Meten aan planten met de EFF-sensor voor een optimale groei

orchidee

Om planten optimaal te laten groeien, is het soms moeilijk te bepalen welke groeifactoren je moet aanpassen: meer of minder licht, meer vochtigheid, meer koolstofdioxide et cetera. Door het volgen van de fotosynthese-efficiency in een plant zijn betere keuzes te maken. Dit kan nu met de fotosynthese-efficiency (EFF)-sensor die ontwikkeld is door het jonge bedrijf Sendot dat gespecialiseerd is in optochemische sensoren. Dit zijn sensoren die chemische parameters zoals pH en zuurstof meten met behulp van optische technieken.

Sendot begon in 2015 als start-up met Arie Draaijer en Kevin Tomson vanuit een garage in Bunnik. Beiden werkten daarvoor bij een spin-off van een onderdeel van TNO, maar dat ­bedrijf ging failliet. “Toen kwam er een vraag vanuit de Delft Research Group (DRG)”, vertelt Arie Draaijer, business manager van Sendot.

Arie Draaijer

Arie Draaijer demonstreert de EFF-sensor

“Een onderdeel van de DRG, Groen AGRO ­control, houdt zich bezig met analyse van onder meer nutriënten in water en gewassen, herbiciden en pesticiden in voedsel. Ze wilden uitbreiding van hun pakket en zagen wel iets in de start van een bedrijf dat sensoren zou gaan ­ontwikkelen en produceren voor de analyse van planten. De meeste sensoren die tot dan gebruikt werden, waren grote dure apparaten in een laboratoriumopstelling die niet echt ­geschikt zijn voor gebruik in de tuinbouw. De vraag was dus om handzame, mobiele instrumenten te ontwikkelen die gemakkelijk overal op aan te sluiten zijn en met een gunstige prijs/kwaliteitverhouding”, aldus Draaijer.

Zuurstof-sensor

Dit was een mooie uitdaging voor Draaijer, die bij TNO uitgebreide ervaring had opgedaan in de sensortechnologie. Sendot werd opgericht en is nu een onafhankelijk bedrijf binnen de Delft Research Group.

De eerste sensor die Sendot ontwikkelde, was een zuurstof-sensor. De standaard zuurstof-sensor tot dan toe was geba­seerd op een elektrochemisch/amperometrisch principe en heeft daarvoor zuurstof nodig. Dat gaat af van de aanwezige zuurstof en dat beïnvloedt de nauwkeurigheid. Draaijer: “Onze sensoren berusten op een coating met fluorescerende moleculen die gevoelig zijn voor zuurstof.” Dat werkt als volgt: licht brengt een fluorescerende indicatorstof in de coating in een aangeslagen ­toestand. Het verval naar de grondtoestand is te meten en dit gaat sneller door de aanwezigheid van zuurstof. Uit de vervalsnelheid is de hoeveelheid zuurstof af te leiden.

Vervolgens ontwikkelden ze een temperatuur-sensor en ook een pH-sensor, beide gebaseerd op detectie met fluore­scerende coating. Een unieke sensor in het pakket van Sendot kan ­zowel temperatuur als zuurstof meten met ­gebruik van een gecombineerde coating. ­Volgens Draaijer is Sendot de enige met zo’n soort combinatiesensor.

EFF-sensor

Voor de nieuwste loot aan de stam van sensoren, de fotosynthese-efficiency (EFF)-sensor, hielp het toeval hen een handje. Sendot zat in Bunnik naast een bedrijf (Plant Lighting) dat zich bezighoudt met het opstellen van belichtingsprotocollen en groeimodellen van planten voor de tuinbouw. 

“Dat was kennis die wij zeer goed konden ­gebruiken bij de ontwikkeling van een sensor die de tuinbouw nog echt miste. Een sensor die zou kunnen meten hoe efficiënt planten bezig zijn met hun fotosynthese, om zodoende de groei van de plant te volgen en te kunnen ­bijsturen”, vertelt Draaijer. Sendot had al wel de gewone Chlorophyl Fluorescentie Sensor op de markt gebracht, maar die meet echter alleen de hoeveelheid fluorescentie. Behalve dat die fluorescentie beïnvloed wordt door hoe de plant zich voelt, wordt die ook bijvoorbeeld beïnvloed door de afstand tot het blad.

