Blick hinter die Kulissen: Industrielle Großzuchtanlagen

Industrielle Großzuchtanlagen, ein Blick hinter die Kulissen

Vier Dinge braucht es, damit eine Pflanze zu dem wird, was wir an ihr schätzen, und mitunter seit Jahrhunderten schon nutzbar machen: Erde, Nährstoffe, Wasser, Temperatur und Licht. Während den Faktoren Erde und Nährstoffe in heutiger Zeit in kommerziellen Zuchtumgebungen in Form speziell aufbereiteter und angereicherter Substrate ausreichend Rechnung getragen wird, stellt Wasser ohnehin keine große Hürde dar – eine Hürde, wenn es darum geht, bestimmte Nutzpflanzen in großindustriellem Umfeld zu kultivieren, um sie anschließend kommerziell verwerten zu können.

1. Neue Perspektiven dank LED

Wasser steht in unseren Breiten ganzjährig in ausreichendem Maße großzügig zur Verfügung. Doch wie sieht es mit den Lichtverhältnissen aus? Hier blieb sowohl die Industrie lange Zeit eine hinreichend effektive Lösung schuldig, einem jahreszeitlich bedingten Mangel geschuldet.

Hier setzte vor Jahren eine neue Technologie an, die mittlerweile den Markt für Pflanzenlampen revolutioniert hat und zum Standard in industriellen Großanlagen geworden ist. Selbst jeder Hobbygärtner ist seitdem mittlerweile in der Lage, mithilfe von LED Pflanzenlampen sein eigenes kleines Gewächshaus auf der heimischen Fensterbank selbst in der lichtärmeren Herbst- und Winterperiode effektiv zu betreiben, einer LED Grow Lampe geschuldet.

Hier hat sich an einem noch relativ jungen Markt gleich eine ganze Reihe an Offline und Online Grow Shops etabliert, die sich auf Anzucht und Kultivierung von Nutzpflanzen von Tomaten, Salat und lichtintensiven Zierpflanzen spezialisiert haben und nötiges Know-how in Form entsprechender Hardware und Spezialwissen vertreiben.

Hierbei fällt LED-Beleuchtungssystemen eine Schlüsselrolle zu, die als LED Grow Lampen auf dem Pflanzenbeleuchtungs-Sektor Maßstäbe gesetzt und die Herausbildung einer Hobby-Homegrow-Community erst ermöglicht haben. Energieeffizient, anspruchslos im Betrieb und komplett frei von Abwärme, eröffneten LED Grow-Lampen für ambitionierte Selbstversorger völlig neue, effektivere Perspektiven.

1.1 Was bedeutet LED eigentlich, und wie macht sich die Industrie LED zunutze?

Der LED-Begriff stammt aus dem Englischen und steht für „light emitting diode“, zu Deutsch „Leuchtdiode“. Um Stromfluss zu gewährleisten, übernimmt die Diode in Form eines Halbleiterkristalls die Funktion des Transportmediums. Fließt Strom, erfolgt seine Umwandlung in Lichtenergie. Dabei entstehen je nach Zusammensetzung der Kristallverbindungen unterschiedliche Farben, wenn Strom durch die Diode fließt.

Werden Kristalle und Leuchtdioden untereinander vermischt, können verschiedenste Farbschattierungen, Mischungen und Helligkeitsstufen erzielt werden, was sich die Industrie zunutze macht. Die Farbe Weiß etwa wird aus Blau- und Gelbanteilen gemischt.

Neuartige Beschichtungsverfahren wie das „Chip Level Coating“-Verfahren (CLC) tragen zu einer stärker homogenen Lichtabbildung bei, indem hierbei hauchdünne Phosphor-Schichten auf den Chip aufgetragen werden.

Die Variabilität in den Farb-Mischungsanteilen macht sich die Pflanzzucht-Industrie seit Jahren schon zunutze, indem einzelne Grow-LED-Einheiten – gleich in ganzen Batterien von bisweilen mehreren Hundert LED-Lichtquellen zusammengestellt – je nach Wachstumsphase hinsichtlich ihrer Farbanteile zusammengestellt werden.

Je nach aktuellem Zuchtstadium werden dann höhere Blau-Anteile für die Wachstums- und Überwinterungsphase, aber auch für Anzucht von Stecklingen eingesetzt.

Soll verstärkt die Blütenbildung angeregt werden, kommt vorwiegend eine LED-Pflanzenbeleuchtung zum Einsatz, die Rot- und Gelbanteile favorisiert.

Auch Allround-Kombinationen untereinander sind denkbar und praktikabel, um Kosteneinspareffekte dadurch zu erzielen, dass in den Zucht-Einheiten stets die gleichen LED-Batterien zum Einsatz kommen und jede Wachstumsphase abdecken können.

