SilageSens Multiplex


Nummer: 101357
Akronym: SilageSens Multiplex
Titel (deutsch): Entwicklung und Einsatz von Multiplexingmethoden für opto-chemische Sauerstoffsensoren zum engmaschigen Monitoring der Sauerstoffkonzentration in Silageballen und laborbasierten Silierversuchen
Projektstart: 07.12.2018
Projektende: laufendes Projekt
AuftragnehmerIn: JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH
Projektleitung: DI Dr. Martin Tscherner
Finanzierungsstellen: Amt der Steiermärkischen Landesregierung
Bundesministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus
Bundesministerium für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus
Wissenschaftszweig: TECHNISCHE WISSENSCHAFTEN / Elektrotechnik, Elektronik / Sensorik / TECHNISCHE WISSENSCHAFTEN

Zielsetzung

Aufbauend auf den Erfahrungen aus den Projekten DaFNE Nr. 101073 und DaFNE Nr. 101082 und in direktem Zusammenhang mit dem von der HBLFA beantragten Forschungsvorhaben DaFNE Nr. 101314 verfolgt JOANNEUM RESEARCH im beantragten Vorhaben folgende Ziele:

- Entwicklung und Aufbau eines Multiplexing-Systems für bis zu 16 opto-chemische Sauerstoffsensoren (vergleichsweise kostengünstig), die von einer gemeinsamen opto-elektronischen Einheit (ein wesentlicher Kostenfaktor) ausgelesen und aufgezeichnet werden können.

- Herstellung und Kalibration von Sauerstoff-sensitiven Elementen für die Detektion direkt an der Oberfläche einer Silage (nicht-invasive Messung mittels gedruckter Sensorpatches mit optischem Pfad durch die transparente Stretch-Folie des Silageballens bzw. die transparente Wandung eines Laborgefäßes)

- Herstellung und Kalibration von Sauerstoff-sensitiven Elementen für die Tiefenprofilbestimmung (minimal-invasive Messung mittels faseroptischer "Stechsonde")

- Durch das zu entwickelnde Multiplexing wird die gleichzeitige Erfassung und Aufzeichnung einer beliebigen Kombination von bis zu 16 sensitiven Elementen ermöglicht.

Nach Entwicklung, Kalibration und Aufbau des Multiplexing-Systems für die opto-chemischen Sauerstoffsensoren erfolgt an der HBLFA Raumberg-Gumpenstein

- die permanente, zeit- und ortsaufgelöste Langzeitmessung des Sauerstoffgehalts verschiedener Silagen sowohl unter Laborbedingungen als auch in praxisnahen Feldversuchen

- Die zeitlich und räumlich aufgelöste Kenntnis der Sauerstoffkonzentration liefert wesentliche Informationen für ein vertieftes Verständnis der Dynamik der Sauerstoffveratmung im beginnenden Gärprozess und ermöglicht damit Einblick in die mikrobielle bzw. fermentative Aktivität.

- Die Kenntnis der Eindringgeschwindigkeit von Sauerstoff in eine fertig vergorene, wieder geöffnete Silage verbessert das Verständnis für die Dynamik des Silageverderbs und die damit einhergehende Temperaturerhöhung.

- Der Einfluss offenkundig maßgeblicher Faktoren wie TM-Gehalt, Verdichtung, Häcksellänge und Gärsubstrat auf die Dynamik der Vergärung wird systematisch untersucht.

Die Beteiligung von JOANNEUM RESEARCH hat in den Silierversuchen die Betreuung und Wartung der entwickelten Messanlage sowie die Unterstützung bei Auswertung, Darstellung und Interpretation der Messdaten im Fokus. Zugleich wird das Verständnis zur Leistungsfähigkeit opto-chemischer Messtechnik unter realen landwirtschaftlichen Einsatzbedingungen verbessert. Mittel- bis langfristig könnten sich aus dem Projekt Werkzeuge zur Qualitätskontrolle von Silagen, die von Landwirten angewendet werden können, ergeben.

Bedeutung des Projekts für die Praxis

Aus agrarwissenschaftlicher Sicht:

- Das Prozessverständis zur Dynamik der Vergärung von (Gras-) Silage wird durch die permanente und räumlich aufgelöste Überwachung der Sauerstoffkonzentration deutlich verbessert werden.

