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In der modernen Hubschrauberfertigung werden neben Rotorblättern auch tragende
Strukturteile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen eingesetzt. Um dabei
einen möglichst hohen Leichtbaugrad zu erreichen, werden immer neue Design-
Konzepte entwickelt. Innovative Design-Lösungen sind aber nur dann in der Fertigung
umsetzbar, wenn sie effizient, kostengünstig und fehlerfrei gefertigt werden
können.
Ein wichtiger Baustein für die Produktion sind die Fertigungsvorrichtungen, auf
denen die Bauteile laminiert und ausgehärtet werden. Diese Vorrichtungen sind ein
maßgeblicher Faktor zum Erreichen der geforderten Bauteilqualität. Das Augenmerk
liegt hierbei auf der sogenannten tool-part-interaction, also der Interaktion zwischen
Fertigungsvorrichtung und Faserverbundmaterial. Diese hat einen großen Einfluss
auf das Aufheiz- und Verpressungsverhalten der Prepreg-Materialien und somit auch
direkt auf fertigungsinduzierte Schädigungen wie Faltenbildung und Verzug.
Aktuell kann der Vorrichtungsentwickler lediglich auf Erfahrungswerte zurückgreifen,
um ein gutes Aufheiz- und Verpressungsverhalten der Vorrichtung zu erreichen.
Zur Minimierung von Falten fehlt jedoch häufig sogar das nötige Hintergrundwissen
über die grundlegenden Mechanismen der Faltenbildung. Nur ein langwieriger
trial-and-error Prozess nach Produktion der Vorrichtung kann helfen, Faltenbildung
zu eliminieren oder zumindest zu reduzieren.
Zukünftig muss es ein primäres Ziel für den Vorrichtungsbau sein, Fertigungsmittel
gezielt auslegen und bereits im Rahmen der Konzeptentwicklung Aussagen
über die zu erwartende Bauteilgüte und das Fertigungsergebnis machen zu können.
Einen möglichen Weg stellt die Einführung einer Herstellprozesssimulation dar, da
sie bereits in einer frühen Entwicklungsphase das Aufheiz- und Verpressungsverhalten
eines Bauteils sowie den Einfluss der Fertigungsvorrichtung auf die Bauteilqualität
einschätzen kann. Fertigungsinduzierte Schädigungen, wie der prozessinduzierte
Verzug, lassen sich bereits mit Hilfe von kommerziell erhältlichen Software-Tools
vorhersagen. Um zukünftig auch die Faltenbildung bei der Prepreg-Autoklavfertigung
vorhersagbar zu machen, müssen zwei übergeordnete Fragestellungen bearbeitet
werden:Faltenbildung: Wie läuft die Faltenbildung in der Autoklavfertigung ab und
welche Mechanismen bzw. Einflussfaktoren müssen besonders beachtet werden?
Simulation: Wie muss eine Herstellprozesssimulation geartet sein, um den
Einfluss der Fertigungsvorrichtung auf die Faltenbildung vorhersagen zu können
und Vorrichtungen auf diese Weise zukünftig auslegbar zu machen?
Experimentelle Untersuchungen an Omega- und C-Profilen helfen, die Faltenbildung,
ihren primären Mechanismus und vor allem die verschiedenen Einflussfaktoren
zu verstehen und zu bewerten. Im Falle der vorliegenden Arbeit wurde besonders
die Kompaktierung des Laminates über einem Außenradius und die daraus entstehende
überschüssige Faser- bzw. Rovinglänge als primärer Faltenauslöser betrachtet.
Es konnte aus den Experimenten abgeleitet werden, dass besonders der
Verpressungsweg, die Bauteilgeometrie, das verwendete Faserhalbzeug (unidirektional
oder Gewebe), die tool-part-interaction und das interlaminare Reibverhalten für
den untersuchten Mechanismus von Bedeutung sind. Daraus lassen sich die Mindestanforderungen
an eine Herstellprozesssimulation zusammenstellen.
Eine umfassende Materialcharakterisierung inklusive der interlaminaren Reibung,
der Reibinteraktionen zwischen Bauteil und Fertigungsvorrichtung sowie des
Verpressungsverhaltens des Faserbettes sind der erste Schritt in der Entwicklung
einer industriell einsetzbaren Simulation.