1.2 LED-Energiesparwunder machen auch ökologisch Sinn

Neben ökonomischen Aspekten wie etwa die einer drei- bis viermal höheren Lebensdauer von LED-Röhren im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtstoffröhren – Betriebsstunden von über 50.000 Stunden sind keine Seltenheit – oder Stromersparnissen von 80 Prozent und mehr gegenüber bisherigen Lichttechniken, schätzen viele Grow-Betriebe auch die umweltfreundlichen Aspekte:

  • kein Quecksilber
  • keine umweltschädlichen Dämpfe und Gase
  • keine damit verbundene, kostenintensive Entsorgung und Recycling von LED Grow Leuchten als Sondermüll.

In einem hart umkämpften Markt sind diese Faktoren von besonders eminenter Bedeutung, um Kosteneinsparpotenziale bei der gewerblichen Pflanzenzucht zu erschließen. Ausgediente LEDs können einfach zusammen mit anfallendem Elektroschrott etwa bequem und kostensparend im Hausmüll, wie auch im normalen, gewerblichen Industriemüll entsorgt werden.

1.3 Temperaturneutral und energieeffizient

Während die traditionelle Glühbirne noch rund 95 Prozent ihrer elektrischen Energie in Wärme und nur fünf Prozent in Licht umgesetzt hatte, ist das Verhältnis bei LED-Lampen nahezu umgekehrt. Mehr noch: Nahezu hundertprozentig emittieren LED-Lichtkegel ihre Energie in Lichtenergie – mit einem für die Industrie unschätzbaren Nebeneffekt. Denn mussten früher aufwendige Kühlungs- und Belüftungsvorrichtungen zusätzlich installiert werden, um eine zu hohe Abwärme der Leuchtstoff- und Neonröhren-Aggregate zu kompensieren, entfallen derartige Vorrichtungen und damit verbundene Kosten in einem Großzuchtbetrieb durch sehr geringe Wärmeentwicklung der LED-Panels vollends. So werden die für bestimmte Wachstumsstadien schädliche Temperaturschwankungen durch Temperaturneutralität der LED-Beleuchtungsanlagen wirkungsvoll vermieden.

1.4 LED-Stärke und Pflanzenabstand

Dabei wird die jeweilige, individuell benötigte Beleuchtungsstärke (Lux) von den Betreibern kommerzieller Anlagen aus dem Lichtstrom (Lumen), der die maximale Gesamtabstrahlung kennzeichnet, dem Abstrahlwinkel (Grad) und der Entfernung (Meter) zwischen Lichtquelle und Pflanze errechnet und entsprechend eingestellt.

Der Abstrahlwinkel bezeichnet den Winkel an, in dem das Licht der LED Growlamp ausgestrahlt wird. Dieser wiederum definiert, wie breit oder eng sich der abgestrahlte Lichtkegel einer LED, ausgehend von der punktförmigen Lichtquelle, in den Raum verteilt.

Lumen und Abstrahlwinkel sind werkseitig den Herstellerangaben in der Produktbeschreibung der LED-Panels zu entnehmen. Ist die benötigte Beleuchtungsstärke im Pflanzenbereich bekannt, kann aus Lux, Lumen und Grad die ideale Entfernung der Pflanzen zu den LED-Beleuchtungseinheiten bestimmt werden. Alternativ lässt sich natürlich auch die jeweilige Beleuchtungsstärke des Pflanzenlichts aus Lichtstrom, Abstrahlwinkel und Entfernung ermitteln. Mittlerweile bieten einige Portale im Netz solche Rechner an.

2. Ideale Wachstumsbedingungen durch Automatisation

Kommerzielle Zuchtanlagen verfügen neben einer ganzen Reihe von LED Panels, bei denen mehrere LEDs in Systemen miteinander kombiniert und zu größeren Einheiten verschmolzen sind, natürlich auch über ausgeklügelte Systeme zur Wasser- und Düngerversorgung.

Je größer eine Anlage dabei ist, umso unverzichtbarer ist eine automatische Pflanzenbewässerungsanlage, die hardwareseitig üblicherweise etwa aus

  • Pumpen (Tauchpumpen)
  • Schläuche
  • Regelungssysteme
  • Nährstofftanks und entsprechende Verteilerventile bestehen

Fertige Systemkonzepte für den Indoor-Bereich orientieren sich an der Größe der betreffenden Growboxen (übergeordnete Topfeinheit, bestehend aus unterschiedlich vielen Einzeltöpfen), und sind – als Komplettsystem ausgelegt – darin relativ leicht integrierbar. Fertige, sogenannte „Grow Kits“ werden mittlerweile sowohl auf den gewerblichen, wie auch den privaten Einsatz hin optimiert im Fachhandel angeboten, und sind für Jedermann etwa in den diversen Growshops erhältlich.

2.1 Aeroponik & Hydroponik

Dazu gehören neben bereits erwähnten Komponenten auch Untersetzer, Matten und Nährstofftanks. Vielerorts wird auf dem Bewässerungs-Sektor mittlerweile mit dem modernen Aeroponik-Verfahren gearbeitet, bei dem Pflanzen nur in einer Nährlösung angezüchtet und kultiviert werden und das Kultursubstrate überflüssig macht – eine weitere Kostenersparnis in der industriellen Pflanzen-Zucht.

