2013 research outputs found
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Influence of the newly identified Mos10 interaction partner Vps68on ESCRT-III function
Get PDFThe endosomal sorting complex required for transport (ESCRT) is a part of the heteromeric complex machinery consisting of ESCRT-0, -I, -II, and -III ensuring functional protein traffic of endocytic and biosynthetic cargo. Stepwise sorting of labeled cargo material inside the lumen of the endosome by invagination and abscission of the endosomal membrane to form intraluminal vesicles (ILVs) is mediated by the ESCRT-III complex. The complex consists of eight members of which Vps20, Snf7, Vps2, and Vps24 are considered ESCRT-III essential subunits, and Chm7, Did2, Ist1, and Mos10/Vps60 are commonly labeled as complex associated proteins. The correct interplay between the proteins ensures cargo sorting into the MVB (multivesicular body) pathway and transport from the late endosome into the vacuolar lumen for degradation. Besides the initial function of vacuolar protein sorting (vps), the complex is involved in a multitude of cellular processes like cell abscission, virus budding, autophagy, and remaining nuclear envelope integrity.
The step-wise assembly of the ESCRT-III complex is mediated after the cascade-like ESCRT-0 to ESCRT-II complex formation at the membrane budding site, collecting cargo protein for invagination into the endosomal lumen. ESCRT-III Vps20 is recruited to the membrane by the ESCRT-II member Vps25, then nucleating Snf7 association and oligomerization. Additional assembly of ESCRT-III members like Vps24 and Vps2 further drives membrane bending away from the cytosol to the final abscission event, before being recycled back to cytosolic monomers by Vps4. Although Mos10 has been implicated in the recycling step of the ESCRT-III units by interacting with the Vps4/Vta1 complex, the proteins function remains poorly characterized.
This thesis tried to find new insights in Mos10 functionality by finding yet uncharacterized interacting partners, thus connecting the protein to new putative non-endosomal functions or understanding its role in the established ESCRT-III complex. For this purpose, a series of crosslinking experiments with tagged variants of Mos10 were performed. Purification was achieved by IMAC (Immobilized Metal Ion Affinity Chromatography) after adding a poly-his sequence to the protein and by immunoprecipitation of sfGFP tagged Mos10. Both methods revealed a multitude of putative Mos10 interacting partners by MS analysis to be further reduced by applying the SILAC (stable isotope labeling with amino acids in cell culture) technique. After selecting possible Mos10 interacting partners, IP and Co-IP experiments of tagged candidate variants were used to identify an interaction between the two proteins. An interaction between Mos10-6His and Vps68-13myc besides native Mos10 and Vps68-fGFP could be verified by purification of Vps68 and co-precipitating Mos10.
The influence of Vps68 on the assembly and composition of the ESCRT-III complex was examined. After Vps68 depletion, an enrichment of the core subunits Snf7, Vps2, and Vps24 in the complex was detected with a reduced number of Did2, Ist1, and Mos10 molecules. Thus, it appears that ESCRT-III disassembly is blocked in ∆vps68 mutant. The influence of VPS68 deletion on the intracellular localization of ESCRT-III proteins was examined by fluorescence microscopy with sfGFP-tagged variants. While the localization of most ESCRT-III proteins was not significantly altered, a marked relocalization was observed for Mos10. In wildtype, Mos10-sfGFP was localized at the vacuolar membrane, while in ∆vps68 it was dispersed into vesicular structures enriched at the cell cortex.
Further, the impact of VPS68 deletion on the sorting of the endocytic cargo protein Ste6 was investigated. By cycloheximide chase experiments, it could be shown that Ste6 is strongly stabilized in a ∆vps68 mutant. This indicates that the transport of the protein to the yeast vacuole for degradation is blocked. The ∆vps68 block in endocytic trafficking was compared with other mutants of the vps-pathway, whose site of action has been established. These experiments show that the VPS68 deletion neither leads to a class D phenotype, as in ∆vps21, nor to a class E phenotype, as in ∆snf7. The Ste6-GFP distribution in the ∆vps68 mutant rather resembles wildtype with more pronounced accumulation of endosomal dots. The data taken together suggest that Vps68 acts after the formation of the ESCRT-III complex and is required for cargo delivery from the late endosome to the vacuolar lumen.Der für den endosomalen Protein-Transport erforderliche ESCRT (endosomal sorting complex required for transport)-III Komplex ist ein Teil der heteromeren Komplexmaschinerie, die aus ESCRT-0, -I, -II und -III besteht und die Sortierung von endozytischem und biosynthetischem Cargo in intraluminäre Vesikel (ILVs) bewerkstelligt. Der ESCRT-III Komplex besteht aus acht Mitgliedern, von denen Vps20, Snf7, Vps2 und Vps24 als essentielle Untereinheiten des ESCRT-III-Komplexes angesehen werden, während Chm7, Did2, Ist1 und Mos10/Vps60 gemeinhin als komplexassoziierte Proteine bezeichnet werden. Das korrekte Zusammenspiel der Proteine gewährleistet die Sortierung des Cargos in den MVB (multivesicular body)-Weg und den Transport aus dem späten Endosom in das vakuoläre Lumen zur Degradation. Neben der ursprünglichen Funktion der vakuolären Proteinsortierung (vps) ist der Komplex an einer Vielzahl von zellulären Prozessen wie Zellteilung, Virusknospung, Autophagozytose und Aufrechterhaltung der Kernhüllenintegrität beteiligt.
Der schrittweise Aufbau des ESCRT-III-Komplexes erfolgt kaskadenartig beginnend mit ESCRT-0- bis zu ESCRT-II an der Knospungsstelle der Membran und sammelt das Cargo-Protein für die Einschleusung in das endosomale Lumen. Das ESCRT-III Protein Vps20 wird durch die ESCRT-II-Untereinheit Vps25 an die Membran rekrutiert, wodurch die Assoziation und Oligomerisierung von Snf7 ausgelöst wird. Weitere ESCRT-III-Mitglieder wie Vps24 und Vps2 sorgen dafür, dass sich die Membran bis zur endgültigen Abtrennung der ILVs vom Zytosol zum Lumen hin verbiegt. Sodann wird der Komplex durch Vps4 wieder aufgelöst. Mos10 wird eine Funktion bei der Auflösung der ESCRT-III Komplexe über den Vps4/Vta1 Komplex zugesprochen, doch ist die Funktion des Proteins nach wie vor unzureichend geklärt.
In dieser Arbeit wurde durch Identifizierung bislang nicht charakterisierter Interaktionspartner versucht, neue Einblicke in die Funktionalität von Mos10 zu gewinnen, um einerseits Verbindungen zu neuen nicht-endosomalen Funktionen herzustellen oder auch, um andererseits seine Rolle im etablierten ESCRT-III Komplex besser zu verstehen. Dazu wurden eine Reihe von Quervernetzungsexperimenten mit markierten Varianten von Mos10 durchgeführt. Die Reinigung erfolgte durch IMAC (Immobilisierte Metallionen-Affinitäts-Chromatographie) nach Hinzufügen einer Poly-his-Sequenz zum Protein und durch Immunpräzipitation von sfGFP-markiertem Mos10. Beide Methoden ergaben eine Vielzahl von möglichen Interaktionspartnern von Mos10 durch MS-Analyse, die durch Anwendung der SILAC-Technik (Stable Isotope Labeling with Amino Acids in Cell Culture) weiter reduziert werden konnte. Nach der Auswahl möglicher Mos10-Interaktionspartner wurden IP- und Co-IP-Experimente an markierten Kandidatenvarianten durchgeführt, um eine Interaktion zwischen den beiden Proteinen zu identifizieren. Eine Interaktion zwischen Mos10-6His und Vps68-13myc konnte neben nativem Mos10 und Vps68-fGFP durch Aufreinigung von Vps68 und Ko-Präzipitation von Mos10 nachgewiesen werden.
Der Einfluss von Vps68 auf den Aufbau und die Zusammensetzung des ESCRT-III Komplexes wurde untersucht. Es zeigte sich, dass in der VPS68 Deletionsmutante die Core-Untereinheiten Snf7, Vps2 und Vps24 im Komplex angereichert waren, während die ESCRT-III assoziierten Protein Did2, Ist1 und Mos10 abgereichert waren. Das deutet darauf hin, dass die Auflösung des ESCRT-III Komplexes in der ∆vps68-Mutante blockiert ist. Der Einfluss der VPS68-Deletion auf die intrazelluläre Lokalisierung der ESCRT-III-Proteine wurde durch Fluoreszenzmikroskopie mit sfGFP-markierten Varianten untersucht. Während die Lokalisation der meisten ESCRT-III-Proteine nicht signifikant verändert war, wurde für Mos10 eine deutliche Relokalisation beobachtet. Im Wildtyp war Mos10-sfGFP an der Vakuolenmembran lokalisiert, während es in ∆vps68 in vesikulären Strukturen verteilt war, die am Zellkortex angereichert waren.
