De voedingsbodem van de toekomst

Uitdaging

De tuinbouw maakt veel gebruik van substraten (groeibodems) voor de plantenteelt. Traditioneel wordt er veel turf voor gebruikt, maar de winning daarvan in veengebieden heeft een grote impact op natuur en milieu. Maan Biobased Products ontwikkelt onder de naam Nygaia een duurzaam alternatief, gebaseerd op biologisch afbreekbare polymeren. Daarvan wordt een kweekplug gemaakt die dient als een bodem die de wortels van een plant ondersteunt. Na gebruik kan de kweekplug worden gecomposteerd en zo weer ten goede komen aan moeder Aarde.

Plantentelers gebruiken kweekpluggen in zeer grote hoeveelheden in allerlei uitvoeringen. Dat leidt tot veel transport vanaf de leverancier en veel opslag bij de teler. Een duurzaam alternatief is daarom productie op locatie bij de teler, op afroep voor de teelt van de verschillende planten en zonder overproductie. Maan Horti Automation ontwikkelt hiervoor een productielijn, de Nygaia PlugLine.

Een grote uitdaging ligt in de kwaliteit van de kweekpluggen die van deze lijn rollen. Plantentelers zijn niet gewend met een hooggeautomatiseerde productiemachine te werken. Daarom ontwierp Maan Horti Automation een robuuste machine en zocht het naar een manier om kwaliteitscontrole te borgen in het productieproces. Maan beschikte echter niet over de benodigde kennis en apparatuur, zoals camerasystemen. Daarvoor kwam Windesheim in beeld.

Catarina Nobre, R&D Engineer bij Maan Biobased Products

“Bij Maan ben ik de technische projectleider voor Nygaia en vanuit die rol ben ik verantwoordelijk voor de kwaliteitscontrole binnen dit project. We zijn vijf, zes jaar geleden begonnen met de materiaalontwikkeling door te kijken welke soorten polymeren biodegradeerbaar zijn en goed verwerkbaar tot matten voor kweekpluggen. Toen we daar tevreden over waren, verschoof de focus naar het optimaliseren van de kwaliteit van het eindproduct. Wij hebben nu bij onze eigen machine een getrainde operator staan die kwaliteitscontroles op het oog uitvoert en verder voeren we steekproefsgewijs diverse metingen uit. Maar dat kunnen we van telers niet verwachten, wat het risico op kwaliteitsissues vergroot. Daarom is automatisering van de kwaliteitscontrole nodig en daarvoor zijn we gaan samenwerken met Windesheim.”

Resultaten

Het vezelmateriaal wordt verwerkt tot een mat die vervolgens wordt opgerold tot een kweekplug. De vezelstructuur van de mat moet zodanig zijn dat de penwortel van de plant zich goed kan verankeren en andere wortels de ruimte hebben om te groeien. Een stabiele matkwaliteit betekent een gelijkmatige dichtheid, een goede beheersing van de structuur en een vezelverdeling die zorgt voor een goede, constante wortelontwikkeling. Voor een goed eindresultaat is daarom kwaliteitscontrole met behulp van machine vision nodig.

Omdat het materiaal een onregelmatige structuur heeft, is die machine vision een uitdaging. Er is uitgebreid onderzoek gedaan naar de mogelijkheden, met een combinatie van klassieke methoden en AI in de vorm van machine learning (ML). Zo wordt backlight gebruikt om onregelmatigheden in de dichtheid van de matten op te sporen. ML-algoritmen worden getraind voor het opsporen van defecten en andere onverwachte kenmerken in de matten.

Verder wordt gewerkt aan de verwerking van de data en de vertaling naar een dashboard waarop de daadwerkelijke kwaliteit wordt getoond. Feedback van operators moet helpen om tot een informatief en overzichtelijk dashboard te komen.

Aart Schoonderbeek, associate lector Industriële Automatisering & Robotica, Hogeschool Windesheim

“Wij zijn de aangewezen partner voor dit onderzoek omdat wij veel ervaring hebben met industriële automatisering. Zo heeft docent-onderzoeker Johan van Voskuilen veel kennis van machine vision voor procesaansturing en kwaliteitscontrole. Het is gewoon een kwestie van veel experimenteren, testen uitvoeren, beelden maken, data verwerken en leren hoe je dit soort oplossingen implementeert. Experimenteren en leren zijn hier volgens mij belangrijke woorden. Je moet camera’s en allerlei andere spullen bij elkaar krijgen voor het bouwen van een opstelling. Er gaan dingen mis, je probeert het eens op een andere manier en daar leer je weer van. Je hebt er gewoon tijd voor nodig en dan is het handig om er studenten bij te betrekken voor al die werkzaamheden. Die kunnen uit alle technische richtingen komen, van Elektrotechniek en Werktuigbouwkunde tot ICT en Data Science & AI.”

