Entwicklung eines Modells für die Vorhersage und Analyse des Schädigungseinflusses von Ernteprozessen auf Kartoffelknollen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Böl; Professor Dr. Ludger Frerichs
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436145430

In der landwirtschaftlichen Prozesskette von der Ernte bis zum Verbraucher sind Kartoffelknollen vielen mechanischen Belastungen ausgesetzt, die häufig innere strukturelle und physiologische Schäden mit sich bringen. Diese Beschädigungen können über eine Folge von biochemischen Prozessen zur Bildung des dunklen Farbstoffs Melanin führen. Solche Melaninablagerungen sind als braune oder schwarze Flecken bekannt und gehen mit Änderungen von Gewebetextur, Geschmack und Nährwert einher. In der Vergangenheit wurden vor allem die Einflüsse von Wachstums- und Ernteparametern wie beispielsweise Düngung, Erntetemperatur, Sorte oder Reife auf die Neigung zur Schwarzfleckigkeit untersucht. Auch wenn aus diesen Untersuchungen bekannt ist, dass vor allem die mechanischen Eigenschaften des Knollengewebes die Neigung zur Schwarzfleckigkeit beeinflussen, steht noch kein physio-mechanisches Modell zur Verfügung, dass eine Verbindung zwischen dem Spannungs-Dehnungsverhalten von Knollengewebe und der Bildung von schwarzen Flecken herstellt.Aus diesem Grund wird im Rahmen des vorliegenden Forschungsprojekts ein Mehrfeldmodellierungsansatz entwickelt, der ein inelastisches Konstitutivgesetz für Kartoffelgewebe und eine Reaktionskinetik für die zeitaufgelöste Bildung von schwarzen Flecken umfasst. Die Konstitutivparameter für das Spannungs-Dehnungsgesetz und die Verfärbungskinetik werden auf der Basis von Experimenten an Gewebeproben bestimmt, die die Entwicklungsgeschichte der Knollen abbilden. Diese Untersuchungen umfassen Kompressionsversuche, Messungen der Atmungsaktivität und Verfärbung sowie Experimente zur Bestimmung von Gasdiffusionskoeffizienten in Kartoffelgewebe. Mit Hilfe des kontinuumsmechanischen Modells kann die Deformationsantwort einer Kartoffelknolle auf verschiedene Lastkollektive nachempfunden und der zeitliche Verlauf der Verfärbung vorhergesagt werden.Darüber hinaus werden die Lastkollektive, denen Kartoffelknollen in der Ernteprozesskette ausgesetzt sind, mittels eines Diskrete Elemente Modells (DEM) identifiziert. Die ausstehenden Herausforderungen, die in diesem Zusammenhang addressiert werden, beziehen sich auf die Ableitung von Kontaktkraft-Überlappungsbeziehungen und die Bestimmung einer repräsentativen Knollenform. Auf der Oberfläche einer Knolle werden einwirkende Kräfte zu Lastkollektiven zusammengefasst.Die Kombination dieser beiden mechanischen Modelle stellt einen neuartigen, prädiktiven Ansatz zur Quantifizierung der Menge an Kartoffelknollen, die in einer Erntestufe beschädigt werden, dar. Insbesondere ist es möglich, die zeitliche Entwicklung der Schwarzfleckigkeit vorherzusagen. Sowohl das kontinuumsmechanische Modell als auch das DEM werden in einer Serie von Testfällen zunehmender Komplexität validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen