570 Biowissenschaften, Biologie
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In diesem Buch sind Lehrbeispiele gesammelt, die Dozierenden wertvolle Anregungen für ihre eigene Lehre liefern: Es werden Ideen für einzelne Übungen, Unterrichtseinheiten, Prüfungen oder ganze Kurse vorgestellt. Die benötigten Materialien sind für die Nutzer online frei verfügbar, um die Anwendung zu vereinfachen.
Alle Beiträge dieses Buches wurden 2020 für den Preis für das beste Health-Data-Science-Lehrmaterial eingereicht, der von der Arbeitsgruppe Lehre und Didaktik der Biometrie der Deutschen Region der Internationalen Biometrischen Gesellschaft und der GMDS ausgeschrieben wurde. So entstand ein breiter Querschnitt an Beiträgen für lebendige Lehre in Biometrie, Epidemiologie, Public Health und ähnlichen Gebieten.
Das Buch knüpft damit an die beiden Bände Zeig mir Biostatistik! und Zeig mir mehr Biostatistik! an, denen ähnliche Ausschreibungen vorausgingen.
Die Herausgeber unterrichten Biometrie als Haupt- oder Nebenfach an verschiedenen Universitäten bzw. Hochschulen. Es verbindet sie das gemeinsame Ziel, den Austausch von Ideen und ausgereiftem Unterrichtsmaterial im Bereich Health Data Science zu fördern.
Nitrogen (N) pollution of groundwater bodies is often a result of high livestock densities combined with use of mineral N fertilisers in Northwest Germany, specifically in combination with sandy soils and high amounts of precipitation. Organic agriculture is discussed as an alternative management practice reducing nitrogen losses due to area-based livestock densities and waiving of mineral N fertilisers. A field trial with integrated ceramic suction cups over three years showed potential for reduced N loads under conventional management specifically with organic fertilisation. Now, the field trial is under transition into organic farming with promising additional benefits for drinking water quality and the great potential to develop optimised N management strategies.
Renaturierungsökologie
(2019)
To assess the effect of intercropping on malting quality a field trial with spring barley (Hordeum vulgare) and legume (pea) as well as non-legume (camelina and linseed) intercrops in two additive seeding ratios as well as sole cops was established in 2017 at the organic experimental station of University of Applied Sciences Osnabrück in North-Western Germany. Two tested malting barley cultivars (cv. Marthe and cv. Odilia) showed different performance, but all variants achieved brewing quality. Results after two years indicate that linseed and camelina were able to limit protein content. For best land-use efficiency of malting barley production intercropping with linseed showed best results. Mixed intercropping can help to promote internal efficiency loops and is therefore a promising sustainable intensification strategy for more resilient future crop production under changing climate conditions.
The production of food-grade substances and complex biocatalysts used as additives or active ingredients – mainly for food applications – can be achieved in the eukaryotic expression system of Aspergillus niger. Food proteins or food enzymes e.g., casein, ovalbumin, phytase or glucoamylase are highly complex polymers. Most of them could be used as nitrogen or energy source for animals and humans, while others are industrial relevant biomass-degrading enzymes used for biological waste processing and food production.
However, the successful production of novel recombinant proteins can be challenging, resource- and time consuming. Therefore, A. niger mutant libraries are needed to understand the “adjusting screws” to produce high yields of recombinant proteins, preferably even in a kind of generic, transferable system. In order to establish a universal and multipurpose expression platform, there is the need to overcome the lack of high throughput assays first.
To tackle this problem, we designed a modular, quantitative and feasible high-throughput screening system to express and screen recombinant proteins regarding their stability and functionality in A. niger. For this purpose a dual-luciferase reporter gene system, which is applicable in small scale will be established for A. niger. After the generation of an A. niger secretion mutant library, the system will be transferred and tested to other proteins of interest. The technology can be integrated into bio-regenerative life support systems for the autonomous production of e.g., food, food additives and food enzymes on earth as well as in deep-space.
