Projekt 35986/01

Ein Ende für Nachernteverluste: Sensorgestützte Bestimmung der Getreidequalität in hermetisch geschlossenen Säcken

Projektdurchführung

Zielsetzung

Die Landwirtschaft ist einer der größten Treibhausgasemittenten und Agrarflächen breiten sich auf Kosten natürlicher Ökosysteme aus, besonders im globalen Süden. Trotz der hohen Umweltkosten für den Lebensmittelanbau verdirbt ein Drittel aller Lebensmittel. Ein Großteil der Ernteverluste im globalen Süden sind auf schlechte Lagerungsbedingungen von Getreide zurückzuführen. Die hohen Verluste sind außerdem Armutstreiber. Obendrein reichern sich bei schlechter Lagerung im Getreide durch Schimmelpilze Toxine an, was mit den hohen Raten gestörter Kindesentwicklung (Stunting) und Leberkrebs in Verbindung gebracht wird.
Hermetische Säcke sind eine erwiesene und kostengünstige Lösung. Sie eliminieren Ernteverluste während der Lagerung und verhindern das Wachstum von Schimmelpilzen. Leider haben sich hermetische Säcke kaum im Markt durchgesetzt. Dies liegt maßgeblich daran, dass sie nicht gehandelt werden können: Käufer können das Getreide nicht sehen und die Qualität überprüfen, ohne die Säcke zu öffnen.
Wir haben transparente Säcke in Ghana eingeführt und ermöglichen damit eine optische Kontrolle des Getreides. Dies ist aber nicht ausreichend, um Käufer Sicherheit über die Getreidequalität zu geben. In diesem Projekt entwickeln wir deshalb einen Sensor der die kritischen Parameter der Getreidequalität anzeigt. Damit wird ein verlustfreier, hermetischer Getreidehandel und Nachverfolgbarkeit möglich.
Eine hermetische Wertschöpfungskette bietet Kleinbauern, Händlern und Großabnehmern erhebliche Vorteile und damit ergibt sich das Potential zur Massenanwendung mit hoher Umweltentlastung, gesundheitlichen und sozialen Vorteilen:
1. Ernteverluste während der Lagerung von durchschnittlich 25% werden vermieden.
2. Finanzielle Verluste besonders bei Kleinbauern werden vermieden.
3. Mehr Getreide steht zur Verfügung und wirkt sich positiv auf die Ernährungssicherheit aus.
4. Weniger Getreideanbau ist nötig, dadurch werden Ressourcen gespart und Emissionen vermieden. Den Gründen für die Ausweitung von Agrarflächen mit einhergehender Zerstörung natürlicher Ökosysteme wird entgegengewirkt.
5. Gesundheitliche Belastungen durch Aflatoxine und Insektizid-Rückstände werden vermieden.

Arbeitsschritte

Wir entwickeln und testen ein Messsystem, dass neben der optischen Kontrolle des Getreides Käufern Sicherheit über die Getreidequalität und die Lagerfähigkeit gibt. Die Getreidefeuchte und die Luftdichtigkeit des hermetischen Sacks sind dafür ausreichend.
1. Zu hohe Getreidefeuchte führt zu Fermentation und dem kompletten Verlust des Getreides im hermetischen Sack. In Laborversuchen und späteren Feldversuchen haben wir die Eigenschaften von Getreide untersucht und ob die Messung der relativen Luftfeuchte durch Sensoren direkt an der Innenseite des hermetischen Sacks einen sicheren Rückschluss auf die Getreidefeuchte zulässt.
2. Die Luftdichtigkeit von hermetischen Säcken ist wichtig, da in hermetischen Säcken keine Insekten überleben können und damit kein Getreide beschädigen. Außerdem können die Schimmelpilze, die Mycotoxine wie Aflatoxin produzieren, nicht überleben. Das heißt, Käufer wissen, dass das Getreide in luftdichten hermetischen Säcken von hoher Qualität ist. Außerdem ist eine weitere Lagerung ohne Behandlung durch Begasen oder Kontaktinsektizide für wenigstens ein Jahr möglich. Wir haben in Feldversuchen in Ghana getestet, ob wir korrekt messen können, ob ein hermetischer Sack wirklich luftdicht geschlossen ist.
Wir haben einen ersten Markttest durchgeführt, indem wir Kleinbauern zu hermetischer Getreidelagerung trainiert haben. Anschließend haben wir das hermetisch verpackte Getreide gekauft und an einen lokalen Futtermittelhersteller verkauft. Durch diesen Markttest haben wir die praktischen Anforderungen im Bereich Qualitätsmanagement, Logistik und Produktionsprozesse aufgenommen.

