Controlled-environment agriculture, in specific indoor vertical farming, has emerged as a promising approach to meet the increasing demand for food while reducing the environmental impacts such as land and water use. However, such climate-controlled farms often require significant energy and resource inputs, particularly for artificial lighting and climate regulation and in certain cases undesired emissions such as CO2. To address these challenges, this thesis investigates the use of model-based control approaches to optimize energy, resource, and byproduct utilization in both independent and symbiotically connected farms. The thesis begins with a review of existing process models and optimization techniques, highlighting the limitations of current plant growth models and the absence of insect larvae (Hermitia illucens) models that are capable of describing growth, complex interactions between environmental variables, and resource utilization. To overcome these limitations, this thesis proposes the development of comprehensive models combining first-principle models and empirical models that integrate physical and biological processes such as heat and mass transfer; insect growth, development, and metabolism; and finally plant photosynthesis and transpiration. A custom designed, lab-scale production unit is developed in this work to perform experiments and measure various environmental and biological process variables, facilitating the development, calibration, and validation of the proposed models to accurately represent the underlying processes. Using these models with optimal control theory, this thesis develops a framework for implementing the optimal control of plant and insect production units independently, addressing techniques for formulating the necessary optimal control problems under process or model incompleteness and also hardware or process constraints. Optimal control strategies are synthesized to primarily minimize energy and resource utilization while maintaining or even improving biomass yields. The effectiveness of the proposed approach is demonstrated through case studies, showcasing significant reduction in energy and resource utilization while achieving the automation and process goals. Furthermore, this work investigates the efficacy of resource consumption and byproduct exchange between plant production units and insect production units under different resource exchange infrastructures and climate conditions. By identifying the optimal strategies for resource exchange, this thesis shows that the overall resource utilization can be minimized, while maximizing the productivity of both plant and insect production processes, highlighting the possible synergies and sustainability. Overall, the potential of first-principle models and optimal control approaches to optimize yield and resource utilization in climate-controlled (indoor) food production systems is demonstrated with implications of efficient and sustainable food production via smart resource management and integration of production units with potential symbiotic relationships. / Landwirtschaft in kontrollierter Umgebung, insbesondere die Vertikale Landwirtschaft, hat sich als vielversprechender Ansatz erwiesen, um die steigende Nachfrage an Lebensmitteln zu befriedigen und gleichzeitig die Belastungen auf die Umwelt zu verringern. Solche klimatisierten Farmen erfordern jedoch oft einen erheblichen Energie- und Ressourceneinsatz, insbesondere für die künstliche Beleuchtung und die Klimatisierung. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, untersucht diese Arbeit den Einsatz modellbasierter Regelungsansätze zur Optimierung der Energie- und Ressourcennutzung sowohl in unabhängiger als auch in symbiotischer Verbindung. Die Arbeit beginnt mit einem Überblick über bestehende Prozessmodelle und Optimierungstechniken, wobei die Grenzen der derzeitigen Pflanzenwachstumsmodelle und die Notwendigkeit von Modellen für Insektenlarven (Hermitia illucens), die das Wachstum, komplexe Wechselwirkungen zwischen Umweltvariablen, Energie- und Ressourcennutzung beschreiben, aufgezeigt werden. Als Lösungsansatz wird in dieser Arbeit die Entwicklung umfassender Modelle vorgeschlagen, in denen First-Principle-Modelle und empirische Modelle kombiniert werden, um folgende physikalische und biologische Prozesse zu integrieren: die Wärme- und Stoffübertragung; Insektenwachstum, -entwicklung und -stoffwechsel; und Photosynthese und Transpiration der Pflanzen. Dafür wird eine maßgeschneiderte Produktionseinheit im Labormaßstab entwickelt, die dazu dient verschiedene Umwelt- und biologische Prozessvariablen zu messen, welche die Entwicklung, Kalibrierung und Validierung der vorgeschlagenen Modelle zur genauen Darstellung der zugrunde liegenden Prozesse erleichtert. Unter Verwendung dieser Modelle und auf Basis der optimalen Steuerung wird in dieser Arbeit ein Rahmen für deren Umsetzung in den Produktionseinheiten für die jeweilge unabhängige Insekten- und Pflanzenproduktion und für deren gekoppelte Produktion, entwickelt. Dabei werden außerdem Möglichkeiten zur Beschreibung der erforderlichen Optimalsteureungsprobleme evaluiert unter Prozess- oder Modellunvollständigkeit sowie Hardware- oder Prozessbeschränkungen behandelt. Es werden optimalersteuerungsstrategien entwickelt, die die Energie- und Ressourcennutzung minimieren, die Erträge verbessern und gleichzeitig die festgelegten Automatisierungs- und Prozessanforderungen erfüllen. Die Effektivität des vorgeschlagenen Ansatzes wird anhand von Fallstudien demonstriert. Darüber hinaus untersucht diese Arbeit die Effizienz des Ressourcenverbrauchs und des Austausches von Nebenprodukten zwischen den Pflanzen- und Insektenproduktionseinheiten in verschiedenen Infrastrukturen für den Ressourcenaustausch sowie unter verschiedenen klimatischen Bedingungen. Durch die Identifizierung der optimalen Ressourcenaustauschstrategien und intellegentes Ressourcenanagement zeigt diese Arbeit, dass die Gesamtressourcennutzung minimiert werden kann, während die Produktivität sowohl der Pflanzen- als auch der Insektenproduktionsprozesse maximiert wird. Die mögliche Synergien und die Nachhaltigkeit der symbiotischen Beziehungen werden dabei hervorgehoben. Insgesamt wird das Potential von First-Principle-Modellen und Optimalsteuerung zur Optimierung des Ertrags sowie der Ressourcennutzung in klimatisierten Lebensmittelproduktionssystemen aufgezeigt. Dies führt zu einer effizienten und nachhaltigen Lebensmittelproduktion durch intelligentes Ressourcenmanagement und der Integration von Produktionseinheiten mit potenziellen symbiotischen Beziehungen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:93742 |
| Date | 23 October 2024 |
| Creators | Padmanabha, Murali |
| Contributors | Streif, Stefan, Weinrich, Sören, Technische Universität Cehmnitz |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/acceptedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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