kg
Schaumasil-Granulat
40
30
20
10
0
0
0,5
1
6
10
Trockenmasse/ dry matter
Säuregehalt/ acid content
0
0,5
1
6
Rohfaser/ crude fibre
10
0
0,5
1
6
10
Lagerungszeit in Monaten
storage time in month
Abb. 5: Trockenmasse-, Rohfaser- und Säuregehalt in Abhängigkeit von Silierhilfsmittelmenge und Lagerdauer.
Fig. 5: Dry matter, crude fibre and acid content in dependence on the amount of silage additives and storage time.
II Fachlicher Teil
60
50
40
30
20
10
0
28
.0
8.
04
.0
9.
18
.0
9.
04
.1
0.
11
.1
0.
18
.1
0.
25
.1
0.
29
.1
0.
Trockenmasse in % dry matter in %
Aufgrund der speziellen Schneidwerkskonstruktion
(Easy Collect 7500) konnte mit diesem System
auch noch zu einem sehr späten Erntetermin (30.
Oktober) der weitgehend abgereifte Hanfbestand
mit einer Flächenleistung von mehr als 1,2 ha h-1
ohne Modifikationen geerntet werden. Der Trockenmassegehalt nimmt mit dem Reifegrad der
Pflanzen zu und erreicht Ende Oktober für die
Weiterverarbeitung günstige Werte oberhalb von
40 % (Abb. 6).
Datum date
55
Vergleicht man die in Abbildung 6 dargestellte
Entwicklung des Trockenmassezuwachses mit den
in Abbildung 4 und 5 dargestellten Möglichkeiten
der Steigerung des TM-Gehaltes durch Sortenwahl
und Siliermittelzugabe, so kann geschlussfolgert
werden, dass eine Verschiebung der Hanfernte auf
Oktober/November ein effizientes Mittel ist, um die
Forderungen der Weiterverarbeitung an die Rohstoffeigenschaften kostengünstig zu erfüllen.
Inwieweit eine späte Hanfernte Einfluss auf die
Konservierung, die Verarbeitbarkeit in der Pilotanlage und die Qualität der Endprodukte hat, wird
derzeit untersucht.
Ein weiterer Schwerpunkt der verfahrenstechnischen Untersuchungen wird der Einfluss der Rohstoffzusammensetzung und der Prozessparameter
der Zerfaserung auf die Qualität der Endprodukte
sein. Darüber hinaus ist der Einsatz von organisch-nativen Bindemitteln zu optimieren. Die Untersuchungen zu Kosten und Qualität der Rohstoffbereitstellung sowie zum prozesstechnisch
und ökonomisch optimierten Betrieb der Pilotanlage werden fortgesetzt. /27/, /37/, /138/, /139/,
/199/, /200/
Abb. 6: Trockenmassegehalt des Hanfbestandes in
Abhängigkeit vom Erntezeitpunkt (2007).
Fig. 6: Dry matter content in dependence on harvest
date (2007).
3.2 Biokonversion stärkehaltiger Agrarrohstoffe
56
Nachhaltige
Programm 1.1
tiergerechte und
wettbewerbsfähige
landwirtschaftliche
Forschungsfeld 1
Sensorgestützte
Programm 1.2
Nutztieren
Programm 1.3
Qualität und
Sicherheit von
Lebens- und
Futtermitteln
Forschungsfeld 2
Programm 2.1
Futtermitteln
Programm 2.2
Programm 3.1
Nachwachsende
Rohstoffe und
Energie im
ländlichen Raum
Agrarrohstoffe
Programm 3.2
Forschungsfeld 3
Programm 3.3
Zukunftsfonds
Programm 4.1
Verfahrenstechnische
Optimierung von
Fermentationsprozessen
Thema 3.2.2
II Fachlicher Teil
57
Programm 3.2
Biokonversion stärkehaltiger Agrarrohstoffe
Bioconversion of starchy agricultural raw materials
Programmverantwortlicher: Joachim Venus (Abt. 1) [email protected]
Der zunehmende Einsatz nachwachsender Rohstoffe stellt in immer größerem Umfang umweltund klimaverträgliche Grundstoffe bereit und trägt
so zur Schonung endlicher fossiler Rohstoffquellen
bei. Darüber hinaus führt er zu einer verstärkten
Nutzung der Wirtschaftspotenziale des ländlichen
Raumes, zur Steigerung der regionalen Wertschöpfung sowie zur Sicherung und Schaffung
neuer Arbeitsplätze. Großes Potenzial bietet insbesondere die Produktion, Bereitstellung und Nutzung von Biomasse für industrielle Verwendungszwecke. Verfahren zur Biokonversion betreffen die
Verarbeitung natürlicher Rohstoffe für die biotechnologische Herstellung von Wertstoffen.
Im Forschungsprogramm "Biokonversion stärkehaltiger Agrarrohstoffe" werden Aufgaben bearbeitet, die eine wertsteigernde Verarbeitung landwirtschaftlicher Ausgangsmaterialien mittels biologischer bzw. chemischer Stoffwandlungsprozesse
beinhalten. Als gegenwärtiges Hauptprodukt wird
Milchsäure hergestellt, die auch in Form ihrer Salze und Ester vielfältig verwendbar ist, nicht nur als
Säuerungs- und Konservierungsmittel in der Landwirtschaft und in der Lebensmittelproduktion.
Milchsäure findet u. a. Einsatz in umweltfreundlichen Lösungsmitteln, Kosmetika und Pharmazeutika und kann industriell weiterverarbeitet werden,
beispielsweise zu biologisch abbaubaren Kunststoffen. Milchsäure wird überwiegend durch Fermentation von Bakterien, Hefen oder Pilzen auf
zucker- oder stärkehaltigen Substraten hergestellt.
Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem
Gebiet der Milchsäuregärung sind im internationalen Maßstab ausgerichtet auf die Nutzung verschiedener Kohlenstoff- und Stickstoffquellen bei
Einsatz neuer, verbesserter Produktionsstämme,
auf die Entwicklung neuer, kontinuierlicher Hochleistungs-Fermentationstechnologien sowie auf die
Verbesserung der gesamten Produktaufarbeitung.
Dies gilt in besonderem Maß unter dem Aspekt der
Herstellung von biologisch abbaubaren Polylactiden. In den vergangenen Jahren wurden unterschiedlichste Hydrolysate auf Basis von Mais, Cassava, Gerste, Weizen, Kartoffeln und Sago ebenfalls auf Ihre Eignung als Rohstoff für die Milchsäurefermentation untersucht.
Ergänzend zu grundlegenden Fragen der Nutzung
biotechnologischer Prozesse sind insbesondere
Arbeiten zu deren Maßstabsübertragung erforderlich, um die Verfahren technisch machbar zu gestalten. Zu diesem Zweck wurde am ATB eine
multifunktionelle „Pilotanlage zur biotechnologischen Erzeugung von Wertstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen“ geplant und gebaut.
Mit der Pilotanlage wurde eine Jahresproduktion
von 10 t Milchsäure konzipiert, die innerhalb von
200 Tagen hergestellt werden soll.
Biobasierte Produkte können in Abhängigkeit der
jeweils technischen Machbarkeit und Effizienz
auch in Kombination unterschiedlicher Verfahren
(physikalisch, chemisch, thermisch, biologisch)
erzeugt werden. Zu den vordringlichen Aufgaben
zählt daher die Entwicklung von Basistechnologien, die dem Konzept der Bioraffinerie Rechnung
tragen, d. h. eine möglichst vollständige Nutzung
der gesamten Pflanze mittels verschiedenster
Technologien bis hin zur Verwertung zu unterschiedlichsten Produkten ermöglichen. Mit der
Pilotanlage können wesentliche Teile davon realisiert werden, indem pflanzliche Inhaltsstoffe für
eine nachfolgende biotechnologische Stoffwandlung verfügbar gemacht werden und bis zu einem
industriellen Produkt aufgearbeitet werden. Im
Rahmen des Forschungsprogramms wurden bereits verschiedene landwirtschaftliche Materialien
im Hinblick auf ihren Einsatz als Industrierohstoff in
technischen Verfahren untersucht. Diese Arbeiten
schließen eine umfassende Bewertung nach allgemein anerkannten Kriterien ein.
Am Beispiel der Milchsäurefermentation soll langfristig die Substitution teils teurer Rohstoffe durch
Komponenten aus nachwachsenden Rohstoffen
entwickelt werden. Neben der parallel dazu notwendigen Optimierung des Gesamtprozesses liegt
ein ausdrückliches Ziel in der Bereitstellung von
Produktmustern für die weitere Verarbeitung. Im
Ergebnis dieser Aktivitäten sind bereits eine Reihe
nationaler und internationaler Kontakte entstanden, die sowohl die Technologie als auch die entsprechenden Produkte betreffen.
58
Verfahrenstechnische Optimierung von Fermentationsprozessen (Thema 3.2.2)
Process engineering optimization of fermentation processes
Themenleiter: Joachim Venus (Abt. 1) [email protected]
Arbeitsgruppe: Christian Fürll (3), Bernd Linke (1), Andreas Meyer-Aurich (2)
A pilot plant for the production of lactic acid from
agricultural raw materials was taken into operation
at the ATB in 2006. Further detailed investigations
concerning the whole biotechnological process of
lactic acid fermentation including upstream and
downstream processing have been carried out in
2007. With respect to the initial research aims we
focussed on the utilization of starchy raw materials
such as (whole)meal of cereals, and glucose as a
standardized material.
Early investigations in the new pilot plant facility
concentrated on testing functions of all process
steps. According to the development of a renewables-based biotechnology for non-food applications one of the first steps is the preparation of a
suitable carbon source containing broth for fermentation processes. After the enzymatic hydrolysis of the different raw materials (55 to 60 %
starch) a separation of solids by filtration is recommended.
One of the main tasks to be solved with the pilot
plant facility is the assessment of the continuous
fermentation process with cell retention. Following
the optimization of pH-value, temperature, and the
composition of the fermentation medium, the process operation was changed from a batch to a fed/repeated batch process and finally to continuous
processing. Fermentation trials have been carried
out with several bacterial strains referring to results
from previous laboratory experiments. The fermentation data at lab scale (3 litres), technical (30 litres) and pilot scale (300 litres) revealed comparable values for the main parameters of bacterial
growth, substrate consumption, and product formation. Therefore, the influence of an increased fermentation volume (mixing, mass transfer) on the
microbial kinetic can be ignored.
Selected results of the first test runs for the main
stages upstream, fermentation, and downstream
will be given below. As an example for the conversion of rye into lactic acid the whole process line
could be demonstrated, from the feedstock to a
pure chemical for further applications in industry
and research.
Nachdem im Jahr 2006 eine Pilotanlage zur Herstellung von Wertstoffen, speziell Milchsäure, aus
nachwachsenden Rohstoffen in Betrieb genommen wurde, konnten im Jahr 2007 umfangreiche
Untersuchungen hinsichtlich des Gesamtprozesses (upstream, Fermentation, downstream) fortgeführt werden. Entsprechend der ursprünglichen
Zielstellung für diese Arbeiten wurde als Rohstoff
vorwiegend Roggenschrot eingesetzt. Darüber
hinaus kamen weitere stärkehaltige Ausgangsstoffe wie Gerstenschrot, Gerstenmalz und Roggenmehl zum Einsatz. Im Rahmen von Industrieprojekten wurden auch standardisierte Materialien wie
Glucose verwendet, die im Vergleich zu den komplexeren Substraten auf Getreidebasis als Referenz angesehen werden können.
Die durchgeführten Untersuchungen dienten zunächst der Optimierung einzelner Verfahrensstufen, u. a. der enzymatischen Hydrolyse, Mikro- und
Ultrafiltration, Sterilisation, Fermentation und verschiedenster Aufarbeitungsschritte. Darauf aufbauend wurden nach und nach gekoppelte Prozessabfolgen bearbeitet, die insbesondere aus
Sicht der Langzeitstabilität von Interesse sind. In
diesem Zusammenhang wurden verschiedene
Verfahrensvarianten erprobt (batch, fed-batch,
repeated-batch, kontinuierlich, Zellrückführung),
um ein modernes und umweltfreundliches Verfahren zur Herstellung von Milchsäure zu entwickeln.
Die zurzeit attraktivste Option der Weiterverarbeitung dieser sogenannten Plattform- oder Basischemikalie ist die Polymerisation zu PLA (poly
lactic acid) für die Herstellung von Bioplastik. Allgemein wird davon ausgegangen, dass der Bereitstellungspreis für Milchsäure als Ausgangsmaterial
für die Polymerisation die industrielle Realisierung
bestimmen wird.
Ausgehend von Getreide, beispielsweise Roggenschrot, als Rohstoffbasis wurden im 1000-LiterMaßstab Untersuchungen zur enzymatischen
Stärkehydrolyse durchgeführt, um ein biogenes
Substrat für die Milchsäurefermentation zur Verfügung zu stellen. Üblicherweise enthält Getreideschrot ca. 55 bis 60 % Stärke, so dass nach der
Hydrolyse diejenigen Bestandteile abgetrennt werden müssen, die nicht zu verwertbaren Kohlenhydraten für die Biokonversion umgesetzt werden
können (Abb. 1).
II Fachlicher Teil
59
Abb. 1: Abtrennung von Grobpartikeln
nach der enzymatischen Hydrolyse von
Getreideschrot.
Fig. 1: Separation of coarse particles
after the enzymatic hydrolysis of wholemeal.
Die abgetrennten Grobpartikel haben einen Trockensubstanzgehalt von ca. 25 bis 30 % und können aufgrund ihrer Protein- und Mineralgehalte als
Tierfutter verwendet werden. Erste Erfolg versprechende Versuche hierzu wurden durchgeführt und
sollen unter Einbindung eines geeigneten Praxispartners systematisch fortgesetzt werden.
Fig. 2: Time course of a lactic acid fermentation in laboratory (3 litres, filled symbols),
technical (30 litres, shadow symbols), and
pilot-scale (300 litres, open symbols) for the
main primary parameters of biomass X ()
and cell numbers cfu (● living cells), substrate S ( sugar), product P (S lactate).
Nach der Bereitstellung des zuckerhaltigen Substrats besteht eine weitere Zielstellung darin, Skaleneffekte bei der Maßstabsübertragung des
Fermentationsprozesses vom Labor- in den Pilotmaßstab zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden Untersuchungen in verschieden großen Bioreaktoren unter vergleichbaren Bedingungen
durchgeführt. Abbildung 2 zeigt den Verlauf der
wesentlichen Prozessparameter, aus der eine
relativ gute Übereinstimmung zwischen Labor-,
Technikums- und Pilotmaßstab zu erkennen ist.
80
1,0E+11
60
1,0E+10
40
1,0E+09
20
1,0E+08
-1
cfu [m L ]
Abb. 2: Zeitlicher Verlauf einer Milchsäurefermentation im Labor- (3 Liter, gefüllte Symbole), Technikums- (30 Liter, schattierte
Symbole) bzw. Pilotmaßstab (300 Liter, offene Symbole) für die wichtigsten Parameter
Biomasse X () und Zellzahlen cfu (● Lebendzellzahl), Substrat S ( Zucker), Produkt P (S Lactat).
P, X, S [g/L]
Bei der weiteren Behandlung der Kohlenhydrate
nach der Hydrolyse (Mikrofiltration zur Abtrennung
von Feinpartikeln, Sterilisation) stellte sich heraus,
dass im technischen Maßstab mit einem Verlust an
verwertbaren Zuckern gerechnet werden muss,
der einerseits auf die abgetrennte Fraktion der
Feinpartikel (Restzuckergehalt) sowie andererseits
auf den Verdünnungseffekt (direkte Dampfeinleitung verbunden mit Kondensateintrag) bei der
Sterilisation zurückzuführen ist. Der sich daran
anschließende Fermentationsprozess wird in seiner Produktivität hierdurch maßgeblich beeinflusst,
da eine niedrigere Substratanfangskonzentration
zwangsläufig die später erreichbare Produktkonzentration bestimmt.
0
0
10
20
1,0E+07
time [hours]
30
60
Speziell die zeitlichen Verläufe der Zucker-, Biomasse und Lactatkonzentrationen lassen den
Schluss zu, dass ein Einfluss der Fermentergröße,
z. B. aus Sicht der verminderten Durchmischung
bzw. anderer maßstabsbedingter Prozessparameter, nicht vorliegt. Lediglich bei der Zellzahl treten
etwas größere Abweichungen auf, was aber angesichts der systematischen Messungenauigkeiten
nicht ungewöhnlich ist. Nach dieser Bestätigung
der prinzipiellen Reproduzierbarkeit des Fermentationsprozesses in unterschiedlichen Reaktorgrößen (3 bis 300 Liter) wurde eine Reihe von Pilotversuchen in verschiedenen Verfahrensvarianten
durchgeführt. Eine zentrale Zielstellung dieser
Arbeiten besteht in der Entwicklung eines langzeitstabilen kontinuierlichen Fermentationsprozesses,
der zu höheren volumetrischen Produktivitäten
führt.
massekonzentration zu erkennen, der auf die Abtrennung von zellfreier Kulturbrühe zurückzuführen
ist. Es kommt somit zu einer kurzzeitigen Aufkonzentrierung von Biomasse, die nach Auffüllen mit
frischem Medium wieder das ursprüngliche Niveau
erreichte. Insgesamt wurden während dieses Versuches 2.500 Liter Rohlactat hergestellt, was einer
Milchsäuremenge von 98,8 kg entspricht.
Bei der Herstellung von Milchsäure aus den komplexen Rohstoffen enthält die gewonnene Kulturfiltratlösung nach der Fermentation noch Inhaltsstoffe bzw. unerwünschte Verunreinigungen, die für
bestimmte Einsatzgebiete, insbesondere die Weiterverarbeitung zu Biokunststoffen, der Milchsäure
störend wirken. Deshalb werden umfangreiche
Untersuchungen hinsichtlich des Einsatzes verschiedener Aufarbeitungsverfahren (Enthärtung,
Elektrodialyse, Endreinigung und Aufkonzentrierung) zur Bereitstellung von Milchsäure hoher
Qualität nach der Fermentation durchgeführt.
Abbildung 3 zeigt den typischen Verlauf einer
sogenannten repeated batch Fermentation, welche
durch nacheinander ablaufende Zyklen gekennzeichnet ist, die jeweils nach Abtrennung zellfreier
Kulturbrühe bzw. Auffüllen mit frischem Nährmedium als diskontinuierliche Teilprozesse ablaufen.
Neben den genannten Untersuchungen im Pilotanlagenmaßstab wurden eine Reihe weiterer Details
im Labor bearbeitet, um insbesondere
y kostengünstige Nährmedienzusätze zu testen,
Der hier dargestellte Versuch repräsentiert insgesamt 10 Fermentationszyklen, die jeweils etwa
einen Tag dauerten, bis das Substrat (Zucker)
komplett verbraucht war. Neben dem jeweils erkennbaren vollständigen Zuckerumsatz stagnierte
parallel dazu die Lactatkonzentration. Dies ist am
deutlichsten für den Zyklus Nr. 4 (72.-140.h) zu
beobachten, der nach Erreichen des stationären
Zustandes während des Wochenendes ohne den
zuvor beschriebenen Flüssigkeitsaustausch weitergeführt wurde. Am Ende eines jeden Fermentationszyklus ist ein sprunghafter Anstieg in der Bio-
y leistungsfähigere bzw. stresstolerante Bakterienstämme zu finden,
y die Produktpalette (Lactate) zu erweitern sowie
y Vorbehandlungs- und Aufschlussmethoden zu
verbessern.
