Steigende Bevölkerungszahlen, unfruchtbare und devastierte Böden, fluktuierende Klimaverhältnisse, Wasserknappheit – diese und viele weitere Faktoren erschweren die konventionelle Landwirtschaft zunehmend. In den letzten Jahren ist eine starke Zunahme neuartiger Technologien zur Ergänzung der Landwirtschaft zu verzeichnen. Die Pflanzenvielfalt zu sichern, den regionalen Anbau zu stärken und ressourcenschonende Technologien zu nutzen sind die großen Ziele eines modernen Lebensmittelanbaus. Doch wie können solche Ziele mit komplexen Systemen in Zeiten des Energiewandels miteinander vereint werden? Eine Frage, mit der sich die Gesellschaft zur Förderung von Medizin-, Bio- und Umwelttechnologien e. V. beschäftigt (GMBU).

In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Projekt „AERO-Grow“ entwickelt die GMBU ein neuartiges Anbausystem, in dem die Pflanzen ohne Erde wachsen. Ziel des Projektes ist es, die Methode bis in den Labormaßstab umzusetzen. Dabei kommen Technologien des Vertical Farming zum Einsatz. Insbesondere wird das unter dem Begriff Aeroponik bekannte Anbauverfahren grundlegend weiterentwickelt. „Die substratlose Anbaumethode erlaubt es uns, Pflanzen unabhängig von landwirtschaftlichen Nutzflächen zu produzieren“, sagt der Biochemiker Dr. Enrico Ehrhardt. „Mit dem von uns entwickelten System wollen wir die Technologie durch spezifische Verbesserungen in den Bereichen Kosteneffizienz, Modularität und Flexibilität weiterentwickeln.“ Diese Verbesserungen seien besonders für die Aufzucht von hochwertigen Pflanzen wie Kräutern, Gewürz- und Heilpflanzen sowie Pharmapflanzen, den sogenannten Nutzpflanzen für den Anbau pharmazeutischer Wirkstoffe, relevant.

Ein Schwerpunkt des Projektes liegt auf der Schaffung der notwendigen Bedingungen für ein gleichmäßiges Wachstum. Essenziell dafür: die Professionalisierung des Anlagendesigns. „Wir versuchen, den Austausch mit der Außenwelt zu minimieren, damit wir die Umweltbedingungen stabilisieren und letztlich steuern können“, sagt Manuel Hodrius, der die technische Entwicklung verantwortet. Das Team macht sich dabei bewährte Ansätze aus der Hardware-Industrie wie das Fließbandprinzip zunutze. In Bezug auf die Integration von Komponenten, die Reduktion der Komplexität und die Entwicklung robuster, langlebiger Konstruktionslösungen strebt das Projektteam so eine effiziente und zukunftsfähige Anlagentechnik an.

Pflanzenpflege per Controller

„Über mehrere Iterationsschritte ist es uns gelungen, eine aeroponische Laboranlage mit über 350 Pflanzplätzen zu konstruieren und technisch umzusetzen“, sagt Dipl.-Ing. Matthias Leifheit, Biotechnologe im Projekt. Die Entwicklungen umfassten alle Arbeiten vom Engineering über die Fertigung bis hin zur funktionellen Inbetriebnahme der mechanischen Komponenten. Zudem wurde eine auf das System abgestimmte Software entwickelt, welche eine autonome Steuerung über Fernzugriff ermöglicht. Die im System verbauten Sensoren und Controller nehmen in Echtzeit alle systemrelevanten Parameter auf und schreiben diese in eine Datenbank. Somit können unsachgemäße Betriebszustände vom Operator erkannt und umgehend behoben werden.

In systematischen Testreihen, unter Verwendung von Basilikum als Demonstrationspflanze, konnten die Expertinnen und Experten bereits Optimierungen in Bezug auf die Lichtversorgung und Nährstoffdosierung vornehmen und die Funktionalität des Gesamtsystems testen. Bis zum Ende der Projektlaufzeit im Juni 2024 wird die Kompatibilität des Systems für den Anbau weiterer Targets erprobt, wobei parallel eine stetige Optimierung der Systemkomponenten erfolgt. Außerdem hat sich das Team vorgenommen, bis dahin den Nachweis der Funktionalität des Labormusters zu erbringen und den Batchbetrieb zum Anbau von Basilikum unter Verwendung des Systems zu validieren.

Kontrollierte Produktion für Wirkstoffe und Kosmetika

„Die modulare Auslegung ermöglicht es uns, eine beliebige Dimensionierung vorzunehmen, welche in Folgeprojekten umgesetzt werden soll“, sagt Projektleiter Dr.-Ing. Klaus Krüger. Die Demonstration der Funktionalität einer dimensionierten Anlage ist der nächste entscheidende Schritt zur realen Umsetzung und stellt einen essenziellen Meilenstein für die weitere Entwicklung dar. Weiterhin will man bei der GMBU insbesondere die Aspekte der Automatisierung und Ressourcenoptimierung einbeziehen. Zukünftig sollen Robotiksysteme die Bestückung, Wartung und Ernte im System übernehmen und damit das Maß an Automatisierung steigern. Zudem ist die Integration smarter Sensoren in Kombination mit intelligenten Steuerungssystemen geplant, die eine langfristige Senkung der Betriebskosten und  Steigerung der Produktionsausbeuten sowie Ressourceneffizienz ermöglichen werden. „Neben signifikanten Beiträgen zur globalen Ernährungssicherheit trägt die von uns entwickelte Technologie vor allem zu einer kontrollierten Produktion von Hochwertprodukten wie pharmazeutischen Wirkstoffen, Kosmetika und Nutraceuticals sowie zum gesicherten Umgang mit Transgenen oder geschützten Arten bei“, so Dr. Enrico Ehrhardt.

Als gemeinnützige Forschungseinrichtung sehen die Forschenden der GMBU großes Potenzial in der Technologie und den damit verbundenen Entwicklungsmöglichkeiten in angrenzenden Wissenschaftsgebieten. „Insbesondere die Entwicklung neuartiger Anbaukulturen mit speziellen adaptierten phänotypischen Eigenschaften sowie die Jungpflanzenherführung in substratfreier Umgebung stellen aus unserer Sicht wichtige wissenschaftliche Themenfelder dar, welche in naher Zukunft erforscht und weiterentwickelt werden sollten, um Vertical Farming langfristig als effiziente Ergänzung zur konventionellen Landwirtschaft wachsen zu lassen.“ sagt Ehrhardt.

Zur Webseite des GMBU e. V.

Bild (M. Damm): Das Team hinter „AERO-Grow“ beim Innovationstag 2024 in Berlin v.r.n.l.: Elisabeth Reck, Prof. Manuel Hodrius, Dipl.-Ing. Matthias Leifheit, Dr. Enrico Ehrhardt, Elias Gärtner und Clara Schnipper.