Obst und Gemüse sind reich an gesundheitsfördernden Inhaltsstoffen und stellen einen wichtigen Bestandteil einer gesunden Ernährung dar. Sind roh verzehrbare frische Produkte mit humanpathogenen Erregern kontaminiert, können sie jedoch Infektionen und Lebensmittelvergiftungen auslösen. Diese Literaturstudie gibt auf Basis aktueller Publikationen einen Überblick über Quellen und Eintragswege humanpathogener Bakterien und Viren sowie über Präventions- und Dekontaminationsmaßnahmen entlang der Produktions- und Verarbeitungskette von Obst und Gemüse. Auf pflanzlichen Oberflächen sind humanpathogene Erreger vergleichsweise unwirtlichen Umweltbedingungen ausgesetzt, wie z.B. wechselnden Klimabedingungen, Nährstoffmangel, der Konkurrenz mit dem natürlichen Mikrobiom und pflanzlichen Immunreaktionen. Die Überlebensfähigkeit bakterieller Erreger auf frischen Produkten ist daher von ihrer Anpassungs- und Konkurrenzfähigkeit abhängig. Diese beruht auf spezifischen Eigenschaften, wie der Fähigkeit zur Anpassung des Stoffwechsels, zur Adhäsion an die pflanzliche Oberfläche und zum Schutz vor biotischen und abiotischen Umwelteinflüssen. Zur Anpassung humanpathogener Bakterien an Habitate außerhalb des menschlichen bzw. tierischen Wirtes können mobile genetische Elemente beitragen, die durch horizontalen Gentransfer übertragen werden. Ein verbessertes Verständnis dieser ökologischen Wechselwirkungen wird die Identifikation neuer Ansatzpunkte zur Verbesserung der mikrobiellen Lebensmittelsicherheit vorantreiben. Das gewachsene wissenschaftliche Interesse hat auch zu einer Weiterentwicklung der mikrobiologischen Methoden und der quantitativen Risikobewertung geführt. Basierend auf diesem breiten Literaturüberblick werden abschließend kritische Verständnislücken und entscheidende wissenschaftliche Fragestellungen im Bereich der mikrobiellen Sicherheit verzehrfertiger pflanzlicher Lebensmittel aufgezeigt. Als Leser haben Sie die Möglichkeit, diese Literaturstudie auch ausgehend von den resultierenden wissenschaftlichen Fragestellungen in Kapitel 10 zu lesen, die Sie zu den entsprechenden Kapiteln führen.
Um zusätzlich zu bestehenden Qualitätsmanagementsystemen im Handel auch den Aspekt der Verbraucherpräferenzen besser berücksichtigen zu können, hat die vorliegende Studie zum Ziel, innerhalb der Laufzeit von zwei Jahren einen Qualitätsindex zu entwickeln, der sensorische Merkmale impliziert. Dazu wurden in der ersten Versuchsphase etwa 4000 Früchte der Sorten ‘Fuji, Yataka’, ‘Elstar, Elshof’, ‘Golden Delicious, Reinders’ und ‘Jonagold, Rubinstar’ in drei Schritten untersucht (etwa 1000 Früchte pro Sorte). Zunächst wurden verschiedene Fruchteigenschaften nicht destruktiv gemessen. Anschließend fand eine sensorische Beurteilung der Äpfel durch Konsumenten an vier verschiedenen Einzelhandelsstandorten statt. Für die geschmackliche Bewertung wurde jeweils ein Achtel jedes Apfels verwendet. Die übrig gebliebenen sieben Achtel des Apfels wurden auf unterschiedliche qualitätsrelevante Parameter mittels destruktiver Methoden untersucht. Zur Überprüfung von Zusammenhängen zwischen nicht destruktiv und destruktiv gemessenen Werten auf der einen Seite und sensorisch ermittelten Werten auf der anderen Seite wurden Korrelationskoeffizienten berechnet. Ein Teilziel besteht darin, die Eignung nicht destruktiver Analyseverfahren nachzuweisen, um sie als Vorhersage für den Konsumentengeschmack anwenden zu können. Nicht erwartungsgemäß sind die Zusammenhänge zwischen physikalischen bzw. chemischen und sensorischen Messwerten gering und bedingt aussagekräftig. Um einen Qualitätsindex dennoch entwickeln zu können, werden in einer weiteren empirischen Projektphase erneut Daten erhoben.
Aufgrund der zunehmenden Überdüngung landwirtschaftlicher Flächen durch Wirtschaftsdünger und Gärreste aus Biogasanlagen wird eine ökonomische und ökologische Vollaufbereitungstechnik zur Separation der Nährstoffe und zur Gewinnung von Prozesswasser aus Gärresten und Güllen benötigt. Das Vollaufbereitungsverfahren zur Düngemittelrückgewinnung durch mehrstufige Fest-/ Flüssigtrennung und Membrantechnik könnte diese Anforderungen durch eine intensive Optimierung der Ultrafiltrationsstufe erfüllen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Reduktion des Energiebedarfes der Ultrafiltrationsstufe um 50 %, da diese Prozessstufe ca. 50 – 70 % des Gesamtenergiebedarfes ausmacht. Damit wäre ein wirtschaftliches Vollaufbereitungsverfahren flächendeckend einsetzbar.