Im Zuge der Baumaßnahmen für die Pilotanlage
selbst konnten auch die räumlichen und experimentellen Möglichkeiten für die genannten Laboruntersuchungen erheblich verbessert werden, was
sich u. a. in einer erweiterten Fermentorkapazität
60
sugar, lactate, biomass [g/L]
Zucker, Lactat, Biomasse [g/L]
biomass
sugar
lactate
40
20
Abb. 3: Ergebnisse einer repeated
batch Milchsäurefermentation im Pilotmaßstab für die Parameter Biomasse, Substrat (Zucker) und Produkt
(Lactat).
0
Fig. 3: Results of a repeated batch
pilot-scale lactic acid fermentation for
the main primary parameters of biomass, substrate (sugar), and product
(lactate).
0
50
100
150
200
250
Zeit300
[h]
time [hours]
II Fachlicher Teil
(Beschaffung von zwei Laborfermentorsystemen
BIOSTAT® Bplus, Abb. 4) sowie entsprechender
Prozessperipherie ausdrückt (chirale HPLC, Ultrafiltrationssystem für Zellrückhaltung, Online-Messsystem zur Bestimmung der Zelldichte).
Neben den im Rahmen dieses Forschungsprogramms bearbeiteten Aufgabenstellungen wurden
61
bestehende universitäre Kontakte, u. a. mit der
Universität Potsdam, der Technischen Universität
Berlin und der Brandenburgisch Technischen Universität Cottbus, sowie Kontakte mit der Industrie,
z. B. mit Uhde Inventa-Fischer GmbH Berlin und
mit W. Ulrich GmbH Eresing, gefestigt bzw. weiter
ausgebaut. /48/, /92/, /121/, /122/, /225/
Abb. 4: BIOSTAT® Bplus (Sartorius
BBI Systems GmbH, Deutschland)
mit Steuereinheit DCU und Filtrationssystem zur Zellrückhaltung.
Fig. 4: BIOSTAT® Bplus (Sartorius
BBI Systems GmbH, Germany)
equipped with a digital control unit
DCU, and cell retention system
respectively.
3.3 Erzeugung und Nutzung von Bioenergieträgern
62
Nachhaltige
Programm 1.1
tiergerechte und
wettbewerbsfähige
landwirtschaftliche
Forschungsfeld 1
Qualität und
Sicherheit von
Lebens- und
Futtermitteln
Forschungsfeld 2
Nachwachsende
Rohstoffe und
Energie im
ländlichen Raum
Forschungsfeld 3
Sensorgestützte
Programm 1.2
Nutztieren
Programm 1.3
Programm 2.1
Futtermitteln
Programm 2.2
Programm 3.1
Agrarrohstoffe
Programm 3.2
Programm 3.3
Rohstoffproduktion
Thema 3.3.1
Aufbereitung und Konversion
Thema 3.3.2
Nutzung von Bioenergieträgern
Zukunftsfonds
Programm 4.1
Thema 3.3.3
II Fachlicher Teil
63
Programm 3.3
Erzeugung und Nutzung von Bioenergie
Production and utilisation of bioenergy
Programmverantwortlicher: Bernd Linke (Abt. 1) [email protected]
Energie aus Biomasse ist eine dynamisch wachsende Sparte mit Wertschöpfung im ländlichen
Raum. Diese Einschätzung findet sich im Erfahrungsbericht mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) 2007. Auch der Senatsausschuss Evaluierung der Leibniz-Gemeinschaft würdigt in seinem Bewertungsbericht zum ATB 2007 den Beitrag des Forschungsprogramms „Erzeugung und
Nutzung von Bioenergie“ zur Erhöhung des Anteils
erneuerbarer Energien. Von den vom Bundeskabinett Ende des Jahres beschlossenen zahlreichen
Gesetzen und Verordnungen sind insbesondere
die Novelle des EEG und die Überarbeitung der
Gasnetzzugangsverordnung von Bedeutung. Der
Fachverband Biogas e.V. begrüßt die vorgesehenen Regelungen, nachdem 2007 stark gestiegene
Rohstoffpreise und unklare gesetzliche Rahmenbedingungen den Zuwachs im Bereich Biogasanlagenbau bremsten. Insbesondere von der Einspeisung von Methan aus Biogas werden neue
Impulse erwartet.
Träger von Bioenergie ist Biomasse, die im Bereich der Landwirtschaft als Reststoffe aus der
Tier- und Pflanzenproduktion, als Nebenprodukte
der Agroindustrie oder als Energiepflanzen zur
Verfügung steht. Die umweltverträgliche, energieeffiziente und kostengünstige Bereitstellung von
pflanzenbürtigen Bioenergieträgern ist Schwerpunkt des Themas „Rohstoffproduktion“. Besondere Bedeutung hat das im Frühjahr 2005 von
der FNR initiierte bundesweite Verbundprojekt
„Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen“ (EVA). Es hat zum Ziel, verschiedene
landwirtschaftliche Pflanzenarten unter typischen
Standortbedingungen Deutschlands auf ihre Ertragsfähigkeit (Ganzpflanzenertrag) und ihre Eignung zur Konservierung und Vergärung zu untersuchen und hinsichtlich einer optimierten Fruchtfolge für Biogaspflanzen zu bewerten. Weitere,
über Drittmittel finanzierte Projekte sind die Herstellung von Pelletts für Kraftstoffe der 2. Generation aus erntefeuchtem Gras, Mais und Ganzpflanzengetreide (BioLog), die Ernte und Lagerung von
schnellwachsenden Baumarten (DENDROM) sowie die Nutzung von Biomasseaschen für die
Phosphor-Versorgung im Pflanzenbau (BioP).
Im Forschungsthema „Aufbereitung und Konversion“ standen auch in diesem Jahr Arbeiten zur
Gewinnung und Nutzung von Biogas im Mittelpunkt. Die überwiegend aus Drittmitteln (BMELV/
FNR und BMBF) finanzierten Untersuchungen
erstreckten sich auf Praxisanlagen und auf Experimente im Labor. Hervorzuheben sind die F&EVorhaben zur Bewertung neuartiger BiomasseBiogasanlagen im Rahmen des Bundesmessprogramms, zur dynamischen Regelung von Prozessen unter Verwendung eines Propionsäure erkennenden Gas-Sensor-Arrays, zur Analyse der methanbildenden Mikroflora in Praxisbiogasanlagen,
zur Vergärung von Roggensilage durch zweistufige Prozessführung mit Bioleaching und zur Entwicklung eines kontinuierlich arbeitenden Aufstromverfahrens für die Vergärung organischer
Feststoffe. Ziel der Untersuchungen ist die Optimierung der Prozessführung und der Verfahrenstechnik für die Vergärung von Biogaspflanzen
und/oder Wirtschaftsdüngern unter Berücksichtigung der am biochemischen Abbau beteiligten
Methan bildenden Mikroorganismen. Die Einbeziehung dieser Archaea in die Prozessführung
schafft nicht nur ein besseres Verständnis für den
anaeroben Abbauprozess, sondern bildet eine
wichtige Grundlage für die Modellierung der Methanbildung aus praxisrelevanten Substraten in
technischen Systemen. Im Focus der Untersuchungen zur Nutzung von Biogas in PolymerElektrolyt-Membran (PEM) Brennstoffzellen standen Spurengasanalysen mit Hilfe der GC-MSAnalyse für die Reformierung von Biogas mit unterschiedlicher Qualität.
Den Untersuchungsrahmen für das Forschungsthema „Nutzung von Bioenergieträgern“ bildet
das von der Europäischen Union geförderte Projekt EU-AGRO-BIOGAS. Es zielt auf die Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit
von landwirtschaftlichen Biogasanlagen. Auf der
Grundlage eines Benchmarking zur Technik und
der Ökonomie einer Biogasanlage sollen Vorschläge zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit
erarbeitet, in Laborexperimenten optimiert und in
die Biogasanlage implementiert werden.
64
Rohstoffproduktion (Thema 3.3.1)
Production of raw materials
Themenleiter: Volkhard Scholz (Abt. 3)
Forschergruppe: Werner Daries (3), Christian Fürll (3), Klaus Gottschalk (3), Philipp Grundmann (2), Monika
Heiermann (2), Hans Jürgen Hellebrand (2), Christiane Herrmann (2), Christine Idler (1), Jürgen Kern (1),
Felipe Ruiz Lorbacher (3), Hartmut Schemel (3)
Research activities are focusing on environmentally friendly, cost and energy efficient production
of lingo-cellulosic energy crops for use as solid,
liquid, and gaseous fuel. Work is concentrated in
four joint projects: Site adapted cultivation systems
for energy crops (EVA); Development, tests, and
demonstration of new logistic concepts for biofuels
(BioLog); Analyses, models, and scenarios for the
sustainable use of wood from silvi- and agricultural
land as energy source and raw materials
(DENDROM); Use of biomass ash for supplying
phosphor in crop production (BioP).
Within the project EVA the ATB investigates the
impact of crop species, storage conditions and
silage additives on the yield and content of methane in biogas production. BioLog aims at decreasing storage losses by compacting the silage and
furthermore at improving energy efficiency and
environmental compatibility by mechanically removing water and soluble minerals before drying
and pelletizing. DENDROM focuses on the optimization of harvest machinery for short rotation coppice and on analysing the correlation between the
growth of wood-destroying fungi and the dry matter
losses during storage of non-dried wood chips.
Finally, in BioP the use of straw ashes as phosphorus fertilizer is investigated on the experimental
field of the ATB.
Schwerpunkt dieses Forschungsthemas ist die
Produktion und Aufbereitung von Energiepflanzen.
Trotz der derzeit in den Medien geführten Diskussionen über die Konkurrenz zu Nahrungsmitteln
schätzt die Europäische Union ein, dass bis zum
Jahr 2030 die energetische Nutzung von landwirtschaftlich produzierten Pflanzen etwa um den Faktor 50 steigt. Dabei liegt die Annahme zu Grunde,
dass die Öl, Zucker und Stärke liefernden Energiepflanzen zunehmend durch lignozellulosehaltige Arten zur Herstellung von Biokraftstoffen der 2.
Generation ersetzt werden. Die letztgenannten
Pflanzenarten wie Ganzpflanzengetreide, Mais,
Gras und schnellwachsende Baumarten stehen
daher im Mittelpunkt. Allerdings hat die Forschung
am ATB nicht nur die Kraftstofflinie, sondern auch
die Erzeugung von Strom und Wärme im Fokus.
Ziel des Forschungsthemas ist die umweltverträgliche, energieeffiziente und kostengünstige Bereitstellung von pflanzenbürtigen Bioenergieträgern.
Dazu wurden im Berichtszeitraum schwerpunktmäßig vier drittmittelfinanzierte Verbundprojekte
bearbeitet: Konservierung und Vergärung von
Energiepflanzen (EVA), Herstellung von Pellets aus
Ganzpflanzensilage (BioLog), Ernte und Lagerung
von schnellwachsenden Baumarten (DENDROM),
sowie Nutzung von Biomasseaschen für die Phosphor-Versorgung im Pflanzenbau (BioP).
Das im Frühjahr 2005 von der FNR initiierte bundesweite Verbundprojekt „Standortangepasste
Anbausysteme für Energiepflanzen“ (EVA) hat
zum Ziel, verschiedene landwirtschaftliche Pflanzenarten unter typischen Standortbedingungen
Deutschlands auf ihre Ertragsfähigkeit (Ganzpflanzenertrag) und ihre Eignung zur Konservierung
und Vergärung zu prüfen. Die Kulturarten werden
dabei über mehrere Jahre im Anbausystem untersucht, d. h. in Hauptfruchtstellung mit und ohne
Sommer- bzw. Winterzwischenfrucht und in Zweitfruchtstellung als Mischkultur und mit reduziertem
Faktoreinsatz. Als Teilprojekt in dem genannten
Verbundvorhaben untersucht das ATB im Rahmen
definierter Anbau- und Fruchtfolgesysteme den
Einfluss der Pflanzenart bzw. -sorte und des
Silierverfahrens auf die Substratqualität sowie
auf die Ausbeute und die Zusammensetzung
des Biogases. Dies erfolgt sowohl im kleintechnischen Maßstab im Labor mittels Silierversuchen
und Gärtests (Batch-Ansatz) als auch in der Praxis
in zwei landwirtschaftlichen Betrieben mit eigenen
Biogasanlagen (Ko- und Monofermentation).
Die Untersuchungen im Labormaßstab zeigten,
dass Pflanzenarten sich nicht nur hinsichtlich ihres
Methanbildungspotenzials, sondern auch bezüglich ihrer Siliereignung und der auftretenden Verluste bei der Silierung unterscheiden. Eine
schlechte Silagequalität, etwa erhöhte Butter- und
Essigsäuregehalte, wirken sich zwar nicht direkt
negativ auf die Methanbildung aus. Bei abnehmender Qualität der Silierung bzw. der Silage
(DLG-Schlüssel) ist jedoch mit erhöhten Verlusten
II Fachlicher Teil
und folglich mit geringeren Methanausbeuten je
Masseeinheit des Erntegutes zu rechnen. Durch
Zusatz von Siliermitteln können die Verluste vermindert und zum Teil auch die Methanausbeuten
erhöht werden. Insbesondere durch den Zusatz
biologischer Siliermittel wurde die Methanbildung
positiv beeinflusst.
Eine lange Lagerzeit gut konservierter Silagen
unter anaeroben Bedingungen führte zu keiner
Minderung der Methanausbeute von Mais- (Zea
mays), Roggen- (Secale cereale) und Sudangrassilage (Sorghum sudanense) (Abb. 1). Mit zunehmender Lagerdauer wurden eher höhere Methanausbeuten gemessen. Möglicherweise erhöht sich
bei längerer Lagerung durch Aufschlussprozesse
die Verfügbarkeit von verwertbaren Bestandteilen
des Substrates für die Methanbakterien. Die Methangehalte im Biogas lagen bei dem silierten Material jeweils um 1 bis 2 % über dem des nicht
silierten Materials (nach 10 bis 365 Tagen Lagerdauer). Während der Silierung findet bereits ein
Teil der Hydrolyse statt, bei der Kohlendioxid entsteht. Dies erklärt den erhöhten Methananteil bei
der Biogasproduktion. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen insgesamt, dass die qualitätsgerechte
Konservierung der pflanzlichen Biomassen ein
hohes Optimierungspotenzial für die Biogasproduktion aufweist.
0 days
10 days
90 days
180 days
365 days
m e th a n e y ie ld [l N *k g -1 O D M ]
400
350
300
250
57,8
200
150
55,4
57,4
58,0
57,1
60,1
59,7
60,0
59,3
56,3
57,0
57,0
55,6
100
50
0
maize
rye
forage sorghum
plant species
Abb. 1: Einfluss der Lagerdauer auf Methanausbeute
und Methangehalt im Biogas aus Mais-, Sudangras- und
Roggen-Ganzpflanzensilagen.
Fig. 1: Influence of storage period on methane yield and
methane content of biogas from whole crop silages
(ODM = organic dry matter).
Im Verbundprojekt „Entwicklung, Erprobung und
Demonstration neuer Logistikkonzepte für Biobrennstoffe“ (BioLog) wurden die im Vorjahr begonnenen Untersuchungen zur Gewinnung von
Gas mit der Option der BtL-Kraftstofferzeugung
aus erntefeuchtem Gras, Mais und Ganzpflanzengetreide fortgesetzt. Das Projekt wird gefördert von
65
BMELV/FNR, um weitere Potenziale zur Energieerzeugung aus Biomasse zu erschließen. Die acht
beteiligten Partner aus Industrie und Wissenschaft
untersuchen bzw. entwickeln die hierfür erforderlichen Teilprozesse von der Ernte bis zur Vergasung. Begleitend werden die Energieeffizienz sowie die ökonomischen und ökologischen Perspektiven des Verfahrens erforscht.
In einem Teilprojekt ermittelt das ATB die Parameter für die verlustarme Konservierung durch
Silierung. 2007 wurden in Kooperation mit einem
landwirtschaftlichen Betrieb Gras-, Mais- und Roggen-Ganzpflanzensilage mit jeweils zwei unterschiedlichen Häcksellängen in Schlauchsilos konserviert. Ergänzende Versuche in mehreren Agrarbetrieben wurden durchgeführt, um den zur Erzielung der gärbiologisch erforderlichen Gutdichte im
Horizontal- und Feldsilo notwendigen Verdichtungsaufwand zu ermitteln. Im Maissilo musste > 1
Traktorenminute je Tonne Originalsubstanz aufgewendet werden, um die Mindestdichte von 600
kg/m³ zu sichern. Weitere Daten werden noch
ausgewertet und sollen unter Hinzuziehung der
Literatur in Verdichtungsempfehlungen umgesetzt
werden. Mit dem Ziel, den Verdichtungsaufwand
zu minimieren, wurden an einem Hydropulsversuchsstand systematische Untersuchungen zur
Ermittlung des Einflusses technischer, technologischer und Stoffparameter auf die Gutdichte begonnen. Weitere Laborversuche liefern Grundlagen zum Saftabpressen.
In einem zweiten Teilprojekt erfolgt eine Erfassung und Bewertung der technologisch relevanten Stoffdaten sowie der energetischen und
ökonomischen Daten der Teilprozesse. Die
relevanten Daten für Ernte, Silierung, Abpressen,
Trocknung und Pelletierung wurden ermittelt. Die
Datenerfassung erfolgte sowohl in Praxisbetrieben
(Agrarbetrieb und Futtermitteltrockenwerk) als
auch in den Technika der Herstellerfirmen von
Schnecken- und Pelletpressen. Letztere sind
Schlüsselmaschinen des Verfahrens, die z. T.
noch in der Entwicklung bzw. Erprobung sind und
die neben der Trocknung erheblichen Einfluss auf
die Kosten und die Energieeffizienz des Gesamtverfahrens haben. Die im Berichtszeitraum durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass der Energieaufwand für die mechanische Entwässerung mit
60 bis 180 kWhel/tTM zwar nicht den ursprünglichen
Erwartungen entspricht, jedoch durch die Einsparung an Energie bei der thermischen Trocknung
kompensiert wird. Der Vorteil dieses Prozessschrittes ist das Abpressen einiger umweltund
feuerungstechnisch relevanter Problemstoffe, die
anschließend durch Vergärung problemlos ent-
66
sorgt und energetisch genutzt werden können
(Abb. 2). Massedurchsatz, Arbeitsqualität und
Energieaufwand der untersuchten Pelletpressen
und Trockner liegen auf dem bekannten Niveau
und weisen im Kontext des Gesamtverfahrens
weitere Optimierungspotenziale auf.
10
Grassilage
Roggensilage
Maissilage
9
Gehalt in % TM
content in % DM
8
7
6
5
4
3
2
1
0
N
K
Ca
S
ermittelt wurde, stand im Berichtszeitraum die Methodenentwicklung zur Quantifizierung der durch
Schimmelpilze verursachten Verluste im Vordergrund. In welchem Maße Schimmelpilze, die nach
14-tägiger Lagerung deutlich sichtbar sind, zu den
Trockenmasseverlusten beitragen, wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Holztechnik
Dresden (IHD) in Laborversuchen untersucht. Dazu wurden von einjährig gelagerten Pappel- und
Weidenhackschnitzeln die Schimmelpilzstämme
isoliert, taxonomisch bestimmt und drei Isolate zur
Beimpfung ausgewählt. Sterilisierte geometrisch
unterschiedliche Pappelholzstücke (Abb. 3) mit
und ohne Rinde wurden jeweils mit einem Stamm
der Spezies Aspergillus niger und Trichoderma
citrinoviride sowie einem Ascomycetenstamm aus
der Familie der Chaetominaceae beimpft und bei
25°C gelagert.
