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SilageSens Multiplex: Entwicklung und Einsatz von Multiplexingmethoden für opto-chemische Sauerstoffsensoren zum engmaschigen Monitoring der Sauerstoffkonzentration in Silageballen und laborbasierten Silierversuchen
Projektleitung
Martin Tscherner
Forschungseinrichtung
Joanneum research GmbH
Projektnummer
101357Projektlaufzeit
-
Finanzierungspartner
Bundesministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus| Bundesministerium für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus
Allgemeine Projektinformationen
Schlagwörter (deutsch)
Sauerstoff, opto-chemische Sensorik, Multiplexing, Distributed Sensing, Permanentmonitoring, Gärgas, aerobe Stabilität
Titel, Abstract, Schlagwörter (englisch)
Titel (englisch)
Development and application of multiplexing methods for opto-chemical oxygen sensors for the continuous monitoring of oxygen in silage bales and laboratory-based silage trials
Projektziele
- 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.
Praxisrelevanz
- 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).
Berichte
Kurzfassung
Berichtsdateien
Abstract (deutsch)
Für die Qualität der Futtermittelkonservierung durch Silierung ist der Sauerstoffgehalt in der Gäratmosphäre von großer Bedeutung und bestimmt die Art der Gärung und die Stabilität des konservierten Futters. Entsprechende Untersuchungen basierten im Allgemeinen auf destruktiver Beprobung oder Simulation.
In den verschränkten Vorgängerprojekten DaFNE 101073 „Silagesensor RG“ und DaFNE 101082 „Silage-Sensor“ wurde von der HBLFA Raumberg-Gumpenstein und JOANNEUM RESEARCH erstmals der Einsatz optochemischer Sensorik für eine minimalinvasive Langzeitüberwachung des Sauerstoffgehalts im Inneren eines Grassilage-Ballens mit großem Erkenntnisgewinn demonstriert. Damals zeigte sich eine hervorragende Eignung der Methode für verschiedene Fragestellungen in der Gärungsforschung. Bzgl. der Kosteneffizienz nachteilig war dabei aber die Verwendung eines kompletten Optrodensystems (Sensor+Optoelektronik) für jeden einzelnen Messpunkt.
Um die Technologie für breite Forschungsfragestellungen zugänglich zu machen, wurde in diesem Projekt DaFNE 101357 „SilageSens Multiplex“ nun der Ansatz verfolgt, mehrere der kostengünstigen, eigentlichen Sensoren mit nur einer der teuren Optoelektroniken sequentiell auszulesen. Dazu ist ein mittels Fiber Switch automatisiertes Umschalten des optischen Pfades zwischen den bis zu 16 Sensoren und der Optoelektronik erforderlich. Umfangreiche Optimierungen der Optik, der Sensor-Front-Ends und der Anwenderfreundlichkeit der Software ergänzten die Arbeiten. Für einen niederschwelligen Einsatz auch unter realen (Freiland-)Bedingungen wurde die gesamte Hardware in einem mobilen, maßgefertigten 19-Zoll Flight-Case untergebracht.
Als Konsequenz aus den Vorprojekten wurde nicht zuletzt die parallele Verwendung von Sensoren mit unterschiedlichen Messbereichen realisiert. Während Spurensensoren das Niveau des Restsauerstoffs in der Silage akkurat wiederspiegeln, erfassen Sensoren mit weitem Messbereich die zeitliche Dynamik zu Beginn und Ende des Gärprozesses.
Die Messanlage wurde nach dem Aufbau der HBLFA Raumberg-Gumpenstein zur Durchführung des Schwesterprojekts DaFNE 101314 „Silagesensor2“ übergeben. Ergebnisse dazu, die mitunter die Funktionalität der Anlage zeigen, sind im zugehörigen Bericht dargestellt. Aus messtechnischer Sicht war vor allem das unerwartet ausgeprägte Alterungsverhalten der Sensoren, v.a. in Maissilage bemerkenswert, und entsprechende Lehren für die weitere Verwendung und ggf. technische Optimierung wurden daraus gezogen.
Abstract (englisch)
For the quality of fodder preservation by ensiling, the oxygen level in the fermentation atmosphere is of great importance and determines the type of fermentation and the stability of the preserved feed. Corresponding investigations were generally based on destructive sampling or simulation.
In the interlinked predecessor projects DaFNE 101073 "Silage sensor RG" and DaFNE 101082 "Silage sensor", HBLFA Raumberg-Gumpenstein and JOANNEUM RESEARCH demonstrated for the first time the use of optochemical sensor technology for minimally invasive long-term monitoring of oxygen inside a bale of grass silage, with great gains in knowledge. At that time, the method showed excellent applicability for various questions in fermentation research. However, the use of a complete optrode system (sensor+optoelectronics) for each individual measuring point was disadvantageous in terms of cost efficiency.
In order to make the technology accessible for broad research questions, this project DaFNE 101357 "SilageSens Multiplex" now pursued the approach of sequentially reading out several of the low-cost actual sensors with only one of the expensive optoelectronic units. This requires an automated switching of the optical path between the up to 16 sensors and the optoelectronics by means of integrating a fibre switch. Extensive optimisation of the optics, the sensor front ends and the user-friendliness of the software interface completed the work. For low-threshold use under real (outdoor) conditions, the entire hardware was housed in a mobile, custom-made 19-inch flight case.
As a consequence of the predecessor projects, the parallel use of sensors with different measuring ranges was realised. While trace sensors accurately reflect the level of residual oxygen in the silage, sensors with a wide measuring range record the temporal dynamics at the beginning and end of the fermentation process.
After installation, the measuring system was handed over to the HBLFA Raumberg-Gumpenstein for implementation of the sister project DaFNE 101314 "Silage Sensor2". The results, which also show the functionality of the system, are presented in the corresponding report. From a metrological point of view, the unexpectedly pronounced ageing behaviour of the sensors, especially in maize silage, was particularly remarkable, and corresponding lessons for further use and, if necessary, technical optimisation were derived.
Autor/innen
Martin Tscherner, JOANNEUM RESEARCH-MATERIALS