Außerdem wurde untersucht, wie sich die Deletion von VPS68 auf die Sortierung des endozytischen Cargo-Proteins Ste6 auswirkt. Durch Cycloheximid-Chase-Experimente konnte gezeigt werden, dass Ste6 in einer ∆vps68-Mutante stark stabilisiert ist. Dies deutet darauf hin, dass der Transport des Proteins in die Hefevakuole zum Abbau blockiert ist. Die ∆vps68-Blockade des endozytischen Transports wurde mit anderen Mutanten des vps-Wegs verglichen, deren Wirkort bereits bekannt ist. Diese Experimente zeigen, dass die Deletion von VPS68 weder zu einem Klasse-D-Phänotyp, wie bei ∆vps21, noch zu einem Klasse-E-Phänotyp, wie bei ∆snf7, führt. Die Ste6-GFP-Verteilung in der ∆vps68-Mutante ähnelt eher dem Wildtyp mit einer ausgeprägteren Akkumulation von endosomalen Punkten. Die Daten deuten darauf hin, dass Vps68 nach der Bildung des ESCRT-III-Komplexes wirkt und dass es für den Transport von Cargo-Proteinen aus dem späten Endosom in das Vakuolen-Lumen benötigt wird
The impact of multilingual product information on consumer evaluations : an assessment of basic effects, boundary conditions, and drivers
Get PDF1 Introduction
2 State-of-the-art picture of foreign language research in international marketing: An overview identifying future research in the area of foreign language cues
3 First study: Effects of multilingual product packaging on product attitude, perceived quality, and taste perceptions
4 Second study: Multilingual product information: What consumers infer from additional information in a foreign language and how it affects consumer evaluations
5 Third study: Adding value to local brands through foreign language cues
6 Discussion and conclusion
7 Full list of references1 Einleitung
2 State-of-the-art picture of foreign language research in international marketing: An overview identifying future research in the area of foreign language cues
3 Erste Studie: Effects of multilingual product packaging on product attitude, perceived quality, and taste perceptions
4 Zweite Studie: Multilingual product information: What consumers infer from additional information in a foreign language and how it affects consumer evaluations
5 Dritte Studie: Adding value to local brands through foreign language cues
6 Diskussion and Fazit
7 Vollständige Referenzlist
Faith Online - Effects of Religious Online Services on the Well-Being of Church Members
No full textDurch die Maßnahmen gegen die Ausbreitung des Coronavirus Anfang 2020 mussten auch die Kirchen in Deutschland neue Wege finden, ihre Angebote umzusetzen. Viele christliche Kirchengemeinden haben religiöse Online-Formate angeboten. Studien haben bereits gezeigt, dass religiöse Menschen ein besseres Wohlbefinden als nicht-religiöse Menschen haben. Diese Studie beschäftigt sich nun mit der Frage, wie sich die Nutzung von religiösen Online-Angeboten auf das Wohlbefinden der Kirchengemeindemitglieder auswirkt.
Zur Untersuchung des Forschungsinteresses wurde eine Online-Befragung im Querschnittsdesign durchgeführt. Dabei enthält die Stichprobe 169 Kirchengemeindemitglieder im Alter von 15 bis 83 Jahren. 103 der Befragten haben religiöse Online-Angebote genutzt, im Durchschnitt wurden die Angebote manchmal genutzt. 66 der Befragten nahmen nicht an den religiösen Online-Angeboten teil.
Die Befragung ergab, dass Kirchengemeindemitglieder, die religiöse Online-Angebote genutzt haben, sowohl ein besseres subjektives als auch ein besseres religiöses Wohlbefinden während der Coronapandemie hatten. Einen Unterschied zwischen interaktiven und nicht-interaktiven religiösen Online-Angeboten in Bezug auf das subjektive Wohlbefinden konnte nicht festgestellt werden. Es zeigte sich, dass ein besseres religiöses Wohlbefinden positiv mit der Affektbalance in Zusammenhang steht. Ein Zusammenhang zwischen dem religiösen Wohlbefinden und der Lebenszufriedenheit der Kirchengemeindemitglieder konnte jedoch nicht festgestellt werden. Insgesamt kann festgehalten werden, dass das Wohlbefinden der Kirchengemeindemitglieder ebenfalls von weiteren in dieser Studie nicht erforschten Faktoren beeinflusst werden könnte, diese gilt es in zukünftiger Forschung zu untersuchen und zu identifizieren.Through the measures taken against the spread of the Corona Virus in early 2020, the churches in Germany also had to find new ways to implement their offerings. Many Christian churches have offered religious online formats. Studies have already shown that religious people have a better well-being than non-religious people. This study examines now, how the use of religious online offers affects the well-being of church members.
To investigate the research interest, an online survey was conducted in cross-sectional design. The sample includes 169 parishioners aged between 15 and 83. 103 of the respondents used religious online services, on average they used them sometimes. 66 of the respondents did not participate in the religious online offerings.
The survey found that parishioners who used religious online offerings had both better subjective and better religious well-being during the pandemic. There was no difference between interactive and non-interactive religious online offerings in terms of subjective well-being. It turned out that improved religious well-being is positively related to the balance of affection. However, there was no significant connection between the religious well-being and the life satisfaction of the parishioners. Overall, it can be stated that the well-being of church members could also be influenced by other factors not researched in this study, which will need to be investigated and identified in future research
The insertion of the minor coat protein G3P of the bacteriophage M13 into the inner E. coli membrane is dependent on the insertase YidC and the translocase SecYEG.
No full textDie Membran einer jeden Zelle bildet eine Begrenzung für diese kleinste Einheit einer Lebensform. Eine solche sehr einfache einzellige Lebensform stellt dabei auch ein gramnegatives Bakterium dar und deswegen ist auch Escherichia coli (E. coli) ein Modellorganismus für eine lebende Zelle. Durch deren innere Membran, werden dessen Zellbestandteile in unmittelbarer Nähe zusammengehalten und vom extrazellulären Milieu abgegrenzt. Die meisten Stoffe können diesen Lipidbilayer, der die Membran bildet, nicht einfach passieren, weshalb ein Import- und Exportsystem geschaffen werden musste, das dieses bewerkstelligt. Für dieses Import- und Exportsystem werden sehr komplexe teilweise mehrspännige Transmembranproteine benötigt. Beispiele dafür sind Ionenkanäle und Ionenpumpen, oder große Kanalkomplexe, über die die Energiegewinnung, die Sekretion von Toxinen und Botenstoffe stattfindet. Aber auch Proteine mit Funktionen im Periplasma oder der äußeren Membran müssen von ihrem Syntheseort Zytoplasma an ihren Zielort gelangen. Für diese vielseitigen Prozesse müssen Proteine in die innere Membran inseriert oder über diese transloziert werden. Vom Gesamtproteom in Prokaryoten werden etwa 25 bis 30 % entweder in die innere Membran inseriert oder sekretiert. In dieser Arbeit konnten einige Komponenten identifiziert werden, die für die Insertion des minor coat Proteins G3P des M13 Bakteriophagen notwendig sind. Dieses Protein liegt für die Assemblierung des Phagenpartikels mit dem äußersten C-Terminus über ein einzelnes Transmembransegment in der inneren Membran verankert vor, während der Hauptteil des etwa 42 kDa großen Proteins im Periplasma ist. Mit Hilfe eines N-terminalen abspaltbaren Signalpeptids wird der Hauptanteil von G3P mit Hilfe von SecA und dem Membranpotential über SecYEG in das Periplasma transloziert. Das Targeting hingegen konnte nicht eindeutig einem der bekannten post- oder kotranslationalen Signalwegen zugeordnet werden. Zwar konnte in vivo über arretierte RNCs ein Kontakt mittels Disulfid Crosslinkstudien zu Ffh, der Proteinkomponente des Ribonukleoproteins SRP gezeigt werden, allerdings war die Insertion in die Membran in vivo unabhängig von Ffh und auch bei gestörter Interaktion zwischen SecY und FtsY, dem Rezeptor für SRP an der Membran, konnte G3P mittels SecYEG inseriert werden. Das Chaperon SecB konnte zwar in vitro an G3P binden, in vivo inserierte G3P ebenfalls SecB unabhängig. Möglich wäre für G3P auch ein SecA abhängiges Targeting. Für den Membraneinbau von G3P konnte gezeigt werden, dass in vivo neben SecYEG auch YidC benötigt wird. Mit Hilfe von Disulfid Crosslinkstudien konnte gezeigt werden, dass G3P zunächst über das Signalpeptid von G3P mit der Plug-Domäne TM2b und dem lateralen Tor (TM2a und TM7) in Kontakt tritt und schließlich das C-terminale Transmembransegment von G3P mit YidC über die TM3 und TM5 der hydrophilen Rutsche in die Membran gelangt. Anhand dieser Kontaktpunkte wurde ein mögliches Insertionsmodel bestätigt, wobei SecY und YidC definierte Schritte im