Cl
Abb. 2: Anteil umweltrelevanter Inhaltsstoffe im Presssaft von Ganzpflanzensilagen.
Fig. 2: Percentage of environmentally relevant substances of whole crop silages.
Im Rahmen des von insgesamt 7 Partnern bearbeiteten Verbundprojektes „Zukunftsrohstoff Dendromasse – Analysen, Leitbilder und Szenarien für die
nachhaltige energetische und stoffliche Verwendung von Dendromasse aus Wald- und Feldgehölzen“ (DENDROM) ist das ATB für die Bewertung
und Optimierung der Ernte- und Lagertechnologien von schnellwachsenden Baumarten
zuständig. Neben der Weiterentwicklung eines
einreihigen Anbaumähhackers werden insbesondere Verluste sowie ökologisch und ökonomisch
relevante Parameter bei der Lagerung von Holzhackschnitzeln untersucht. In diesem Zusammenhang scheinen Pilze eine bedeutende Rolle zu
spielen. Nachdem in der Vergangenheit unter praxisnahen Bedingungen die Größenordnung der
Trockenmasseverluste und der Schimmelpilze
Abb. 3: Ausgewählte Prüfkörper.
Fig. 3: Selected test pieces.
Nach 28, 56 sowie 84 Tagen wurden die Trockenmassen der Holzstücke im Vergleich zu den unbeimpften Kontrollen ermittelt. Aspergillus und Trichoderma gehören zu den celluloseabbauenden
Pilzen, während Vertreter der Chaetominaceae als
Moderfäulepilze auch zum Ligninabbau befähigt
sind. Die in den Beimpfungsversuchen ermittelten
Trockenmasseverluste sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Für die Abhängigkeit der Verlustraten
von der Zeit konnte ein klarer Zusammenhang
gefunden werden. Je länger die Holzstücke den
Schimmelpilzen ausgesetzt waren, umso mehr
Tab. 1: Trockenmasseverluste unterschiedlicher Pappelholzstücke.
Tab. 1: Dry matter losses of various poplar pieces.
Trockenmasseverluste in % / dry matter loss in %
Beimpfung mit / addition
Lagerdauer in d
storage period in d
Pappel-Zylinder
Poplar cylinder
Pappel-Zylinder ohne Rinde
Poplar cylinder corticate
Pappel-Quader ohne Rinde
Poplar cuboid corticate
Ascomycet
Aspergillus niger
Trichoderma citrinoviride
28
56
84
28
56
84
28
56
84
1,7
3,1
1,2
5,4
8,1
7,1
3,0
7,2
9,0
-1,4
1,7
0,9
-0,5
2,4
0,1
0,6
1,4
2,9
-6,1
-5,4
-3,1
0,7
4,5
7,8
4,3
7,5
7,4
II Fachlicher Teil
Trockenmasse ging verloren. Signifikante Trockenmasseverluste wurden allerdings nur bei Proben ermittelt, die mit Sporensuspensionen von
Aspergillus niger und Trichoderma citrinoviride
beimpft worden waren. Dabei könnte bedeutsam
gewesen sein, dass Cellulose als Substrat den
Schimmelpilzen eher verfügbar ist als Lignin.
Da die hier ermittelten Verluste unter 10 % innerhalb von 3 Monaten liegen, können die hohen Trockenmasseverluste bei der Lagerung von Feinhackschnitzeln in Haufen nicht allein durch die
Stoffwechselaktivität der Schimmelpilze erklärt
werden. Aus der Literatur ist bekannt, dass holzzerstörende Pilze, sogenannte Basidiomyceten,
weitaus höhere Abbauraten verursachen. Deshalb
wurden die einjährig gelagerten Holzstücke auch
auf das Vorkommen dieser Pilzarten untersucht.
Mittels molekulargenetischer Methoden wurden
unterschiedliche zu den Basidiomyceten gehörende Pilze bestimmt, die in der Lage sind, Lignin
abzubauen. Es konnten verschiedene Weißfäulepilze identifiziert werden, die als holzabbauende
Pilze bekannt sind. Die Kenntnis der Dynamik und
Wechselwirkungen der am Holzabbau beteiligten
Organismen ist eine Voraussetzung, um bei der
Holzlagerung Trockenmasseverluste und damit
auch Verluste an Energie und Einkommen zu minimieren.
67
Im Rahmen des im Berichtszeitraum mit der Universität Rostock gestarteten Projekts „Nutzung von
Biomasseaschen für die Phosphor-Versorgung im
Pflanzenbau“ (BioP) wird die mögliche Verwendung von Biomasseaschen für die Phosphorversorgung im Pflanzenbau untersucht. Dabei
stellt sich die Frage, inwieweit Aschen aus der
thermischen Verwertung von Stroh künftig mineralische Düngemittel ersetzen können. Im Juli 2007
lagen die Gesamtphosphorgehalte (PTot) im Boden
der Roggenparzelle zwischen 300 und 400 mg P
kg TS-1 (Tab. 2). Das entspricht einem Gesamtphosphorvorrat (0 bis 30 cm) von 1400 bis 1800 kg
ha-1. Davon waren 8 bis 15 % wasser- bzw. doppellactatlöslich (DL). Mit 8,4 bzw. 8,8 kg P ha-1
unterschieden sich der ertragsbedingte P-Entzug
bei Düngung mit Strohasche (P-Gehalt = 1,3 %)
und konventioneller Düngung mit Superphosphat
nur geringfügig. Gegenüber der ungedüngten Kontrollvariante entzogen die gedüngten Roggenkulturen dem Boden 40 bzw. 46 % mehr Phosphor.
Damit ist Strohasche nach ersten Erkenntnissen
ein wirksamer Düngemittelersatz beim Anbau von
Roggen. /9/, /11/, /23/, /42/, /50/, /67/, /86/
Tab. 2: Phosphorgehalte im Boden und in oberirdischen Roggenpflanzen auf unterschiedlich gedüngten Flächen
der Rohstoffplantage im Jahr 2007 (Standardabweichungen in Klammern).
Tab. 2: Phosphorus contents of soil and rye shoots from plots of the experimental field with different fertiliser applications in 2007 (Standard deviation in parentheses).
Kontrolle
Control
Boden/Soil (0-30 cm)
-1
PH2O (mg P kg TS )
Strohasche
Straw ash
P-Mineraldünger
P mineral fertiliser
33,1
(4,0)
30,5
(5,3)
31,2
(1,4)
-1
45,9
(5,0)
55,2
(12,0)
48,3
(7,3)
-1
303,5
(11 3,1)
392,5
(23,7)
378,5
(73,3)
5,14
1171
6,02
(0 ,55)
7,33
1147
8,41
(0,66)
6,34
1390
8,81
(1,51)
PDL (mg P kg TS )
PTot (mg P kg TS )
Pflanze/Plant
Ertrag/Yield (t TS ha -1)
-1
Spross/Shoot (mg P kg TS )
-1
P-Entzug/P removal (kg P ha )
(3 30)
(1 ,70)
(393)
(2,88)
(336)
(2,13)
68
Aufbereitung und Konversion (Thema 3.3.2)
Processing and conversion
Themenleiter: Bernd Linke (Abt. 1 ) [email protected]
Arbeitsgruppe: Ingo Bergmann (1), Janine Ellner (3), Lena Hausdorf (1), Ingo Härtge (1), Michael Klocke (1),
Jan Mumme (1), Kerstin Mundt (1), Edith Nettmann (1), Vincent Plogsties (1), Hannelore Schelle (1), Ralf
Schmersahl (3), Mandy Schönberg (1), Volkhard Scholz (3), Mario Sontag (1), Khadidja Souidi (1)
In order to improve biogas technology with respect
to fermentation process and utilisation of biogas as
a fuel, research and development were continued.
Research was supported by the Agency of Renewable Resources (FNR) and the Federal Ministry of Education and Research (BMBF). Within an
extensive program an evaluation of 64 full scale
biogas plants in Germany was conducted by
measurements in practice. Investigations aiming at
the process control by means of a portable electronic nose (PEN) revealed the inhibitory effect of
propionic acid as a result of overloading when pH
is sharply decreased. Studies on a two step process for biogas production from whole crop rye
silage with a combination of batch leaching fermenters and anaerobic filter have shown that
-1
methane yield of up to 350 N l kg VS can be obtained when the leaching process is performed at
thermophilic conditions. The microbial analysis on
base of molecular genetic techniques within biogas
fermenters revealed a higher diversity of Archaea
in the biofilm compared to the process liquor. In
the latter dominate H2/CO2 utilising Methanomicrobiales unlike the biofilm where acetoclastic
Methanosaeta have been detected as dominant
methanogens. Lab scale experiments and modelling of a continuous fed high performance solid
state up flow digester resulted to a methane productivity and organic loading rate in the range of
-1 -1
-1 -1
2.5 - 3 l l d and 7 - 11 g VS l d respectively.
With respect to utilisation of biogas in fuel cells
special emphasis was given to GC-MS analysis of
trace gas components in biogas.
Mit der Neuauflage des Bundesmessprogramms
zur Bewertung neuartiger Biomasse-Biogasanlagen soll der Stand der Technik aufgezeigt,
Problemfelder identifiziert und Schlussfolgerungen
für weitere technische und technologische Verbesserungen gezogen werden. Zu diesem Zweck
wurden 64 repräsentative Anlagen ausgewählt und
über einen Zeitraum von einem Jahr wissenschaftlich durch die vier Projektpartner untersucht. Erfasst werden alle betriebs- und prozessrelevanten
Größen. Die Inputstoffe sowie Fermenterinhalte
und Gärrückstandslager werden im monatlichen
Rhythmus beprobt und analysiert. In den neuen
Bundesländern ist in der Regel nach wie vor Wirtschaftsdünger das Basissubstrat. Die elektrische
Auslastung der durch das ATB untersuchten Anlagen liegt zwischen 52 und 97 % bei durchschnittlichen 79 %. Die extrem niedrigen Werte sind
hauptsächlich durch längere BHKW-Ausfälle bedingt. Positiv zu sehen ist die gesteigerte Nutzung
der erzeugten Wärmeenergie, die bei über 90 %
der Anlagen eine Nutzung außerhalb des Prozesses erfährt. Trotz der Diskussion über Emissionen
aus Gärrestlagern sind 67 % nicht gasdicht abgedeckt. In den bisher ausgewerteten Gärversuchen
mit Fermenterabläufen wurde gezeigt, dass abhängig von Raumbelastung und Eingangssubstraten bis zu 12 % Methanausbeute ungenutzt bleibt.
In der landwirtschaftlichen Biogaspraxis kann es
durch Überlastung der Fermenter mit Energiepflanzen zur Akkumulation organischer Säuren im
Gärsubstrat kommen. Als Folge zu hoher Säurekonzentrationen sinkt die Pufferkapazität, der pHWert fällt ab und der die Methanogenese hemmende undissoziierte Anteil der organischen Säuren nimmt zu. Im Extremfall kommt es zum Erliegen der Biogasbildung, so dass die Biogasanlage
neu angefahren werden muss. Dies bedeutet finanzielle Einbußen des Anlagenbetreibers. Als
Gärsäure mit der sowohl stärksten Hemmwirkung
als auch größten Akkumulationsneigung gilt dabei
die Propionsäure (PS). Zur Entwicklung eines Modells zur dynamischen Prozessregelung in Biogasanlagen auf Basis der Bestimmung der PSKonzentration wurde ein Versuchsstand zur kontinuierlichen Vergärung verschiedener Substrate am
ATB etabliert. Beispielhaft werden sowohl Mischungen aus Maissilage mit Rinder- und Schweinegülle mit jeweils gleichen Anteilen organischer
Trockensubstanz (oTS) in der Mischung als auch
Monofermentationen aus Maissilage im mesophilen und thermophilen Temperaturbereich untersucht. Die zunächst bei geringen oTS-Raum-1 -1
belastungen von etwa 1 gl d betriebenen Fermenter wurden durch zusätzliche, kontinuierlich in
die Fermenter dosierte Propionsäure überlastet.
II Fachlicher Teil
Am Beispiel einer mesophilen Kofermentation von
Rindergülle und Maissilage wurden die wichtigsten
Prozessparameter verfolgt (Abb. 1). Mit Steigerung der auf PS-Zugabe zurückzuführenden
Raumbelastung steigt zunächst die Biogasproduktionsrate r an bis der pH-Wert deutlich abfällt. Der
in der Praxis übliche FOS/TAC-Wert, der durch
einfache Titration bestimmt wird und das Verhältnis aus flüchtigen organischen Säuren (FOS) und
Alkalität (TAC) darstellt, reagiert erst kurz bevor
das System instabil wird und die Methanogenese
stark gehemmt wird. Das gemeinsam mit der Firma WMA Airsense und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung durchgeführte Verbundvorhaben wird vom BMELV/FNR gefördert.
7,6
6
-1
-1
FOS/TAC [ ]; r [Nl l d ]
7,2
BR
C PS
FOS/TAC
r
pH
4
pH [ ]
BR [gPS l-1 d-1]; CPS [g l-1];
8
6,8
2
a
0
0
20
40
t [d]
60
6,4
80
Abb. 1: Durch Zugabe von Propionsäure (BR) bis pH 6,5
(Punkt a: verzögerte PS-Zugabe) wird diese akkumuliert
(CPS, Messung mittels GC), der FOS/TAC-Wert (Verhältnis flüchtiger organischer Säuren zum totalen anorganischen Kohlenstoff) steigt und die Biogasbildungsrate
(r) sinkt.
69
gen in der Prozessflüssigkeit an und werden anschließend im Hydrolysatspeicher (2) gesammelt.
Ein Teil des Prozesswassers wird in den Hydrolysereaktor zurückgefördert (4), zum einen zur Temperierung und Aufrechterhaltung des optimalen
Feuchtegehaltes der organischen Feststoffe, zum
anderen zum Rücktransport der am mikrobiellen
Abbau beteiligten Mischpopulation. Ein kontinuierlicher Volumenstrom gelangt aus dem Hydrolysatspeicher in den Anaerobfilter (3). Die von den
organischen Verbindungen weitgehend entlastete
Flüssigkeit aus dem Anaerobfilter wird in den Hydrolysereaktor zurückgefördert (5). Das entstandene Biogas wird in separaten Gasspeichern (6)
gesammelt und über einen Automatisierungsprozess einmal täglich analysiert (7). Am ATB kommen drei dieser baugleichen Versuchsapparaturen
zum Einsatz, die bei identischer Fahrweise hinsichtlich der Methanausbeuten mit 216-186 Nl
Methan/kg oTS annähernd gleiche Ergebnisse
lieferten. Der Abbaugrad von 40 Masse-% des
organischen Trockenanteils ist noch nicht befriedigend und kann durch thermophile Temperaturführung im Bioleaching-Reaktor auf 350 Nl/kg oTS
deutlich gesteigert werden. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass im Hydrolyseprozess hauptsächlich Kohlendioxid und Wasserstoff gebildet
werden, während in der Methanogenese im Anaerobfilter bis zu 85 % Methan entsteht.
Fig. 1: The increase of organic loading rate with propionic acid (BR) to pH 6,5 results in accumulation (CPS,
analysis by GC), increase of ratio of volatile fatty acids
and total anorganic carbon (FOS/TAC), and collapse of
biogas formation rate (r).
Im Rahmen des vom BMBF geförderten Verbundprojektes Biogas-Crops-Network werden am ATB
Untersuchungen zur Entwicklung eines Verfahrens
zur Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen
durch die Kombination aus Feststoffvergärung
durch Bioleaching mit nachgeschaltetem Anaerobfilter durchgeführt (Abb. 2). Ziel des Vorhabens ist die prozesskinetische Analyse der Hydrolyse bzw. Versäuerung bei verschiedener Fahrweise sowie die Ermittlung optimaler Prozessgrößen. Die Zugabe der am ATB untersuchten Roggen-Ganzpflanzensilage in den Hydrolysereaktor
(1) erfolgt diskontinuierlich. Die Zirkulation der
Prozessflüssigkeit wird über zwei verschiedene
Kreisläufe vorgenommen. Durch die Perkolation
reichern sich die gelösten organischen Verbindun-
Abb. 2: Versuchsapparatur der zweistufigen Feststoffvergärung mit Bioleaching: (1) Hydrolysereaktor, (2)
Hydrolysatspeicher, (3) Festbettanaerobfilter, (4) kleiner
Prozessflüssigkeitskreislauf, (5) großer Prozessflüssigkeitskreislauf, (6) Gasspeicher, (7) automatisierte Gasanalyse.
Fig. 2: Lab-scale of two-stage solid state anaerobic
digestion system with bioleaching: (1) hydrolysis reactor,
(2) reservoir for leachate from hydrolysis reactor, (3)
fixed film anaerobic filter, (4) small leachate circulation,
(5) complete leachate circulation (6) biogas bag, (7)
automatic gas analysis.
70
Die Erfassung der methanbildenden Mikroflora
in der oben beschriebenen Feststoffvergärung
erfolgte mittels der Konstruktion von vier 16S rDNA
Bibliotheken spezifisch für methanogene Archaea.
Hierzu wurden sowohl Proben der Prozessflüssigkeit von drei parallel geschalteten Anaerobfiltern
(AF) als auch Proben des Oberflächenbewuchs
(Biofilm) auf den Füllkörpern verwendet. Insgesamt
wurden 576 mikrobielle 16S rDNA Sequenzen
kloniert und mittels amplified rDNA restriction analysis (ARDRA) und vergleichender Sequenzanalyse phylogenetisch eingeordnet. 35 verschiedene
taxonomische Einheiten (operational taxonomic
units, OTU) wurden für potentielle methanbildende
Archaea detektiert. Nachgewiesen wurden sowohl
acetoclastische Methanbildner (Methanosaeta sp.)
als auch verschiedene hydrogenotrophe Archaea
der Ordnungen Methanosarcinales, Methanomicrobiales und Methanobacteriales. Diese 35 OTU
wurden unterschiedlich häufig in den vier 16S Bibliotheken detektiert, welches ein Anzeichen für
variierende Anteile dieser Organismen in der Ursprungsprobe ist. Die Etablierung einer gleichartigen Methanbildner-Population in den parallelen
Versuchsansätzen konnte bestätigt werden. Unter-
schiede zeigten sich dagegen zwischen der Zusammensetzung der methanogenen Biozönose in
der Prozessflüssigkeit und dem Oberflächenbewuchs des Anaerobfilters (Tab. 1). In der Prozessflüssigkeit wurden sowohl am häufigsten als auch
mit der höchsten Diversität verschiedene, wahrscheinlich hydrogenotrophe Vertreter der Methanomicrobiales detektiert. Hauptbestandteil des Biofilms waren dagegen verschiedene Methanosarcinales vorrangig acetoclastische Methanosaeta.
Die Ungleichheit dieser zwei Biozönosen bestätigte sich durch einen wesentlich niedrigeren paarweisen Gleichheitsindex nach Chao-Jaccard mit
einem Wert von 0,772. Aus diesen Ergebnissen
lassen sich folgende Schlüsse ziehen: (1) Biofilm
und Prozessflüssigkeit in einem Anaerobfilter weisen unterschiedliche Strukturen innerhalb der methanbildenden Biozönose auf, und (2) die Ansiedlung von acetat-verwertenden Methanbildnern in
einem Biogasreaktor lässt sich durch die Bereitstellung möglichst großer Oberflächen fördern.
Weitere Arbeiten behandelten die Charakterisierung der mikrobiellen Diversität in landwirtschaftlichen Biogasanlagen sowie die Analyse von verschiedenen Laborfermentern.