Portable, überdachte Gewächshaus-Einheiten können dabei mit einer bestimmten Anzahl an Anzucht- und Kulturtöpfchen bestückt werden, in denen Stecklinge wie Jungpflanzen in Nährlösungen schwimmen. Zusätzlich übernimmt ein vollautomatisches System die kontrollierte, permanente Zufuhr von Nährlösung in Flüssigkeits- oder Sprühnebel-Form, wenn das System etwa durch optische Laserkennung eine Unterversorgung festgestellt hat.

In bestimmten, vordefinierten Zeitintervallen werden die Pflänzchen so mit Wasser und allen notwendigen Nährstoffen mittels Nährlösung automatisch versorgt.

Gleiches gilt auch für die in industriellem Maßstab eingesetzten, sogenannten „hydroponischen“ Zuchtsysteme, bei denen Sämereien, Stecklinge wie Jungpflanzen in alternativen Ersatz-Substraten wie Blähtonen oder Steinwolle bestens gedeihen. Überhaupt hat die Verwendung klassischer Pflanzsubstrate im groß-industriellen Kontext in den letzten Jahren zunehmend nicht nur aus Kostengründen an Bedeutung verloren.

Herkömmliche Pflanzsubstrate bergen immer den wesentlichen Nachteil einer Bildung von Fäulnis und Schimmel aufgrund von Staunässe und mangelnder Belüftung des Wurzelwerks mit Sauerstoff. Alternativ-Materialien wie Blähton oder Gewebematten sorgen für genügend Luftzirkulation im Wurzelbereich des Pflanztopfes. Eine Einbindung zusätzlicher Netzstrukturen im unteren Topfbereich sorgt zudem für genügend Halt bei Stecklingen und noch schwach bewurzelten Jungpflanzen.

2.2. Belüftung und Temperaturregelung

Hinreichende Versorgung und Belüftung bei Alternativ-Substraten wird mittels individuell regelbarer Zeitschaltuhr bewerkstelligt, die darüber entscheidet, wie oft und wie lange die Pflanze am Tag ihre Nährflüssigkeit erhält. Im industriellen Kontext geschieht dies meist in Form großflächiger, zusammensteckbarer Tropfringsysteme, aus denen die Nährlösung in gewünschter Menge und Dauer auf die Blähtonkugeln tropft. Von dort fließen die Tropfen in Richtung Boden und umspülen dabei das Pflanz-Wurzelwerk – ein idealer Kontext.

Denn: Die Pflanze nimmt dabei nur so viel Wasser und Nährstoffe auf, wie sie benötigt. Überschüssiges Wasser läuft weiter nach unten, durch Drainagelöcher hindurch, wo es am Boden der Pflanzwannen gesammelt und mittels weitläufigem Schlauchsystem wieder in die stationären Wassertanks rückgeführt wird. Dort verweilt es bis zur erneuten Nutzung im nächsten Schaltintervall auf Abruf. In einem so entstandenen, permanenten Wasser- und Nährstoff-Kreislauf wird Staunässe wirkungsvoll vermieden und gleichzeitig die Pflanze optimal mit Sauerstoff im Wurzelbereich versorgt.

Die Schaffung für das Pflanzenwachstum gleichbleibender, idealer Umweltbedingungen begünstigt Keimung, Bewurzeln von Stecklingen und Zunahme an Blattmasse in zügigem, von der Industrie gewünschtem Tempo. Zum Unternehmen „rasche Kultivierung“ gehört auch eine Belüftungsanlage, die etwa mithilfe von computergesteuerten, vollautomatischen Belüftungsklappen die für die jeweilige Pflanze und jeweiliges Wachstumsstadium günstigste Luftfeuchtigkeit permanent aufrechterhält. Tropfwasser und Schimmelbildung durch ein Zuviel an Luftfeuchte werden dabei ebenfalls vermieden. Auch werden die für das Wachstum idealen Temperaturverhältnisse geschaffen und per computergesteuerter Regeltechnik dauerhaft eingehalten.

3. Ausblick

Moderner Steuerungs- und Schaltanlagenbau macht es schon heute möglich: Ausgeklügelte Gewächshaus-Automatisierungssysteme beinhalten Klimacomputer mit modernsten Steuer- und Regelstrategien für die Klimaführung in Gewächshäusern an, die Energie- und Wasserressourcen optimal einsetzen und somit Kosten einsparen helfen. Separate Schalteinheiten etwa in Form von Schaltschränken sorgen bei derartigen, komplexen Klima-Regel-Systemen dabei für den nötigen Überblick.

Von hier aus können zentral Bewässerung, Düngung, Befeuchtung, Belichtung, Kohlendioxid- und Sauerstoff-Konzentration sowie Temperatur mittels spezieller Sensoren, Messumformer und Anzeigegeräte gemessen, angegeben und gegebenenfalls modifiziert werden.