Insertionsprozess vermitteln und somit neue Einblicke in diesen weitestgehend unbekannten Prozess liefern.The membrane of every cell forms a spacial limitation for this smallest unit of a life form. Such a very simple unicellular life form is also the Gram-negative bacterium Escherichia coli (E. coli) and is therefore a valid model organism for a living cell. Due to the inner membrane the cellular components are held together in close proximity and are separated from the extracellular environment. Most substrates cannot pass the lipid bilayer, which forms the membrane, so an import and export system had to be developed to accomplish this. For these import and export systems, very complex, polytopic transmembrane protein complexes are needed. Examples are ion channels, ion pumps or large complexes through which energy production, secretion of toxins and the transfer of nutrients are catalysed. Moreover, proteins with functions in the periplasm or outer membrane must also travel from their site of synthesis in the cytoplasm to their destination. For these different processes proteins must be inserted into or translocated across the inner membrane. Of the total proteome in prokaryotes approximately 25 to 30% is either inserted into or secreted across the inner membrane. This work identified several components required for the insertion of the "minor coat" protein G3P of M13 bacteriophage. This protein is important for the assembly of the phage particle that occurs in the inner membrane. The outermost C-terminus of G3P is anchored in the inner membrane via a single transmembrane domain, while the bulk of the approximately 42 kDa protein is located in the periplasm. Using an N-terminal cleavable signal peptide, the major portion of G3P is translocated into the periplasm via SecYEG with the help of SecA and the membrane potential. Targeting, on the other hand, could not be clearly assigned to one of the known post- or co-translational pathways. Although contact via disulfide crosslink studies to Ffh, the protein component of the ribonucleoprotein SRP, was observed via stalled ribosome nascent chains (RNCs), insertion into the membrane in vivo was independent of Ffh. Even when the interaction between SecY and FtsY, the receptor for SRP at the membrane, was impaired, G3P was inserted via SecYEG. Although the chaperone SecB was able to bind to G3P in vitro, G3P inserted independently of SecB in vivo. For membrane incorporation of G3P, it was shown that YidC is required in vivo in addition to SecYEG. Disulphide crosslink studies demonstrated that G3P first contacts the plug domain TM2b and lateral gate (TM2a and TM7) via the signal peptide of G3P, and finally the C-terminal transmembrane domain of G3P contacts YidC via TM3 and TM5 of the hydrophilic slide. Based on these contact sites, a possible insertion model was confirmed, with SecY and YidC mediating defined steps in the insertion process, providing new insights into this largely unknown process
Temperature-controlled cell number regulation for bioreactors
No full textDie Produktion biopharmazeutischer Glykoproteine erfolgt häufig durch die Kultivierung gentechnisch veränderter Säugetierzellen. Zu Beginn eines Produktionsprozesses wird eine geringe Menge tiefgefrorener Zellen aus einer Zellbank entnommen und in einer Kaskade aufeinanderfolgender Vermehrungschritte kultiviert (Anzuchtprozess). Zellkulturprozesse sind sehr empfindliche Verfahren, in denen schon geringe Abweichungen in der Prozessführung das Zellwachstum, die Produktqualität und die Produktausbeute beeinflussen.
Unter anderem besitzt die Zellkonzentration einen Einfluss auf die Ausbeute und Qualität des Produktes. Die Qualitätsattribute der hergestellten Proteine werden im Zulassungsverfahren der einzelnen Länder und Gemeinschaften, wie zum Beispiel der Europäischen Union, mit entsprechenden Spezifikationen festgelegt. Da die Produktqualität auch von der initialen Zellkonzentration des Prozesses sowie dem Verlauf der gesamten Vermehrungschritte abhängig ist, wird der Überimpfzeitpunkt innerhalb der Kaskade durch die Zellkonzentration vorgegeben. In der industriellen Praxis kann der optimale Zeitpunkt des Überimpfens, aufgrund der nicht immer genau vorhersagbaren Vermehrungsgeschwindigkeit der Zellen, nachts oder am Wochenende erreicht werden. In Zellkulturbetrieben gibt es häufig keine Nachtschichten, wodurch das Überimpfen ausschließlich tagsüber erfolgen kann. Dies hat zur Folge, dass der nächste Prozessschritt entweder mit einer zu geringen oder zu hohen Zelldichte gestartet werden muss.
Um die zu Teilen schwer zu kontrollierende Vermehrungsgeschwindigkeit und die resultierenden Planungsunsicherheiten im Prozess sowie die Problematik bezüglich der Produktqualität und ausbeute zu lösen, sollte innerhalb dieses Forschungsprojekts ein industrietauglicher und selbstadaptiver Regler entwickelt werden, der es ermöglicht die Zellzahl während des Anzuchtprozesses im Reaktor zeitlich zu steuern.
Bei Verwendung des in dieser Dissertation beschriebenen Zellzahlreglers gibt der Anwender zu Prozessbeginn die zu erreichende Zellkonzentration, sowie den genauen Zeitpunkt des Überimpfens, bestehend aus dem Datum und der Uhrzeit, vor. Im Folgenden regelt der Zellzahlregler die Vermehrungsgeschwindigkeit der Zellen während des Prozesses automatisch so, dass die am Prozessbeginn festgelegten Vorgaben am Prozessende erreicht werden. Die Regelung der Vermehrungsgeschwindigkeit, erfolgt durch Änderung der Temperatur.
Der entwickelte Zellzahlregler basiert auf der Nutzung einer kommerziell erhältlichen und in der Industrie eingesetzten Online-Biomassesonde die eine kontinuierliche Messung der Zellkonzentration im Reaktor ermöglicht. Ausgehend von dem Messwert der Zellzahlsonde berechnet der Regler den prognostizieren zeitlichen Verlauf der Zellkonzentration. Weicht die vorausgesagte Endzellkonzentration zum vorgegebenen Überimpfzeitpunkt von der angestrebten Zellkonzentration ab, passt der Regler die Prozesstemperatur so an, dass die Vorgaben erreicht werden. Der beschriebene Ablauf wird zyklisch über den gesamten Prozesszeitraum wiederholt.
In der Entwicklungsphase des Zellzahlreglers wurde zunächst eine umgebaute Reaktoranlage validiert und die Temperaturabhängigkeit der Biomassesonde untersucht. Im Weiteren wurde die Abhängigkeit der Vermehrungsgeschwindigkeit der Zellen von der Temperatur analysiert, in Form eines mathematischen Models beschrieben und in einen Regelungsalgorithmus implementiert. Die Berechnung der erforderlichen Temperatur erfolgt unter Zuhilfenahme eines nummerischen Optimierungsverfahrens, basierend auf dem zuvor abgeleiteten mathematischen Modell der temperaturabhängigen Vermehrungs-geschwindigkeit, den Online-Messwerten und den Vorgaben des Anwenders.
Um eine größere Flexibilität zu erreichen und auf etwaige Störungen im Prozessablauf regieren zu können, wurde eine Möglichkeit geschaffen, die vom Anwender zu Prozessbeginn festgelegten Zielvorgaben während des laufenden Prozesses zu ändern.
Zur Optimierung des Reglers wurde im Weiteren analysiert, inwiefern eine Adaptierung des Reglers an unterschiedliche Zellklone realisierbar ist, und in welchem Umfang Vorversuche zur Ermittlung der zellspezifischen, temperaturabhängigen Wachstumsgeschwindigkeit notwendig sind. Mit dem Ziel den Regler ohne Vorversuche nutzen zu können und bei möglichen Änderungen des Zellwachstums eines Zellklons eine gleichbleibende Qualität der Regelung zu garantieren, wurde ein selbstlernender Algorithmus implementiert.
Innerhalb der Arbeit konnte experimentell die Funktionalität des Zellzahlreglers und die iterativ-adaptive Optimierung des mathematischen Algorithmus an unterschiedliche Zellklone, bestätigt werden. Alle während der Zellzahlregelung untersuchten biologischen Reaktionen der Zellen, wie die temperaturbedingten Anpassungen des Zellzyklus, der Apoptose und Nekrose, der Glukose- und Glutaminverbrauchsraten, sowie Ammonium- und Laktatbildungsraten, die Zirkularität und Größe der Zellen, zeigten sich als reversible Änderungen, welche sich in nachfolgenden Prozessstufen bei 37°C innerhalb von 2 Tagen normalisierten. Zudem konnte kein negativer Einfluss, der zellzahlgeregelten Vorkultur auf die Produktqualität und -quantität festgestellt werden.Biopharmaceutical cell culture processes are multi-stage processes. Starting with low cell numbers and small culture volumes, the upstream process takes place step by step in a reactor cascade with increasing volume. To achieve constant product quality and high reproducibility, each reactor must be seeded with a defined initial cell concentration and all cultures must show very similar growth rates. However, batch to batch variations of growth rates can occur in biological systems and disrupt the reproducibility of the inoculation with defined cell concentrations.