Die Simulation selbst setzt sich aus einem thermo-chemischen und einem
Kompaktiermodul zusammen. Ersteres ermittelt das Aufheizverhalten der Vorrichtung
und des Bauteils im Autoklaven und stellt darüber hinaus Aushärtegrad und
Glasübergangstemperatur als Parameter für das zweite Simulationsmodul zur Verfügung.
Zur korrekten Bestimmung des Wärmeübergangs im Autoklaven wurde ein
semi-empirisches Verfahren entwickelt, das in der Lage ist, Strömungseffekte und
Beladungszustände des Autoklaven zu berücksichtigen. Das Kompaktiermodul umfasst
das Verpressungsverhalten des Faserbettes inklusive des Harzflusses, der toolpart-
interaction und der Relativverschiebung der Laminatlagen zueinander. Besonders
das Erfassen der Durchtränkung des Fasermaterials mittels eines phänomenologischen
Ansatzes und das Einbringen der Reibinteraktionen in die Simulation muss
als Neuerung im Vergleich zu bisherigen Simulationskonzepten gesehen werden. Auf
diese Weise ist die Simulation in der Lage, alle wichtigen Einflussfaktoren der Faltenbildung zu erfassen. Der aus der Simulation auslesbare Spannungszustand kann
Aufschluss über die Faltenbildung geben. Mit Hilfe eines im Rahmen dieser Arbeit
entwickelten (Spannungs-)Kriteriums lässt sich eine Aussage über das zu erwartende
Faltenrisiko treffen. Außerdem ermöglicht die Simulation eine genaue Identifikation
der Haupttreiber der Faltenbildung für das jeweilige Bauteil bzw. Fertigungskonzept.
Parameter- und Sensitivitätsstudien können dann den experimentellen Aufwand
zur Behebung der Faltenbildung deutlich reduzieren.
Die hier vorliegende Arbeit erweitert damit nicht nur das Wissen über die Faltenbildung
in der Prepreg-Autoklavfertigung und deren Einflussfaktoren, sondern gibt
dem Vorrichtungsentwickler auch eine Simulationsmethodik an die Hand, die ihn in
die Lage versetzt, Fertigungsvorrichtungen gezielt auszulegen und zu optimieren.
In addition to rotor blades, primary structural parts are also manufactured from
carbon fiber reinforced plastics in modern helicopter production. New design concepts
are constantly developed in order to reach a maximum degree of lightweight
design. However, innovative design solutions are only realizable, if they can be manufactured
efficiently, economically, and free from defects.
Molds for laminating and curing of composite parts are of particular importance.
They are a relevant factor for achieving the required part quality. The attention is directed
at the so-called tool-part-interaction, i.e. the interaction between tools and fiber
composite materials, which has a great influence on the heating and compaction
behavior of the prepreg materials and therefore also directly on manufacturing induced
damage such as wrinkling and warping.
At present, the tooling designer can only resort to his/her experience to achieve
a good heating and compaction behavior of the molds. However, the necessary background knowledge about the fundamental mechanisms of wrinkling is often lacking
and only a tedious trial-and-error process after the production of the mold can
help eliminate or at least reduce wrinkling.
In the future, the primary goal for tooling production must be to specifically design
the manufacturing equipment and to be able to already make a statement about
the expected part quality and production result during the conceptual stage. A possible
solution is the introduction of a manufacturing process simulation, because at an
early development stage it can estimate the heating and compaction behavior of a
part as well as the influence of the manufacturing equipment on part quality. Commercially
available software tools are already able to predict damage during production,
as e.g. process induced deformation. In order to make wrinkling predictable also,
two primary issues need to be dealt with: Wrinkling: How does wrinkling develop in autoclave manufacturing and which
mechanisms or influencing factors need to be particularly considered?
Simulation: What must be integrated into a manufacturing process simulation,
if it is to predict the influence of the mold on wrinkling and to ensure future
tooling improvement? Experimental examinations of omega and c-profiles help to understand and
evaluate wrinkling, its primary mechanism, and particularly the various influencing
factors. In the case of the present paper, the compaction of the laminate over a convex
radius and the resulting surplus roving length was especially examined as primary
cause for wrinkling. From the experiments could be deduced that the compaction,
the part geometry, the utilized semi-finished fabrics (unidirectional and woven), the
tool-part-interaction and the interlaminar friction are of importance for the examined
mechanism. These factors determine the minimum requirements for a manufacturing
process simulation.
