Von der Projektentwicklung zur Pilotanlage
Im Projekt MicroGrow wurden die einzelnen Entwicklungsschritte zu einer durchgängigen Prozess- und Wertschöpfungskette zusammengeführt: vom landwirtschaftlich erzeugten Luzerneheu über die Aufbereitung und Fraktionierung bis zur Herstellung und Vermarktung verschiedener Produkte.
Damit liegt ein technisches Gesamtkonzept vor, das die Verbindung zwischen Landwirtschaft, Materialaufbereitung, Pelletierung und Formpressung beschreibt. Ergänzend wurden mögliche Betriebsmodelle entwickelt und die technischen Ergebnisse wirtschaftlich und ökologisch eingeordnet.
Eine Prozesskette – mehrere Produkte
Das getrocknete Luzerneheu wird zunächst schonend zerkleinert und anschließend in zwei unterschiedliche Stoffströme getrennt. Die Fraktionierung bildet damit die zentrale Schnittstelle der entwickelten Prozesskette.
Die blattreiche Feinfraktion besitzt einen höheren Proteingehalt und ist für die Herstellung hochwertiger Luzernepellets vorgesehen. Die faserreiche Grobfraktion bildet den Ausgangswerkstoff für Verpackungs- und Anzuchtschalen.
Nicht für die Formpressung benötigte Teile der Grobfraktion können ebenfalls pelletiert werden. Dadurch lässt sich die Nutzung des Rohstoffes an die verfügbaren Mengen und die Nachfrage nach den verschiedenen Produkten anpassen. Das Ergebnis ist ein flexibles Mehrproduktsystem, das unterschiedliche Bestandteile der Luzerne gezielt verwertet.
Vom Laborprozess zur Formpressanlage
Die TU Dresden überführte die im Labor entwickelten Arbeitsschritte in das Konzept einer linear aufgebauten Formpressanlage. Es zeigt, wie Faserdosierung, Bindemittelzugabe, Halbzeugherstellung und Formpressung zu einem automatisierbaren Prozess verbunden werden können.
Die einzelnen Stationen reichen vom Faserspeicher über die gleichmäßige Verteilung und Vorverdichtung der Materialmischung bis zum zweistufigen Heißpressen und Auswerfen der fertigen Schale. Die entwickelte Prozessfolge belegt damit, dass die bislang einzeln erprobten Arbeitsschritte grundsätzlich zu einer zusammenhängenden Anlagenlogik verbunden werden können.
Befüllen der Halbzeugform
Aus dem Schüttbunker befördert eine Förderschnecke den zerkleinerten Faserstoff in eine Waage, sobald das Zielgewicht erreicht ist, wird die Waage in die Halbzeugform geleert.
Vibration der Fasern
Ein Schüttelmotor unter der Halbzeugform schüttelt die Form solange, bis die Fasern gleichmäßig verteilt sind.
Streuen der Additive
Ein Vibrationsförderer streut das Bindemittel auf die Fasern während die Halbzeugform auf den Schienen unter dem Vibrationsförderer hindurchfährt.
Vibration der Additive
Ein Schüttelmotor unter der Halbzeugform rüttelt das Bindemittel in die Fasermatte ein.
Pressen des Halbzeugs
Die Fasermatte in der Halbzeugform wird heiß verdichtet.
Bewegen des Schlittens und Stürzen der Halbzeugform
Am Ende der Schienen fährt die Halbzeugform auf eine Zahnstange, wodurch der Oberteil der Form gestürzt wird.
Auswerfen des Halbzeugs und Umformen der Laschen
Ein pneumatischer Auswerfer drückt die verdichtete Fasermatte aus der Form und in eine Faltschablone. Durch das Eintauchen in die federgelagerte Schablone werden die Laschen in den Ecken der Fasermatte aufgestellt.
Rückführung des Streukastens
Jetzt kann die Halbzeugform zurück fahren um neu befüllt zu werden.
Einlegen des Halbzeugs
Das fertige Halbzeug wird in die Formpresse geschoben.
