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Wachstumskammern Exakt reproduzierbare Bedingungen in Wachstumskammern

Autor / Redakteur: Hans-Jürgen Bittermann* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Gradgenaue Temperaturen bei exakt gehaltener Luftfeuchte, verbunden mit einem definierten Luftaustausch und unter dem Einfluss von Lichtstrahlung im gewünschten Wellenlängenbereich: Pflanzenbiologen erwarten von Wachtumskammern vor allem möglichst konstante klimatische Bedingungen. Am Gregor-Mendel-Institut für Molekulare Pflanzenbiologie gibt es neuerdings eine Benchmark-Technik für solche Forschungen.

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1 Die enge Zusammenarbeit zwischen dem GMI, Tcon und Johnson Controls machte es möglich, jeden Quadrat- zentimeter der Kammern so effizient wie möglich auszunutzen. (Bilder: Tcon)
1 Die enge Zusammenarbeit zwischen dem GMI, Tcon und Johnson Controls machte es möglich, jeden Quadrat- zentimeter der Kammern so effizient wie möglich auszunutzen. (Bilder: Tcon)
( Archiv: Vogel Business Media )

Das Gregor-Mendel-Institut für Molekulare Pflanzenbiologie (GMI) betreibt Grundlagenforschung auf den Gebieten der Zell- und Entwicklungsbiologie und der Genetik von Pflanzen. Dabei stehen allgemeine, grundlegende biologische Prozesse im Vordergrund. Als wichtigstes Modellsystem dient die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) – die erste Blütenpflanze, deren Genom vollständig entschlüsselt wurde. Im Jahr 2000 gegründet und zunächst auf Räumlichkeiten in ganz Wien verteilt, ist das GMI seit 2006 im ÖAW Life Sciences Zentrum auf dem Campus Vienna Biocenter in Wien ansässig. Für die rund 90 Mitarbeiter ist das ein Glücksfall, gilt das Zentrum doch mit seinen neun Geschossen und einer Nutzfläche von 20 000 m2 als eines der modernsten Forschungsgebäude in Europa.

Phytotrone simulieren das Klima unterschiedlicher Regionen

Wesentliche Parameter jeder biologischen Forschung sind die Umweltbedingungen, unter denen die Pflanzen wachsen: Temperatur, Luftfeuchte, Licht, Luftgeschwindigkeit, Bewässerung und Nährstoffe sind in möglichst weiten Bereichen zu simulieren und exakt zu reproduzieren. „Höchste Priorität für unsere Grundlagenforscher haben konstante Bedingungen“, erläutert Dr. Borries Luberacki, Head of Lab Management & Services am Gregor-Mendel-Institut. „Wenn der Forscher später einen bestimmten Parameter verändert, muss er sicher sein, dass alle anderen Einstellungen gleich bleiben wie im ersten Versuch. Nur so kann er diesen einen Parameter für eine eventuelle Veränderung an der Pflanze sicher identifizieren.“ Auch die andere Herangehensweise der modernen Genomik braucht stabile Verhältnisse: Traditionell verändert man das Genom und schaut, was das bei der Pflanze bewirkt. Dr. Magnus Nordborg, der wissenschaftliche Leiter des GMI, verfolgt einen anderen Ansatz: Man nimmt die gleiche Art aus unterschiedlichen Regionen, sammelt also beispielsweise Arabidopsis thaliana-Pflanzen aus Spanien, Russland, Japan und Kanada, lässt sie unter definierten klimatischen Verhältnissen aufwachsen und sequenziert sie. Wenn dann beispielsweise alle kälteresistenten Pflanzen sich in einem Punkt des Genoms von den nicht-kälteresistenten Pflanzen unterscheiden, dann ist dieser eine Punkt verantwortlich für die Eigenschaft ‚Kälteresistenz’. Die Simulation des Klimas unterschiedlicher Loci gehört zu den Aufgaben einer Pflanzenwuchs-Kammer. Funktioniert diese nicht absolut zuverlässig, muss der Forscher womöglich nach vier bis sechs Wochen – das ist bei Arabidopsis thaliana die Generationszeit – seinen Versuch wiederholen. Dieses Problem stellte sich für das GMI bei den vor Jahren installierten Alt-Kammern: Die Konstanz der Parameter war schon innerhalb einer Kammer nicht gegeben, somit auch nicht die Reproduzierbarkeit. Also eine Fehlplanung? Nein, sagt Luberacki: “Das Lastenheft für die damaligen Planer sah eben ganz anders aus, die Anforderungen waren nicht so hoch, wie wir bei GMI sie heute stellen.“

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Benchmark-Technik ist in Wien zu besichtigen