A comprehensive material characterization including interlaminar friction, friction
interaction between part and tool as well as the compaction behavior of the fiber bed
are the first step toward the development of a simulation on an industrial scale. The
simulation consists of a thermochemical and a compaction module. The former determines
the heating behavior of the mold and the part in the autoclave and additionally
provides the degree of cure and the glass transition temperature as parameters
for the second simulation module. A semi-empirical method that is able to consider
flow effects and loading conditions of the autoclave was developed for the correct
determination of the heat transfer within the autoclave. The compaction module comprises
the compaction behavior of the fiber bed including resin flow, tool-partinteraction
and relative displacement of the layers. Especially the integration of the
saturation phase by means of a phenomenological approach and the inclusion of friction
interaction in the simulation must be seen as innovation in comparison to other
simulation concepts. The simulation is thus able to capture all the important influencing
factors of wrinkling. The state of stress that is retrieved from the simulation can
provide information about the formation of wrinkles. Furthermore, the simulation enables
an exact identification of the main drivers for the development of wrinkles in the
respective part or manufacturing concept. Parameters and sensitivity analyses can
then significantly reduce the experimental effort for the elimination of wrinkling.
The present study does therefore not only expand the knowledge about wrinkling
and its influencing factors in prepreg autoclave manufacturing, but also presents
the tooling designer with a simulation methodology that enables him/her to systematically
develop and optimize manufacturing equipment.
Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt „Bildung als Exponent individueller und regionaler Entwicklung - Evidenzbasierte Bedarfserschließung und vernetzte Kompetenzentwicklung“ (kurz: E-hoch-B) hat sich zum Ziel gesetzt, die gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Wandlungstendenzen der Region in und um Kaiserslautern zu untersuchen und evidenzbasiert Weiterbildungsangebote zu entwickeln. Während die Entwicklung wissenschaftlicher Weiterbildungsangebote bisher zumeist dem Ansatz einer Angebotsorientierung folgt (vgl. Hanft 2014), zielt das Projekt auf den Ansatz der Nachfrageorientierung (vgl. Seitter 2014, Wolter & Banscherus 2016). Dazu wurde ein Prozessmodell evidenzbasierter Angebotsentwicklung erarbeitet, auf dessen Grundlage den einzelnen Angebotsentwicklungsschritten spezifische Bezüge zu empirisch erhobenen Daten zugeordnet werden. Mithilfe dieser Daten soll aufgezeigt werden, wie Angebote im Rahmen des Projektes bedarfsorientiert entwickelt werden. Die einzelnen Prozessschritte von der Planung bis zur Implementierung eines Weiterbildungsangebots werden im vorliegenden Arbeits- und Forschungsbericht am Beispiel des Teilprojekts an der Technischen Universität Kaiserslautern ausgeführt.
Urbane Ernährungsstrategien decken eine Bandbreite an Wirkungsfeldern im Gefüge einer Stadt und dem dazugehörigen Nahrungssystem ab. Sie sind unter anderem in der Lage, für sicheren Zugang zu gesunden Lebensmitteln zu sorgen, lokale Wirtschaftskreisläufe zu fördern, relevante Stakeholder zusammen zu führen oder auch negative Umwelteinflüsse einzudämmen. Mithilfe digitaler Lösungen lassen sich effiziente und nachhaltige Ansätze für die raumplanerischen Herausforderungen im Zusammenhang mit urbanen Ernährungsstrategien finden.
Urbane Ernährungsstrategien als auch digitale Methoden repräsentieren wissenschaftliche Forschungsschwerpunkte mit vielfältigen Potentialen, deren Symbiose eine Bandbreite an Multiplikatoreffekten herzustellen vermag. So können entsprechende Strategien wesentlich von digitalen Herangehensweisen wie Echtzeitvisualisierung, Crowdmapping, Online-Verkaufsplattformen, urbane Emotionsmessung etc. profitieren.
Anhand von verschiedenen digitalen Methoden werden in dieser Arbeit die Möglichkeiten für deren Einsatz im Rahmen von urbanen Ernährungsstrategien untersucht und darüber hinaus wird diskutiert, inwieweit ein Mehrwert für letztere entstehen kann.
Die wissenschaftliche Auseinandersetzung mit dieser Thematik ist von besonderer fachlicher Relevanz, da die beiden noch jungen Forschungsdisziplinen in Kombination bislang unzureichende Aufmerksamkeit erhalten haben. Untermauert wird diese Erkenntnis durch die mangelhafte Datenlage zu diesem thematischen Zweiklang.