Vervolg

De eerste machines gaan dit jaar naar testende klanten. Het camerasysteem voor de kwaliteitscontrole werkt in de experimentele omgeving en moet zich nu in de praktijk bewijzen. De bevindingen van de telers en de onderzoekers helpen bij de uitontwikkeling tot een robuuste en stabiele machine, die naar verwachting volgend jaar commercieel op de markt zal komen.

De Nygaia Plugline, ontwikkeld door Maan Horti Automation, bestaat uit drie modules. Een printer produceert een vezelmat op basis van een granulaat. Met behulp van machine vision, ontwikkeld in dit project, wordt de kwaliteit gecontroleerd. Een converter rolt de vezelmat op tot een luchtige, lange vezelstreng en snijdt deze op de juiste plugmaat. Tot slot plaatst een trayfiller de pluggen in een tray, waarmee ze klaar zijn voor gebruik.

Tot nu toe is de kwaliteitscontrole achteraf. Als een product niet voldoet, wordt dat afgekeurd. De bedoeling is om nog een terugkoppeling op te nemen in het productieproces: als afwijkingen worden geconstateerd, leidt dat meteen tot aanpassingen van de machine-instellingen om het proces bij te sturen. Dit moet zorgen voor minder uitval en een nog constantere productkwaliteit.

Edwin Kruiper, directeur van Maan Horti Automation

“Wij geloven in dit nieuwe product en voelen het vertrouwen van onze ontwikkelpartner Klasmann-Deilmann. Daarom zijn we met deze ontwikkeling gestart. De projectsubsidie stimuleert ons en helpt om de gang erin te houden. Het biedt ons de ruimte om ideeën uit te werken die we anders misschien zouden laten liggen. We hebben wekelijks projectoverleg en ik sta er elke keer weer versteld van wat je met machine vision kunt waarnemen. Daar leren wij veel van.

Alle kennis die is opgedaan, krijgt nog niet meteen spin-offs in de vorm van nieuwe machines. Wel ziet Maan kansen om deze kennis in te zetten in het productieproces van een bestaand product. Ook daarvoor is de kwaliteit van belang; die is redelijk stabiel, maar er vindt nog geen systematische kwaliteitscontrole plaats. Die behoefte ontstaat echter wel, omdat klanten steeds meer zekerheid met betrekking tot kwaliteit verwachten.

Inmiddels kijken we ook door die bril naar onze bestaande productgroepen. Eigenlijk ontwikkelden we binnen die tak van sport voor de ‘iets kleinere’ telers, met een grotere diversiteit aan gewassen in hun kas. Daar hebben we veel van geleerd. Nu willen we een stap zetten richting echt grote telers, met één standaardsysteem. Dat vraagt iets anders van onze machines, waarmee de lat voor automatisering een stuk hoger komt te liggen. In die context moeten we de efficiëntie gaan meten en de kwaliteit kunnen garanderen. De kennis die we hebben opgedaan in het Nygaia-project kunnen we ook daarvoor toepassen. Daar zit wel een vervolgproject met Windesheim in.

Johan van Voskuilen, docent-onderzoeker Industriële Automatisering en Machine Vision, Hogeschool Windesheim

“In dit soort projecten kan ik bedrijven helpen bij het oplossen van problemen waar ze tegenaan lopen bij het automatiseren van processen. Tegelijkertijd bouw ik mijn eigen kennis verder uit. Maar dit kan ik me niet veroorloven tegenover mijn werkgever zonder een subsidie zoals dit project heeft gekregen. Die zorgt er ook voor dat niet alle risico bij de bedrijven ligt. Want een ontwikkeling kan langer duren en meer kosten dan vooraf werd ingeschat en het is van tevoren ook niet zeker dat het slaagt. Nu wordt het risico gedeeld. Daarom is mijn boodschap aan bedrijven: ‘Als je twijfelt over een nieuwe ontwikkeling, probeer het eens door in zo’n subsidieproject te gaan samenwerken met een onderzoeksinstelling.’”

Partners

Het project wordt uitgevoerd door Maan Biobased Products, substraatleverancier Klasmann-Deilmann en Hogeschool Windesheim. Maan Biobased Products is ontwikkelaar van biologisch afbreekbare producten voor de tuinbouwsector en werkt nauw samen met zusterbedrijven Maan Horti Automation en Maan Engineering. De inbreng van Windesheim komt van de onderzoeksgroep Industriële Automatisering & Robotica van het lectoraat Digital Business & Society; het onderzoek vindt vooral plaats bij Perron038, het Smart Industry-platform in Zwolle.
Subsidie is toegekend door EFRO Oost en TechForFuture.

Video

Nygaia – Het substraat van de toekomst