- Die aerobe Stabilität von Gärfutter gewinnt speziell bei größeren Siloeinheiten und/oder steigenden Temparturen an Bedeutung. Erkenntnisse über die Eindringgeschwindigkeit und Dynamik der Veratmung des verderbanregenden Sauerstoffs in einmal geöffneten Silagen sind von hoher Bedeutung für die Planung der Verfütterung bzw. die "Ernährungssicherheit" des Viehbestandes.

Aus Sensortechnolgischer Sicht:

- Vertiefung des Verständnisses für die wesentlichen Kenngrößen (zeitliches und räumliches Profil der Sauerstoffkonzentration) für eine Qualitätskontrolle der Silage

- Schärfung des Anforderungsprofils für opto-chemische Sensoren in Silagen

Aus den Erkenntnissen könnte mittelfristig ein kostengünstiges, vom Landwirt leicht handzuhabendes Werkzeug zur flächendeckenden Qualitätskontrolle von Silagefutter resultieren. Damit ließe sich einerseits die Effizienz der Ressourcennutzung steigern (Vermeidung unnötiger Entsorgung vermeintlich verdorbener Silage) als auch die Ernährungssicherheit des Viehbestandes erhöhen (Vermeidung der Verfütterung tatsächlich verdorbener Silage).

Zwischenbericht


Kurzfassung (deutsch)

Die Aufgabe von JOANNEUM RESEARCH in dem gemeinsam mit der HBLFA Raumberg-Gumpenstein durchzuführenden Projekt ist es, den im Rahmen der Projekte DaFNE Nr. 101073 und DaFNE-Nr. 101082 erfolgreich und erstmalig demonstrierten Ansatz, den Sauerstoffgehalt an verschiedenen Positionen innerhalb einer Grassilage auf opto-chemischem Weg nicht- bzw. minimalinvasiv und in Echtzeit zu verfolgen und aufzuzeichnen, durch Integration von Multiplexingmethoden für den Einsatz in der Gärforschung wesentlich zu optimieren. Durch Multiplexing soll die quasi-simultane Erfassung von bis zu 16 Messpunkten mit nur einer opto-elektronischen Auswerteeinheit ermöglicht werden, was Vorteile hinsichtlich sowohl der Kosten für die Messungen (der Aufbau einer Einheit für die Messelektronik schlägt mit mehreren tausend Euro zu Buche, während das sensitive Element – der eigentliche opto-chemische Sensor – im Cent- bzw. niedrigen Eurobereich angesiedelt ist) als auch der Vergleichbarkeit der Ergebnisse (alle 16 Positionen werden mit derselben opto-elektronischen Auswerteeinheit ausgelesen, Messfehler durch Gleichlaufschwankungen mehrerer Einheiten werden dadurch vermieden) mit sich bringt. Die Multiplexing-Konfiguration ist auf benutzerfreundliche Weise in die bereits in den Vorprojekten verwendete Datenerfassungssoftware (basierend auf einer LabView-Entwicklungsumgebung) zu integrieren. Das Projekt macht sich darüber hinaus zur Aufgabe, sämtliche elektronischen Komponenten der Messanlage in einer mobilen, für den überdachten Freilandeinsatz geeigneten Einhausung („19-Zoll-Flight-Case“) unterzubringen. Schlussendlich ist die Anlage der HBLFA Raumberg-Gumpenstein zur Verfügung zu stellen und dortige Mitarbeiter sind für die Verwendung einzuweisen. Die Verwendung der Anlage in agrarwissenschaftlicher Hinsicht obliegt dem Projektpartner HBLFA Raumberg-Gumpenstein und ist in einem entsprechenden Projekt (DaFNE-Nr. 101314) abgebildet. Dabei unterstützt JOANNEUM RESEARCH beim Setup von Silierversuchen, Wartung und Administration der automatisierten Datenaufzeichnung und –übermittlung sowie der Darstellung und Interpretation von Messdaten und nimmt bedarfsorientiert Wartungen und Re-Kalibrationen der Anlage vor.

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