title: Entwicklung eines LED-Belichtungsmoduls für die pflanzliche in-vitro-Kultur
title: Development of a LED-research-module for plant in vitro culture
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: Bethge, Hans
Publisher: name: Hannover : Gottfried Wilhelm Leibniz Univeristät Hannover, Institut für Gartenbauliche Produktionssysteme
Year: 2024
Subjects: subject: 500 | Naturwissenschaften::580 | Pflanzen (Botanik)
subject: 600 | Technik

description: In diesem Projekt wurde ein neuartiges Mikrocontroller-basiertes Belichtungsmodul entwickelt, um photomorphogenetische Effekte in verschiedenen Entwicklungsphasen von pflanzlichen In-vitro-Kulturen untersuchen zu können. Ein Webinterface wurde entwickelt, um Einstellungen des LED-Belichtungsmoduls vornehmen und visualisieren zu können. Das LED-Belichtungsmodul kommuniziert über eine Webseite und ermöglicht eine drahtlose Steuerung von Lichtintensität, Lichtqualität, Photoperiode und Frequenz der Puls-Weiten-modulierten Leistungsaufnahme der LEDs. Die sechs emittierten Wellenlängen (UVB 300 nm, Blau 440 nm, Grün 525 nm, Rot 660 nm, Dunkelrot 730 nm und Weiß mit einer Farbtemperatur von 6500 K als Kontrollvariante zu den Leuchtstoffröhren) wurden basierend auf den Absorptionsmaxima der wichtigsten Photorezeptoren von Pflanzen ausgewählt. Darüber hinaus konnte mit einer vorsimulierten Anordnung der LEDs, die auf einer Leiter-Platine montiert sind und unterschiedliche Abstrahlwinkel aufweisen, für alle Varianten eine Lichtintensität ØPFD250-850 nm von mindestens 30 μmol m-2s-1 erreicht werden (mit Ausnahme von UVB) und eine homogene Strahlungsintensitätsverteilung innerhalb der Versuchsfläche eines Regals (VariationskoeffizientØ: ~ 4%) erreicht werden. Durch das LED-Belichtungsmodul können Strahlungsintensitäten stufenlos im Bereich zwischen 0 und 200 μmol m-2s-1, Strahlungsqualitäten als Kombination der Emissionswellenlängen der LEDs im Bereich zwischen 300 und 730 nm, beliebige Photoperiode und Frequenzen der Strahlungspulse im Bereich von 100 bis 1000 Hz ausgewählt und den Pflanzen appliziert werden. Zusätzlich bietet das LED-Belichtungsmodul die Möglichkeit, intermittierend Belichtung oder alternierende Strahlungspulse durch Phasenverschiebung der Leistungsaufnahme der LEDs mit kontinuierlicher Belichtung zu vergleichen. Durch die Verwendung von LEDs bei der Realisierung des Belichtungsmoduls konnte der Etagenabstand auf 30 cm gesenkt und so die Kulturfläche um 100 % gesteigert werden. Zudem deuten die erhobenen Daten auf eine Energieeffizienzsteigerung des LED-Belichtungsmoduls gegenüber dem Leuchtstoffröhren-basierten System hin. Unterschiedliche, für Versuche mittels des entwickelten LED-Belichtungsmoduls zur photomorphogenetischen Reaktion von In-vitro-Kulturen in Frage kommende, Kulturgefäßmaterialien wurden auf ihr spektrales Transmissionsverhalten untersucht. Zusätzlich wurde das in der In-vitro-Kultur bereits etablierte bottom-cooling-System als aktives Wasserkühlsystem der LEDs eingesetzt, um Temperaturschwankungen aufgrund verschiedener emittierter Energien für die verschiedenen Lichtvarianten zu minimieren und auch die Bildung von Kondenswasser in den In-vitro-Kulturgefäßen zu verhindern. Für die Regelung des aktiven Wasserkühlsystems ist jedes LED-Belichtungsmodul mit Kugelhähnen zur Kontrolle des Wasserflusses und vier Temperatursensoren zur Überwachung der Temperatur der Kulturen ausgestattet. Nach unserem Wissen ist dies der erste Bericht eines speziell für In-vitro-Kultur konzipierten Belichtungssystems, das sowohl Wellenlängen im sichtbaren Bereich als auch im UVB-Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittieren kann.
description: In this project we designed a novel microcontroller based LED-Research-Module to investigate photomorphogenetic effects in different propagation phases of plant in vitro cultures. We developed a web interface to adjust and visualize program settings of the LED research module. Communicating through a webpage the LED research module allows a wireless control of light intensity, light quality, photoperiod and frequency of the pulse-width-modulated power consumption of the LEDs. The six emitted wavelengths (UVB 300 nm, blue 440 nm, green 520 nm, red 660 nm, far red 730 nm and white with color temperature of 6500 K as a control variant for the fluorescent lamps) were selected based on the absorption maxima of the major plant photoreceptors. Furthermore with a pre-simulated arrangement of the LEDs, which are mounted on a printed circuit board and exhibit different beam angles, it was possible to achieve a light intensity ØPFD250-850 nm of at least 30 μmol m-2s-1 for all variants (except UVB) and a homogeneous light distribution pattern within the experimental area of a shelf (coefficient of variationØ: ~4%). Using the LED-research-module, radiation intensities can be selected infinitely variable in the range between 0 and 200 μmol m-2s-1, radiation qualities as a combination of the emission wavelengths of the LEDs in the range between 300 and 730 nm, any photoperiod and frequencies of the radiation pulses in the range from 100 to 1000 Hz and can be applied to the plants. In addition, the LED-research-module provides the ability to compare intermittently exposure or alternate radiation pulses by phase shifting of the power consumption of LEDs with continuous exposure. By use of LEDs in the realization of the Research-module module, the shelf board distance was reduced to 30 cm and thereby the culture area increased by 100%. In addition, the data collected indicates an increase in the energy efficiency of the LED-research-module compared to fluorescent lamps. Different culture vessel materials - suitable for experiments on the photomorphogenetic reaction of in vitro cultures using the LED-research-module - were examined for their spectral transmission behavior. Additionally, the bottom-cooling system commonly used in tissue culture labs is applied as an active water-cooling system of the LEDs in order to minimize temperature variations due to different emitted energies for the different light variants and also to prevent an accumulation of condensation water in the in vitro culture vessels. For the regulation of the active water-cooling system each LED-research-module is equipped with ball valves to control the water flow and four temperature sensors to monitor the capacity of the cooling system and the temperature of the culture. To our knowledge, this is the first report of a lighting system especially designed for plant tissue culture labs, which is capable to emit wavelengths in the visible region as well as in the UVB region of the electromagnetic spectrum.