Mithilfe entsprechender digitaler Lösungsansätze können Planer mit verhältnismäßig geringem Aufwand nachhaltigen Mehrwert bewirken und zielgerichtet qualitativ hochwertige Maßnahmen im Zusammenhang mit urbanen Ernährungsstrategien durchführen. Dies wird zudem durch einen auf die Bedürfnisse der urbanen Ernährungsstrategien und digitalen Methoden abgestimmten Workflow gewährleistet.
Der Regionalmonitor Hochschulbildung (folgend Regionalmonitor genannt) trägt als interaktive webbasierte Datenbank dazu bei, den Übergang von einer angebotsorientierten zu einer be- darfsorientierten Entwicklung von Studienangeboten im Bereich der wissenschaftlichen Weiterbildung praktisch umzusetzen.. Das Ziel liegt in der Bereitstellung empirischer Daten zur demographischen und wirtschaftlichen Entwicklung in der Region, um die Gestaltung von Studienangeboten stärker als bisher an derzei- tigen und zukünftigen Bedarfen zu orientieren. Der Bericht gibt eine Übersicht über die verwendeten Daten und die technische Umsetzung des Monitors
Eine nachfrageorientierte und bedarfsgerechte Stadtplanung muss im Sinne
der Ordnung und Leitung der baulichen und sonstigen Nutzung des Bodens
unterschiedliche Flächenansprüche von Zielgruppen berücksichtigen, um
eine wechselseitige und verträgliche Zuordnung von Nutzungen zu erreichen.
Eine bedarfsgerechte Ausweisung von Wohnbauland erfordert es im
Sinne einer nachhaltigen Planung zu wissen, wo und wie die Menschen
wohnen wollen, wie ihre Präferenzen hinsichtlich Investitionsentscheidungen
(Miete oder Kauf) sowie deren quantitativen und qualitativen Anforderungen
an Wohnstandorte (Wohnung und Wohnumfeld) zu beurteilen sind.
Aus planungswissenschaftlicher Sicht sind im Rahmen der Wohnbaulandentwicklung
quantitative, qualitative und prozessuale Defizite von planungspraktischer
Relevanz identifizierbar, die sich – ausgehend von den Phasen
der Bedarfsermittlung über die Standortfindung und Bauleitplanung bis hin
zur baulichen Realisierung (Erschließung und Hochbau) – prozessübergreifend
erstrecken. So werden insbesondere qualitative Aspekte in diesen Prozessschritten
nicht gänzlich und zusammenhängend berücksichtigt, obwohl
qualitative Indikatoren bei der Wohnstandortentscheidung – im Sinne einer
sozialverträglichen, bestands- als auch nachfrageorientierten Stadtplanung
– eine immer stärkere Bedeutung erfahren.
Die Erkenntnisse aus der mikrogeographischen Milieu-Forschung – betrachtet
wird in der vorliegenden Arbeit primär das Sinus-Milieu-Modell® –
liefern Indizien für die zu erwartende quantitative und qualitative raumbezogene
Nachfrage einer heterogenen Stadtgesellschaft. Daher wird ein wissenschaftlicher
und planungspraktischer Mehrwert untersucht, der die Erkenntnisse
der Sinus-Milieu®-Forschung verwendet und im Sinne eines strategischen
Gesamtansatzes für Planungsprozesse nutzbar macht.
Anhand des Modellansatzes wird aufgezeigt, wie ganzheitlich
Planungs-, Realisierungs-, Vermarktungs- und Betriebsprozesse in Wohnquartieren
zielgruppenspezifisch und nachfrageorientiert gestaltet werden
können. Hierbei wird eine quantitative und qualitative Untersuchung durchgeführt,
die theoretische und anwendungsorientierte Erkenntnisse der Sinus-
Milieu®-Forschung im Kontext der Wohnbaulandentwicklung aus wissenschaftlichen
Erkenntnissen und Praxisprojekten adaptiert und in einem Optimierungsleitfaden
zur zielgruppenspezifischen Wohnbaulandausweisung
vereint. Darüber hinaus werden wohnstandort-, baugrundstücks-, wohngebäude-,
wohnungs- und planungsprozessual-bezogene Wohnqualitätskriterien
definiert, die als Orientierungsrahmen für zielgruppenspezifische
Wohnbaulandstrategien zu Grunde gelegt werden können.
