Vom Luzerneheu zum Faserrohstoff
Luzerne ist weit mehr als eine klassische Futterpflanze. Im Projekt MicroGrow wurde untersucht, wie sich ihre unterschiedlichen Bestandteile gezielt nutzen lassen: die eiweißreichen Blattanteile als hochwertiger Futterrohstoff und die faserreichen Stängel als Ausgangsmaterial für neue biobasierte Produkte.
Eine vielseitige Kulturpflanze
Luzerne ist eine mehrjährige und besonders trockenheitstolerante Kultur. Mit ihren tiefreichenden Wurzeln erschließt sie Wasser und Nährstoffe aus tieferen Bodenschichten. Als Leguminose bindet sie zudem Luftstickstoff und übernimmt damit eine wichtige Funktion in der ökologischen Fruchtfolge.
Neben ihrer Bedeutung als eiweißreiches Futtermittel bietet die große Menge an faserreicher Biomasse weitere Nutzungsmöglichkeiten. Genau hier setzte MicroGrow an: Die Luzerne sollte weiterhin als wertvolle Futterpflanze genutzt und zugleich als Rohstoff für Verpackungs- und Anzuchtschalen erschlossen werden.
Schonende Heuernte bei Vorwerk Podemus
Damit möglichst viele Blätter erhalten bleiben und ein hochwertiges Ausgangsmaterial entsteht, wird die Luzerne auf dem Betrieb besonders schonend geerntet. Nach dem Mähen wird sie vorsichtig gewendet, mit einem Bandschwader zu lockeren Schwaden zusammengeführt und anschließend mit dem Ladewagen geborgen. Das Heu muss dadurch nicht bis zur vollständigen Trocknung auf dem Feld verbleiben. Die kürzere Feldliegezeit reduziert das Risiko durch Niederschläge und begrenzt Verluste der empfindlichen Blattanteile.
Die Mahd
Die Luzerne wird mit einem Scheibenmähwerk als Front-Heck-Kombination gemäht. Ein Aufbereiter wird dabei nicht eingesetzt. Ziel ist ein zügiger und sauberer Schnitt, bei dem das Erntegut möglichst verlustarm abgelegt wird. Durch die große Arbeitsbreite kann der Bestand innerhalb eines kurzen Zeitraums gemäht und anschließend gleichmäßig weiterbearbeitet werden.
Zetten und Wenden
Nach der Mahd wird die Luzerne mit einem Kreiselzettwender vorsichtig aufgelockert und gewendet. So gelangt mehr Luft und Sonne an das Erntegut und es kann gleichmäßig trocknen. Bei Vorwerk Podemus erfolgt dieser Arbeitsschritt möglichst schon am ersten Tag. Je nach Witterung und Feuchtigkeit wird die Luzerne etwa en- bis zweimal gewendet. Dabei ist Fingerspitzengefühl gefragt: Je trockener das Heu wird, desto empfindlicher sind die wertvollen Blätter.
Schwaden
Sobald das Luzerneheu auf dem Feld ausreichend angetrocknet ist, wird es mit dem Bandschwader zu gleichmäßigen Schwaden zusammengeführt. Dabei wird das Material schonend aufgenommen und locker abgelegt, sodass möglichst wenige Blätter verloren gehen und kaum Erde oder Schmutz in das Erntegut gelangt. Anschließend kann das Luzerneheu vollständig mit dem Ladewagen aufgenommen werden.
Bergen & Einlagern
Bei Vorwerk Podemus wird das Luzerneheu bereits aufgenommen, bevor es vollständig auf dem Feld getrocknet ist. Mit einem Trockensubstanzgehalt von etwa 60 % gelangt es per Ladewagen in die betriebseigene Heuhalle. So verkürzt sich die Zeit auf dem Feld und das Risiko durch Regen oder weitere Blattverluste sinkt. Der Ladewagen nimmt das Heu besonders locker auf – eine wichtige Voraussetzung dafür, dass die Trocknungsluft das Material später gleichmäßig durchströmen kann.
Heutrocknung
Die vollständige Trocknung erfolgt in der betrieblichen Heuhalle. Dort wird die Luzerne mit einem Heukran locker in drei Trocknungsboxen eingebracht und von unten mit warmer Luft durchströmt. Eine Besonderheit ist die Nutzung der unter dem Photovoltaikdach erwärmten Luft. Sie wird abgesaugt und durch das eingelagerte Heu geleitet. Die Sonnenenergie wird damit doppelt genutzt: zur Erzeugung von Strom und als Wärmequelle für die Trocknung. Innerhalb von etwa 24 bis 48 Stunden entsteht ein trockenes, lagerfähiges Heu, das sowohl als hochwertiges Futtermittel als auch für die technische Weiterverarbeitung genutzt werden kann.
Zerkleinern & Fraktionieren
Für die Herstellung der Schalen musste aus dem getrockneten Heu zunächst ein gleichmäßig verarbeitbarer Faserrohstoff entstehen. Gesucht wurde ein Verfahren, das möglichst einfach aufgebaut ist und mit landwirtschaftlich verfügbarer Technik umgesetzt werden kann. Das Luzerneheu wurde zunächst in einer für das Projekt angeschaffte Strohmühle zerkleinert. Anschließend gelangte es in einen angepassten Trommelvorreiniger. Unterschiedliche Siebeinsätze trennten das Material nach Größe und Struktur. Auf diese Weise konnten feinere, überwiegend blattreiche Bestandteile von gröberen, stärker stängelhaltigen Fasern getrennt werden.