De gezamenlijke kennis en ervaring leidde tot de EFF-sensor die nu zo’n drie maanden op de markt is. De sensor bestaat uit een klein kastje met daaraan een lichtgeleider met een clip die op een blad geklikt kan worden. Het apparaat is bruikbaar in kassen voor alle belichte teelt zoals tomaten, paprika’s et cetera. Aangezien de ­omstandigheden in kassen zoals belichting, ­bewatering en koolstofdioxide onder controle gehouden kunnen worden, kan met de resultaten van de metingen met dit apparaat ook direct ­ingegrepen worden om de groei te optimaliseren.

Draadloos

Het apparaat kan data van verscheidene weken opslaan. De data zijn draadloos door te sturen naar een centrale computer. Daartoe heeft Sendot een interface-kastje ontwikkeld waarop de EFF-sensor aangesloten kan worden en die de data via een draadloze verbinding naar een computer stuurt. Maar de EFF-sensor kan ook direct aangesloten worden op de klimaat­computer. Draaijer: “Telers van tegenwoordig willen ­zoveel mogelijk data geïntegreerd zien in één model. Zodat je in één grafiek kunt zien welke omstandigheden invloed hebben op de groei van de plant en hoe je het proces kunt bij­sturen.”

Inmiddels werken er zeven man bij Sendot en is het bedrijf begin 2019 verhuisd naar een nieuwe locatie in Houten. De sensoren maken ze zelf op locatie, maar met meer vraag zal dat anders moeten. Sendot zit vol toekomstplannen en is hard bezig met uitbreiding van zijn markt naar landen over de hele wereld waar in kassen gekweekt wordt, maar ook naar andere toepassingen zoals de foodsector.

Een voorbeeld

Orchideeën zijn planten die alleen ’s nachts koolstofdioxide opslaan via de huidmondjes van de bladeren. Dit is omdat ze in de natuur groeien in gebieden waar het overdag vaak te heet is om de huidmondjes open te zetten. De planten weten natuurlijk niet van tevoren hoeveel koolstofdioxide ze moeten opslaan om met behulp van licht en water de ­fotosynthese overdag uit te voeren. Dan kan de koolstofdioxide opeens op zijn, terwijl er nog wel licht is. Bij kweek in de kas is met de EFF-sensor te meten hoe de fotosynthese verloopt en kun je zien wanneer de vastgelegde koolstofdioxide ongeveer op zal zijn - ongeveer bij een efficiency van 20-30%, zie grafiek dag 1. De kweker kan dan besluiten niet meer te belichten omdat meer licht schadelijk zou zijn voor de plant en de groei vertragen. Soms kan de hoeveelheid licht ­precies goed zijn (grafiek dag 2) en is de efficiëntie niet te laag. De balans licht/koolstofdioxide is belangrijk en op deze manier is de groei goed in de gaten te houden.

Lilian Vermeer

Hoe werkt de EFF-sensor?

EFF-sensor

Fotosynthese

Fotosynthese is een proces dat door planten en algen wordt gebruikt om lichtenergie om te ­zetten in chemische energie. Deze chemische energie wordt opgeslagen in koolhydraten zoals glucose. De plant heeft kooldioxide en water ­nodig om met behulp van lichtenergie kool­hydraten te vormen waarbij zuurstof vrijkomt. Algemene reactie: water + koolstofdioxide + licht -> zuurstof + glucose

Chlorofyl

Fotosynthese vindt plaats in het chlorofyl (het groene pigment in bladeren) van planten en ­algen. Chlorofyl absorbeert vooral blauw en rood licht. Een gedeelte van de licht(energie) gebruikt de plant voor fotosynthese. Wat over is, wordt weer uitgezonden als fluorescentie en een ­gedeelte gaat verloren als warmte. In het algemeen is fluorescentie door het chlorofyl een ­indicator voor hoe de fotosynthese verloopt. De mate van fotosynthese geeft aan hoe de plant erbij staat; is de plant ziek, is er veel stress, is het te droog of te nat of gaat het juist prima dan heeft dat invloed op de fotosynthese. De ‘fluorescentieopbrengst’ is hoger wanneer er minder fotosynthese is en warmteverlies en omgekeerd.

EFF-sensor

De EFF-sensor meet de efficiency van het ­gebruik van licht door de plant oftewel de mate van fotosynthese. Daartoe stuurt het apparaat een klein lichtpulsje naar het blad waar het op vastgeklikt is en meet dan wat er terugkomt aan fluorescentie. De verhouding tussen de energie van wat er verbruikt is en wat er is ingestopt (de energie van het gestuurde lichtpulsje), geeft de efficiëntie weer. Om echt iets te kunnen zeggen over de efficiëntie, wordt dat herhaald tijdens een verzadigende lichtpuls. De verhouding is een maat voor de efficiëntie.