Diese Erkenntnisse sind aus planungswissenschaftlicher Sicht mit einem planungspraktischen
Nutzen im Kontext der Wohnbaulandentwicklung anzusehen.
Das Vorgehen basiert auf der breiten Datenbasis der microm
GmbH, milieuspezifische und räumlicher Parameter werden für den Untersuchungsraum
in einem Sozialraumdiagramm eingeordnet. Das Instrument
der Sozialraumanalyse liegt dem Modellansatz zu Grunde und wird anhand
der Demonstrator-Kommune Stadt Kaiserslautern erforscht.
Eisen-Schwefel-Cluster bilden eine Klasse der vielseitigsten anorganischen Cofaktoren in der Natur und sind in allen Domänen des Lebens zu finden. Sie erfüllen vielfältige Aufgaben in verschiedensten Bereichen, wie beispielsweise Elektronentransport, regulatorische Funktionen oder enzymatische Aktivität. Da verschiedene Krankheiten auf Defekte von Eisen-Schwefel-Proteinen oder deren Biogenese zurückgeführt werden können, ist es von größtem Interesse unbekannte Fe/S Proteine zu charakterisieren und ihre Wirkungsweisen zu erforschen.
In den beiden häufigsten Clustertypen (der rhombische [2Fe-2S]- und der kubische [4Fe 4S] Cluster) werden zur Koordination der Eisenionen neben anorganischen Sulfidionen in der Regel vier Cysteine des Proteins verwendet. Daneben existieren jedoch auch Proteine, in denen andere Aminosäuren als Liganden fungieren.
Für das Rieske-Protein, welches in dieser Arbeit als Referenzprotein fungierte, wurden Mössbauerspektren bei drei passenden pH-Werten aufgenommen. Dadurch konnten zum ersten Mal die drei verschiedenen Zustände des Clusters mit diprotonierten, monoprotonierten bzw. deprotonierten Histidinen mittels Mössbauerspektroskopie untersucht und die entsprechenden Parameter ermittelt werden.
Im Hauptteil dieser Arbeit wurden die beiden weitgehend unerforschten Proteine Apd1 und Aim32 aus Saccharomyces cerevisiae kloniert, heterolog in E. coli exprimiert und isoliert. Durch eine anschließende Charakterisierung mittels UV/Vis-, ESR- und Mössbauerspektroskopie konnte der enthaltene [2Fe 2S] Cluster identifiziert und eine Koordination durch zwei Cysteine und zwei Histidine festgestellt werden, wobei die Proteine keine Rieske-Faltung besitzen. Nach Entdeckung des hochkonservierten HXGGH-Motivs, welches an ähnlicher Stelle zum dritten und vierten Cystein in der Primärstruktur von TLF´s (thioredoxin-like ferredoxins) vorliegt, wurden Mutationen dieser Histidine durchgeführt. In Untersuchungen an diesen Mutanten konnten Änderungen in den UV/Vis , ESR- und Mössbauerspektren der variierten Fe/S Cluster beobachtet werden. Bei der pKS-Wert-Bestimmung wurde nach jeder Mutation der vorhandenen Histidine zu Cysteinen, jeweils ein (De-)Protonierungsschritt weniger detektiert. Ebenso zeigten die Mutanten niedrigere Redoxpotentiale als der Wildtyp, dessen Redoxpotential pH-abhängig ist. Es handelt sich hierbei also um eine neuartige Klasse von Proteinen, die eine C-terminale Domäne mit einer Faltung ähnlich zu TLF´s besitzt, die aber gleichzeitig ein Rieske-artiges Zentrum beinhaltet. Eine Funktion bei Elektronentransfers liegt deshalb nahe, allerdings ist dazu noch nichts genaueres bekannt. Die Identifikation der genauen Wirkweise sowie der Reaktionspartner der beiden Proteine ist also weiterhin ein spannendes Forschungsgebiet. Ebenso wird der Nachweis über die Art der Bindung der Histidine durch eine Kristallstruktur wichtige Erkenntnisse über die Proteinklasse liefern.
Das Feld der Anionenerkennung ist ein stets wachsendes Forschungsgebiet, auch weil eine Vielzahl biochemischer Prozesse mit negativ geladenen Substraten und Co-Faktoren verbunden sind. Da solche Prozesse in wässrigem Milieu stattfinden, sind Verbindungen von besonderem Interesse, die Anionen in Wasser zu binden vermögen. Geeignete Rezeptoren zur Erkennung von Anionen sind die im Arbeitskreis Kubik entwickelten Cyclopeptide (CPs) und Bis(cyclopeptide) (BCPs).
