Erik Runkle en Qingwu (William) Meng, Michigan State University:

"Kassen en vertical farms kunnen elkaar aanvullen"

Vertical farming is populair. Over de hele wereld staan sla en andere planten in grote groeifaciliteiten en kleine vrachtcontainers. De eigenaren van deze bedrijven zijn vaak zeer enthousiast over hun bedrijf, maar nog belangrijker dan enthousiasme is de wetenschap achter de teelt. Om hier meer over te leren spraken we met Dr. Erik Runkle en Qingwu (William) Meng van het CELL project van de Michigan State University.

Het Controlled-Environment Lighting Laboratory (CELL) is een indoor vertical farming onderzoeksfaciliteit van de Michigan State University (MSU). "We kijken naar manieren waarmee vertical farmers hun productie kunnen verhogen en extra waarde aan speciale gewassen kunnen geven door culturele en milieufactoren te onderzoeken", legt William uit.

Zoals de naam al doet vermoeden is het centrale element van de CELL projecten verlichting, LED verlichting van OSRAM om precies te zijn. Iedere LED-armatuur heeft zeven individueel gecontroleerde kleurkanalen met UV-A tot felrood licht. Hierdoor kunnen er tests met diverse kleurcombinaties worden uitgevoord op gewassen die in meerlaagse teelt-op-watersystemen worden gebruikt. 



"We hebben onderzoek gedaan naar de invloed van blauw, groen, rood en felrood licht op de groei en kwaliteit van bladgroenten, en naar de bloei van siergewassen die in CELL gekweekt zijn en in kassen verder geteeld zijn. Naast onderzoek informeert CELL ook studenten en het publiek over de technologieën die gebruikt worden bij de binnenteelt, gedeeltelijk dankzij de populaire locatie van CELL in ons gebouw." De drijfkracht om CELL te ontwikkelen komt door: 

1. de wens voor een grotere onderzoekscapaciteit; 
2. discussies over de mogelijkheid om een gecombineerd onderzoekscentrum en commercieel binnenteeltbedrijf op te zetten in Detroit.

"Mijn groep begon in 2010 met hun werk aan de productie van gewassen die binnen geteeld worden, toen ik samenwerkte met OSRAM Opto Semiconductors (gevestigd in Michigan) om zes LED-modules te ontwikkelen voor onderzoek naar jonge sierplanten," vertelt Erik. "Die modules waren uitstekende onderzoeksinstrumenten, maar na enkele jaren onderzoek kregen we last van het gebrek aan ruimte en de hoeveelheid onderzoeken die we tegelijkertijd uit konden voeren."

Andere motiverende gebeurtenissen begonnen in 2014, toen een kleine groep van MSU een ontmoeting had met vertegenwoordigers van de gemeente Detroit, enkele bedrijven, en Caleb Harper van het MIT Media Lab. Tijdens deze bijeenkomst werd de mogelijkheid van het oprichten van een indoor farm in Detroit besproken. "Hoewel deze discussies uiteindelijk niet tot een gezamenlijk project hebben geleid, heeft Caleb me geïnspireerd om een indoor faciliteit op te richten bij de MSU - gedeeltelijk gebaseerd op de CityFARM van de MIT - die zich richt op verlichting voor gewassen door middel van een enkele bron", zegt Erik.




De zoektocht naar ruimte en financiering
De twee grootste obstakels waren ruimte en de financiering van het project. "De ruimte binnen ons gebouw is zeer beperkt doordat er nieuwe faculteiten zijn toegevoegd. Na de verschillende opties te hebben bekeken kreeg ik toestemming om een kamer die eigenlijk als opslagruimte werd gebruikt om te bouwen voor CELL." MSU's AgBioResearch, de onderzoeksafdeling van de universiteit, heeft de financiering van de uitgebreide renovatie van de ruimte verzorgd.
"Tegelijkertijd ben ik in gesprek gegaan met OSRAM Innovation over LED-verlichting voor CELL. Ze vroegen wat ik wilde wat betreft lichtmogelijkheden en vertelden dat zij het zouden ontwikkelen - en dat hebben ze gedaan! De ontwikkeling van deze unieke modules en de software heeft veel moeite gekost, en ik ben OSRAM Innovation zeer dankbaar hiervoor. Achteraf gezien heb ik onderschat hoeveel tijd en geld het zou kosten om CELL te ontwikkelen. Ik ben echter zeer enthousiast over CELL en de onderzoeken die we in de toekomst uit kunnen voeren in de faciliteit."

Activiteiten
Het CELL team heeft op verschillende manieren gecommuniceerd over de activiteiten van het CELL project. Naast onderstaande video van OSRAM over de onderzoeksdoelen, hebben ze video's gemaakt over de experimenten van CELL, die op de CELL website te zien zijn. William: "Onlangs is ons verhaal over CELL ook gepubliceerd in Futures, het tijdschrift van Michigan State University AgBioResearch. In April nemen we ook deel aan het Michigan State University Science Festival en leiden we mensen rond in de CELL faciliteit." 