Die seit April 2010 am GMI verfügbaren, neuen Kammern basieren hingegen auf den sehr klaren Forderungen und Spezifikationen durch das Institut. Daraus ist ein Anlagen-, Überwachungs- und Regelungs-Konzept entstanden, das weltweit einzigartig ist: „Dieses Konzept gilt schon jetzt nach nur wenigen Monaten Einsatzerfahrung als Benchmark in der Forschungslandschaft“, freut sich Hartmut Reichert von der Tcon in Sindelfingen. Die Ingenieurgesellschaft befasst sich mit der Planung von haustechnischen Anlagen sowie mit der Planung von Sonderanlagen wie Phytotrone, Reinräume und Produktionseinrichtungen für die Pharmaindustrie.

Hartmut Reichert hat die neuen Phytotrone am GMI konzipiert und als verantwortlicher Planer begleitet. Seit rund 15 Jahren ist er auf solche Projekte spezialisiert: „Planungen im wissenschaftlichen Umfeld sind immer eine besondere Herausforderung: Da steht auf der einen Seite der hohe Anspruch des Forschers an die Präzision und Wiederholbarkeit seiner Versuche. Auf der anderen Seite muss das Ganze natürlich noch finanzierbar sein.“ Im Falle des Gregor-Mendel-Instituts kamen zwei Herausforderungen hinzu: Die neue Technik musste im laufenden Forschungsbetrieb und in den verfügbaren Räumlichkeiten installiert werden.

Was also ist anders bei diesen Phytotronen, was ist neu? Im wesentlichen sind es drei Punkte, die bei Forschern weltweit für Aufmerksamkeit sorgen: Die Temperaturspreizung ist mit -15 bis +50°C erheblich breiter als bei konventionellen Kammern. Daneben ist eine neuartige Lichttechnik mit LED-Leuchten vorgesehen – das bietet gleich zwei Vorteile: Zum einen müssen keine Leuchtstoffröhren mehr ausgetauscht werden, wenn andere Lichtverhältnisse erwünscht sind; das geht jetzt stufenlos. Zum anderen tragen die LED-Strahler weniger Wärme auf die Pflanzen-oberfläche in die Kammern ein. Dies erfordert jedoch ein sehr aufwendiges Kühlsystem oberhalb der Beleuchtungsebene.

Und drittens erfolgt die Kammerüberwachung über ein automatisches Kamerasystem, das das Wachstum der Pflanzen dokumentiert; die Bilder werden archiviert und können jederzeit abgerufen werden. Vorteil: Niemand muss mehr regelmäßig die Kammer betreten. Und: Das ganze ist auch per Internet verfügbar, der Forscher kann also von jedem Platz auf der Welt aus seine Kammer beobachten. Insgesamt verfügt das GMI nach den Umbauten über 17 Kammern, je nach Anforderungsprofil unterscheiden sich diese hinsichtlich Beleuchtungsstärke und -art, Luftgeschwindigkeit und Luftführung sowie Anzuchtfläche und Klimatisierung:

  • Auslegung für eine Temperatur zwischen -15 und 30 °C (max. 50 °C), mit einer maximalen Luftfeuchte von 70 Prozent.
  • Auslegung für Temperaturen zwischen 4 und 30 °C, bei einer Luftfeuchte zwischen 30 und 80 Prozent.
  • Auslegung für eine Grundtemperatur von 4 bis 30 °C; im Bedarfsfall kann die Kammer auf eine Temperatur von -15°C gefahren werden, bei einer Luftfeuchte von 30 bis 80 Prozent.

Erreicht werden Regelgenauigkeiten von unter 1 K und Feuchtekonstanzen von max. drei bis fünf Prozent r.F.

Als vorbereitende Maßnahme musste Hartmut Reichert das komplette Kaltwassersystem im Bereich der bestehenden Pflanzenwuchs-Kammern umplanen und entsprechend an die neuen Anforderungen anpassen. In diesem Zuge wurde auch das Dampfsystem für die Dampfbefeuchtung in den Kammern sowie das Wassersystem für die Wasserversorgung der Phytotrone umgebaut und angepasst. „Aufgrund der erhöhten Temperaturanforderungen war darüber hinaus eine neue Kälteanlage mit zwei Tieftemperatur-Kältemaschinen erforderlich“, so Reichert. Die Grundversorgung erfolgt mit einer Kältemaschine, die eine Kaltwassersole mit einer Temperatur von -5 °C erzeugt; für die Spitzenkühlung ist eine Kältemaschine mit einer Kühlsole von -20 °C parallel geschaltet.