Da die Anionenaffinität der in der Vergangenheit untersuchten BCPs nur in wenigen ausgesuchten Lösungsmittelgemischen und nie in reinem Wasser charakterisiert wurde, wurde im ersten Teil meiner Promotion ein BCP-Derivat entwickelt, mit dem kalorimetrische Bindungsstudien in einem breiten Spektrum von Lösungsmittelgemischen möglich waren. Die hierbei erhaltenen thermodynamischen Daten sollten Informationen über die Prinzipien geben, die der Anionenaffinität dieser Verbindungen zugrunde liegen. Es wurde zunächst die Synthese des bereits in meiner Diplomarbeit untersuchten BCP1 optimiert, dessen Wasserlöslichkeit durch insgesamt sechs Triethylenglycolreste vermittelt wird. Dieser Rezeptor erwies sich nach geeigneter Isolation ausreichend löslich, um Lösungen in Wasser mit einer Konzentration von bis zu 0.25 mM herzustellen. Es wurde ebenfalls das BCP2 mit einer zusätzlichen solubilisierenden Gruppe im Vergleich zu BCP1 synthetisiert, welches in bis zu 10 mM Konzentrationen in Wasser löslich ist. Mit beiden Rezeptoren wurden in Wasser, verschiedenen wässrigen Lösungsmittelgemischen und reinen organischen Lösungsmitteln Bindungsstudien durchgeführt, wodurch quantitative und qualitative Einblicke erhalten wurden, wie die Solvatisierung des Anions und des Rezeptors in den verschiedenen Lösungsmitteln die Anionenkomplexierung beeinflussen.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde an der Entwicklung von CP-basierten chemischen Sensoren und Sonden gearbeitet, mit denen Anionen in Lösung detektiert werden können. In diesem Zusammenhang wurden Synthesen für zwei CPs entwickelt, die auf unterschiedliche Art auf Goldelektroden immobilisiert werden können. Diese Elektroden sollen für die elektrochemische Anionendetektion dienen. Im Bereich chemischer Sonden sollten mit CPs dekorierte Goldnanopartikel (Au-NPs) dargestellt werden, die nach Anionenzugabe agglomerieren. Die damit verbundene Farbveränderung der Lösung soll einen Anionennachweis mit bloßem Auge gestatten. Es wurden zwei CP-Grundstrukturen dargestellt, welche als anionenerkennende Liganden auf Au-NPs dienen können. Ebenfalls wurden erste Au-NPs synthetisiert, die eine Mischung oberflächengebundener inerter und CP-funktionalisierter Liganden enthielten.
Der vorliegende Arbeits- und Forschungsbericht beschreibt das Forschungsdesign des Verbundprojektes E-hoch-B der Hochschule Kaiserslautern, der Technischen Universität Kaiserslautern sowie der Hochschule Ludwigshafen am Rhein. Neben den drei Gegenstandsbereichen (neue Zielgruppen, Regionalentwicklung und wissenschaftliche Weiterbildung) werden die vier unterschiedlichen Analyseebenen beschrieben, die dem Ansatz einer evidenzbasierten Angebotsentwicklung zu Grunde liegen: Arbeitsmarkt-, Zielgruppen-, Bildungsmarkt- und Ressourcenanalyse. Darüber hinaus wird ein Überblick gegeben, welche Daten in welchem Teilprojekt erhoben wurden. Die Schlussbetrachtung diskutiert die Vor- und Nachteile einer evidenzbasierten Angebotsentwicklung und gibt einen Ausblick für die weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeit.
Erfassung von Anforderungen zur zielgruppenorientierter Gestaltung hochschulischer Bildungsangebote
(2017)
Der vorliegende Arbeits- und Forschungsbericht beschreibt zwei Erhebungsinstrumente des Verbundprojektes E-hoch-B der Hochschule Kaiserslautern, der Technischen Universität Kaiserslautern sowie der Hochschule Ludwigshafen am Rhein.
Das erste Instrument erfasst die allgemeine Zusammensetzung aller Studierenden der Verbundhochschulen sowie deren Anforderungen an Studienangebote. Das zweite Erhebungsinstrument ist konkret an Studierende aus pflegebezogenen Studienangeboten an allen rheinland-pfälzischen Hochschulen gerichtet und wurde auf Basis des ersten Erhebungsinstrumentes weiterentwickelt.