Ergebnisse

Um die Getreidefeuchte in hermetischen Säcken zu messen, ohne diese zu öffnen, messen wir die relative Luftfeuchtigkeit an der inneren Oberfläche der hermetischen Säcke. Der Zusammenhang zwischen Luftfeuchtigkeit und Getreidefeuchte bei gleichbleibender Temperatur (Isothermie) wurde für die verschiedenen Maissorten in Ghana gemessen. Außerdem haben wir gemessen, ob sich bei Temperaturschwankungen der Außenluft, die entstehenden Temperaturgradienten innerhalb des Sacks maßgeblich auf die Luftfeuchtigkeit an der inneren Oberfläche des hermetischen Sacks auswirken. Unsere Laborergebnisse zeigen, dass eine gemessene Luftfeuchte von <70% auf eine sichere Kornfeuchte (<13%) für alle Maissorten und in Ghana auftretenden Temperaturen schließen lässt mit vernachlässigbarem Einfluss von plötzlichen Temperaturschwankungen.
Feldversuche zeigen, dass bereits nach wenigen Tagen im hermetischen Sack eine Kornfeuchte von über 13,3 % verlässlich vom Sensor angezeigt wird. Damit sind Käufer sicher, dass keine Fermentation in hermetischen Säcken auftreten kann.
Die Luftdichtigkeit der hermetischen Säcke messen wir indirekt über den CO2-Anstieg in hermetischen Säcken, der durch Insekten, Schimmelpilze und die Getreideatmung verursacht wird. Nach nur einem Tag liegt die CO2 Konzentration deutlich über dem Detektionslimit von 0.7%. Allerdings ließ sich kaum ein CO2 Anstieg für Getreide aus dem Norden Ghanas messen, was wahrscheinlich auf eine insektenresistente Maissorte zurückzuführen ist. Der Sensor zeigt zuverlässig Konzentrationen ab 0.7% an.
Für einen ersten Markttest haben wir Kleinleinbauern zu hermetischer Lagerung trainiert. Nach einem kurzen Training sind Kleinbauern in der Lage, hermetische Säcke fachgerecht zu nutzen. Wir haben auch mit Lebens- und Futtermittelherstellern gearbeitet, um deren Probleme und Anforderungen an eine Lösung für die Maislieferkette zu verstehen. Obwohl die Preissensitivität sehr hoch ist, sind Hersteller interessiert. Mit einem Hersteller haben wir pilotiert. Warenannahme, Qualitätsprüfung, das Hantieren und Entleeren von hermetischen Säcken waren kein Problem und nicht mit höheren Kosten verbunden, obwohl das Öffnen der hermetischen Säcke ein wenig länger dauert. Hermetische Säcke können ungefähr 3-mal wiederverwendet werden. Das Recycling konnte in diesem Versuch wegen der relativ kleinen Volumina noch nicht getestet werden, wird aber als als unproblematisch eingestuft.

Öffentlichkeitsarbeit

Wir haben Workshops zusammen mit der Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) in Ghana und Kenia gehalten. Zu diesen Workshops wurden relevante Stakeholder wie Lebens- und Futtermittelhersteller eingeladen, Getreidehändler, Bauernkooperativen, die lokalen Landwirtschaftsministerien und Akademiker. Außerdem haben wir in Ghana ein längeres Radiointerview gegeben.
Wir planen mehrere Publikationen in Fachjournalen, das erste Manuskript zu den Eigenschaften der verschiedenen Maiskultivare ist bereits eingereicht.
Wir haben an der BIOFACH Konferenz teilgenommen und mit verschiedenen Experten zu dem Thema diskutiert und planen bei der nächsten BIOFACH teilzunehmen. Außerdem werden wir bei der All African Post Harvest Congress Exhibition im September 2025 unsere Ergebnisse vorstellen.

Fazit

In Afrika gehen bis zu 25% des Getreides, der Hülsenfrüchte und der Nüsse nach der Ernte durch Insektenfraß und Schimmel verloren. Dies fängt bei den Millionen von Kleinbauern an und zieht sich durch die gesamte Wertschöpfungskette.
Hermetische Säcke sind ein effektiver Schutz, Insekten und Schimmel verbrauchen die Luft und ersticken. Allerdings muss das Getreide trocken sein, da es sonst durch Fermentation verdirbt. Obwohl hermetische Säcke preisgünstig und wiederverwendbar sind, haben sie sich nicht im Markt durchgesetzt, weil die Nutzung auf Kleinbauern für die Lagerung des Haushaltsbedarfs beschränkt bleibt. Hermetische Säcke können nicht gehandelt werden, da für eine Qualitätsüberprüfung die Säcke geöffnet werden müssen.
Wie haben ein System entwickelt, das Käufern erlaubt, Getreide in verschlossenen hermetischen Säcken zu kaufen. Die Qualität kann durch die Transparenz unserer Säcke visuell überprüft werden. Unser Messsystem zeigt die sichere Getreidefeuchte zuverlässig an. Weiterhin zeigt das System die Luftdichtigkeit an. Zusammengenommen erlaubt dies eine hermetische Wertschöpfungskette, die Nachernteverluste eliminiert, Ressourcen beim Anbau schont und der Ausweitung von Agrarflächen entgegenwirkt.
Unser Markttest zeigt, dass die Industrie die Vorteile des Systems erkennt und Kleinbauern nach kurzem Training mit hermetischen Säcken umgehen können. Wir arbeiten an der Optimierung des Systems und der Markteinführung, um große Mengen an Nachernteverlusten zu vermeiden.