Tab. 1: Zusammensetzung der methanbildenden Archaea-Mikroflora in Prozessflüssigkeit und Biofilm eines Anaerobfilters (AF1) in einem zweiphasigen Biogasreaktor.
Tab. 1: Diversity of methanogenic Archaea in process fluid and biofilm of an anaerobic filter in a two-phase system.
Angenomme phylogenet.
Zuordnung
Assumed phylogenetic
affiliation
Substrate zur
Methanbildung
Substrates for
methanogenesis
Total Archaea
Flüssigkeit
Fluid
Biofilm
Biofilm
OTU
Clones
OTU
Clones
20
140
17
131
Methanosarcinales
Methanosaeta sp.
Methanosarcina sp.
Methanimicrococcus sp.
30%
14%
35%
56%
CH3 COOH
Various
H2 /CO 2
20%
5%
5%
9%
4%
1%
29%
6%
ND
45%
11%
ND
Methanomicrobiales
Methanocorpusculum sp.
H2 /CO 2; HCOOH
55%
15%
84%
54%
41%
6%
25%
16%
Methanoculleus sp.
H2 /CO 2
25%
21%
18%
6%
Methanospirillum sp.
H2 /CO 2
10%
1%
6%
2%
8%
6%
1%
Methanofollis sp.
H2 /CO 2; HCOOH
5%
Methanomicrobium sp.
H2 /CO 2
ND
ND
Unknown
H2 /CO 2
ND
6%
1%
ND
12%
12%
ND
11%
11%
6%
2%
6%
6%
Methanobacteriales
Methanobacterium sp.
H2 /CO 2; HCOOH
Methanobrevibacter sp.
CA-11 lineage
?
15%
ARC-I lineage
?
ND
ND = Nicht nachgewiesen Not Detected
2%
B
B
71
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-1 -1
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
r CH4 (l l d )
Anhand der modellierten Stoffströme sowie Ergebnissen aus dem Betrieb eines kleintechnischen
Versuchstands (Abb. 3) mit einem Aufstromfeststoffreaktor (AFR) und zwei Festbettreaktoren (FBR) wurde die Leistungscharakteristik simuliert (Abb. 4). Die Ergebnisse zeigen, dass das
Gesamtsystem aus AFR und FBR eine Methanproduktivität zwischen 2,5 und 3 l l-1d-1 erreichen
kann. Da sich die Feststoffe als Pfropfenströmung
durch den AFR bewegen, werden die Funktion und
Leistung des AFR sowohl durch die oSRaumbelastung BR als auch durch die Feststoffkonzentration cPf. beeinflusst. Wie aus Abb. 4 hervorgeht, wirken sich geringe Feststoffkonzentrationen cPf. insbesondere auf die oS-Methanausbeute
yCH4 ungünstig aus. Für die wirtschaftlich optimale
Raumbelastung BR lässt sich somit in Abhängigkeit
der substratspezifischen Feststoffkonzentration cPf.
ein Bereich von 7 bis 11 g l-1d-1annehmen. In Bezug auf die derzeit übliche Vergärung von Feststoffen in Rührkesselreaktoren (CSTR) entspricht dies
der zwei- bis dreifachen Belastung. Als optimale
Größe des Festbettreaktors ergibt sich aus der
Simulation ein Volumen von 30 % des Aufstromfeststoffreaktors. Der Festbettreaktor dient in dieser relativ kleinen Dimensionierung in erster Linie
zur Stabilisierung des Fermentationsprozesses
durch den Abbau potentiell hemmender Fettsäuren
wie der Propionsäure. Mit dem Ziel, das Verfahren
für den Einsatz in der Praxis weiter zu entwickeln,
sind am ATB weitere Arbeiten zur Optimierung und
Bewertung des Verfahrens vorgesehen.
-1
y CH4 (l kg )
II Fachlicher Teil
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
B R (g l-1d-1)
Abb. 4: Simulierte Methanrate rCH4 (—) und oS-Methanausbeute yCH4 (- -) bei Feststoffkonzentrationen im Pfro-1
-1
pfen von 120 g l (●) und 200 g l (○) und oS-Raum-1 -1
belastungen BR des AFR bis 16 g l d .
B
Fig. 4: Simulated methane production rate rCH4 (—)
and VS methane yield yCH4 (- -) at solids concentrations
in the plug of 120 g l-1 (●) and 200 g l-1 (○) and VS loading rates BR of the AFR up to 16 g l-1d-1.
Die Arbeiten zur Biogasreformierung im Rahmen
des BMELV/FNR-geförderten Projekts zur effizienten Aufbereitung von Biogas für die Verstromung in PEM-Brennstoffzellen wurden fortgeführt. Schwerpunkt der Untersuchungen bildeten
Spurengasanalysen zur Beurteilung der Biogasqualität für verschiedene Substrate und Verfahren.
Neben dem qualitativen Nachweis verschiedener
volatiler organischer Verbindungen erfolgte eine
quantitative Bestimmung der im Biogas enthaltenen Schwefelkomponenten. Zusätzlich zur bestehenden kleintechnischen Versuchsanlage mit
Dampfreformer und PEM-Brennstoffzellenstack ist
ein Versuchsstand für die Untersuchung der Wirkung ausgewählter Biogaskomponenten und Belastungszustände auf einzelne Polymer-ElektrolytMembranen eingerichtet worden. Als diagnostische Methode wurde die Impedanzspektroskopie
etabliert. Ziel ist die Beurteilung der Schadwirkung
von Biogas-Spurengasen auf PEM-Brennstoffzellensysteme. PEM-Brennstoffzellen werden für
elektrische Leistungsbereiche < 50 kW entwickelt
und eignen sich in Kombination mit kompakten
zweistufigen Feststoffverfahren besonders für die
Nutzung kleinerer und variabler Biomasseaufkommen. /6/, /31/, /41/, /44/, /76/, /77/, /178/
Abb. 3: Versuchssaufbau im Biotechnikum des ATB
mit einem Aufstromfeststoffreaktor (AFR, links) und
Festbettreaktor (FBR, rechts).
Fig. 3: Experimental setup in the ATB biogas laboratory:
up-flow anaerobic leach-bed reactor (left) with leachate
circulation and high rate anaerobic reactor (right).
72
Nutzung von Bioenergieträgern (Thema 3.3.3)
Utilisation of bioenergy sources
Themenleiter: Matthias Plöchl (Abt. 2) [email protected]
Arbeitsgruppe: Jörn Budde (2), Philipp Grundmann (2), Monika Heiermann (2), Jonas Nekat (2), Teresa
Suarez-Quiñones (2), Anka Thoma (2), Helge Zacharias (2)
During the reporting period we focused mainly on
the implementation of the EU project EU-AGROBIOGAS. Aim of this project is the improvement of
the performance, both process and economic, of
existing biogas plants. This includes the analysis
and the benchmarking of the biogas plant, the
development of improvement pathways, the labora-tory analyses of these pathways, their implemen-tation at the biogas plant, and the benchmarking of these improvements. Analysis and benchmarking of the biogas plant have almost been finished and first laboratory analyses were started.
These first investigations concern the decrease of
viscosity of digestate and, hence, aim at an improvement of mixing quality and the reduction of
energy require-ment for mixing. This can be
achieved through enhancement of hydrolysis by
adding fungal enzymes to the feedstock. Lab-scale
experiments will be continued through 2008 and
first experiments at the biogas plant are envisaged
for early summer 2008.
Der derzeitige Ausbau der Bioenergie, insbesondere der anaeroben Vergärung, stößt schnell an
die tatsächlichen oder auch scheinbaren Grenzen
der Verfügbarkeit geeigneter Rohstoffe. Zum einen
gibt es Konkurrenzen in der Fläche für den Anbau
von Energiepflanzen für die unterschiedlichen
Nutzungspfade der Bioenergie: Biogas, flüssige
Biokraftstoffe und Biofestbrennstoffe. Zum anderen
werden in Zukunft Konkurrenzen zum Anbau von
nachwachsenden Rohstoffen für die stoffliche Nutzung entstehen. Weiterhin wird von vielen Experten eine mögliche Konkurrenz zum Anbau von
Nahrungs- und Futtermittelpflanzen als problematisch bewertet.
Die begrenzte Verfügbarkeit von Rohstoffen erhöht
den Bedarf an deutlich effizienteren Biogasanlagen. Hinzu kommt, dass die technischen Anforderungen zu einer Steigerung der Einheitskosten
(Kosten pro kWh Energie) von Biogasanlagen
führen. Dieser Kostensteigerung muss einerseits
durch eine Standardisierung und somit einer Einheitskostenreduktion, andererseits auch durch
eine Verbesserung der ökonomischen Leistung
von Biogasanlagen begegnet werden. Diese Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Biogasanlagen hat sich das EU-Projekt EU-AGRO-BIOGAS
zum Ziel gestellt.
Zur Erreichung dieses Ziels wird zuerst ein Benchmarking der Technik und der Ökonomie der Biogasanlage durchgeführt. Auf dieser Grundlage
werden Vorschläge zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit erarbeitet, in Laborexperimenten
überprüft und verfeinert und schließlich auf der
Biogasanlage implementiert. Zum Abschluss wird
wiederum ein Benchmarking durchgeführt, um die
erreichten Steigerungen und Verbesserung zu
ermitteln. Im Berichtszeitraum wurde das Benchmarking einer Biogasanlage (Abb. 1) nach einem
Bild 1: Panorama einer Biogasanlage. Von links nach rechts: Nachgärer, Vorfermenter, 1. und 2. Hauptfermenter,
Gasspeicher, Steuer- und Motorhaus.
Fig. 1: Panorama view of the biogas plant. From left to right: post-digester, pre-digester, 1st and 2nd main-digester, gas
storage, control and engine house.
II Fachlicher Teil
im Projekt standardisierten Verfahren weitestgehend durchgeführt. In den Tabellen 1 und 2 sind
die wichtigsten Daten des Benchmarkings zusammengefasst.
Weiterhin wurden erste Laborversuche durchgeführt. Ziel dieser ersten Versuche und Maßnahmen
sind die Verringerung der Viskosität, somit eine
Verbesserung der Rührfähigkeit des Fermenterin-
73
halts und schließlich eine Reduktion des Energieaufwands für das Durchmischen. Hierzu wird die
Hydrolyse der Futterstoffe beschleunigt durch Zugabe pilzlicher, hydrolytischer Enzyme zu den
Futterstoffen. Diese Laborexperimente werden im
Jahr 2008 fortgeführt. Zum Sommer 2008 wird
erwartet, dass erste Übertragungen der Laborexperimente auf die Biogasanlage durchgeführt werden können. /78/, /79/
Tab. 1: Zusammensetzung der täglichen Fütterung der Biogasanlage.
Tab. 1: Composition of daily feedstock of biogas plant.
Futter / feedstock
Einheit / unit
Menge / amount
Rindergülle (ca. 12 % TM) / liquid cattle manure (approx. 12% DM)
m³ d-1
145
Rinderfestmist (ca. 40 % TM) / solid cattle manure (approx. 40% DM)
9
t d-1
Getreideschrot: Roggen, Gerste, Mais / ground grain: rye, barley, maize
8
t d-1
10
t d-1
Grasanwelksilage / ley crop silage
4
t d-1
Futterreste / forage residues
5
t d-1
Maissilage / maize silage
Tab. 2: Technische Leistungsdaten der Biogasanlage.
Tab. 2: Technical performance of biogas plant.
Wert / value
Einheit / unit
13,600
m³ d-1
Methangehalt / methane content
51.5
%
Elektrizität produziert / el. power produced
32.4
MWh d-1
Elektrizität verbraucht / el. power consumed
7.5
% der produzierten elektr. Energie
% of produced electric energy
Wärme produziert / heat produced
37.2
MWh d-1
Parameter / parameter
Biogasausbeute / biogas yield
4.1 Zukunftsfonds
74
Nachhaltige
Programm 1.1
tiergerechte und
wettbewerbsfähige
landwirtschaftliche
Forschungsfeld 1
Sensorgestützte
Programm 1.2
Nutztieren
Programm 1.3
Qualität und
Sicherheit von
Lebens- und
Futtermitteln
Programm 2.1
Futtermitteln
Forschungsfeld 2
Programm 2.2
Programm 3.1
Nachwachsende
Rohstoffe und
Energie im
ländlichen Raum
Agrarrohstoffe
Programm 3.2
Forschungsfeld 3
Programm 3.3
Zukunftsfonds
Programm 4.1
II Fachliche Ergebnisse
75
Programm 4.1
Zukunftsfonds
Innovation pool
Der Leitung zugeordnet.
Der Zukunftsfonds zielt darauf ab, weit in die Zukunft gerichtete Forschungsgebiete, aber auch die
Zukunft betreffende gesellschaftspolitische Entscheidungen für das ATB vorzubereiten. Technologische, gesellschaftliche aber auch die Umwelt
betreffende Entwicklungen werden beobachtet,
relevante Gebiete identifiziert, Fragen und Zielstellungen generiert und in einem vorgegebenen Zeitrahmen von einem Forscherteam bearbeitet. Der
Grundgedanke ist, neue Forschungsrichtungen
frühzeitig zu erkennen, diese auf ihre Relevanz
hinsichtlich der zukünftigen Ausrichtung des ATB
als ein agrartechnisches Forschungsinstitut zu
überprüfen und ggf. im Rahmen eines Forschungsthemas umzusetzen. Mit dem Zukunftsfonds steht somit ein flexibles Instrument zur Verfügung, mit dem neue, für die Zukunft wichtige
Fragestellungen kurzfristig bearbeitet und finanziert werden können.
Im Bereich der Biomasseforschung hat sich das
Institut auf nationaler und europäischer Ebene eine
bedeutende Rolle erarbeitet. Es bearbeitet ein
breites Forschungsspektrum zur energetischen
und stofflichen Nutzung von Biomasse, verfügt
über multidisziplinäre, international ausgewiesene
Wissenschaftlerteams und besitzt eine vielfältige
Ausstattung mit zwei Pilotanlagen, Labors, Technika und eigenen Versuchsflächen.
Im Berichtsjahr wurde der Zukunftsfonds dazu
genutzt, um die Potentiale einer auf internationale
Zusammenarbeit basierenden Vertiefung bzw.
Neuausrichtung im Bereich Biomasseforschung
auszuloten.
Das ATB ist Partner in dem von der HumboldtUniversität zu Berlin koordinierten Marie Curie EUProjekt MACE "Moderne Landwirtschaft in Zentralund Osteuropa: Instrumente für Analyse und Gestaltung von Transformationsprozessen im Ländlichen Raum" („Modern Agriculture in Central and
Eastern Europe: Tools for the Analysis and Management of Rural Change“). MACE verfolgt das Ziel,
mit Konferenzen, Sommerschulen und Workshops
Nachwuchswissenschaftler vor allem aus Zentralund Osteuropa weiter zu qualifizieren. Damit sollen junge Wissenschaftler auf die Herausforderun-
gen vorbereitet werden, mit denen sie in ihrer Rolle
als zukünftige führende Kräfte in Forschung, Administration und Wirtschaft in den Ländern Zentralund Osteuropas voraussichtlich konfrontiert sein
werden. Ein weiteres Ziel von MACE besteht in der
Förderung zukünftiger Kooperationen und Forschungszusammenarbeit vor allem im Rahmen
von EU-Projekten.
Im Berichtsjahr wurde am ATB im Rahmen von
MACE ein fünftägiger internationaler Workshop mit
22 Nachwuchswissenschaftlern und -wissenschaftlerinnen aus 8 Ländern durchgeführt. Der Workshop hatte den Titel „Agricultural Technologies for
sustainable and efficient production, processing
and use of Biomass“ (AtproB). Die Kosten konnten aus EU-Mitteln gedeckt werden.
Der Workshop am ATB war in vier große Themenblöcke aufgeteilt, namentlich in die Bereiche Präzisionslandwirtschaft,
für
Energiepflanzen, Biokonversionsverfahren und
Verfahren der Erzeugung von Energie aus Biomasse. An der Präsentation und Diskussion der
Themen in den Seminaren und bei Demonstrationsübungen waren 18 Wissenschaftler des ATB
sowie 3 externe Wissenschaftler aus Partnereinrichtungen beteiligt. Im Rahmen einer eintägigen
Exkursion u. a. zu verschiedenen Biogasanlagen
in der Region, konnten sich die Workshopteilnehmer einen Eindruck vom Einsatz innovativer Technologien der Bioenergieproduktion und zu Problemen der Praxis verschaffen.
Das Programm wurde ergänzt durch Round-TableDiskussionen, in denen die Teilnehmer ihre Forschungsprojekte präsentierten und zur Diskussion
stellten. Im Vordergrund standen dabei neue, aus
dem Workshop hervorgehende Forschungsfragen.
Diese werden für eine weitere Bearbeitung im ATB
in zukünftigen Forschungsthemen vorbereitet. In
Folge des Workshops konnte die Zusammenarbeit
im Bereich Erneuerbare Energien und Klimaschutz
auf internationaler Ebene bereits ausgebaut werden. Eine Teilnehmerin nimmt 2008 als Stipendiatin ihre Arbeit am ATB auf.
III Veröffentlichung der Ergebnisse
76
III Veröffentlichungen der Ergebnisse
Publication of Results
1
Ausgewählte wissenschaftliche Veröffentlichungen
Selected Scientific Publications
1.1 Monografien
a)
nach Autorenschaft
/1/
HOSSAIN, A.; GOTTSCHALK, K.: Experimental studies and mathematical modelling of solar drying system for production of high quality dried tomato. Bornimer Agrartechnische Berichte, Heft 59. Leibniz-Institut für Agrartechnik
Potsdam-Bornim e.V. Potsdam, 2007, (0947-7314), 172 S.
/2/
STEINBERG, U.; BEHRENDT, S.; CAFFIER, G.; SCHULTZ, K.; JAKOB, M.: Leitmerkmalmethode manuelle Arbeitsprozesse.
Erarbeitung und Anwendungserprobung einer Handlungshilfe zur Beurteilung der Arbeitsbedingungen. Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, Dortmund, 2007, (ISBN: 978-3-88261-073-4), 175 S. Online unter
URL: <www.baua.de>
/3/
NOGUEIRA DA SILVA, J.; SANTOS, M.; SCHOLZ, V.: Biodiesel Fatos e Atualidades. Série Caderno Didático No 55.
Eigenverlag. Associao dos Engenheiros Agricolas de Minas Gerais, Universidade Federal de Vicosa. Vicosa,
2007, (AEAGRI/DEA/UFM), 28 S.
/4/
RUS, C.; BRUNSCH, R.: Tierproduktion in Nordostdeutschland. Materialien der Interdisziplinären Arbeitsgruppe der
BBAW „Zukunftsorientierte Nutzung ländlicher Räume“, Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften,
Materialien Nr. 20, Berlin, 2007, 42 S.
/5/
TRAUTH, M.; GEBBERS, R.; MARWAN, N.: MATLAB® Recipes for Earth Sciences. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg,
2007, (ISBN: 978-3-540-72748-4), 288 S.
Dissertation
/6/
MÄHNERT, P.: Kinetik der Biogasproduktion aus nachwachsenden Rohstoffen und Gülle. edoc.hu-berlin, Berlin,
2007, 202 S. Online unter URL: <http://edoc.hu-berlin.de/docviews/abstract.php?id=28115> (Aufruf: 25.04.2008)
/7/
QING, Z.: Methodological study for predicting physicochemical properties of apple fruit by means of VIS-NIR laser
light backscattering imaging. Eigenverlag, Peking, 2007, (Referenznummer der Uni By062007019)
/8/
WULF, J.: Polyphenolanalyse in gartenbaulichen Produkten auf der Basis laser-induzierter Fluoreszenzspektroskopie. Dissertation ATB und HUB 2007. Online unter URL: <http://edoc.hu-berlin.de/>, 158 S.
b)
nach Herausgeberschaft
/9/
HEIERMANN, M.; SCHOLZ, V.; FOLTAN, H.: Wissenschaftliche Ergebnisse und praktische Erfahrungen zur Produktion
von Biogaspflanzen und Feldholz. Proceedings "Energiepflanzen im Aufwind", Potsdam, 12.-13.06.2007, Bornimer Agrartechnische Berichte, Heft 61. Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim, 2007, (ISSN 09477314), 170 S.