Im Beitrag wird das Erkenntnisinteresse beschrieben, der theoretischen Hintergrund skizziert und der konzeptionelle Aufbau sowie die Struktur der Instrumente dargestellt. Eine Schlussbetrachtung rundet den Beitrag ab. Im Anhang sind die Erhebungsinstrumente einzusehen.
In der vorliegenden Arbeit wurden 18 Saccharomyces-Hefestämme sowie zwei Stämme der Nichtsaccharomyces-Hefen Torulaspora delbruckii und Metschnikowia pulcherrima und ein Enzympräparat aus Aspergillus niger in Gärungen im Labor- und Praxismaßstab sowie in betriebsüblichen Wein- und Sektgärungen bezüglich ihres Potentials zur Freisetzung von glycosidisch gebundenen Aromastoffen charakterisiert. Die Untersuchungen wurden in drei Jahrgängen für die Rebsorten Chardonnay, Riesling und Muskateller durchgeführt. Hierbei wurden die Verfahren der Traubenverarbeitung zur Intensivierung der unterschiedlichen Ausgangsgehalte an Aromastoffvorläufern variiert. Zusätzlich wurden in Mosten der Rebsorten Riesling, Muskateller und Gewürztraminer die Einflussfaktoren Maischestandzeit und Pressung auf den Ausgangsgehalt an Aromastoffvorläufern untersucht. Alle Moste, hergestellten Weine, Grundweine und Sekte sind aromachemisch mittels SPE/GC-MS sowie die Weine und Sekte sensorisch durch die deskriptive Analyse untersucht worden. Anhand multivariater Statistik wurden die Datensätze modelliert. Die 18 eingesetzten Saccharomyces-Hefestämme sowie zusätzlich zwei Laborstämme der Art Debaromyces hansenii und Pichia anomala wurden mittels Plattentests unter Verwendung von YNB-Mangelmedium bei Zugabe der Substrate Arbutin und Cellobiose als Kohlenstoff-Quelle sowie mittels pNPG-Assay quantitativ auf Glycosidase-Aktivität getestet. Das Enzympräparat wurde ebenfalls mit dem Assay untersucht. Mittels qPCR erfolgte die Analyse der relativen Genexpression der mit der Glycosidase-Aktivität von Saccharomyces-Hefen in Verbindung stehenden Gene EXG1, SPR1 und YIR007W über den Verlauf einer Gärung. Die Analyse der Aromastoffvorläufer wurde mittels einer im Zuge der Arbeit etablierten SPE/GC-MS-Methode für die Injektion großer Probenvolumina durchgeführt. Anhand dieser Analytik als Referenzmethode sollte eine Schnellanalytik mittels FT-MIR entwickelt werden.
Die Untersuchungen zur Variation der Traubenverarbeitung demonstrierten einen signifikanten Einfluss auf die Aromastoffvorläufer-Gehalte im Most. Erstmalig konnte in dieser Arbeit verdeutlicht werden, dass eine verlängerte Maischestandzeit sowie gesteigerter Pressdruck bis hin zum fertigen Wein und Sekt als signifikanter Einflussfaktor sowohl auf die Gehalte der Aromastoffvorläufer als auch auf die Sensorik bestehen bleibt. Die Auswahl des Saccharomyces-Hefestammes hingegen konnte nicht als signifikanter, maximal als marginaler Einflussfaktor auf die Freisetzung der Aromastoffvorläufer oder die Sensorik der finalen Weine, Grundweine und Sekte identifiziert werden. Es wurden selbst bei weitestgehendem Ausschluss anderer mikrobiologischer Einflussfaktoren keine reproduzierbaren Unterschiede zwischen den untersuchten Hefestämmen nachgewiesen, wodurch kein prognostizierbarer Effekt ermittelt werden konnte. Dieses Ergebnis konnte durch die Charakterisierung der Enzymausstattung und aktivität der Hefen erklärt werden. Die Hefen konnten in den Plattentests die glycosidische Bindung der Substrate Arbutin und Cellobiose nicht spalten. Da Arbutin als spezifisch zum Nachweis des Enzyms 1,4 β Glucosidase gilt, kann davon ausgegangen werden, dass das Enzym in den Saccharomyces-Hefen nicht exprimiert wurde. Detektierbar mittels pNPG-Assay war hingegen eine basale Glycosidase-Aktivität, welche vermutlich auf die Nebenaktivität der exo 1,3 β Glucanase Exg1p zurückzuführen ist. Für