Kammerüberwachungs- und Regelungstechnik

„Bei begehbaren Pflanzenzucht-Kammern ist Johnson Controls seit einigen Jahren bereits europaweit Marktführer, auch in technologischer Hinsicht“, sagt Johann Feigh von JC. Die im folgenden aufgeführten Spezialentwicklungen für das GMI belegen dies: Während in herkömmlichen Pflanzenwuchs-Kammern normalerweise noch manuell bewässert wird, ist man hier planerisch einen neuen Weg gegangen. Automatisch werden die Pflanzen in speziellen Wannen bewässert, wobei Zeitpunkt, Zeitzyklus und Bewässerungsdauer frei programmierbar gesteuert werden können. „Dieses in konventionellen Pflanzenanzucht-Kammern bislang noch nie realisierte automatische Anstau-Bewässerungssystem ist aufgrund der großen Zahl von einzelnen Pflanzschalen zwar mit einem gewissen technischen Aufwand verbunden; es erspart aber Personalkosten und Arbeitszeit und sichert die zeit- und mengengenaue Wasserzufuhr am gesamten Pflanzgut“, erläutert Peter Schulte von Johnson Controls.

Auch in punkto Lichttechnik ging man neue Wege. Während herkömmliche Pflanzenwuchs-Kammern mit einer vorher festgelegten Lichtquelle und somit nicht veränderbaren Spektralanteilen bestückt werden, hat man hier eine Kammer komplett mit einer LED-Beleuchtung bestückt. Durch die Wahl von fünf unterschiedlichen Lichtfarben, die einzeln stufenlos gesteuert werden können, ist es möglich, die Spektren zu mischen, einzelne Farben auszublenden oder zu verstärken um deren Einfluss auf die Pflanze zu erforschen. „Kombiniert mit der breiten Temperaturspreizung können wir damit komplette Jahreszyklen und Tagesabläufe simulieren“, so Borries Luberacki. Wichtig bei solchen Anlagen für wissenschaftliche Anwendungen ist ein Bediensystem, das es dem Betreiber gestattet, jederzeit und an jedem Ort Einsicht in den laufenden Kammerbetrieb zu haben und historische Daten einsehen, abrufen und auswerten zu können. Dafür hat Johnson Controls als Hard- und Softwarekonzept das ESC 300 entwickelt. Hiermit lassen sich in Klimakammern die Temperatur, Feuchte und Frischluft als auch Beleuchtung sowie Bewässerung und andere Zusatzfunktionen steuern, regeln bzw. programmgesteuert ausführen. Dank Java Applets ist das von jedem PC aus per Internet-Browser möglich.

Ein weiterer wichtiger Schlüssel zum Erfolg ist eine objektive Auswertung des Pflanzenmaterials nach unterschiedlichen Kriterien. Um die subjektiven Eindrücke unterschiedlicher Betrachter auszuschließen, ist am GMI ein spezielles, für Lichtregale und A. thaliana geeignetes Kamerasystem installiert, das den Pflanzenbestand in frei programmierbaren Zeitzyklen fotografiert und die Bilder archiviert.

Fazit: Komplexe Projekte erfordern hohe Kommunikation

Normalerweise rechnet man aufgrund der hohen technischen Anforderungen allein für die Planungszeit einer solchen Anlage mit mindestens einem Jahr. Aufgrund der engen Zusammenarbeit der GMI-Wissenschaftler mit Tcon und der Johnson Controls konnte diese Planungszeit wesentlich reduziert werden. Die Bauausführung gelang ebenfalls in erstaunlich kurzer Zeit: Begonnen im Dezember 2009, war der erste Bauabschnitt Mitte April 2010 fertig gestellt, der zweite Bauabschnitt soll im September 2010 in Betrieb gehen – man kann letztlich von einer Gesamtbauzeit von ca. zehn Monaten sprechen.

Borries Luberacki: „Aus unserer Sicht ist es aufgrund des hohen Kommunikationsbedarfs bei solchen komplexen Projekten wichtig, dass im gesamten Projektablauf die beteiligten Personen gleich bleiben – auf Seiten des Auftraggebers ebenso wie auf Seiten des Planers und des Lieferanten.“ Luberacki zeigt sich absolut zufrieden mit dem Ergebnis dieses Projektes, mit der Beratung und Planung ebenso wie mit dem Projektmanagement, der installierten Technik und der Termintreue.

Tcon als Planer und Johnson Controls als Lieferant der Kammer-Komponenten haben am GMI ein Phytotron-System mit Kameraauswertung geliefert, das in seiner Komplexität und dem Grad der Automatisierung richtungsweisend für die biologische Forschung ist. Alles in allem wurde hier planerisch und technisch ein Benchmark gesetzt.

*Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bittermann, Redaktionsbüro bitpress, 67245 Lambsheim

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