Für die Optimierung der Ultrafiltrationsstufe wurden Gärreste aus 19 Biogasanlagen in einem Stichprobenumfang von 42 Proben auf ihre physikalisch/chemischen Parameter und insbesondere das separierte Zentrat auf dessen Filtrierbarkeit in einer UF-Rührzelle untersucht. Im Allgemeinen zeigte sich eine hohe Schwankungsbreite der erzielbaren Permeatflüsse. Funktionelle Zusammenhänge wurden zwischen den organischen Inhaltsstoffen, der scheinbaren Viskosität der Zentrate und dem Ultrafiltrationsfluss gefunden. Gärrestzentrate weisen ein Nicht-Newtonsches rheologisches Fließverhalten auf. Hauptsächlich Biopolymere, darunter Polysaccharide und Proteine, sind sowohl für die erzielbare Flussleistung, als auch für das rheologische Verhalten relevant. Modifikation und Verringerung dieser kritischen Biopolymerfraktion bieten damit einen möglichen Optimierungsansatz, der in der Arbeit durch Ozonierung und Komplexbildung durch pH-Wert-Verschiebung realisiert wurde. Die Optimierung der Ultrafiltration wurde in drei verschiedenen Maßstäben untersucht: Labor-, Technikums- und Pilotmaßstab. Die Ozonierung zeigte dabei positive Eigenschaften in Bezug auf Flussverbesserungen und Abbau der Strukturviskosität. Durch die Modifikation und Verkleinerung der Biopolymere wurde in allen drei Maßstäben eine Flussverbesserung um den Faktor 1,4 – 2,3 erzielt.
Durch die Ansäuerung der Zentrate zu pH-Werten unterhalb der isoelektrischen Punkte der Proteine wurde eine Komplexbildung der Biopolymere erreicht, die bisher nur für Modellsysteme in der Literatur dargestellt wurde. Durch die Vergrößerung der Partikel um den Faktor 7 – 17 bei der Komplexierung wurde in allen drei Versuchsmaßstäben eine Verbesserung der Flussleistung um ca. Faktor 2 erzielt.
Die Temperaturerhöhung wurde in Rohrmodulen im Technikums- und Pilotmaßstab untersucht. Dabei zeigte sich bei einer Temperaturerhöhung von 40 – 45 °C auf 60 – 75 °C eine Verbesserung der Flussleistung um den Faktor 1,4, die auf die sinkende Permeatviskosität und eine verbesserte Deckschichtkontrolle zurückgeführt wurde. Die Kombination aus Ozonierung und hoher Prozesstemperatur zeigte synergetische Ergebnisse, da sowohl durch die hohe Prozesstemperatur, als auch durch die Ozonierung die Zentratviskosität herabgesetzt wurde. Dadurch wurde die Reynoldszahl im Rohrmodul erhöht, was einen positiven Einfluss auf die Filtrierbarkeit zeigte. Durch die erhöhte Reynoldszahl bestand die Möglichkeit, die Strömungsgeschwindigkeit im Ultrafiltrationsloop zu verringern, was einen wesentlichen Einfluss auf den Energiebedarf der Ultrafiltrationsstufe hat. Im Rahmen der Untersuchungen wurde eine sehr gute Übertragbarkeit zwischen den Ergebnissen der verschiedenen Maßstäbe festgestellt. Die Ergebnisse des Labormaßstabes erlauben eine Vorhersage der Membranflüsse auf großtechnische Ultrafiltrationsanlagen. Trotz der hohen Diversität der beprobten Anlagen ermöglichten die Ergebnisse aufgrund des hohen Stichprobenumfanges mathematische Zusammenhänge zwischen den Biopolymeren und der temperaturabhängigen scheinbaren und temperaturabhängigen Viskosität von Gärrestzentraten.
Bei der energetischen Bilanzierung der Ultrafiltrationsanlage wurden an beiden Standorten in Summe sechs Verfahrensmodifikationen gefunden, die eine Reduktion des Energiebedarfes um ≥ 50 % ermöglichen. Diese Projektzielstellung wurde durch eine hohe Prozesstemperatur bei gleichzeitig reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit, Ozonierung bei gleichzeitig hoher Prozesstemperatur und durch die Ansäuerung erreicht. Der niedrigste Energiebedarf wurde durch die Ozonierung bei gleichzeitig hoher Prozesstemperatur und reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit erreicht. Der Energiebedarf wurde bei dieser Verfahrensmodifikation um 54 – 59 % reduziert.
In einer abschließenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer 50000 t∙a-1 Anlage an einem deutschen Standort wurde durch die KWK geförderte Wärmenutzung der wirtschaftlichste Fall für eine hohe Prozesstemperatur bei gleichzeitig reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit festgestellt. Die spezifischen Gesamtkosten des volltechnischen Verfahrens wurden von 8 – 8,50 € pro Kubikmeter aufbereitetem Gärrest auf 5 – 5,50 € um 33,5 – 37,8 % reduziert. Nach Angaben der kooperierenden Firma ist damit ein wirtschaftlicher Anlagenbetrieb möglich.