das korrespondierende Gen EXG1 wurde mittels qPCR über den Verlauf einer Gärung proportional zum Abbau der Glucose eine ansteigende relative Expression bestimmt. Glucose scheint als Hemmstoff für die Genexpression von EXG1 zu wirken. Mit dem Anstieg der Genexpression ging die Abnahme der glycosidisch gebundenen Aromastoffvorläufer einher. Zwischen den untersuchten Saccharomyces-Hefestämmen bestanden dabei keine Unterschiede. Die Analyse der Sekte ergab nach neunmonatiger zweiter Gärung signifikante Unterschiede zwischen den regulär mit Hefe hergestellten Sekten und den ausschließlich unter Säureeinfluss stehenden Varianten ohne Hefezugabe. Damit konnte verdeutlicht werden, dass Saccharomyces-Hefen eine Glycosidase-Aktivität ausbilden, da sie im Vergleich zur ausschließlichen säurehydrolytischen Wirkung signifikant erhöht Aromastoffvorläufer freigesetzt hatten. Die Verwendung verschiedener Hefestämme führte hingegen nicht zu konsistenten Unterschieden in der Freisetzung der Aromastoffvorläufer und blieb ohne bemerkenswerte Auswirkungen auf die Sensorik der Grundweine und Sekte. Die im Praxismaßstab hergestellten Weine bestätigten diese Beobachtungen. Das aus Aspergillus niger stammende Enzympräparat AR2000 zeichnete sich hingegen in der Quantifizierung der Glycosidase-Aktivität mit ca. 1000fach erhöhter Aktivität gegenüber den Hefen aus. Dementsprechend setzte das Enzym in den Gärungen signifikant erhöht Aromastoffvorläufer frei und führte zu veränderten sensorischen Profilen der Weine und Sekte. Die weiterhin in die Versuche einbezogenen Nichtsaccharomyces-Hefen wurden teilweise positiv auf das Enzym β Glucosidase getestet und waren, insbesondere im Fall des Pichia anomala Stammes, auch durch eine signifikant erhöhte quantitative Enzymaktivität charakterisiert. Durch die umfassende Charakterisierung der Saccharomyces-Hefen im Vergleich mit Nichtsaccharomyces-Hefen und Enzympräparat wurde deutlich, dass die Glycosidase-Aktivität der Saccharomyces-Hefen nicht ausreicht, um das Aromapotential während der Wein- und Sektbereitung bedeutend ausschöpfen zu können.
Die in dieser Arbeit etablierte large volume injection GC-MS-Methode wurde validiert und gilt als eine stabile Methode mit hohen Wiederfindungsraten und guter Reproduzierbarkeit. Aufgrund von probenabhängigen Verlusten durch die SPE und die möglicherweise unvollständige enzymatische Spaltung der Aromastoffvorläufer bleibt der Gesamtmethode vermutlich ein systematischer Fehler der absoluten Aromastoffvorläufer-Gehalte zueigen, vergleichende Analysen sind jedoch problemlos möglich. Zum jetzigen Kenntnisstand existiert keine alternative Analysemethode. Die Unschärfe der SPE/GC-MS-Analytik pflanzte sich entsprechend bei der Entwicklung der Schnellmethode zur Quantifizierung der Aromastoffvorläufer mittels FT-MIR fort, welche mit der GC-MS-Methode als Referenzmethode etabliert werden sollte. Im Zuge der Methodenentwicklung am Gerät FT 120 Winescan (Foss) wurde zunächst die Signalintensität der Analyten in den Spektren verbessert, da Aromastoffvorläufer in Most und Wein unterhalb der üblichen Nachweisgrenze der MIR Spektroskopie liegen. Diese Erhöhung der Signalintensität wurde durch eine Vergrößerung der Küvettenstärke auf 150 µm und durch Verwendung der Lösungsmittel Dimethylsulfoxid oder Methanol erreicht. Für beide Küvetten-Lösungsmittel-Kombinationen wurde jeweils eine Basiskalibration mit einem Probensatz aus 37 heterogenen Most- und Weinproben verschiedener Rebsorten und Herkunft erstellt. Die Kalibrationen waren durch vielversprechende statistische Vorhersageparameter charakterisiert. Der Validierung mit unabhängigen Datensätzen konnten beide Kalibrationen aber bisher nicht standhalten.