In order to control the growth rate and thus increase the reproducibility from batch to batch, a self-adapting cell number controller was developed. This controller can be rapidly introduced in a typical industrial (biopharma) environment. At the beginning of the process, the user specifies the desired seed cell concentration and the point in time at which this cell concentration should be reached. In the following, the cell number controller automatically regulates the growth rate of the cells during the process and leads it to the specified process end parameters. The regulation of the cell growth rate is achieved with adjustment of the process temperature.
In the development phase of the cell number controller, a converted reactor system was adjusted and qualified. The temperature dependency of the biomass probe was examined. After that, the dependence of the cell growth rate on the temperature was analysed, described in the form of a mathematical model and implemented in a control algorithm. The required temperature is calculated with the aid of a numerical optimization process, using the previously derived mathematical model of the temperature-dependent growth rate, the online measured values and the specifications of the user.
In order to achieve greater flexibility within the upstream process and to be able to react to disruptions in the process flow, it is also possible to dynamically adjust the target parameter, set by the user at the beginning, during the running process.
To optimize the controller, it was analysed how the mathematical algorithm can be adapted to different cell clones and which tests are absolutely necessary to determine the cell specific, temperature-dependent growth rate. In this context, a self-learning algorithm was implemented so that it is now possible to use the controller without preliminary tests and to ensure constant control quality in the event of possible changes in the cell growth of a cell clone.
During this research project, the functionality of the cell number controller, such as the changes in the process end parameters during the ongoing process and the iterative-adaptive optimization of the mathematical algorithm on different cell clones, could be verified experimentally.
The biological reactions of the cells to the temperature changes within the cell number-controlled precultures and within the subsequent production stage were also analysed. Furthermore, a possible influence on the quantity and quality of the products was examined. All examined biological reactions of the cells during the cell count regulation showed a reversible behaviour, which are normalized in the following process steps at 37 °C within two days. In addition, no negative influence of the cell-number-controlled preculture on product quality and quantity could be determined.
In summary, a functionally adaptable cell number controller was developed and tested with two different CHO cell clones for a possible influence on cell metabolism, apoptosis, product quantity and Quality
Success factors of farm investments : the example of Swiss dairy farms
Get PDFThis scientific analysis aims to identify success factors of farm investments, which are supported by interest free loans. The data basis consists of data from the Farm Accountancy Data Network (FADN) from 2003 through 2014 from Switzerland, which is matched to data from the Meliorations- und Agrarkredit-Projekt-Informations-System (MAPIS), where all supported dairy barn investments in Switzerland are registered. In addition, a Gini coefficient on the level of municipality is added, calculated from agricultural census data (AGIS).
One of the main variables analysed is calculated profit. Another important variable, analysed in this work, is herd size. As a first step, the development of calculated profit and herd size change after investment are analysed by two separate fixed-effects panel regression models. The results show, that calculated profit is significantly and positively influenced by the amount of agricultural land of the farm and significantly reduced for the first three years after investment. From the fourth year onwards, no coefficients are significant anymore, which might either be caused by a divergent development of individual farms or by the diminishing number of observations. Herd size change is positive and significantly influenced by the amount of agricultural land. Also the period of quota phasing out affected herd size change positively. Dairy herds probably grew in the year before investment already and kept growing till five years after investment. Both dependent variables indicate that farms undergo an adjustment phase after investment.
For the analysis of investment probability, the data sample is extended by including observations of all dairy farms and combined dairy/arable crop farms in the valley and hill region. Observations after investment are excluded. A logit regression model of the pooled data reveals that among the financial variables, only equity and farm income have a small positive and significant effect on investment probability. Social characteristics show a larger effect. The investment probability increases with age, farm household size and the presence of a partner.
In order to analyse influencing factors of successful investments, investments that enable the farm to achieve the same or higher calculated profit as before, are considered successful. The year before investment is used as the basis and a Cox Proportional-Hazard-model is used to investigate those influencing factors. The model reveals that for farm having a higher calculated profit before investment, it is more difficult to restore that level after investment. Off-farm income and expenses for purchase of additional animals affect recovery of calculated profit significantly negative. The largest significant negative impact comes with more family labour. The results suggest that family labour which is likely to be freed up by productivity gains, is not reallocated to off-farm income.
Additional indicators for land competition on the level of municipality are used. Agricultural income per family working unit is analysed as financial measure. This is a precursor for calculated profit and reflects financial efficiency of the input of family labor. In addition, growth of the dairy herd is analyzed. A random effects model is used for both variables. For dairy herd growth, utilized agricultural area and milk quota abolishment have a positive effect. More subsidized projects within a municipality and a higher concentration of acreage have a negative effect. For agricultural income per family working unit, utilised agricultural area, number of subsidized projects within a municipality, valley region and equity have a positive effect while milk quota abolishment has a negative effect. Off-farm income, which has been used as off-farm income per full-time working unit, showed no statistically significant effect. Neighboring effects appear to be more important for dairy herd growth than for agricultural income.
Based on the derived definitions, success factors are identified. An adjustment phase is confirmed, while the productivity of family labour seems to be the most important influencing factor for recovering calculated profits of the pre-investment situation. Structural influences seem most important for herd size growth. With regard to the negative effect of off-farm labour, off-farm labour might be seen as enabling farms with off-farm labour to accept a lower level of labour productivity. In general, the social characteristics of farms seem to have a larger impact on dairy farm investments than financial variables. For investment support, the results imply not only to put emphasis on financial characteristics. In addition, the adjustment phase must be considered with investment plans. With such long lasting investments like dairy barns, strategic decisions by the farmer combined with family characteristics might be more important than financial indicators.Diese wissenschaftliche Untersuchung hat zum Ziel die Erfolgsfaktoren von Investitionen landwirtschaftlicher Betriebe zu identifizieren, die mit zinslosen Investitionskrediten unterstützt wurden. Die Datenbasis besteht aus Schweizer Daten des Farm Accountancy Data Network (FADN) von 2003 bis 2014, die mit Daten des Meliorations- und Agrarkredit- Projekt- Informations- System (MAPIS), in dem alle geförderten Milchviehstallinvestitionen der Schweiz verzeichnet sind. Ergänzt werden diese beiden Datensets um einen Gini- Koeffizienten auf Gemeindeebene, der auf Grundlage des Agrarzensus berechnet wird.
Eine der analysierten Hauptvariablen ist der kalkulierte Gewinn. Eine weitere wichtige Variable, die in dieser Arbeit analysiert wurde, ist die Herdengröße. In einem ersten Schritt wurde die Entwicklung von kalkuliertem Gewinn und Herdengröße untersucht mit zwei separaten Fixed-Effects Panel-Regressions-Modellen. Die Resultate zeigen, dass der kalkulierte Gewinn signifikant und positiv vom Umfang der landwirtschaftlichen Nutzfläche beeinflusst wird und signifikant reduziert ist über die ersten drei Jahre nach der Investition. Vom vierten Jahr an sind die Koeffizienten nicht mehr signifikant, was durch eine auseinanderlaufende Entwicklung der Betriebe oder einer abnehmenden Anzahl von Beobachtungen liegen könnte. Die Veränderung der Herdengröße ist signifikant und positiv vom Umfang der landwirtschaftlichen Nutzfläche beeinflusst. Zudem zeigt die Phase des Quotenausstiegs einen signifikant positiven Effekt. Die Milchviehherde ist wahrscheinlich bereits im Jahr vor der Investition gewachsen und wuchs weiter bis fünf Jahre nach der Investition. Beide abhängigen Variablen deuten darauf hin, dass die Betriebe nach der Investition eine Anpassungsphase durchlaufen.
Zur Analyse der Investitionswahrscheinlichkeit wird das Sample erweitert um alle Verkehrsmilchbetriebe und kombinierten Betriebe Verkehrsmilch/Ackerbau in der Tal- und Hügelregion. Beobachtungen nach einer Investition werden ausgeschlossen. Ein Logit-Modell der gepoolten Daten zeigt, dass unter den finanziellen Kennzahlen, nur Eigenkapital und Betriebseinkommen einen kleinen positiven und signifikanten Effekt haben. Soziale Charakteristika zeigen gröβere Effekte. Die Investitionswahrscheinlichkeit steigt mit dem Alter, der Haushaltsgröβe und dem Vorhandensein einer Partnerin oder eines Partners.