Pressen des Formteils
In der Formpresse wird das Halbzeug mit einem zweistufigen Heiß-Pressprozess in die gewünschte Schalenform gebracht.
Auswerfen des Formteils
Abschließend wird das Formteil durch einen Auswerfer im Matrizenboden angehoben und durch den Schieber aus der Anlage geschoben.
Die konzeptionell ermittelte Leistung beschreibt dabei den Stand eines Forschungsdemonstrators. Sie dient dem Nachweis der technischen Machbarkeit und wurde bewusst nicht als Leistung einer späteren Produktionsanlage oder als Grundlage der Wirtschaftlichkeitsberechnung verwendet.
Unterschiedliche Wege zur Umsetzung
Das Anlagenkonzept wurde so aufgebaut, dass die Prozesskette in unterschiedliche betriebliche Strukturen integriert werden kann.
Landwirtschaftlicher Einzelbetrieb:
Ein Betrieb übernimmt große Teile der Rohstofferzeugung und Weiterverarbeitung selbst. Dadurch verbleibt ein hoher Anteil der Wertschöpfung im Unternehmen, gleichzeitig sind eigene Technik, Personal und Absatzwege erforderlich.
Regionale Kooperation:
Mehrere Betriebe bündeln Rohstoffmengen, Investitionen und Verarbeitungsaufgaben. So können Anlagen gemeinsam genutzt und besser ausgelastet werden.
Einbindung eines Verarbeitungsunternehmens:
Landwirtschaftliche Betriebe stellen einen qualitätsgesicherten Rohstoff bereit, während Aufbereitung oder Formpressung durch ein spezialisiertes Unternehmen erfolgen.
Die Untersuchung zeigte, dass keines dieser Modelle grundsätzlich vorzuziehen ist. Entscheidend sind die vorhandene Infrastruktur, die verfügbaren Rohstoffmengen, die Investitionsmöglichkeiten, der gewünschte Eigenanteil an der Wertschöpfung und die erreichbaren Absatzwege. Der modulare Aufbau ermöglicht es, dieselbe Prozesslogik an unterschiedliche betriebliche Voraussetzungen anzupassen.dsätzlich zu einem zusammenhängenden und automatisierbaren Prozess verbunden werden können.
Wirtschaftliche Ergebnisse der Prozesskette
Für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wurden die im Projekt ermittelten Rohstoff-, Prozess-, Kosten- und Produktdaten systematisch zusammengeführt. Als gemeinsames Referenzszenario diente eine jährliche Verarbeitung von 90 Tonnen Luzerneheu-Trockenmasse. Ergänzend wurden kleinere und größere Verarbeitungsmengen betrachtet, um die Übertragbarkeit auf unterschiedliche Betriebsstrukturen zu bewerten.
Für die landwirtschaftliche Rohstoffbereitstellung, die Zerkleinerung, die Fraktionierung und die Pelletierung konnten belastbare technische und wirtschaftliche Grundlagen ermittelt werden. Dabei wurden unter anderem Arbeitsverfahren, Maschinen-, Energie- und Personalkosten sowie unterschiedliche Möglichkeiten der Pelletierung berücksichtigt.
Für die Formpressung wurde bewusst keine scheinbar genaue Serienkalkulation auf Grundlage des Forschungsdemonstrators erstellt. Stattdessen wurde aus den verfügbaren Materialströmen abgeleitet, welche Produktionsmengen und Anlagenkapazitäten bei einer späteren Umsetzung erforderlich wären. Damit beschreibt die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung nicht die Leistung einer hypothetischen Maschine, sondern die Anforderungen an eine künftige Produktionslösung.
Als zentrales Ergebnis zeigte sich, dass der wirtschaftliche Nutzen nicht allein aus einem einzelnen Produkt entsteht. Entscheidend ist die Kombination der verschiedenen Nutzungspfade: Die proteinreiche Feinfraktion besitzt als Pelletrohstoff eine eigenständige wirtschaftliche Bedeutung, während Verpackungsschalen langfristig das größte Stückzahlenpotenzial bieten. Die Anzuchtsets ergänzen das System als endkundennahes Produkt, das bereits erfolgreich praktisch erprobt und vermarktet wurde.