/10/
POHL, H.; LINKE, M.; BUTENUTH, K.: Praxis-Modellvorhaben: Einführung von QM-Systemen zur Sicherstellung von
Rückverfolgbarkeit und erlebter Frischequalität in regionalen Ökogemüse-Ketten im LEH und NEH. Organic
eprints, Internet, 2007. Online unter URL: <http://orgprints.org>, 205 S.
/11/
SCHOLZ, V.; SCHMERSAHL, R.; ELLNER, J.: Fuel Cells – A New CHP Technology for Biogas. Naukovij wisnik Nr. 107.
Eigenverlag Nat. Agraruniversität Kiev, Kiev, 2007, (567-82-41), 356 S.
/12/
SPAAR, D.; FÜRLL, C.; LINKE, B.: Vosolnovljajemoe ractitjelnoe cyrjo (Erneuerbare pflanzliche Rohstoffe) Band 1.
Eigenverlag, St. Petersburg, 2007, (ISBN 978-5-903097-14-2), 416 S.
/13/
SPAAR, D.; FÜRLL, C.; LINKE, B.: Vosolnovljajemoe ractitjelnoe cyrjo (Erneuerbare pflanzliche Rohstoffe) Band 2.
Eigenverlag, St. Petersburg, 2007, (ISBN 978-5-903097-14-2), 381 S.
/14/
ZUDE, M.: Proceedings 13. Workshop Computer-Bildanalyse in der Landwirtschaft & 4. Workshop Precision Farming, Renningen, 15.-16.05.2007, Bornimer Agrartechnische Berichte Heft 60. Leibniz-Institut für Agrartechnik
Potsdam-Bornim e.V., 2007, (ISSN 0947-7314), 158 S.
77
1.2 Wissenschaftliche Aufsätze
a)
in referierten Zeitschriften
/15/
BOCKISCH, F.; KREIMEIER, P.; HOFFMANN, G.; HOHMANN, T.; BOHNET, W.; BREHME, U.: Building and process technology requirements in horse husbandry systems: current investigations and developments furthering animal welfare
and environmental protection. Horse Behaviour and Welfare (122): 139-152, 2007
/16/
BRANDENBURG, R.; EHLBECK, J.; STIEBER, M.; VON WOEDTKE, T.; ZEYMER, J.; SCHLÜTER, O.; WELTMANN, K.: Antimicrobial treatment of heat sensitive materials by means of atmospheric pressure rf-driven plasma jet. Contributions to
Plasma Physics 47 (1-2): 72-79, 2007
/17/
BREHME, U.; STOLLBERG, U.; STRICKLER, B.; VON NIEDERHÄUSERN, R.; ZURKINDEN, H.: Untersuchungen mit ALTPedometern zur Bewegungsaktivität bei Pferden in verschiedenen Haltungssystemen. Schweizer Archiv für Tierheilkunde (SAT) (4): 175, 2007
/18/
DAMMER, K.; WARTENBERG, G.: Sensor-based weed detection and application of variable herbicide rates in real
time. Crop Protection 26 (3): 270-277, 2007
/19/
EHLERT, D.; ADAMEK, R.: Messeigenschaften von Laser-Abstandssensoren. Agrartechnische Forschung (Agricultural Engineering Research) 13 (4): 119-128, 2007
/20/
FÜRLL, C.: Influence of the granulometric condition on the flow properties of crushed grain products. Bulk Solids &
Powder Science & Technology (2): 55-62, 2007
/21/
FÜRLL, C.; SCHEMEL, H.; IDLER, C.; SCHOLZ, V.: Anforderungen an die Logistik zur Sicherung hoher Silagequalitäten.
Agrartechnische Forschung (Agricultural Engineering Research) 13 (6): 214-220, 2007
/22/
GOTTSCHALK, K.; LINKE, M.; MÈSZÁROS, C.; FARKAS, I.: Modelling condensation and evapouration on fruit surface.
Drying Technology (25): 1237-1242, 2007
/23/
GRÜNWALD, H.; SCHOLZ, V.; SCHNEIDER, U.; HÜTTL, R.: Baumartenwahl und Erntetechnik als Schlüsselfaktoren beim
Anbau von schnellwachsenden Baumarten auf landwirtschaftlichen Flächen. Forst und Holz 62 (11): 22-26, 2007
/24/
HASSENBERG, K.; IDLER, C.; MOLLOY, E.; GEYER, M.; PLÖCHL, M.; BARNES, J.: Use of ozone in a lettuce-washing
process: an industrial trial. Journal of the Science of Food and Agriculture 87: 914-919, 2007
/25/
HOFFMANN, T.; MALÝ, P.; FÜRLL, C.: Soil Spread in Potato Storage Boxes Filled on the Potato Harvester. Agricultural Engineering International the CIGR Ejournal 9: 1-12. Online unter URL: <http://cigrejournal.tamu.edu/submissions/volume9/FP%2006%20015%20Hoffmann%20final%2020May2007.pdf>, 2007
/26/
HOFFMANN, T.; MALÝ, P.; FÜRLL, C.: Ventilation of Potatoes in storage Boxes. Agricultural Engineering International
the CIGR Ejournal 9: 1-20. Online unter URL: <http://cigrejournal.tamu.edu/submissions/volume9/FP%2006%20014%20Hoffmann%20final%2020May2007.pdf>, 2007
/27/
IDLER, C.; PECENKA, R.: Ensiling a new practics for the preservation of hemp. Agricultural Engineering, Research
papers 39 (1): 40-48, 2007
/28/
JAKOB, M.; GEYER, M.: 3-D-motion analysis as a tool for objective evaluation of manual work processes. European
Journal of Horticultural Science 72 (1): 2-7, 2007
/29/
JAKOB, M.; GEYER, M.: Body posture analysis during visual control of fruit and vegetables at different directions and
speeds of conveyor belt transport. Agrartechnische Forschung (Agricultural Engineering Research) 13 (5): 182190, 2007
/30/
JAKOB, M.; ROSE, S.; BRUNSCH, R.: Einfluss der Melkstandausstattung auf die Arbeitsbelastung des Melkers. Zeitschrift für Arbeitswissenschaft 61 (3): 173-181, 2007
/31/
KLOCKE, M.; MÄHNERT, P.; MUNDT, K.; SOUIDI, K.; LINKE, B.: Microbial community analysis of a biogas-producing
completely stirred tank reactor fed continuously with fodder beet silage as mono-substrate. Systematic and
Applied Microbiology 30 (2): 139-151, 2007
/32/
KREHL, I.; STRABEL, D.; BRUNSCH, R.: Die Merkmale Na+, K+, Cl-, Leitfähigkeit und pH-Wert im Vorgemelk gesunder und kranker Euterviertel von Milchkühen. Agrartechnische Forschung (Agricultural Engineering Research) 13
(6): 191-196, 2007
/33/
MELLMANN, J.; RICHTER, I.; MALTRY, W.: Experiments on hot-air drying of wheat in a semi-technical mixed-flow
dryer. Drying Technology (25): 1287-1295, 2007
78
/34/
MÉSZAROS, C.; BÁLINT, Á.; KIRCHNER, I.; GOTTSCHALK, K.; FARKAS, I.: Mathematical modeling of drying processes using methods of the nonequilibrium thermodynamics and percolation theory. Drying Technology (25): 1297-1304,
2007
/35/
MURACH, D.; KINDERMANN, C.; HIRSCHL, B.; ARETZ, A.; SCHNEIDER, B.; GRÜNEWALD, H.; SCHULTZE, B.; QUINKENSTEIN,
A.; BILKE, G.; MUCHIN, A.; EBERTS, J.; GRUNDMANN, P.; JOCHHEIM, H.; SCHERZER, J.; HAGEMANN, H.: Zukunftsrohstoff
Dendromasse - Hintergrund und erste Ergebnisse des Verbundforschungsprojekts DENDROM. Forstarchiv 78:
88-94, 2007
/36/
OESTERHELT, C.; KLOCKE, S.; HOLTGREFE, S.; LINKE, V.; WEBER, A.; SCHEIBE, R.: Redox regulation of chloroplast enzymes in Galdieria sulphuraria in view of eukaryotic evolution. Plant and Cell Physiology 48 (9): 1359-1373, 2007
/37/
PECENKA, R.; IDLER, C.; GRUNDMANN, P.; FÜRLL, C.; GUSOVIUS, H.: Tube ensiling of hemp - Initial practical experience. Agrartechnische Forschung (Agricultural Engineering Research) 13 (1): 15-26, 2007
/38/
PROCHNOW, A.; HEIERMANN, M.; DRENCKHAHN, A.; SCHELLE, H.: Jahresverlauf der Biomethanisierung von Landschaftspflegeaufwuchs. Naturschutz und Landschaftsplanung 39 (1): 19-24, 2007
/39/
QING, Z.; JI, B.; ZUDE, M.: Predicting soluble solid content and firmness in apple fruit by means of laser light backscattering image analysis. Journal of Food Engineering 82: 58-67, 2007
/40/
QING, Z.; JI, B.; ZUDE, M.: Wavelengths selection for predicting physico-chemical apple fruit properties based on
near infrared spectroscopy. Journal of Food Quality 30: 511-526, 2007
/41/
SCHMERSAHL, R.; MUMME, J.; SCHOLZ, V.: Farm-based biogas production, and use in Polymer Electrolyte Membrane
(PEM) Fuel Cells. I&EC Industrial & Engineering Chemistry Research 46 (26): 8946-8950, 2007
/42/
SCHOLZ, V.; IDLER, C.: Environment-friendly storage of energy chips from short rotation coppice. Acta Technica
Napocensis - Series: Applied Mathematics and Mechanics 50 (V): 311-314, 2007
/43/
SCHOLZ, V.; NOGUEIRA DA SILVA, J.: Castor oil as fuel: facts, perspectives and risks. Revista Engenharia na Agricultura 2 (15): 168-172, 2007
/44/
SOUIDI, K.; MUMME, J.; MUNDT, K.; NETTMANN, E.; BERGMANN, I.; LINKE, B.; KLOCKE, M.: Microbial diversity in a biogas-producing co-fermentation of maize silage and bovine manure. Agrartechnische Forschung (Agricultural Engineering Research) 13 (6): 197-206, 2007
/45/
SPIJKERMAN, E.; BARUA, D.; GERLOFF-ELIAS, A.; KERN, J.; GAEDKE, U.; HECKATHORN: Stress responses and metal tolerance of Chlamydomonas acidophila in metal-enriched lake water and artifical medium. Extremophiles 11: 551562, 2007
/46/
THÖLE, H.; RICHTER, C.; KROSCHEWSKI, B.; EHLERT, D.: Analysis of site-specific N-fertilization on-farm trials in cereals under assumption of spatial covariance structures. Agrartechnische Forschung (Agricultural Engineering Research) 13 (6): 207-213, 2007
/47/
VEGRICHT, J.; MACHALEK, A.; AMBROZ, P.; BREHME, U.; ROSE, S.: Milking-related changes of teat temperature caused
by various milking machines. Research in Agricultural Engineering 53 (4): 121-125, 2007
/48/
VENUS, J.; RICHTER: Development of a pilot plant facility for the conversion of renewables in biotechnological process. Engineering in Life Sciences 7 (4): 395-402, 2007
/49/
ZUDE, M.; BIRLOUEZ, I.; PASCHOLD, J.; RUTLEDGE, D.: Nondestructive spectral-optical sensing of carrot quality during
storage. Postharvest Biology and Technology 45 (1): 30-37, 2007
b)
nicht referiert
/50/
ADAM, L.; EBEL, G.; HEIERMANN, M.: Rohstoffe für die Biogasanlage. Neue Landwirtschaft (6): 64-66, 2007
/51/
BERG, W.; LATSCH, R.; PROCHNOW, A.: Maschinenketten für die Grobfutterernte. Neue Landwirtschaft Russisch
(Sonderheft Grünfutter) 2: 18-22, 2007
/52/
BREHME, U.: Fruchtbarkeitsmanagement in Hochleistungsherden. Neue Landwirtschaft Russisch 2 (5): 116-118,
2007
/53/
BREHME, U.; ROSE, S.: Auswirkungen unterschiedlicher Bewegungs- und Platzangebote auf das Bewegungsverhalten von Hengsten. Landtechnik (6): 408-409, 2007
/54/
BREHME, U.; RUDOVSKY, H.; AMMON, C.; STOLLBERG, U.; SPILKE, J.: Brunsterkennung mit ALT-Pedometern unter
Feldbedingungen. Landtechnik 62 (5): 342-343, 2007
79
/55/
BRUNSCH, R.; MODEL, A.; SCHERPING, E.; BERG, W.: Einfluss von Einstreumaterial und -aufbereitung auf NH3- und
Spurengasflüsse aus der Hühnerhaltung. The influence of litter material and processing on NH3 and trace gas
emissions from layer hen husbandry. Landtechnik 62 (2): 100-101, 2007
/56/
DOMSCH, H.; HEISIG, M.; WITZKE, K.; ZAUER, O.: Generieren von Ertragskarten aus Luftbildern. Landtechnik 62 (3):
154-155, 2007
/57/
EHLERT, D.; ADAMEK, R.: Einsatzpotenzial von Laser-Abstandssensoren im Pflanzenbau. Landtechnik 62 (1): 2223, 2007
/58/
FÜRLL, C.: Einaxiale Verdichtungsversuche für landwirtschaftliche Stoffe. Landtechnik 62 (3): 148-149, 2007
/59/
GEBBERS, R.; LÜCK: Der OhmMapper - Geoelektikkartierung mit kapazitiver Ankopplung. Landtechnik 62 (2): 8283, 2007
/60/
GEYER, M.; SCHLÜTER, O.; VON HASELBERG, C.: ProSenso.net.2 - Erschließung von Nachhaltigkeitspotenzialen
durch Nutzung innovativer Sensortechnologien und ganzheitlicher Bewertungsmodelle in der Produktionskette
von pflanzlichen Lebensmitteln. Landtechnik 62 (1): 32-33, 2007
/61/
GEYER, S.; HOFFMANN, T.; JACOBS, A.: Defects on display - Die Schäden vor Augen. The Clipper The Journal for
the International Trade in Processed Food, Dried Fruit and Nuts (1): 32-36, 2007
/62/
GEYER, S.; HOFFMANN, T.; JACOBS, A.: EG-Vermarktungsnorm für Kulturchampignons - ELSKA im Heft Nr. 61 hilft
bei der richtigen Auslegung der Qualitätsvorschriften und -kriterien. Der Champignon (4): 14-16, 2007
/63/
GLÄSER, M.; JAHNKE, W.; PÜTZ, M.; MUMME: Zerstörungsfreie radiometrische Bestimmung des Dichteverlaufs an
Rund- und Quaderballen. Landtechnik 62 (3): 146-147, 2007
/64/
GOTTSCHALK, K.: Abtrocknen von Kartoffeln. Kartoffeltrends 2007: 31-33, 2007
/65/
GOTTSCHALK, K.: Modellrechnungen zu Luftströmungen in Kartoffellagern. Kartoffeltrends 2007: 34-37, 2007
/66/
GOTTSCHALK, K.; GEYER, S.: Infrarot-Thermographie bei der Kartoffellagerung. Kartoffelbau 58 (9): 391-396, 2007
/67/
HEIERMANN, M.; LINKE, B.; LOOCK, R.; KESSLER: Biogas aus NaWaRos durch Trockenfermentation. Biogas from renewable resources through dry anaerobic digestion. Landtechnik 62 (1): 14-15, 2007
/68/
HERPPICH, W.; HEROLD, B.; SCHLÜTER, O.; GEYER, M.: Physiologische Einflüsse auf das Schneidverhalten von Radieschen. Landtechnik 62 (3): 158-159, 2007
/69/
KÖHLER, S.; WENDT, K.; BRUNSCH, R.; BREHME, U.; ROSE, S.: Kühe mit Blockade. Bauernzeitung 48 (5): 42-43, 2007
/70/
LINKE, M.; BUTENUTH, K.; SCHLÜTER, O.: Qualitätssicherung von Obst und Gemüse mit Etikettensensoren. Fachzeitschrift für die gesamte Frische- und Lebensmittel-Logistik und benachbarte Gebiete (ZGFLL) 1 (4). Online unter URL: <http://www.wwp-verlag.de/>, 11 S., 2007
/71/
LINKE, M.; GEYER, M.: Kontrolle des Nachernteverhaltens von Obst und Gemüse mit Verdunstungsmesszellen.
Monitoring the postharvest behaviour of fruit and vegetables by means of atmospheric evaporation devices.
Landtechnik 62 (3): 156-157, Online unter URL: <http://ltnet.lv-h.de/>, 2007
/72/
MÄHNERT, P.; LINKE, B.; VOLLMER, G.: Eine Gleichung für die Biogasausbeute. Erneuerbare Energien 17 (6): 78-81,
2007
/73/
MELLMANN, J.; SCHEMEL, H.; FÜRLL, C.; HÖHN, I.; WIESMÜLLER, T.: Qualitätssicherung in GrünfutterTrocknungsanlagen mit Festbrennstoffbeheizung. Landtechnik 62 (2): 86-87, 2007
/74/
MÖLLER, B.; MÜLLER, H.; GLÄSER, M.: Quantitative Erfassung von Raumluftströmungen in frei gelüfteten Ställen.