Um die Einflussfaktoren erfolgreicher Investitionen zu analysieren, werden die Investitionen als erfolgreich erachtet, die es ermöglichen den kalkulierten Gewinn von vor der Investition mindestens wieder zu erreichen. Ein Cox-Proportional-Hazard-Modell wird genutzt für die Analyse dieser Einflussfaktoren. Das Modell zeigt, dass es ein höherer kalkulierter Gewinn vor der Investition schwieriger macht, diesen danach wieder zu erreichen. Außerlandwirtschaftliches Einkommen und Ausgaben für zusätzliche Tiere beeinflussen das Wiedererreichen signifikant negativ. Den größten signifikant negativen Effekt hat der Einsatz von Familienarbeitskräften. Die Resultate deuten darauf hin, dass Familienarbeit, die wahrscheinlich durch Produktivitätsgewinne freigesetzt wurde, nicht für außerlandwirtschaftliches Einkommen umgewidmet wird.
Es werden zusätzliche Indikatoren für den Wettbewerb um Fläche auf Gemeindeebene genutzt. Als finanzielle Größe wird das landwirtschaftliche Einkommen je Familienarbeitskraft genutzt. Diese Variable ist eine Vorstufe für den kalkulierten Gewinn und spiegelt die finanzielle Effizienz der eingesetzten Familienarbeitskräfte wider. Zusätzlich wird das Wachstum der Milchviehherde analysiert. Für beide abhängige Variablen wird ein Random Effects Modell genutzt. Auf das Herdenwachstum wirken die bewirtschaftete landwirtschaftliche Nutzfläche und der Milchquotenausstieg positiv. Mehr subventionierte Milchviehställe und eine höhere Konzentration der Fläche auf weniger Betriebe auf Gemeindeebene wirken negativ. Auf das Arbeitseinkommen je Familienarbeitskraft wirken die landwirtschaftliche Nutzfläche, Anzahl subventionierter Milchviehställe in der Gemeinde, Talregion und Eigenkapital positiv, während der Ausstieg aus der Milchquote negativ wirkt. Nebeneinkommen, das als Nebeneinkommen je voller Arbeitskraft einbezogen wurde, zeigte keinen statistisch signifikanten Effekt. Nachbarschaftseffekte scheinen bedeutender zu sein für das Wachstum der Milchviehherde als für das landwirtschaftliche Einkommen.
Basierend auf den abgeleiteten Definitionen einer erfolgreichen Investition, sind Erfolgsfaktoren identifiziert. Es zeigt sich eine Anpassungsphase, während die Produktivität der Familienarbeit der bedeutendste Einflussfaktor zu sein scheint, um den kalkulierten Gewinn vor der Investition wieder zu erreichen. Strukturelle Einflüsse scheinen bedeutender zu sein für das Herdenwachstum. Hinsichtlich des negativen Effekts der außerlandwirtschaftlichen Arbeit, könnte diese gesehen werden als Befähigung der Betriebe mit außerlandwirtschaftlichem Einkommen eine geringere Arbeitsproduktivität in Kauf zu nehmen. Generell scheinen die sozialen Charakteristika eines Betriebs einen deutlicheren Einfluss auf die Investition zu haben als finanzielle Kennzahlen. Zudem, sollte die Anpassungsphase bei Investitionsplänen berücksichtigt werden. Mit so langfristigen Investitionen wie Milchviehställen, sind strategische Entscheidungen des Betriebsleiters zusammen mit den Familiencharakteristika möglicherweise bedeutender als finanzielle Indikatoren
Development of software sensors for on-line monitoring of bakers yeast fermentation process
Get PDFSoftware sensors and bioprocess are well-established research areas which have much to offer each other. Under the perspective of the software sensors area, bioprocess can be considered as a broad application area with a growing number of complex and challenging tasks to be dealt with, whose solutions can contribute to achieving high productivity and high-quality products.
Although throughout the past years in the field of software sensors and bioprocess, progress has been quick and with a high degree of success, there is still a lack of inexpensive and reliable sensors for on-line state and parameter estimation. Therefore, the primary objective of this research was to design an inexpensive measurement system for on-line monitoring of ethanol production during the backers yeast cultivation process. The measurement system is based on commercially available metal oxide semiconductor gas sensors. From the bioreactor headspace, samples are pumped past the gas sensors array for 10 s every five minutes and the voltage changes of the sensors are measured. The signals from the gas sensor array showed a high correlation with ethanol concentration during cultivation process.
In order to predict ethanol concentrations from the data of the gas sensor array, a principal component regression (PCR) model was developed. For the calibration procedure no off-line sampling was used. Instead, a theoretical model of the process is applied to simulate the ethanol production at any given time. The simulated ethanol concentrations were used as reference data for calibrating the response of the gas sensor array. The obtained results indicate that the model-based calibrated gas sensor array is able to predict ethanol concentrations during the cultivation process with a high accuracy (root mean square error of calibration as well as the percentage error for the validation sets were below 0.2 gL-1 and 7 %, respectively). However the predicted values are only available every five minutes. Therefore, the following plan of the research goal was to implement an estimation method for continues prediction of ethanol as well as glucose, biomass and the growth rates. For this reason, two nonlinear extensions of the Kalman filter namely the extended Kalman filter (EKF) and the unscented Kalman filter (UKF) were implemented separately for state and parameter estimation. Both prediction methods were validated on three different cultivation with variability of the substrate concentrations. The obtained results showed that both estimation algorithms show satisfactory results with respect to estimation of concentrations of substrates
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and biomass as well as the growth rate parameters during the cultivation. However, despite the easier implementation producer of the UKF, this method shows more accurate prediction results compared to the EKF prediction method.
Another focus of this study was to design and implement an on-line monitoring and control system for the volume evaluation of dough pieces during the proofing process of bread making. For this reason, a software sensor based on image processing was designed and implemented for measuring the dough volume. The control system consists of a fuzzy logic controller which takes into account the estimated volume. The controller is designed to maintain the volume of the dough pieces similar to the volume expansion of a dough piece in standard conditions during the proofing process by manipulating the temperature of the proofing chamber. Dough pieces with different amounts of backers yeast added in the ingredients and in different temperature starting states were prepared and proofed with the supervision of the software sensor and the fuzzy controller. The controller was evaluated by means of performance criteria and the final volume of the dough samples.
The obtained results indicate that the performance of the system is very satisfactory with respect to volume control and set point deviation of the dough pieces.Softwaresensoren und Bioprozese sind gut etablierte Forschungsgebiete, die sich gegenseitig viel befruchten können. Unter dem Blickwinkel der Softwaresensorik kann der Bioprozess als ein breites Anwendungsgebiet mit einer wachsenden Zahl komplexer und anspruchsvoller Aufgabenstellungen betrachtet werden, deren Lösung zur Erzielung hoher Produktivität und qualitativ hochwertiger Produkte beitragen kann. Obwohl in den letzten Jahren auf dem Gebiet der Softwaresensoren und des Bioprozesses rasch und mit großem Erfolg Untersuchung erzielt wurden, fehlt es immer noch an kostengünstigen und zuverlässigen Sensoren für die Online-Zustands- und Parameterschätzung. Daher war das primäre Ziel dieser Forschung die Entwicklung eines kostengünstigen Messsystems für die Online-Überwachung der Ethanolproduktion während des Kultivierungsprozesses von Backhefe. Das Messsystem basiert auf kommerziell erhältlichen Metalloxid-Halbleiter-Gassensoren. Die Headspace-Proben des Bioreaktors werden alle fünf Minuten für 10 s an der Gassensor-Anordnung vorbeigepumpt und die Spannungsänderungen der Sensoren werden gemessen. Die Signale des Gassensorarrays zeigten eine hohe Korrelation mit der Ethanolkonzentration während des Kultivierungsprozesses.
Um die Ethanolkonzentrationen aus den Daten des Gassensorarrays vorherzusagen, wurde ein Hauptkomponenten-Regressionsmodell (PCR) verwendet. Für das Kalibrierungsverfahren ist keine Offline-Probenahme notwendig. Stattdessen wird ein theoretisches Modell des Prozesses genutzt, um die Ethanolproduktion zu jedem beliebigen Zeitpunkt zu simulieren. Die kinetischen Parameter des Modells werden im Rahmen der Kalibration bestimmt. Die simulierten Ethanolkonzentrationen wurden als Referenzdaten für die Kalibrierung des Ansprechverhaltens des Gassensorarrays verwendet. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass das modellbasierte kalibrierte Gassensorarray in der Lage ist, die Ethanolkonzentrationen während des Kultivierungsprozesses mit hoher Genauigkeit vorherzusagen (der mittlere quadratische Fehler der Kalibrierung sowie der prozentuale Fehler für die Validierungssätze lagen unter 0,2 gL-1 bzw. 7 %). Die vorhergesagten Werte sind jedoch nur alle fünf Minuten verfügbar. Daher war der folgende Plan der Untersuchung die Implementierung einer Schätzmethode zur kontinuierlichen Vorhersage von Ethanol sowie von Glukose, Biomasse und der Wachstumsrate. Aus diesem Grund wurden zwei nichtlineare Erweiterungen des Kalman Filters, nämlich der erweiterte Kalman Filter (EKF) und der unscented Kalman Filter (UKF), getrennt für die Zustands und Parameterschätzung implementiert. Beide
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Vorhersagemethoden wurden an drei verschiedenen Kultivierungen mit Variabilität der Start substratkonzentrationen validiert. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass beide Schätzungsalgorithmen zufriedenstellende Ergebnisse hinsichtlich der Schätzung der Konzentrationen von Substraten und Biomasse sowie der Parameter der Wachstumsrate während der Kultivierung ermitteln. Trotz der einfacheren Implementierung des UKF zeigt diese Methode jedoch genauere Vorhersageergebnisse im Vergleich zur EKF-Vorhersagemethode.