De impact van licht
Het CELL project richt zich op de effecten van belichting op gewassen. Maar hoe werkt dit precies? William legt uit: "Planten gebruiken licht als energiebron voor fotosynthese en als signalen om fysiologische processen in gang te zetten, zoals ontkieming, bloei en plantarchitectuur. De kwantiteit, kwaliteit en duur van licht spelen een enorme rol bij de groei en reproductie van gewassen. 

"In CELL richten we ons op de kwaliteit van het licht, oftewel de kleuren en golflengtes die de fotosynthese en bloei in gang zetten, en de productie van onderdelen die de kleur, voeding en de smaak van het gewas beïnvloeden. De opname van licht verschilt door golflengtes in de pigmenten van planten en fotoreceptoren. Bepaalde golflengtes kunnen gen-expressie activeren of onderdrukken, wat leidt tot een bepaalde groei en kwaliteit. 

"Bij sla kan het licht ervoor zorgen dat de groente zoet of bitter smaakt, en deze beïnvloedt ook de textuur en de voedingswaarden. Dit is een van de meest interessante onderzoeksgebieden waar we nu mee bezig zijn. Bij siergewassen zorgt een licht tot felrood licht ervoor dat de gewassen sterker groeien en bloeien. De onderzoeksstudenten Yujin Park and Mengzi Zhang zijn nu bezig met een onderzoek hoe het samenspel van blauw, rood en felrood deze eigenschappen kunnen beïnvloeden."  

William zegt dat hoewel veel gewassen op dezelfde manier op licht reageren, dit bij grotere planten ook vooral aan lichtkwantiteit, kwaliteit en duur en aan de plantsoort ligt. "Daarom is het belangrijk om meer te leren over de groei van de gewassen en testen om goede lichtstrategieën voor deze gewassen in te kunnen stellen." 



Praktische kennis
Natuurlijk is theorie alleen niet genoeg. Telers willen kennis die ze in de praktijk kunnen gebruiken. De indoor productie van gespecialiseerde gewassen is niets nieuws; er zijn al decennia lang plantenfabrieken in Japan. Met de snelle ontwikkelingen in LEDs leren de onderzoekers van MSU (en andere onderzoekers) echter ook hoe ze deze technieken kunnen gebruiken om planten met de gewenste eigenschappen kunnen produceren. 

"We hebben al meerdere artikelen geschreven over hoe golflengtes van het licht (bijvoorbeeld blauw of rood) de groei en ontwikkeling van planten beïnvloeden. Deze zijn beschikbaar op de MSU Floriculture website", vertelt Erik. "We hebben geleerd dat er niet één goede manier is om planten binnen te telen en dat verschillende factoren in acht moeten worden genomen wanneer een lichtsysteem voor planten wordt uitgezocht. Hoewel we al veel geleerd hebben over plantverlichting, blijft verder onderzoek nodig."

De teelt van de toekomst
En hoe gaat het met kastelers? Zal vertical farming uiteindelijk hun ondergang betekenen? William denkt van niet: "Ik denk dat grote kassen en vertical farms prima naast elkaar kunnen bestaan en elkaar zullen aanvullen. Kassen zijn vaak voordeliger voor siergewassen en groenten als tomaten, paprika en komkommers. Energie-intensieve vertical farms zijn juist geschikt voor snel groeiende, duurdere gewassen als bladgroenten en microgroenten.

"Het succes van kassen en vertical farms hangt overigens ook af van de geografische ligging, beschikbare financiën, energie-efficiëntie, beschikbare energie, marktvraag en technische innovaties. In stedelijke gebieden kunnen kassen op daken en vertical farms jaarrond verse en lokaal geteelde producten leveren. Het volledige spectrum van verlichting uit een enkele bron kan de kleur, smaak en voedingswaarden van gewassen die in vertical farms worden geteeld verbeteren."

William verwacht dat in bepaalde gevallen kassen zelfs verticale systemen kunnen gaan gebruiken voor de opkweek van zaailingen en stekken, waardoor een hybride methode wordt gecreëerd die het beste van beide technieken bevat. 

Wat de toekomst van CELL betreft; Eriks team zal door blijven gaan met hun onderzoek naar lichtkwantiteit en -kwaliteit bij bladgroenten en sierplanten. "We zouden graag het pH management in systemen die op water telen automatiseren en mogelijk CO₂ verrijking toepassen om de productiviteit van de gewassen verder te verbeteren. Om dit onderzoek te steunen zoeken we financiering van verschillende agentschappen, zoals het Amerikaanse ministerie van Landbouw. We staan ook open voor onderzoek naar andere gewassen, of andere onderzoeksideeën, zolang we financiering voor een dergelijk project kunnen krijgen." 

Dr. Erik Runkle (Professor) en Qingwu (William) Meng (Ph.D. student) werken beiden aan de afdeling Horticulture van Michigan State University.
 

Publicatiedatum: 31-1-2018