Landtechnik 62 (4): 234-235, 2007
/75/
MÜLLER, H.; VENZLAFF, F.: Untersuchung einer Unterflurzuluftführung in der Schweinemast. Landtechnik 62 (4):
226-227, 2007
/76/
MUMME, J.; LINKE, B.; BEYROW, V.: Zweistufiges Verfahren bringt mehr Gas. Neue Landwirtschaft (8): 78-80, 2007
/77/
MUMME, J.; LINKE, B.; TENNEMANN, S.: Magnete halten Mikroorganismen im Fermenter. Neue Landwirtschaft (11):
96-98, 2007
80
/78/
PLÖCHL, M.: Tipps zum effizienteren Anlagenbetrieb (Für die optimale Steuerung der Fermentation ist es nicht nur
wichtig, die entscheidenden Prozessparameter zu kennen, sondern auch die richtigen Rahmenbedingungen für
diese zu schaffen). Bauernzeitung 48 (21): 27-29, 2007
/79/
PROCHNOW, A.; HEIERMANN, M.; DRENCKHAHN, A.; SCHELLE, H.: Niedriges Niveau - Gasausbeuten von Landschaftspflegeaufwuchs. Neue Landwirtschaft (3): 84-86, 2007
/80/
ROSE, S.; BRUNSCH, R.: Perspektive im Melkstand. Fleckvieh 14 (1): 49, 2007
/81/
ROSE, S.; BRUNSCH, R.: Viertelindividuelles Melken in konventionellen Melksystemen. Single tube guiding in conventional milking systems. Landtechnik 62 (3): 170-171, 2007
/82/
ROSE, S.; JAKOB, M.; BRUNSCH, R.: Euterschonende Melktechnik entlastet Tier und Mensch. Forschungsreport (35):
40-42, 2007
/83/
RUS, C.; KRAATZ, S.; BERG, W.; BRUNSCH, R.: Energiebedarf für die Milchproduktion - Bewertung in Abhängigkeit
von der Nutzungsintensität. Energy requirements for milk production - Assessing the dependency on yield intensity. Landtechnik 62 (3): 168-169, 2007
/84/
SCHNEIDER, J.; GROßER, V.; SCHMIDT, H.; SCHWÄGELE, F.; SCHLÜTER, O.: Daten direkt am Fleisch erfassen. Fleischwirtschaft 87 (4): 156-159, 2007
/85/
SCHOLZ, V.: Damit die Bäume nicht in den Himmel wachsen. Landwirtschaftliches Wochenblatt Westfalen-Lippe
(34): 39-40, 2007
/86/
SCHOLZ, V.: Erntemaschinen für schnellwachsende Hölzer - Viele Entwicklungsansätze, aber kaum gesicherte Ergebnisse. Forstmaschinen-Profi 15 (3): 20-22, 2007
/87/
SCHOLZ, V.: Mechanisierungslösungen für die Ernte von schnellwachsenden Baumarten. energiepflanzen (1): 810, 2007
/88/
SCHOLZ, V.; BOELCKE, B.; BURGER, F.; HOFMANN, M.; VETTER, A.: Biomasse von sandigen BödenEnergieholzproduktion in der Landwirtschaft. Neue Landwirtschaft (4): 68-73, 2007
/89/
SCHOLZ, V.; LÜCKE, W.: Stand der Feldholz-Erntetechnik. Landtechnik 62 (4): 222-223, 2007
/90/
SCHOLZ, V.; SCHMERSAHL, R.; ELLNER, J.: Fuel cells - A new CHP technology for biogas. Naukovij wisnik 107: 8595, 2007
/91/
SCHOLZ, V.; SILVA, DA, N.: Óleo de Mamona Como Combustível Fatos, Perspectivas e Riscos (Rizinusöl als
Kraftstoff - Fakten, Perspektiven und Risiken). Engenharia na Agricultura 15 (2): 168-172, 2007
/92/
VENUS, J.: Pilotanlage zur biotechnologischen Verwertung von Agrarrohstoffen. forum.new power (3): 32-33, 2007
/93/
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2
Veröffentlichungen des Instituts
Publications of the Institute
Zeitschrift „Agrartechnische Forschung / Agricultural Engineering Research“
(ISSN 0948-7298)
Bornimer Agrartechnische Berichte
(ISSN 0947-7314)
Jahresbericht des ATB
IV Zahlen und Fakten
90
IV
International bestehen Kooperationsbeziehungen zu 23
universitären und 13 außeruniversitären Einrichtungen,
u. a. mit der China Agricultural University, Beijing, der Universitá degli studi di Bologna, Italien, und der Katholieke
Universiteit Leuven, Belgien.
Zahlen und Fakten
Facts and Figures
Haushalt, Finanzen und Personal
Budget, Finances and Staff
Das Institut erhält auf der Grundlage einer Verwaltungsvereinbarung zwischen Bundesrepublik Deutschland und
dem Land Brandenburg, jeweils vertreten durch den
Bundesminister für Ernährung, Landwirtschaft und
Verbraucherschutz bzw. den Minister für Ländliche Entwicklung, Umwelt und Verbraucherschutz, von diesen institutionelle Zuwendungen zu gleichen Teilen.
Im Jahr 2007 betrug die institutionelle Zuwendung
6,663 Mio. Euro. Zudem wurden 2,374 Mio. Euro Projektmittel eingenommen und in 40 Drittmittelprojekten
verwaltet (Abb.1).
Im Jahr 2007 waren im Institut durchschnittlich 168 Beschäftigte tätig. Der Stellenplan für das Jahr 2007 beinhaltete 112,5 planmäßige Beschäftigte, davon 35,5
Wissenschaftler.
Aus Drittmitteln konnten 55,5 Beschäftigte, davon 36,5
Wissenschaftler, finanziert werden.
36.800 31.400
165.841
372.138
EU
Mitarbeit in Verbundprojekten, Netzwerken,
und Kompetenzzentren
Participation in Integrated Projects, Networks
and Centres of Excellence
EU-Network of Excellence „General Olfaction and Sensing Projects on a European level" (GOSPEL)
Koordination: Universität Tübingen
EU-Netzwerk „Baltic Biomass Network" (BBN)
Koordination: ETI, Potsdam
EU-Netzwerk „Ecological Aspects of Denitrification with
Emphasis on Agriculture" (Denitrifikation)
Koordination: Universität zu Köln
EU-Projekt „European biogas initiative to improve the
yield of agricultural biogas plants" (EU-AGRO-BIOGAS)
Koordination: Universität für Bodenkultur Wien
DFG
106.682
33.000
BMBF
BMELV
AiF
Industrie
Stiftung
720.321
908.216
Sonstiges
Abb. 1: 2007 eingeworbene Projektmittel nach Drittmittelgebern (in Euro).
Fig. 1: Amount of thirt party funding (in Euro) in 2007 by
funding agencies.
Wissenschaftliche Zusammenarbeit
Scientific Collaboration
Kooperationen
Das ATB arbeitet sehr eng mit Industrie und Wirtschaft
zusammen, allein in Deutschland mit 59 Unternehmen,
26 Landwirtschaftsbetrieben sowie 26 staatlichen Einrichtungen und Verbänden. International bestehen Kooperationsbeziehungen zu 10 Unternehmen bzw. staatlichen Einrichtungen in 7 Ländern.
Cooperation
Das ATB unterhält Kooperationen mit 38 universitären
und 35 außeruniversitären Einrichtungen in Deutschland,
u. a. mit der HU Berlin, der Universität Potsdam, der
BTU Cottbus sowie der Bundesforschungsanstalt für
Landwirtschaft Braunschweig (FAL), dem FerdinandBraun-Institut für Höchstfrequenztechnik Berlin (FBH)
und dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP), Golm.
EU-Projekt „Integrating Safety and Environmental
Knowledge In Food towards European Sustainable Development" (ISEKI_Food 2)
Koordination: Catholic University of Portugal
EU-Projekt „Integrating Safety and Environment Knowledge In World Food Studies" (ISEKI_Mundus)
Koordination: Catholic University of Portugal
EU-Projekt INTERREG IIIC „Management of wood ressources from alley-cropping systems - a potential source
for economically viable and ecologically sound energy
production in rural areas." (Robinwood / DENDROVITA)
Koordination: Regionalverwaltung Ligurien
LEADER+ Projekt „Erstellung eines Fachinformationssystems Biomasse-Infrastruktur in der Modellregion Naturpark Westhavelland" (FIS BIOINFRA)
Koordination: LAG Westhavelland, Neustadt Dosse
Marie Curie EU-Netzwerk „Modern Agriculture in Central
and Eastern Europe: Tools for the Analysis and Management of Rural Change" (MACE)
Koordination: Humboldt-Universität zu Berlin
Netzwerk „European Large Scale Infrastructure" (Centre
for Ultrafast Science and Biomedical Optics CUSBO)
Koordination: Politecnico di Milano, Italien
Netzwerk "Central and Eastern European Institutes of
Agricultural Engineering” (CEEAgEng)
Koordination Deutschland: ATB
Europäisches Netzwerk „Eliminating Agricultural Risks to
Health and Environment" (Agrorisks)
Koordination: Agriculture University Wroclaw, Polen
Netzwerk / Forschungsplattform „Ländliche Räume Berlin Brandenburg" (FP BB)
Koordination turnusgemäß wechselnd
KompetenzZentrum für Gartenbau
Koordination: Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau
Großbeeren/Erfurt IGZ
„Brandenburger ErnährungsNetzwerk zur Stärkung der
Nahrungsmittelwirtschaft in der Hauptstadtregion“ (BEN)
INNOPUNKT-Projekt gefördert durch Ministerium für Arbeit, Soziales, Gesundheit und Familie des Landes
Brandenburg
Koordination: IHK Potsdam
91
BMELV/FNR-gefördertes Projekt „Wissenschaftliche Begleitung - Pilotanlage mit Wannenreaktoren zur Biogasgewinnung aus organischen Feststoffen"
Koordination: ATB
BMELV/FNR-gefördertes Projekt „Nutzung von Biomasseaschen für die Phosphor-Versorgung im Pflanzenbau"
Koordination: Universität Rostock
BMELV/FNR-gefördertes Verbundvorhaben „Optimierung von Trocknungsverfahren für Arznei- und Gewürzpflanzen hinsichtlich Energieeinsatz, Wirtschaftlichkeit
und Produktqualität"
Koordination: ATB
BMWi/Aif-gefördertes NEMO-Netzwerk „Entwicklung von
Mikrosystemtechnik für Innovative Lebensmittelerzeugung" (EMiL)
Koordination: Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik, Berlin-Adlershof
BMELV/FNR-gefördertes Projekt „Charakterisierung der
mikrobiellen Diversität in Biogasreaktoren bei semikontinuierlicher Beschickung mit pflanzlicher Biomasse und
Gülle in unterschiedlichen Belastungsstufen"
Koordination: ATB
BMWi/Aif-gefördertes NEMO-Netzwerk „Art-Fuel Brandenburg" (Strategische Partnerschaft)
Koordination: T+I Technologie- und Innovations Consult
GmbH, Potsdam
BMELV/FNR-gefördertes Verbundprojekt „Wissenschaftlich-technische Vorstudie zu notwendigen Voraussetzungen und Rahmenbedingungen der Anlagenindustrialisierung“
Koordination: ATB
Länderübergreifende Zukunftsinitiative „Biomassebasierte Stoffproduktion Deutschland Ost"
Koordination wechselnd
Innovationsforum „Bioraffinerien und Biobasierte Industrielle Produkte" (Bioraffinerie-Verbund Mitte-Ost)
Koordination: Forschungsinstitut bioaktive Polymersysteme e.V. BIOPOS, Teltow
Verbundprojekt „Biomasse für SunFuel"
Förderung: Volkswagen AG (VW), Landwirtschaftsministerien der Länder Niedersachsen und Brandenburg
Koordination: Volkswagen AG, Wolfsburg
BMELV/FNR-gefördertes Verbundprojekt „Bundesmessprogramm zur Bewertung neuartiger BiomasseBiogasanlagen"
Koordination: Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) Braunschweig
BMELV/FNR-gefördertes Verbundprojekt „Dynamische
Regelung von Prozessen zur Vergärung nachwachsender Rohstoffe unter Verwendung eines Propionsäure erkennenden Gas-Sensor-Arrays"
Koordination: ATB
BMELV/FNR-gefördertes Verbundprojekt „Entwicklung,
Erprobung und Demonstration neuer Logistikkonzepte
für Biobrennstoffe" (BioLog)
Koordination: Clausthaler Umwelttechnik-Institut
CUTEC, Clausthal-Zellerfeld
BMELV/FNR-gefördertes Verbundvorhaben „Entwicklung und Vergleich von optimierten Anbausystemen für
die landwirtschaftliche Produktion von Energiepflanzen
unter den verschiedenen Standortbedingungen Deutschlands" (EVA)
Koordination: Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft, Clausberg
BMELV/FNR-gefördertes Projekt „Monitoring der methanbildenden Mikroflora in Praxis-Biogasanlagen im
ländlichen Raum: Analyse des Ist-Zustandes und Entwicklung eines quantitativen Nachweissystems"
Koordination: ATB
BLE-gefördertes Projekt „Praktische Erprobung und Einführung von sensorgestützten Verfahren der Düngung
und des Pflanzenschutzes zur Verbesserung von Umweltverträglichkeit, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit
in der Getreide- und Grünfutterproduktion"
Koordination: ATB
BMBF/PtJ-gefördertes Verbundprojekt „Erschließung
von Nachhaltigkeitspotentialen durch Nutzung innovativer Sensortechnologien und ganzheitlicher Bewertungsmodelle in der Produktionskette von pflanzlichen
Lebensmitteln" (PSn2)
Gesamtkoordination 7 Teilprojekte: ATB
BMBF/PtJ-gefördertes Verbundprojekt „PreAgro II. Teilprojekt: Grundlagen zum Pflanzenschutz im Precision
Farming" (PreAgro II)
Koordination: Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung e.V. (ZALF), Müncheberg
BMBF-gefördertes Verbundprojekt „Anbau, Ernte und
Verwertung schnellwachsender Baumarten auf landwirtschaftlichen Flächen" (AGROWOOD)
Koordination: Technische Universität Dresden
BMBF-gefördertes Verbundprojekt „Systematische Analyse, Leitbilder und Szenarien für die nachhaltige energetische und stoffliche Verwendung von Dendromasse
aus Wald- und Feldgehölzen - Betriebliche und regionale
Entscheidungsmodelle zur Dendromasse-Produktion“
(DENDROM)
Koordination: Fachhochschule Eberswalde
BMBF/DLR-gefördertes Verbundprojekt „Entwicklung der
Biodiversität in Bergbaufolgelandschaften im Gefüge von
Ökologie, Ökonomie und Soziologie, Teilprojekt Sozioökonomie" (SUBICON)
Koordination: Brandenburgische Technische Universität
Cottbus
BMBF/PtJ-gefördertes Verbundprojekt „Grundlagen der
Biogasgewinnung aus pflanzlicher Biomasse" (BiogasCrops-Network BCN)
Koordination: Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte an der HU zu Berlin des Vereins zur Förderung
agrar- und stadtökologischer Projekte e.V., Berlin
92
BMWi/AiF-gefördertes Verbundprojekt „Experimentelle
Arbeit zur Erfassung physikalischer Produkteigenschaften und Modellierung der Fruchtreife" (FRUTA)
Koordination: ATB
Nachwuchsförderung
BMWi/AiF-gefördertes Verbundprojekt „Mikrotechnisches
Bewertungssystem zur produktschonenden Gestaltung
der Ernte- und Nachernteverfahren für Kartoffeln, Gemüse und Obst" (MIKRAS)
Koordination: ESYS GmbH, Berlin
Lehrtätigkeit
BMWi-gefördertes Verbundprojekt „Erzeugung von
Süsskirschen in Premiumqualität durch ein nachhaltiges,
haltbarkeitsverängerndes Verfahren"
Koordination: Institut für Getreideverarbeitung IGV,
Bergholz-Rehrbücke
BMWi/AiF-gefördertes ProInno II Projekt „Untersuchungen zu Strömungsverlusten und Wirkungsgraden von
Prototypen und neuen Verfahren betriebssicherer Pumpund Abscheidetechnik für hochviskose, fremdkörperbelastete Suspensionen"
Koordination: ATB
BMWi/AiF-gefördertes ProInno II Projekt „OnlineDichtemessung in Horizontalsilos"
Koordination: ATB
BMWi/AiF-gefördertes ProInno II Projekt „Wissenschaftliche Grundlagen für Entwicklung und Erprobung einer
Getreidezerkleinerungsmaschine"
Koordination: ATB
DFG-gefördertes Verbundprojekt „Highly Efficient Sensors for Perishable fruit products to Evaluate the Role
and Impact of technologies on nutritional Damage and
Elaborate optimising Strategies" (HESPERIDES)
Koordination: ATB
DBU-gefördertes Verbundprojekt „Ökologische Optimierung der Produktion und energetischen Nutzung von
Biomasse - Natur- und raumverträglicher Ausbau energetischer Biomassepfade" (SUNREG2)
Koordination: Universität Hannover
DBU-gefördertes Projekt „Ermittlung der Energieeffizienz
in der Tierhaltung auf der Grundlage von Energiebilanzen"
Koordination: Humboldt-Universität zu Berlin
DBU-gefördertes Verbundprojekt „Teilflächenspezifische
Grunddüngung"
Koordination: ATB
Promotion of Young Scientists
Teaching
18 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts nahmen regelmäßig Lehraufgaben an 8 Universitäten und Fachhochschulen wahr. Schwerpunkte der
Lehraktivitäten lagen traditionsgemäß bei der BTU Cottbus, der HU Berlin und der Universität Rostock. Hinzu
kamen Gastvorlesungen an Universitäten im In- und
Ausland, u. a. an der Szent Istvan Universität Gödöllö
(SZIE), Ungarn, und der Universidad Politecnica Madrid
(UPM), Spanien.
Dissertationen
Dissertations
MÄHNERT, PIA
Kinetik der Biogasgewinnung bei kontinuierlicher Nassvergärung
Humboldt-Universität zu Berlin, 07/2007
QING, ZHAOSHEN
Entwicklung eines halb-automatischen optischen Prüfplatzes zur Erkennung von internen Gewebeschädigungen bei frischen Früchten (06/2007)
China Agricultural University (CAU), Volksrep. China
Weitere 43 Doktoranden aus 9 Nationen wurden 2007
mit ihren laufenden Arbeiten am ATB betreut.
Darüberhinaus wurden 2007 am ATB insgesamt 20 Graduierungsarbeiten (13 Diplom, 3 M.Sc., 3 B.Sc. und 1
Staatsexamen) erfolgreich abgeschlossen, 36 Praktikanten von Hochschulen aus 5 Ländern sowie 10 Schülerpraktikanten betreut.
Weiterbildung, Kurse
Workshops, Training Courses
Vom 05. bis 07.09.2007 fand am ATB die 2. Doktoranden-Werkstatt der Leibniz-Gemeinschaft statt. Die Doktoranden-Werkstatt versteht sich als eine Plattform für
den Erfahrungs- und Informationsaustausch in der Sektion Umweltwissenschaften der Leibniz-Gemeinschaft.
Verbundprojekt „Innovative Konzepte zur prozessbegleitenden Charakterisierung von Lebensmitteln auf Basis
mikrosystemtechnischer Detektorvarianten“ (FreshScan)
Förderung: VDI/VDE Innovation + Technik GmbH, Mikrosystemtechnik 2000+
Koordination: Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und
Mikrointegration, Berlin
Verbundprojekt „Entwicklung einer effizienten umweltgerechten Technologie zur Reduzierung von Emissionen
bei der Lagerung von biologischen Nährlösungen"
Förderung: ZukunftsAgenturBrandenburg (ZAB)
Koordination: Waterman GmbH, Ahrendsfelde
In der abschließenden Diskussionsrunde nahm Prof.
Rietschel, Präsident der Leibniz-Gemeinschaft (Bild Mitte), Stellung zu aktuellen Fragen der Nachwuchsförderung, sowie zu Chancengleichheit und Arbeitsmarktsituation in Forschung und Wissenschaft.
Vom 19.-23.11.2007 veranstaltete das ATB im Rahmen
des EU Marie Curie Projekts MACE den Training Course II
"Agricultural technologies for sustainable and efficient production, processing, and use of biomass". 20 Nachwuchswissenschaftler aus 8 Nationen nutzten die Gelegenheit, sich in den Laboren und Forschungshallen des
ATB (Bild unten) rund um das Thema Biomasseerzeugung und -nutzung zu informieren.
93
DIPL.-ING. MBA CRISTINA G. RUS, SIMONE KRAATZ, M.SC.,
PROF. DR. REINER BRUNSCH UND DR.-ING. WERNER BERG
Poster Award für Beitrag "Energieaufwand in der Milchproduktion" anlässlich der „8. Internationalen Tagung
Bau, Technik und Umwelt in der landwirtschaftlichen
Nutztierhaltung“
Verliehen von: Max-Eyth-Gesellschaft Agrartechnik im
Verein Deutscher Ingenieure (VDI/MEG)
Bonn, 09.10.2007
Wissenstransfer
Transfer of Scientific Knowledge
Mitarbeit in Wissenschaftlichen Gremien und Gutachtertätigkeiten
Collaboration in Scientific
Committees and Boards, Appointed Experts
Preise und Auszeichnungen
Awards and Honors
Dr. Jakob, Martina
Ludwig-Wilhelm-Ries-Preis für ihre Dissertation "Bewertung von Arbeitsprozessen im Gartenbau mit Hilfe der
dreidimensionalen Bewegungsanalyse"
Verliehen von: Max-Eyth-Gesellschaft Agrartechnik im
Verein Deutscher Ingenieure (VDI/MEG)
Wien, 05.03.2007
31 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des ATB
wirkten aktiv in mehr als 90 nationalen und 30 internationalen Fachgremien mit, z. B. in 14 Arbeitsgruppen bzw.