Ein weiterer Schwerpunkt dieser Untersuchung war der Entwurf und die Implementierung eines Online-Überwachungs- und Regelungssystems für die Volumenauswertung von Teigstücken während des Gärprozesses bei der Brotherstellung. Aus diesem Grund wurde ein auf Bildverarbeitung basierendes Überwachungssystem zur Messung der Teigvolumenauswertung entworfen und implementiert. Das Regelsystem besteht aus einem Fuzzy-Logic-Controller, der das gemessene Volumen für die Regelung nutzt. Die Regelung ist so ausgelegt, dass das Volumen der Teiglinge mit Werten des Volumens eines Teiglings unter Standardbedingungen während des Gärprozesses vergleicht und die Temperatur der Gärkammer entsprechend anpasst. Teiglinge mit unterschiedlichen Hefemengen in den Zutaten und verschiedenen Temperaturstartwerten wurden vorbereitet und unter Anwendung des Fuzzy-Reglers gegärt. Der Regler wurde anhand von Leistungskriterien und dem Endvolumen der Teigproben bewertet.
Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die Leistung des Systems in Bezug auf die Volumenregelung und die Sollwertabweichung der Teigstücke sehr zufriedenstellend ist
"Coloring foods" - development of a suitable cultivation and harvesting system for florets of safflower (Carthamus tinctorius L.)
Get PDFNatural colorants usually refer to pigments that are obtained from renewable raw materials such as plants. After the invention of the first synthetic dye in the 19th century, the demand for natural colorants decreased. Studies in recent years, which for example, report on the environmentally harmful and toxic effects of artificial colorants, have led, among other things, to a ban on some synthetic colorants in the EU and to a steady increase in demand for natural colorants again.
Safflower (Carthamus tinctorius L.) is known as a colorant-providing plant because of the red (carthamin) and yellow colorants (carthamidin) contained in the florets. Carthamidin is an interesting colorant for the food industry due to its water-soluble properties. Due to the increasing demand for Coloring Foods, the already existing cultivation area of safflower, which is mainly in Turkey, India or China, will not be sufficient in the future.
There are many open questions regarding the possible cultivation of safflower in Germany or Europe. So far, there are no recommendations for the cultivation and harvesting of safflower to obtain the florets. The manual harvesting practiced in the previous cultivation areas is not an economically viable option in Europe. For the production of safflower florets there are also many uncertainties regarding the potential yield. The given challenges for the cultivation of safflower as a food colorant were dealt with in the present dissertation and resulted in the following objectives:
to examine the effect of different cultivars, row spacing, sowing densities and harvest dates on yield parameters for safflower floret production under European conditions,
to investigate a mechanical harvest with a combine harvester with regard to quality parameters, threshing and carthamidin yield,
to evaluate and modify the DSSAT CROPGRO safflower model to simulate floret yield under European conditions.
For this purpose, field trials were conducted in 2017 and 2018. Based on these experiments, three scientific publications have been produced, which form the main part of this dissertation. Publication I investigated different cultivation parameters, such as two different cultivars, row spacing and sowing densities and their effect on the number of branches, capitula, floret yield, carthamidin content and yield at five different harvest dates. In this respect, it was shown that a lower sowing density of 40 plants m-² produced a higher number of branches, capitula and higher yields of florets and carthamidin. The Chinese cultivar achieved the highest carthamidin yields on the third harvest date in 2018 with 34.14 kg ha^-1. Publication II evaluated the differences of two cultivars, three threshing parameter settings at five harvest dates for their threshing yield, dry matter content, carthamidin content and yield. The highest carthamidin yields (19 kg ha^-1) were achieved on the last two harvest dates with the Chinese cultivar and the threshing parameter setting P3. Publication III focused on the modification of the plant growth model CROPGRO for safflower to simulate seed yield and the integration of a new subroutine to simulate the floret yield of two safflower cultivars in two years. It was shown that key variables, such as specific leaf area simulation, could be improved by modifying the model (RMSE: 0.8224.14 cm^-2 g^-1 and d-index: 0.730.78). By analogy with a variable already integrated into the model (pod harvest index) and the introduction of new variables (PETALX, HIPIN, HIPMX), the floret yield could be simulated for the first time (RMSE: 97.24 kg ha^-1 and d-index: 0.79). Both the modification and the new approach have improved the simulation of growth as well as seed and floret yield.
The cultivation of Coloring Foods could bring benefits to farmers. In addition to the expansion of crop rotation, the biodiversity and the currently much discussed image of agriculture could be improved. On the one hand, the present dissertation could show that the cultivation of safflower is possible in Germany or Europe. Furthermore, a suitable cultivation and harvesting system could be determined. This could help to reduce the current limitations for the production of florets in Germany and Europe, not only for safflower but also for other Coloring Foods. As a result, cultivation could be made more attractive and more economical in order to be able to meet the increasing demand in the future on a regional basis.Unter natürlichen Farbstoffen werden meist Pigmente verstanden, welche z.B. aus Pflanzen gewonnen werden. Nach der Erfindung des ersten synthetischen Farbstoffes im 19. Jahrhundert sank die Nachfrage nach natürlichen Farbstoffen. Studien der letzten Jahre, welche beispielsweise über die umweltschädlichen und toxischen Wirkungen künstlicher Farbstoffe berichten, führten unter anderem dazu, dass in der EU einige synthetische Farbstoffe verboten wurden und die Nachfrage nach natürlichen Farbstoffen wieder stetig zunimmt.
Die Pflanze Saflor (Carthamus tinctorius L.) ist aufgrund der in den Blütenfäden enthaltenen roten (Carthamin) und gelben Farbstoffe (Carthamidin) als farbstoffliefernde Pflanze bekannt. Durch die steigende Nachfrage nach Lebensmitteln mit färbenden Eigenschaften wird die bereits existierende Anbaufläche von Saflor, welche hauptsächlich in der Türkei, Indien oder China ist, in Zukunft nicht ausreichen.
Für den möglichen Anbau von Saflor in Deutschland bzw. Europa ergeben sich viele offene Fragen. Bisher fehlen Empfehlungen für den Anbau und die Ernte von Saflor zur Gewinnung der Blütenfäden. Die in den bisherigen Anbaugebieten praktizierte manuelle Ernte stellt in Europa keine wirtschaftlich rentable Option dar. Für die Produktion von Saflor-Blütenfäden gibt es auch viele Unsicherheiten hinsichtlich des potenziellen Ertrages. Die gegebenen Herausforderungen für den Anbau von Saflor als Lebensmittelfarbstoff wurden in der vorliegenden Dissertation bearbeitet und ergaben folgende Zielsetzungen:
Untersuchung des Einflusses verschiedener Sorten, Reihenabstände, Bestandesdichten und Erntetermine auf die Ertragsparameter für die Produktion von Saflorblütenfäden unter europäischen Bedingungen,
Untersuchung der mechanischen Ernte mithilfe eines Mähdreschers hinsichtlich Qualitätsparametern, Drusch- und Carthamidin-Ertrages,
Evaluierung und Modifizierung des DSSAT CROPGRO Saflormodells, um den Blütenertrag unter europäischen Bedingungen zu simulieren.