Die Mehrproduktstrategie verbessert damit die Nutzung des Rohstoffes, erweitert die Absatzmöglichkeiten und reduziert die Abhängigkeit von einer einzelnen Produktlinie. Wichtige Einflussgrößen bleiben die Auslastung der Technik, der Automatisierungsgrad, die Nutzung vorhandener Infrastruktur und die erreichbaren Verkaufspreise.
Produktpotenzial eines Hektars Luzerne
Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigt auch das stoffliche Potenzial der entwickelten Prozesskette. Bei einem angenommenen Trockenmasseertrag von acht Tonnen je Hektar entstehen rechnerisch rund 4,8 Tonnen Feinfraktion und 3,2 Tonnen Grobfraktion.
Aus der Grobfraktion könnten bei einem Luzerneanteil von 36 Gramm je Schale theoretisch rund 88.900 Verpackungsschalen hergestellt werden. Die Zahl stellt keine Produktionsprognose dar, verdeutlicht aber, welches Nutzungspotenzial bereits in der jährlichen Ernte eines Hektars Luzerne steckt.
Regionale Wertschöpfung und ökologische Einordnung
Die ökologische Bewertung bestätigte insbesondere Potenziale bei der Nutzung eines nachwachsenden Rohstoffes, der gemeinsamen Verwertung mehrerer Fraktionen und der regionalen Verbindung von Landwirtschaft, Aufbereitung, Verpackungsherstellung und Vermarktung.
Das entwickelte Formpressverfahren benötigt im Vergleich zu papierbasierten Nassverfahren nur geringe Prozesswassermengen. Gleichzeitig können vorhandene landwirtschaftliche Infrastruktur und Aufbereitungstechnik für mehrere Stoffströme eingesetzt werden.
Die Kompostierungsversuche ergänzten diese Betrachtung um den Entsorgungsweg. Die untersuchten Luzernefaser-Schalen verloren unter den geprüften Bedingungen ihre Form und gingen im Versuchsverlauf weitgehend beziehungsweise vollständig in die Kompostmatrix über. Damit wurde die grundsätzliche Kreislauffähigkeit des entwickelten Materialsystems bestätigt.
Der nächste Schritt: eine Pilotanlage
Mit den Projektergebnissen liegen die wesentlichen Grundlagen für eine weitere technische Umsetzung vor: eine aufbereitbare Rohstoffbasis, definierte Stoffströme, geeignete Materialrezepturen, funktionierende Schalen, Presswerkzeuge, eine automatisierbare Formpresslogik sowie technische und wirtschaftliche Betriebsmodelle.
Die Formpressanlage wurde bislang konzeptionell ausgearbeitet und einzelne Prozessschritte wurden im Labor- und Demonstratormaßstab erprobt. Der nächste Entwicklungsschritt ist deshalb der Aufbau einer Pilotanlage, in der die einzelnen Module erstmals als zusammenhängender Produktionsprozess betrieben werden.
Eine solche Anlage würde belastbare Daten zur technischen Leistung und zu den tatsächlichen Produktionskosten liefern. Auf dieser Grundlage könnten die entwickelte Prozesskette weiter optimiert und die geeigneten Betriebs- und Herstellungsmodelle abschließend bewertet werden.
Die Entwicklung und Erprobung einer Pilotanlage bietet sich daher als Gegenstand eines weiterführenden Forschungs- und Entwicklungsprojektes an.
Eine Grundlage für die weitere Umsetzung
MicroGrow zeigt, dass aus Luzerneheu eine neue biobasierte Wertschöpfungskette entstehen kann. Aus einem landwirtschaftlichen Rohstoff wurden ein formbarer Werkstoff, funktionale Schalen, ein vollständiges Microgreen-Anzuchtset und unterschiedliche Pelletprodukte entwickelt.
Das technische Anlagenkonzept, die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und die entwickelten Vermarktungswege schaffen eine belastbare Grundlage, um die Ergebnisse in einer Pilotanlage zusammenzuführen und in Richtung einer seriennäheren Produktion weiterzuentwickeln.