Fachausschüssen des Kuratoriums für Technik und
Bauwesen in der Landwirtschaft e.V. (KTBL), 10 Arbeitsgruppen der Deutschen Landwirtschafts-Gesellschaft e.V. (DLG) sowie 12 des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI).
Forschungsaufenthalte und Konferenzteilnahmen
Research Visits, Participation in Meetings and Conferences
Die Teilnahme an nationalen und internationalen Konferenzen mit mehr als 250 Vorträgen und Postern sowie
zahlreiche Gastaufenthalte von ATB-Mitarbeitern an internationalen Forschungseinrichtungen, u. a. in Brasilien,
Italien, Irland und Ungarn, trugen dazu bei, den wissenschaftlichen Austausch zu intensivieren.
14 Gastwissenschaftler aus 10 Ländern (u. a. Korea,
China, Bangladesh, Nigeria und Syrien) nutzen die Gelegenheit zu einem Forschungsaufenthalt am ATB.
Die Preisträgerin (2. v. li) mit Prof. Josef Boxberger (links)
und Dr. Elisabeth Quendler, BOKU Wien, und Dr. Jürgen
Frisch, Vorsitzender des VDI-MEG Arbeitskreises Arbeitswissenschaften im Landbau (rechts)
DIPL.-ING. (BA) CHRISTIANE HERRMANN, DR. MONIKA HEIERMANN, DR. CHRISTINE IDLER UND DR.-ING. VOLKHARD SCHOLZ
Poster Award in der Kategorie 'Biomass Resources' anlässlich der „European Biomass Conference & Exhibition“
Berlin, 11.05.2007
DR.-ING. HANS-JOACHIM MÜLLER
Poster Award (1. Preis) für den Beitrag "Design of a New
Ventilation System for Reduction of Gas Emissions from
Pig Houses” anlässlich der “10th International Conference on Air Distribution in Rooms”
Helsinki 15.06.2007
Wissenschaftliche Workshops und Konferenzen
Scientific Workshops and Conferences
Workshop Methoden in der Futterkonservierung
Potsdam, 31.01.2007 (10 Teilnehmer)
2. Treffen des Projektbegleitenden Ausschusses des
Verbundvorhabens „Standortangepasste Anbausysteme
für Energiepflanzen“ EVA (Mitveranstalter)
13. Workshop Computerbildanalyse in der Landwirtschaft
& 4. Workshop Precision Farming (Mitveranstalter)
Renningen, 15.-16.05.2007 (60 Teilnehmer)
Tagung Energiepflanzen im Aufwind (Mitveranstalter)
Potsdam, 12.-13.06.2007 (220 Teilnehmer)
Experten-Workshop DENDROVITA
94
13. Internationale Fachtagung Energetische Nutzung
nachwachsender Rohstoffe (Mitveranstalter)
Freiberg, 06.-07.09.2007 (150 Teilnehmer)
Workshop 3. BioLog Plenarsitzung
Statusseminar des Verbundprojektes "Erschließung von
Nachhaltigkeitspotenzialen durch Nutzung innovativer
Sensortechnologien und ganzheitlicher Bewertungsmodelle in der Produktionskette von pflanzlichen Lebensmitteln" ProSenso.net2
Workshop zur Begleitforschung des Projektes BioLog
Kolloquien am ATB
Lectures at the ATB
2007 wurden am ATB mehr als 20 Kolloquien durchgeführt, u. a. zu folgenden Themen:
15.01.2007: Anwendungsmöglichkeiten teilflächenspezifischer Aufzeichnung von Qualitätsparametern im Gartenbau
HEROLD, BERND; PFLANZ, MICHAEL; REGEN, CHRISTIAN;
ZUDE, MANUELA (ATB)
19.02.2007: Antragstellung im 7. Forschungsrahmenprogramm der EU
CLAUDIA LABISCH (BRÜSSELBÜRO DER LEIBNIZGEMEINSCHAFT)
02.04.2007: Altes und Neues im Bereich Schutzrechte
und Ausgründungen
VIOLA MUTH (PATENTVERWERTUNGSAGENTUR BRAINSHELL)
23.04.2007: Verbundprojekt ProSenso.net2: Wertschöpfungskette Getreide
GEYER, MARTIN; HEHMKE, MICHAEL; IDLER, CHRISTINE;
JONITZ, ANDREA; KOCSIS, LÁSZLO; MAACK, RENÉ (ATB);
RASCH, CLAUDIA (UNIVERSITÄT POTSDAM)
04.06.2007: Wer macht das Methan im Biogas? - Untersuchungen zur Archaea-Diversität in Biogasanlagen
KLOCKE, MICHAEL (ATB)
18.06.2007: Optimale Rohstoffversorgung einer BtLAnlage
SCHANZ, SASCHA (HUMBOLDT-UNIVERSITÄT ZU BERLIN)
25.06.2007: Regionale Anlaufstelle in Brandenburg zur
Nutzung und Erzeugung von Biokraftstoffen Vorstellung aktueller Aufgaben
LUCKHAUS, CHRISTOPH UND PLÖCHL, MATTHIAS
(B3 - BIOENERGIEBERATUNG BORNIM)
02.07.2007: Verbundprojekt ProSenso.net2:
Wertschöpfungskette Obst, Gemüse, Kartoffeln
MAACK,RENE; BARANYAJ, LASZLO; FRÖHLING, ANDREA;
GERBERT, INKA; HAUSDORF, LENA (ATB); WALTER, ANTJE
(BAM); LANGE, CINDY (BESSY)
10.07.2007: In Search of Silver Bullets: Is there a Role
for Industrialized Country Innovation to Help African Agriculture?
JAMES (JESS) LOWENBERG-DEBOER (PURDUE UNIVERSITY,
USA)
30.07.2007: Technologieplattformen im 7. EUForschungsrahmenprogramm - Strategien, Arbeitsgruppen, Akteure
VON HASELBERG, CHRISTIANE (ATB)
27.08.2007: Use of residues of the olive mill industry for
bioenergy production - Agricultural Engineering and related research at Damascus University, Syria
RAFAT AL AFIF (DAMASCUS UNIVERSITY, SYRIA)
17.09.2007: Schwarzfleckigkeit der Kartoffel - Prognose
des Schädigungsrisikos durch mechanische Belastung
im Nachernteprozess unter Verwendung eines mikrotechnischen Beschleunigungssensors
KÖNIG, CLAUDIA; PRAEGER, ULRIKE (ATB)
24.09.2007: Wertschöpfungsketten und regionale Wirtschaftskreisläufe: regionalwirtschaftliche Wirkungen dezentraler Wertschöpfungsketten der Bioenergie
GRUNDMANN, PHILIPP (ATB), KIMMICH, CHRISTIAN (HU
BERLIN)
01.10.2007: Mikrowellensensorik zur InlineTrockensubstanzbestimmung am Biogasfermenter IMPSPEC - Breitband-Prozessmesstechnik für die
Mikrowellensensorik und Impedanzspektroskopie
NACKE, THOMAS (IBA INSTITUT FÜR BIOPROZESS UND
ANALYSENMESSTECHNIK E.V.)
08.10.2007: Vorstellung des EU-Projektes EUAGROBIOGAS "European Biogas Initiative to improve
the yield of agricultural biogas plants"
BUDDE, JÖRN; HEIERMANN, MONIKA; PLÖCHL, MATTHIAS;
SUÁREZ, TERESA (ATB)
12.10.2007: Investigation of environmental welfare of
livestock and poultry in China under intensive rearing
condition
GENG, AILIAN (CHINA AGRICULTURAL UNIVERSITY CAU
PEKING)
22.10.2007: The influence of livestock building and the
ventilation system on the inside climate and emissions
KIWAN, ALAA (ATB)
12.11.2007: Untersuchung der atmosphärischen Ausbreitungsbedingungen für Ammoniak in der Umgebung
einer Mastgeflügelanlage in Storkow
VON BOBRUTZKI, KRISTINA (ATB)
26.11.2007: Potential availability of energetically usable
crop residues in Nigeria
JEKAYINFA, SIMEON (LADOKE AKINTOLA UNIVERSITY OF
TECHNOLOGY, NIGERIA)
17.12.2007: Nicht-invasive Bestimmung der Fleischbeschaffenheit mit optischen Methoden
GRZEGORZEWSKI, FRANZISKA; SCHNEIDER, JULIA (ATB)
Technologietransfer
Transfer of Technology
Patente und Lizenzen
Patents and Licences
o Messsystem mit nicht-invasivem optischen Sensor zur
Erkennung der Stressreaktion von Pflanzen des urbanen und Produktionsgartenbaus bei Sauerstoffmangel
im Wurzelbereich (DE)
o Anordnung von Lasersensoren auf Landmaschinen (EP)
o Verfahren und Vorrichtung zur Biogasgewinnung (DE)
sowie 82 Nutzerlizenzen für die am ATB entwickelten
Softwarepakete zur Qualitätskontrolle bei Obst und Gemüse, MELDOK und ELSKA.
Beratung
Consultancy
95
08.-10.02.2007
Zur Fruitlogistica Berlin stellte das ATB die weiterentwickelte Version des Elektronischen Schadbildkatalogs
ELSKA vor.
24.05.2007
Diskussionsveranstaltung "Wissenschaft vor Ort"
Unter dem Motto „Impulse für Kooperation und Vernetzung durch Kommunikation und Information“ diskutierten
auf Einladung der Berliner Wirtschaftsgespräche e.V.
etwa 30 Akteure aus Wirtschaft und Politik am ATB.
11.-17.11.2007
AgriTechnica 2007, Hannover
Auf der weltweit größten Landtechnikmesse präsentierte
das ATB aktuelle technische Entwicklungen aus den Bereichen Precision Farming und Bioenergie. (Bild unten).
Das ATB vermittelt die Ergebnisse der Forschungarbeiten im Rahmen von zahlreichen Feldführungen, Workshops, Beratungsgesprächen und Projekttreffen an
Landwirte, Berater und Unternehmer im In- und Ausland.
Beispielsweise informierten sich im Rahmen des Seminars „Pflege von Windschutzhecken“ am 25.09.2007 in
Luckenwalde mehr als 40 Land- und Forstwirte, Naturschutzbeauftragte und andere Akteure über Planung,
Organisation, Technik und Kosten des Pflegeeinsatzes.
Zahlreiche Praxisbetriebe wurden u. a. in Fragen der
Melktechnik und der Trocknung von Arzneipflanzen beraten. Ungebrochenes Interesse seitens der Praktiker
galt auch in diesem Jahr der Produktion und Nutzung
regenerativer Energieträger, speziell der Optimierung
der Biogaserzeugung.
Dialog mit der Öffentlichkeit
Dialogue with the Public
Höhepunkte
Highlights
26.03.2007
Feierliche Inbetriebnahme der Pilotanlage zur Verarbeitung von Naturfaserkonservat. Mit dem symbolischen Druck auf
den „roten Knopf“ gaben sie das Startsignal für den Betrieb der Anlage (von links): Prof. Dr. Ryszard Kozłowski (Direktor
des Institute of Natural Fibres, Poznan, Polen, und Koordinator des FAO/ESCORENA European Cooperative Research
Network on Flax and other Bast Plants), MinR Dr. Jürgen Ohlhoff, (Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und
Verbraucherschutz), Prof. Dr. Reiner Brunsch (Wissenschaftlicher Direktor des ATB), Thilo Lehmann (Lehmann Maschinenbau, Jocketa) und Brandenburgs Agrar- und Umweltminister Dietmar Woidke. Mit dabei ca. 150 Gäste aus Politik,
Administration, Forschung und Wirtschaft sowie zahlreiche Journalisten. (Bild rechts).
96
Gäste
Guests
Anlässlich der deutschen EU-Ratspräsidentschaft in der
ersten Jahreshälfte nutzten viele internationale Gäste
aus Politik und Wirtschaft die Gelegenheit, sich durch einen Besuch des ATB einen Eindruck vom Stand der
Forschung zu verschaffen, u. a.:
Nutzung nachwachsender Rohstoffe und den Stand der
Biomasseforschung.Der Besuch am 20.05.2007 am ATB
war Auftakt zu einer Konferenz der Vorsitzenden der EUAgrarausschüsse, zu der der Deutsche Bundestag im
Rahmen der EU-Ratspräsidentschaft nach Berlin eingeladen hatte.
H.E. Shalom, Landwirtschaftsminister des Staates Israel
(rechts), mit Vertretern israelischer Außenhandelsbehörden. Schwerpunkt des Besuchs waren u. a. Arbeiten zur
Qualitätssicherung bei leichtverderblichen Produkten,
vorgestellt von Dr. Martin Geyer (links).
09.02.2007
Katherina Reiche, MdB CDU/CSU
Informationsbesuch zur Biomasseforschung am ATB
13.02.2007
N.A. Savenko, Landwirtschaftsminister des Moskauer
Gebiets, Russland, und Vetreter der brandenburgischrussischen AG Moskauer Gebiet informierten sich zum
Thema Energieversorgung durch Biomasse aus landwirtschaftlicher Produktion.
04.05.2007
Cornelia Behm, MdB Bündnis90/Die Grünen (links), bei
einem Besuch der Pilotanlagen "Hanf" im Gespräch mit
Prof. Christian Fürll (Mitte) und Dr. Annette Prochnow
(rechts)
13.04.2007
Teilnehmer der Internationalen EU-Zahlstellenkonferenz
anlässlich der deutschen EU-Ratspräsidentschaft: Das
ATB präsentierte Forschungsergebnisse aus den Bereichen Melktechnik, sensorgestützte Verfahren im Pflanzenbau, Qualitätsbestimmung und -erhaltung bei leicht
verderblichen Produkten.
25.04.2007
Vorsitzende der EU-Agrarausschüsse zu Gast am ATB:
Beim Rundgang durch die Rohstoffplantage, das Biotechnikum und die Pilotanlagen "Hanf" und "Milchsäure"
informierten sich die Parlamentarier aus 19 EU-Ländern
über das Potenzial der energetischen und stofflichen
Der Stand der Biomasseforschung war auch Schwerpunkt beim Rundgang mit dem lettischen Landwirtschaftsminister Martins Roze, (2. v. li), der mit einer Delegation aus Politik und Wirtschaft das ATB besuchte.
10.10.2007
Darüberhinaus konnte das ATB auch zahlreiche Schülergruppen allgemeinbildender und Fachschulen, Studierende und Wissenschaftler und aus dem In- und Ausland
sowie Praktiker und weitere Gruppen interessierter Bürger am Institut begrüßen, u. a.:
Delegation neuseeländischer Landwirte. Informationsbesuch zur Technik in der Tierhaltung und zu Bioenergie
16.01.2007
Ph.D. Hongmin Dong (Chinese Academy of Agricultural
Sciences, Peking) und Nuyi Tao (The World Bank, Washington, USA). Information über Arbeiten des ATB auf
den Gebieten Stallklima, Energie, Biogas
26.01.2007
Expertengruppe aus Costa Rica, Panama, Kolumbien, El
Salvador und Nicaragua. Informationsbesuch zum Thema Biomasseerzeugung und -nutzung
06.02.2007
Schweizer Gemüseproduzenten. Vorstellung aktueller
Forschungsansätze zur Qualitätssicherung und –erhaltung im Ernte- und Nacherntebereich bei Gemüse
08.02.2007
Landesbauernverband Sachsen-Anhalt e.V.. Thema:
Biokraftstoffe
08.05.2007
Ehrenamtliche Mitarbeiter der Techniker Krankenkasse.
Vorstellung des Instituts und seiner Forschungsaktivitäten mit Rundgang durch Labore und Hallen
22.05.2007
Schüler der Landwirtschaftsschule Landshut. Themen:
Precision Farming, Tierhaltung, Energiepflanzenanbau
und Biogaserzeugung
15.06.2007
97
Mitglieder der ehemaligen Akademie der Landwirtschaftswissenschaften. Themen: Biomasseforschung, Technik in
der Tierhaltung und Qualitätssicherung bei Kartoffeln
05.07.2007
Schüler der Peter Josef Lenné Gesamtschule, Potsdam.
Informationsbesuch zur Nutzung von Bioenergieträgern
05.07.2007
Teilnehmer eines USA Farm Exchange Programs. Thema: CO2 -Emissionsminderung und Klimaschutz
10.08.2007
Studierende der Zespol Szkol Polnicze Centrum
Ksztalcenia Ustawicznego, Polen. Thema: Technik im
Gartenbau
21.08.2007
Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesministeriums für Umwelt (BMU), Berlin, Unterabteilung Erneuerbare Energien, informierten sich intensiv über die ATBArbeiten im Bereich Biomasseforschung
28.08.2007
Emeriti der Universität Potsdam. Vortrag und Rundgang
zum Thema Biokonversionsverfahren zur stofflichen und
energetischen Nutzung von Biomasse
24.10.2007
Studierende der Fachhochschule für Technik und Wirtschaft, Berlin. Informationsbesuch Biogaserzeugung und
-nutzung sowie zur stofflichen Biomassenutzung
05.11.2007
Prof. Mashela, Dr. Mudau und Fachkollegen der Limpopo University of Technology in Pietersburg, Rep. South
Africa, Informationsbesuch zu Qualitätssicherungsverfahren bei Lebensmitteln
14.11.2007
Matthew Matimbui, Technischer Leiter des Lugala Hospitals, Malinyi, Tanzania. Energiegewinnung aus Biomasse
22.06.2007
Delegation der Universität Voronesh, Russland, in Begleitung von Prof. Schlauderer, FH Weihenstephan
05.07.2007
Presserundgang mit Journalisten auf Einladung der
Staatskanzlei, Potsdam. Vorstellung der EFREgeförderten Pilotanlagen zur Verarbeitung pflanzlicher
Biomasse
03.12.2007
Energiepflanzenanbau und -nutzung, Technik in der
Tierhaltung, Precision Farming Technologien sowie
Techniken und Verfahrenslösungen rund um die Kartoffel standen im Mittelpunkt des Besuchs von Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Abteilung 2 des brandenburgischen Ministeriums für Ländliche Entwicklung, Umwelt
und Verbraucherschutz MLUV (Bild oben)
29.06.2007
Mitglieder der LAG Maschinenringe und landtechnische
Fördergemeinschaft Hessen. Themen: Sensoreinsatz in
Pflanzenbau und Tierhaltung, Melktechnik, Energiepflanzenanbau und Naturfaserverarbeitung
04.12.2007
98
Das ATB in den Medien (Auswahl)
The ATB in the Media (Selection)
Patente in Brandenburg
Deutschlandradio Kultur - Deutschland heute,
Sendetermin: 03.01.2007
ATB entwickelt besseres Biogasverfahren
Märkische Allgemeine Zeitung (MAZ)
vom 02.04.2007
Qualitätsmanagementsysteme für regionales Frischgemüse
fruchtportal.de vom 08.05.2007
German project to create meat analysis RFID
Food Quality news.com vom 08.01.2007
Obst und Gemüse in erstklassiger Qualität? ELSKA
kennt die Antwort
Fruchthandel Magazin vom 12.05.2007
Biogas aus Reststoffen - Studie: Feststoffvergärung
ebenso erfolgreich
pressetext.austria vom 13.01.2007
Schritt in eine andere Zukunft (Multi-Lactor)
die grüne vom 16.05.2007
Ist Biomasse die Energie von morgen? Pappeln als
Energiepflanzen
Westdeutscher Rundfunk, wdr5, Sendetermin:
26.01.2007
Sensor meldet Schimmelbefall
Märkische Allgemeine Zeitung (MAZ) vom 05.02.2007
Fokus Schimmel. Forschung zur Verbesserung von Lebensmitteln
Potsdamer Neueste Nachrichten (PNN) vom 07.02.2007
Turbokühe im Stress
Pilotanlage zur Verarbeitung von Hanf.