Dafür wurden in den Jahren 2017 und 2018 Feldversuche durchgeführt. Basierend darauf sind drei wissenschaftliche Publikationen entstanden, die den Hauptteil dieser Dissertation bilden. Publikation I untersuchte verschiedene Anbauparameter, wie zwei verschiedene Sorten, Reihenweiten und Bestandesdichten und deren Auswirkung auf die Anzahl der Verzweigungen, Blütenköpfchen, Blütenfädenertrag, Carthamidingehalt und -ertrag bei fünf verschiedenen Ernteterminen. Diesbezüglich zeigte sich, dass eine geringere Bestandesdichte von 40 Pflanzen m-² eine höhere Anzahl an Verzweigungen, Blütenköpfchen und höhere Erträge von Blütenfäden und Carthamidin erzielte. Die chinesische Sorte erreichte die höchsten Carthamidinerträge am dritten Erntetermin im Jahr 2018 mit 34.14 kg ha^-1. Publikation II evaluierte die Unterschiede von zwei Sorten, drei Druscheinstellungen an fünf Ernteterminen auf deren Druschertrag, Trockensubstanzgehalt und deren Gehalt sowie Ertrag an Carthamidin. Mit der Druscheinstellung P3 wurden an den letzten beiden Ernteterminen mit der chinesischen Sorte die höchsten Carthamidinerträge erzielt (19 kg ha^-1). Publikation III befasste sich mit der Modifikation des Pflanzenwachstumsmodells CROPGRO für Saflor zur Simulation des Samenertrages und der Integration eines neuen Algorithmus zur Simulation des Blütenfädenertrags von zwei Saflorsorten in zwei Jahren. Es zeigte sich, dass entscheidende Variablen, wie z.B. die Simulation der spezifischen Blattfläche, durch die Modifikation des Modells verbessert werden konnten (RMSE: 0,8224,14 cm^-2 g^-1 and d-index: 0.730,78). Durch die Analogie zu einer bereits in das Modell integrierten Variable (pod harvest index) und der Einführung neuer Variablen (PETALX, HIPIN, HIPMX), konnte der Blütenfädenertrag erstmals simuliert werden (RMSE: 97,24 kg ha^-1 and d-index: 0,79). Sowohl durch die Modifikation als auch durch den neuen Ansatz, konnte die Simulation des Wachstums sowie des Samen- und Blütenfädenertrags verbessert werden.
Der Anbau von "Lebensmitteln mit färbenden Eigenschaften" könnte für Landwirte Vorteile bringen. Neben der Erweiterung der Fruchtfolge können die Biodiversität und das derzeit stark diskutierte Image der Landwirtschaft verbessert werden. Die vorliegende Dissertation konnte einerseits zeigen, dass der Anbau von Saflor in Deutschland bzw. Europa möglich ist. Darüber hinaus konnte ein geeignetes Anbau- als auch Erntesystem ermittelt werden. Dies könnte dazu beitragen, dass die bisherigen Limitierungen, welche für die Gewinnung von Blütenfäden in Deutschland bzw. Europa herrschen, nicht nur für Saflor sondern auch für andere Lebensmittel mit färbenden Eigenschaften reduziert werden. Infolgedessen könnte der Anbau attraktiver und wirtschaftlicher gestaltet werden, um die steigende Nachfrage in Zukunft regional decken zu können
When entrepreneurship becomes a matter of perspective Four studies exploring the perception of entrepreneurship and entrepreneurs
Get PDFDie Überzeugung, dass Unternehmertum entscheidend ist, um verschiedene wirtschaftliche und soziale Probleme wie Arbeitslosigkeit anzugehen, hat Unternehmertum weltweit in einen meist politischen Diskurs eingebettet. Was dabei jedoch oft unberücksichtigt bleibt, ist die Tatsache, dass Unternehmertum Unternehmer verlangt. Trotz des (wirtschaftlichen und sozialen) Beitrags von Unternehmertum ist zum Beispiel nur sehr wenig darüber bekannt, wie attraktiv Unternehmertum für Individuen ist, was jedoch von hoher Relevanz ist, da die Attraktivität von Unternehmertum bestimmt, wer sich dafür entscheidet, Unternehmer zu werden. In diesem Zusammenhang stellt sich auch die Frage, wie Unternehmertum und Unternehmer allgemein wahrgenommen und verstanden werden. Was unternehmerisch ist, scheint für viele schwer definierbar, da verschiedene gesellschaftliche Akteure (z.B. Politiker, Kapitalgeber, Unternehmer oder die Gesellschaft als Ganzes) Dinge unterschiedlich sehen und wahrnehmen. Forschungsergebnisse zeigen, dass die bloße Existenz von Ressourcen nicht zum Wachstum des Unternehmertums in einer Wirtschaft an sich führt, da dies nicht bedeutet, dass Unternehmertum und Unternehmer auch von der Gesellschaft oder gesellschaftlichen Akteuren geschätzt und gefördert werden. Vor diesem Hintergrund befasst sich die vorliegende Dissertation mit der übergeordneten Forschungsfrage: Wie werden Unternehmer und Unternehmertum von verschiedenen Interessengruppen (und Unternehmern selbst) wahrgenommen?The belief that entrepreneurship is crucial to address various economic and social problems, like unemployment, has embedded entrepreneurship into mostly political discourses around the world. However, what has often been ignored is the fact that entrepreneurship requires entrepreneurs. Despite its (economic and social) contributions, for instance, very little is known about how appealing entrepreneurship is for individuals, which might be crucial as the attractiveness of entrepreneurship is related to how many individuals choose to become entrepreneurs. In this context, the question also arises of how entrepreneurship and entrepreneurs are generally perceived and understood. What is entrepreneurial seems difficult for many to define as different players in society (e.g., policymakers, financers, entrepreneurs, or society as a whole) perceive things differently. Previous research findings show that the mere existence of resources will not translate into the thriving of entrepreneurship in an economy per se as this does not implicate that entrepreneurship and entrepreneurs are favored and encouraged by society or societal actors. Against this background, the present dissertation is guided by the overall research question: What are the perceptions held about entrepreneurs and entrepreneurship by different stakeholders (and entrepreneurs themselves)
Challenges of sustainable wastewater management in Pakistan : a case study of Faisalabad
Get PDFFor several decades, achieving global development goals that reflect community needs has been the focus of development and conservation approaches; currently, special attention has been paid to water- and sanitation-related goals. Sustainable wastewater management, a target under the Sustainable Development Goals (SDG 6, 6.3) has fostered a debate on its complex role in sustainable development. Exploring the gaps between the real situation and the proposed one regarding sustainable wastewater management (zero pollution) would guide the developing world towards the right steps for improvements in the water and sanitation sector. Gaps exist in the literature about sustainable wastewater management, particularly with reference to developing countries.
Against this background, the aim of this study was to investigate the challenges in sustainable wastewater management in Pakistan, more specifically in Faisalabad. These challenges, which require the attention of policymakers in Pakistan, include the following: untreated dumping of wastewater (domestic or industrial); overexploitation of groundwater; lacking clean drinking water and sanitation facilities; a weak legal framework to prosecute polluters; governance challenges in administrative agencies; and public health concerns. The study was conducted in urban and peri-urban areas of Faisalabad, Pakistan. Faisalabad is located in a semiarid region and is facing water scarcity issues. Industrial development, particularly in the textile sector, and rapid urbanization within this region, are posing threats to groundwater sources (due to intensive pumping), surface water sources (due to untreated dumping of wastewater), human health, and the environment (due to untreated reuse of wastewater). While these problems are widely recognized, there are major knowledge gaps on how to address them so as to ensure a sustainable wastewater management.
The case study examines four main aspects of wastewater management: the interaction of wastewater with human health and the environment, existing formal rules for wastewater management, the institutional framework that governs wastewater management, and future development schemes and policies for better management. The first objective of the study was to evaluate the influence of poor wastewater management on the community and natural resources (at the micro-level). For this purpose, wastewater-irrigated areas were selected. The second goal was to evaluate gaps in the legal framework of wastewater management in Faisalabad. Identifying the challenges in urban wastewater management in Faisalabad was the third objective. The last objective was to review the current and potential future policy interventions within the context of the study area.
Applying a case study design, this in-depth study explored the role of all stakeholders (administrative departments, individuals, industrialist, wastewater irrigators, etc.) linked with wastewater management. A multiphase data collection approach using mixed methods was used for the in-depth investigation. A framework was developed, which enabled the researcher to evaluate the current state of wastewater management and to identify the gaps to achieve sustainable wastewater management. The first phase of data collection comprised a household survey and a chemical analysis of soil, irrigation water and groundwater across three categories of different sources of irrigation water: industrial wastewater, domestic wastewater, and canal water. Data was collected in the peri-urban areas of Faisalabad. The household survey data were analyzed using descriptive analysis, statistical comparative analysis, and econometric analysis techniques. For the review of the current legal framework, desk research was carried out with the aim to critically analyze regulations, based on secondary sources. The second phase of data collection incorporated qualitative data collection tools, specifically in-depth interviews, focus group discussions, and a participatory mapping tool called net-mapping. These data collected from diverse stakeholders were evaluated using a content analysis approach to explore and identify the challenges in wastewater management. The institutional analysis was based on a conceptual framework, which was derived from the Institutional Analysis and Development (IAD) Framework. In addition to institutional analysis, historical developments of institutions (historical institutionalism approach) and their governance failures (discourse analysis of newspaper articles) were also analyzed. Finally, on this basis, possible policies to improve the current situation of wastewater management in Faisalabad were derived.