Schritt für Schritt zum passenden Verfahren
Die Kombination aus Strohmühle und Trommelsieb wurde in mehreren aufeinander aufbauenden Versuchen erprobt. Dabei zeigte sich zunächst, dass sich Luzerneheu grundsätzlich gut zerkleinern und fraktionieren lässt. Gleichzeitig musste die vorhandene Technik an das leichte und faserige Material angepasst werden. Im ersten Hauptversuch entstanden mehrere unterschiedliche Fraktionen. Ihre Partikelgrößen und Inhaltsstoffe wurden untersucht und aus ausgewählten Varianten erste Prüfplatten hergestellt. Auf Grundlage dieser Ergebnisse konnte das Verfahren im abschließenden Versuch vereinfacht und gezielt auf zwei verwertbare Hauptfraktionen ausgerichtet werden.
Im Schema dargestellt, die finale Anordnung im Trommelvorreiniger für die Fraktionierung in die zwei Rohstoffströme.
Zwei Fraktionen – zwei Nutzungsmöglichkeiten
Das optimierte Verfahren lieferte zwei klar unterscheidbare Rohstoffströme:
Fraktion A besitzt einen hohen Anteil feiner Blattbestandteile und einen höheren Proteingehalt. Sie kann zu hochwertigen Luzernepellets weiterverarbeitet werden.
Fraktion B enthält einen höheren Anteil homogener Stängelfasern. Sie wurde als Ausgangsmaterial für die Herstellung der Verpackungs- und Anzuchtschalen ausgewählt.
Im zweiten Hauptversuch entfielen 60 Prozent des aufbereiteten Materials auf die proteinreiche Blattfraktion A und 35 Prozent auf die faserreiche Stängelfraktion B. Lediglich fünf Prozent wurden als übrige Bestandteile beziehungsweise Verluste in diesem Verfahren erfasst. Damit können große Teile des Luzerneheus entsprechend ihrer jeweiligen Eigenschaften genutzt werden.
Vom losen Material zur Prüfplatte
Nach der Fraktionierung lag die Luzerne zunächst als loses Fasermaterial vor. Um beurteilen zu können, welche Fraktion sich für die weitere Werkstoffentwicklung eignet, wurden daraus erste Prüfplatten hergestellt. Dafür wurde das Material gleichmäßig zu einer Matte verteilt und anschließend unter Druck und Wärme verpresst. So entstanden flächige Werkstoffproben, an denen die Eigenschaften der verschiedenen Luzernefraktionen direkt miteinander verglichen werden konnten.
Bereits bei der Herstellung zeigten sich deutliche Unterschiede. Blattreiche Fraktionen ließen sich anders verarbeiten als die gröberen, stärker stängelhaltigen Fasern. Auch Oberfläche, Gleichmäßigkeit und Zusammenhalt der gepressten Platten unterschieden sich sichtbar. Neben bindemittelfreien Varianten wurden im weiteren Verlauf auch Platten mit Kiefernharz hergestellt, um den Zusammenhalt und die mechanischen Eigenschaften des Materials zu verbessern.
Anschließend wurden die Prüfplatten verschiedenen Belastungstests unterzogen. Beim Drei-Punkt-Biegeversuch wurden schmale Probenstreifen belastet, um zu untersuchen, wie stark sich das Material gegen eine Durchbiegung wehrt. Eine hohe Biegesteifigkeit ist wichtig, damit eine spätere Schale ihre Form behält und sich beim Anheben oder Transportieren nicht zu stark verformt.
Im Zugversuch wurden die Proben zwischen zwei Klemmbacken eingespannt und auseinandergezogen. Dabei wurde gemessen, welche Belastung das Material aushält, bevor es reißt. Die eingesetzten Prüfmethoden stammen ursprünglich aus der Papier- und Werkstoffprüfung und eignen sich besonders für den Vergleich mit papierähnlichen Materialien wie Pappe, Faserguss oder Holzschliff.
Neben der Festigkeit wurde auch untersucht, wie gut sich das lose Material bewegen und dosieren lässt. Dafür wurde die Rieselfähigkeit der verschiedenen Fraktionen betrachtet. Sie gibt an, wie leicht das Material unter dem Einfluss der Schwerkraft fließt. Diese Eigenschaft ist für eine spätere automatisierte Verarbeitung wichtig: Ein gut rieselndes Material lässt sich gleichmäßiger aus Speichern austragen, transportieren und einer Presse zuführen.
Die Ergebnisse aus Prüfplattenherstellung, mechanischen Versuchen, Erscheinungsbild und Materialfluss bildeten gemeinsam die Grundlage für die Auswahl der geeigneten Luzernefraktion.
Fraktion B als Grundlage der weiteren Entwicklung
Die Untersuchungen zeigten, dass insbesondere die Fraktionen A und B grundsätzlich für die Herstellung von Platten geeignet waren. Fraktion B überzeugte durch ihre hohe Homogenität, stabile mechanische Eigenschaften und ein gleichmäßiges Erscheinungsbild.
Eine zusätzliche Zerkleinerung im Granulator (als Versuch einer weiteren Zerkleinerungsmöglichkeit) brachte keine entscheidende Verbesserung. Deshalb wurde Fraktion B als Vorzugsvariante für die weitere Werkstoff- und Schalenentwicklung ausgewählt.
Damit war ein entscheidender Schritt geschafft: Aus dem landwirtschaftlich erzeugten Luzerneheu war ein gezielt aufbereiteter Faserrohstoff entstanden, der im nächsten Entwicklungsschritt zu einem stabilen und formbaren Werkstoff weiterentwickelt werden konnte.