Allgemeiner Vliesstoff-Report (avr) vom 21.03.2007
Pilotbetrieb für Hanf-Anlage. Nachrichten
Rundfunk Berlin-Brandenburg (rbb)
Sendetermin: 26.03.2007
Pilotanlage produziert Dämmstoffe aus Hanf
Mitteldeutsche Zeitung vom 26.03.2007
Agrarinstitut testet Hanf-Verarbeitung
Der Tagesspiegel vom 26.03.2007
Platten ohne Rausch. Pilotanlage zur Hanfverarbeitung
in Bornim in Betrieb genommen
Nachfrage: Sabine Schicketanz über die Bornimer Innovation
Naturfaser Hanf - der Rohstoff von morgen
Berliner Morgenpost vom 27.03.2007
Bornimer Hanf-Pilotanlage in Betrieb
Potsdamer Pilotanlage in Betrieb
Märkische Oderzeitung (moz) vom 27.03.2007
Naturfaser Hanf - der Rohstoff von Morgen
Die Welt vom 27.03.2007
Das Land hat ein Pappel-Problem
Mehr Leistung im Kessel von Biogasanlagen
Abfallwirtschaftlicher Informationsdienst vom 29.03.2007
Obst und Gemüse - ATB-Potsdam an neuem Schadbildkatalog beteiligt
Potsdamer Neueste Nachrichten (PNN)
vom 30.05.2007
Linfabriken genomför tester med hampa
Hallandsposten (S) vom 09.06.2007
Ausgangssperre für Bakterien
Technology Review vom 15.06.2007
Von Biogas und Feldholz
Forst und Holz vom 15.06.2007
Hanfverarbeitung zum halben Preis
Deutschlandfunk, Sendetermin: 21.06.2007
Neues Hochleistungsverfahren zur Biogaserzeugung
aus Nachwachsenden Rohstoffen
BioTop Berlin Brandenburg vom 26.07.2007
Effizientere Biogasanlagen durch Hochleistungsverfahren
wallstreet:online vom 27.07.2007
Forscher machen Biogasherstellung effizienter
Neither shaken nor stirred: A novel high rate system for
biogas production from energy crops
chemie.de vom 30.07.2007
Biogas aus dem Reaktor - Hochleistungsverfahren im
ATB Bornim
Neues Verfahren verspricht effizientere BiogasProduktion
Process vom 01.09.2007
Biogas effektiver produzieren - ATB entwickelt neues
Vefahren für Nawaro
Ernährungsdienst vom 08.09.2007
Abschied auf Raten von der Pappel - zur Pflege von
Windschutzhecken
Biomasse wird überbewertet
Forscher: Energie aus Biomasse nur Übergangslösung
Der Tagesspiegel vom 14.11.2007
Neuer Direktor - Reiner Brunsch leitet ab Januar die Agrarforscher
V Organisation und Ausstattung
V
99
Organisation und Ausstattung
Organisation
Anschrift
Leibniz-Institut für Agrartechnik
Potsdam-Bornim e. V. (ATB)
Max-Eyth-Allee 100
14469 Potsdam
Telefon: (0331) 5699-0
Telefax: (0331) 5699-849
Internet: http://www.atb-potsdam.de
Wissenschaftlicher Direktor
Prof. Dr. agr. habil. Reiner Brunsch
Tel.: (0331) 5699-100
Verwaltungsleiterin
Dr. rer. nat. Uta Tietz
Tel: (0331) 5699-710
Das ATB hat die Rechtsform eines eingetragenen Vereins (e. V.).
Es ist Gründungsmitglied der Leibniz-Gemeinschaft, deren Hauptanliegen es ist, die Zusammenarbeit der
Mitgliedseinrichtungen zu fördern und gemeinsame Interessen wahrzunehmen. Innerhalb der Wissenschaftsgemeinschaft gehört das ATB der Sektion E, Umweltwissenschaften, an.
Das ATB ist ebenfalls Gründungsmitglied der Landesvereinigung außeruniversitärer Forschungseinrichtungen des Landes Brandenburg e. V. (LAUF e. V.) sowie der Forschungsplattform "Ländliche Räume" BerlinBrandenburg (FP B-BB).
Nachfolgende Übersicht stellt die Organe des Vereins dar.
Organe des Vereins (Stand Dezember 2007)
Mitgliederversammlung
General Assembly
Vorstand
Directorate
Wissenschaftlicher Beirat
Scientific Advisory Board
Leiter
Bernd Konitzki
(MLUV Land Brandenburg)
Vorsitzender
Prof. Dr. Reiner Brunsch
Vorsitzender
Prof. Dr. Hermann Auernhammer
(TU München)
Prof. Dr. Hermann Auernhammer
(TU München, seit 12/07)
Prof. Dr. Bernd Linke
stellv. wiss. Direktor
Prof. Dr.-Ing. Gerd Bernhardt
(TU Dresden, bis 11/07)
Dr. Heinrich de Baey-Ernsten
(KTBL)
Dr. Martin Geyer
stellv. wiss. Direktor
Prof. Dr. Dr. Josef Boxberger
(Univers. f. Bodenkultur Wien)
Prof. Dr. Otto Kaufmann
(HU Berlin)
Dr. Uta Tietz
Verwaltungsleiterin
Dr.-Ing. Hermann Garbers
(CLAAS Selbstfahrende Erntemaschinen GmbH)
Prof. Dr.-Ing.
Henning Jürgen Meyer
(TU Berlin)
Prof. Dr. Thomas Herlitzius
(TU Dresden, seit 12/07)
Konstanze Pistor
(MWFK Land Brandenburg)
Prof. Dr.-Ing. Dietrich Knorr
(TU Berlin)
Dr. Dirk Quest
(DLG)
Prof. Dr. Joachim Müller
(Universität Hohenheim)
Prof. Dr.-Ing. Dr. hc.
Karl Theodor Renius
(VDI-MEG)
Prof. Dr. Martin Odening
(HU Berlin)
MinR. Stefan Schulz
(BMELV)
Dr. Bernd Scherer
(VDMA-LT)
Prof. Dr. Herman Ramon
(Katholieke Univers. Leuven)
Alard von Arnim
(MdL Brandenburg)
Kollegium
Representatives
Prof. Dr. Reiner Brunsch
Prof. Dr. Bernd Linke
Leiter der Abteilung 1
PD Dr. Annette Prochnow
Leiterin der Abteilung 2
Prof. Dr.-Ing. Christian Fürll
Dr.-Ing. Detlef Ehlert
Dr.-Ing. Werner Berg
komm. Leiter der Abteilung 5
Dr. Martin Geyer
Dr. Uta Tietz
Verwaltungsleiterin
Dr. Werner Herppich
Abteilung 6
Dr. Thomas Hoffmann
Abteilung 3
Dr. Jürgen Kern
Abteilung 1
Prof. Dr. Klaus-Dieter Vorlop
(FAL Braunschweig)
100
Organisationsplan (Stand 31.12.2007)
Das Institut ist in sechs projektführende Abteilungen, den Bereich Verwaltung sowie zwei Stabsstellen gegliedert.
Die Fachabteilungen werden in ihren Forschungsaktivitäten von zwei Stabsstellen sowie der Verwaltung unterstützt:
Verwaltung (Personal, Haushalt, Infrastruktur)
Leiter: Dr. rer. nat. Uta Tietz.
Tel.: (0331) 5699-710
16 Mitarbeiter
Stabsstelle 01 – Forschungskoordination (Forschungsförderung, Technologietransfer, Controlling)
Verantwortlich: Dr. agr. Christiane von Haselberg
Tel.: (0331) 5699-811
1 Mitarbeiter
Stabsstelle 02 - Informationstransfer (Öffentlichkeitsarbeit, Bibliothek, IT/Netzwerkadministration)
Leiter: Dr. agr. Martin Geyer
Tel.: (0331) 5699-610
5 Mitarbeiter
Abteilungen
101
Departments
Die Fachabteilungen haben den Auftrag, die fachliche und methodische Kompetenz in den jeweiligen Wissensgebieten
sicherzustellen und weiterzuentwickeln, sowie diese bei Erfordernis durch externe Kooperationen zu verstärken. Die
eigenen Forschungsarbeiten werden zunehmend in komplexe Vorhaben eingebunden. Darüber hinaus werden in allen
Fachabteilungen die jeweils anerkannten Verfahren und Erkenntnisse der Technikbewertung berücksichtigt sowie aktuelle Methoden der mathematischen Modellierung und computergestützten Simulation angewendet.
Abteilung Bioverfahrenstechnik
Leitung: Prof. Dr. agr. habil. Dipl.-Ing. Bernd Linke
Tel: (0331) 5699-110
31 Mitarbeiter, darunter 13 Wissenschaftler und Doktoranden
- Mikrobiologie: Stammsammlung von Bakterien und Schimmelpilzen; Isolierung, Screening und Charakterisierung von
-
-
-
Stämmen; Anwendung mikrobieller Systeme bzw. ihrer Methoden in landwirtschaftlichen Prozessen sowie zur Qualitätssicherung gartenbaulicher Produkte; biochemische und mikrobiologische Analytik, Feuchtkonservierung pflanzlicher Biomassen
Molekularbiologie: DNA-, RNA- und Protein-Analytik; Entwicklung von markergestützten Nachweisverfahren für verfahrenstechnisch genutzte Mikroorganismen; Charakterisierung mikrobieller Lebensgemeinschaften in technischen Systemen und Nachernte-Prozessen; Identifizierung von bakteriellen Isolaten und Kontaminanten; Gentechnische Optimierung von Fermentationsstämmen; Charakterisierung von antibakteriell wirksamen Proteinen
Biokonversion und Aufarbeitung: enzymatische Rohstoffvorbehandlung; Prozessoptimierung und Modellbildung; Sterilfermentation; Biotechnologie für nachhaltige Stoff- und Energiewirtschaft, Zellmasse- und Produktabtrennung; Membrantrennprozesse; Produktreinigung; Konditionierung
Umweltbioverfahrenstechnik: Biogasgewinnung aus Energiepflanzen und organischen Reststoffen, aerobe und anaerobe Abwasserreinigung, Prozessoptimierung, Reaktionskinetik und Modellbildung
Biogeochemie: Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphordynamik beim Anbau nachwachsender Rohstoffe, Weiterentwicklung bewachsener Bodenfilter, umweltverträgliche Reststoffverwertung
Abteilung Technikbewertung und Stoffkreisläufe
Leiter: PD Dr. rer. agr. Annette Prochnow
Tel: (0331) 5699-210
- Bewertung von Technik und Verfahren für nachwachsende Rohstoffe: Naturfasern, Biokonversion stärkehaltiger Agrar-
rohstoffe, Bioenergie - Stoff- und Energiebilanzen, Potenzialabschätzungen, Machbarkeitsstudien, Wirtschaftlichkeit
- Bewertung von Verfahren der Tierhaltung: Rinder- und Schweinehaltung - Verbraucher- und Umweltschutz, Emissio-
nen, Energieeffizienz, Tiergerechtheit, ökonomische Konsequenzen
- Bewertung von Verfahren zur Sicherung der Produktqualität: Anwendung der Thermografie, Lagerung - Prozessgrund-
lagen, Optimierung, ökonomische Bewertung
- Stoff- und Energieströme: Spurengasanalytik, methodische Fragen der Bilanzierung, betriebs- und produktbezogene
Stoff- und Energiebilanzen, Bewertung von Umweltwirkungen
- Bewertung von Verfahren für die multifunktionale Landwirtschaft: Feuchtgebiete, Bergbaufolgelandschaften, Landnutzung unter den Bedingungen des Klimawandels - Prozessgrundlagen, Umweltwirkungen, sozioökonomische Bewertung
Abteilung Technik der Aufbereitung, Lagerung und Konservierung
Leiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Fürll
Tel.: (0331) 5699-310
- Aufbereitung und Lagerung: Zerkleinerungstechnik, Sortiertechnik, Schältechnik, Entstaubungstechnik, Schüttguttechnik, Technik für den Aufschluss und die Reinigung von Naturfasern, Verfahrenstechnik für die Getreidekonservierung
- Qualitätssicherung empfindlicher Agrarprodukte: Qualitätsforschung (Schwerpunkt: Kartoffel), Entwicklung von Datenbanken und rechnergestützter Systeme zur Qualitätssicherung, Bestimmung von Verwertungseigenschaften
- Lagerklimatisierung: Steuerung und Regelung des Lagerklimas, numerische Strömungsberechnungen, Modellierung
von Wärme- und Stoffübergängen bei Früchten und Kartoffeln
- Trocknung: Konservierung von Körnerfrüchten und Sonderkulturen, Wärme- und Stoffübertragung bei der Trocknung,
Einsatz alternativer Energien (Bioenergie, Solarenergie) in Trocknungsprozessen einschließlich Wärmespeicherung
- Energie in und aus der Landwirtschaft: Produktion und Nutzung nachwachsender Energierohstoffe, landwirtschaftliche
Energiebilanzen und -konzepte, Anwendung erneuerbarer Energie in der Landwirtschaft
102
Abteilung Technik im Pflanzenbau
Leiter: Dr.-Ing. Detlef Ehlert
Tel.: (0331) 5699-410
- Sensortechnik: Ermitteln von Bodenparametern (z.B. elektrische Leitfähigkeit, Durchdringungswiderstand), Messen
von Pflanzenparametern mittels Lasersensoren, Fluoreszenzanalysen, Spektroskopie und mechanischer Sensoren
(Crop-Meter)
- Informationsgewinnung und -management: Geo-referenzierte Datenerfassung, Datenvalidierung, Auswertung und
Management flächenbezogener Daten
- Teilflächenspezifische Bewirtschaftung: Definition von Managementzonen, Offline-Bewirtschaftung, Pflanzenmasseund Ertragskartierung, Erkennung von Pflanzenkrankheiten, Unkrautkartierung, sensorgestützte Applikation von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln, Bewertung betriebswirtschaftlicher Effekte
- Qualitätsmanagement: Risikoanalyse, Dokumentation und Nachweisführung, Rückverfolgbarkeit
Abteilung Technik in der Tierhaltung
Leiter: Dr.-Ing. Werner Berg (seit 01.10.07 kommissarisch)
Tel.: (0331) 5699-510
- Stallklima/Emissionen: Stoffstromanalysen für Gase und Gerüche, Fest- und Flüssigmistbehandlung (Zusätze, Abdeckungen); Lüftungssysteme, Thermodynamik, Richtlinienarbeit
- Prozessdatengewinnung am Tier: Sensorapplikationen zur Brunst- und Gesundheitsüberwachung bei Rindern, biologische Grundlagen der Nutztierhaltung
- Fördertechnische Grundlagen landwirtschaftlicher, nicht-Newtonscher Suspensionen: Stoffdatenbestimmung, Förderverhalten, Pumpenprüfung, Herstellung homogener Mischungen, Rheologie
- Milchgewinnung: Prozessnahe Erfassung der Milchqualität, Grundlagen zum euterschonenden Milchentzug, technologische Einordnung von Melkrobotern in Großbetrieben
Abteilung Technik im Gartenbau
Leiter: Dr. agr. Martin Geyer
Tel.: (0331) 5699-610
- Ernte und Nachernteprozesse für gartenbauliche Produkte: Bewerten und Entwickeln neuer Verfahren für die Ernte
und Nachernte gärtnerischer Produkte unter den Gesichtspunkten der Qualitätssicherung, Nachhaltigkeit und Wettbewerbsfähigkeit
- Physiologische und physikalische Produkteigenschaften: Sensoren, Messverfahren und Methoden zur Bestimmung
mechanischer und optischer Eigenschaften, zur Wasserzustands- und Frischebestimmung und zur zerstörungsfreien
Qualitätsbestimmung und -kontrolle von Obst und Gemüse (u.a. Chlorophyllfluoreszenz-Bildanalyse, laserinduzierte
Fluoreszenz- und Absorptionsspektroskopie (im VIS- und NIR-Bereich), Gasanalytik, Oberflächentemperaturanalyse
mit bildgebender Thermografie, Gaswechselmessung, Werkstoffprüfung, Stoßprüfung, Kontaktdruckverteilung mittels
Foliensensoren, PC-Programme zur statistischen Auswertung der Messdaten)
- Verfahren und Prozessstrategien: Optimieren von Ernte und Aufbereitungsverfahren entlang der gesamten Wertschöpfungskette bei konventionellen und bei Bio-Produkten: Erfassung und Reduzierung der mechanischen Belastung
und Beschädigung empfindlicher Produkte, klimatechnische Optimierung der Prozessführung, Ressourcen schonendes Reinigen, mikrobiologische Aspekte der Aufbereitungsprozesse (Hygienic Design), neuartige Verfahren zur Produktstabilisierung (Minimal Processing, Convenient Food), Weiterentwicklung von Qualitätssicherungssystemen und managementsystemen entlang der Wertschöpfungsketten vom Anbau bis zum Verbraucher, Applikation aktiver RFIDEtikettensensoren
- Mensch und Arbeit: Arbeitswissenschaften; Bewerten und Optimieren von ortsfesten Arbeitsplätzen; MenschMaschine Systeme (computergestütztes Bewegungsanalysesystem, Leistungsmesstechnik)
Ausstattung
103
Facilities
Zur Ausstattung des Instituts zählen neben Laboren für spezifische Forschungsaufgaben, u. a. Emissionsanalytik, Thermografie, Ergonomie, Gentechnik (S1), Mikrobiologie, Proteinanalytik
und Zellbiologie, auch 50 ha Feldversuchsflächen, 7 Forschungshallen und eine Zentralwerkstatt für die Fertigung von
Versuchseinrichtungen bis hin zu Prototypen.
Das ATB verfügt über zwei Pilotanlagen: Eine Anlage zur Herstellung von hochreiner Milchsäure aus stärkehaltigen Pflanzen
wurde 2006 in Betrieb genommen. Eine weitere Pilotanlage für
die Verarbeitung von feuchtkonservierten Naturfaserpflanzen bis
zum gebrauchsfähigen Werkstoff wurde im März 2007 fertig gestellt. (Bild links)
Der Sammelschwerpunkt der Institutsbibliothek
(Bild rechts) umfasst die Gebiete Landtechnik,
Landwirtschaftliche Statistik und Betriebswirtschaft,
Aufbereitung, Lagerung und Konservierung landwirtschaftlicher Produkte, Pflanzenbau, Tierhaltung,
Gartenbau, Umweltschutz und Gentechnik.
Der Bestand konnte auf aktuell 27.160 gebundene
Bände (Monographien und Zeitschriften) erweitert
werden. Der laufend gehaltene Zeitschriftenbestand
umfasst 100 Titel, der Gesamtbestand an Schriftenreihen 287, an Fortsetzungslieferungen 29 Titel.
Die Bibliothek bietet die Möglichkeit zur Fernleihe
und Literaturrecherche, u. a. in den Datenbanken
WEB of Science und Cab-abstracts.
Eine ausführliche Darstellung aller Fakten und Zahlen finden Sie im Jahresbericht 2007
auf der Internetseite des ATB
www.atb-potsdam.de