The review of secondary data of wastewater management in Faisalabad showed that only 20 percent of the wastewater generated in Faisalabad was treated. A single treatment plant treated only domestic wastewater. The study showed that mostfarmers preferred to apply untreated domestic wastewater because the treated wastewater was more saline and had less organic content as compared to untreated domestic wastewater. During the last decade, without any drastic change in demographics and industries in Faisalabad, the volume of generated wastewater doubled. Most industry plants dilute their effluents by adding saline groundwater to their effluents before dumping it to drains. Evidence showed that wastewater reuse and dumping of untreated wastewater in Faisalabad increased. The evidence indicates that, despite all efforts to resolve the problem, wastewater management (generation, collection, treatment, and reuse) in Faisalabad has deteriorated in recent years.
The results from the household survey across three categories of water (industrial wastewater, domestic wastewater, and canal water) in Faisalabad confirmed the problematic use of untreated wastewater for irrigation and its impact on human health and the environment. Irrigation with domestic wastewater was associated with a higher income and therefore contributed to food security, which underlines the farmers preference for this type of water. On the contrary, industrial wastewater negatively affected farm households. Thus, the results showed that there is a demand to reuse wastewater in agriculture, which needs proper management to reduce the risks involved. It was concluded that policies required for each site will be different depending on the quality of the wastewater and local conditions of the sites. No single model is fit for all conditions.
The review of the current legislation led to the identification of several gaps, which favored violators or rules and polluters. Although sustainable wastewater management had been addressed through scattered clauses in various pieces of formal legislation, rules were not comprehensively legislated or enforced. The study showed that the difficulty in timely testing disposed wastewater and the lengthy legal process made proper law enforcement practically impossible. Therefore, violators used these implementation gaps to avoid fines and punishments. Local awareness and presence of a local pressure groups at the time of legislation could have reduced gaps in legislation and in law enforcement.
Using governance and evaluative criteria (derived from the IAD framework), social and governance challenges regarding wastewater management in Faisalabad were comprehensively assessed. Furthermore, the historical institutionalism approach helped to identify the in-built challenges of administrative institutions. The most important challenge identified in the study was the low capacity of implementing agencies due to human, technical, and financial limitations. Moreover, the urban planning of Faisalabad completely failed during the previous decades, which resulted in scattered industrial clusters throughout the residential areas. Such poor planning restricted proper management, treatment, and reuse of effluents. In addition, the institutional analysis showed that the public organizations and agencies had weak administrative linkages among each other. The study also indicated that a problematic institutional environment, including nepotism and interference in office affairs, influenced how the public organizations operated.
It was concluded that a comprehensive strategy is needed for improved wastewater management, which needs to address simultaneously issues of institutional and technical feasibility, economics, social acceptability and environmental sustainability. Future studies could further explore such comprehensive strategies within the context of developing countries.Seit mehreren Jahrzehnten steht die Erreichung globaler Entwicklungsziele, die den Bedürfnissen der Gemeinschaft entsprechen, im Mittelpunkt der Entwicklungs- und Erhaltungsansätze; derzeit wird den wasser- und sanitärbezogenen Zielen besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Die nachhaltige Abwasserentsorgung, ein Ziel im Rahmen der Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDG 6, 6.3), hat eine Debatte über ihre komplexe Rolle bei der nachhaltigen Entwicklung angeregt. Die Untersuchung der Lücken zwischen der tatsächlichen und der vorgeschlagenen Situation in Bezug auf eine nachhaltige Abwasserentsorgung (Null-Verschmutzung) würde die Entwicklungsländer zu den richtigen Schritten zur Verbesserung des Wasser- und Abwassersektors führen. In der Literatur gibt es Lücken in der nachhaltigen Abwasserentsorgung, insbesondere in Bezug auf Entwicklungsländer.
Vor diesem Hintergrund war es das Ziel dieser Studie, die Herausforderungen einer nachhaltigen Abwasserentsorgung in Pakistan, insbesondere in Faisalabad, zu untersuchen. Zu diesen Herausforderungen, die die Aufmerksamkeit der politischen Entscheidungsträger in Pakistan erfordern, gehören unter anderem: unbehandelte Einleitung von Abwasser (ob in Haushalten oder in der Industrie); Übernutzung des Grundwassers; Mangel an sauberem Trinkwasser und sanitären Einrichtungen; ein schwacher Rechtsrahmen für die Verfolgung von Verursachern; Herausforderungen für die Verwaltung von Verwaltungsbehörden und Belange der öffentlichen Gesundheit. Die Studie wurde in städtischen und peripheren Gebieten von Faisalabad, Pakistan, durchgeführt. Faisalabad liegt in einer semiariden Region und ist mit Wasserknappheit konfrontiert. Die industrielle Entwicklung, insbesondere im Textilsektor, und die rasante Urbanisierung in dieser Region stellen eine Bedrohung für die Grundwasserquellen (durch intensives Pumpen), die Oberflächenwasserquellen (durch unbehandeltes Einleiten von Abwasser), die menschliche Gesundheit und die Umwelt (durch unbehandelte Wiederverwendung von Abwasser) dar. Obwohl diese Probleme allgemein anerkannt sind, gibt es große Wissenslücken, wie man sie angehen kann, um eine nachhaltige Abwasserbewirtschaftung zu gewährleisten.
Die Fallstudie untersucht vier Hauptaspekte der Abwasserentsorgung: die Wechselwirkung von Abwasser mit der menschlichen Gesundheit und der Umwelt, bestehende formelle Regeln für die Abwasserentsorgung, den institutionellen Rahmen, der die Abwasserentsorgung regelt, sowie künftige Entwicklungsprogramme und -strategien für eine bessere Bewirtschaftung. Das erste Ziel der Studie war es, den Einfluss einer schlechten Abwasserentsorgung auf die Gemeinschaft und die natürlichen Ressourcen (auf der Mikroebene) zu bewerten. Zu diesem Zweck wurden abwasserbewässerte Bereiche ausgewählt. Das zweite Ziel war die Bewertung von Lücken im rechtlichen Rahmen der Abwasserwirtschaft in Faisalabad. Die Identifizierung der Herausforderungen in der städtischen Abwasserentsorgung in Faisalabad war das dritte Ziel. Das letzte Ziel war es, die aktuellen und potenziellen zukünftigen politischen Interventionen im Rahmen des Untersuchungsgebietes zu überprüfen.
Anhand eines Fallstudienentwurfs untersuchte diese eingehende Studie die Rolle aller Beteiligten (Verwaltungsabteilungen, Einzelpersonen, Industrielle, Abwasserbewässerer usw.) im Zusammenhang mit der Abwasserwirtschaft. Für die eingehende Untersuchung wurde ein mehrstufiger Datenerfassungsansatz mit gemischten Methoden verwendet. Es wurde ein Rahmen entwickelt, der es dem Forscher ermöglicht, den aktuellen Stand der Abwasserbewirtschaftung zu bewerten und die Lücken für eine nachhaltige Abwasserbewirtschaftung zu identifizieren. Die erste Phase der Datenerhebung umfasste eine Haushaltserhebung und eine chemische Analyse von Boden, Bewässerungswasser und Grundwasser über drei Kategorien von verschiedenen Quellen von Bewässerungswasser: Industrieabwasser, Haushaltsabwasser und Kanalwasser. Die Daten wurden in den Randgebieten von Faisalabad erhoben. Die Daten der Haushaltsumfrage wurden mit Hilfe von deskriptiver Analyse, statistisch vergleichender Analyse und ökonometrischer Analysetechnik analysiert. Für die Überprüfung des aktuellen Rechtsrahmens wurde Desk Research mit dem Ziel durchgeführt, Vorschriften auf der Grundlage von Sekundärquellen kritisch zu analysieren. Die zweite Phase der Datenerhebung beinhaltete qualitative Datenerfassungsinstrumente, insbesondere Tiefeninterviews, Fokusgruppen-Diskussionen und ein partizipatives Mapping-Tool namens Net-Mapping. Diese Daten, die von verschiedenen Interessengruppen gesammelt wurden, wurden mit Hilfe eines Inhaltsanalyseansatzes ausgewertet, um die Herausforderungen in der Abwasserwirtschaft zu erforschen und zu identifizieren. Die institutionelle Analyse basierte auf einem konzeptionellen Rahmen, der aus dem Institutional Analysis and Development (IAD) Framework abgeleitet wurde. Neben der institutionellen Analyse wurden auch historische Entwicklungen von Institutionen (historischer Institutionalismusansatz) und deren Governance-Fehler (Diskursanalyse von Zeitungsartikeln) analysiert. Schließlich wurden auf dieser Grundlage mögliche Maßnahmen zur Verbesserung der aktuellen Situation der Abwasserwirtschaft in Faisalabad abgeleitet.
Die Überprüfung der Sekundärdaten der Abwasserwirtschaft in Faisalabad ergab, dass nur 20 Prozent des in Faisalabad anfallenden Abwassers behandelt wurden. Eine einzige Kläranlage behandelte nur häusliches Abwasser. Die Studie zeigte, dass die meisten Landwirte es vorzogen, unbehandeltes häusliches Abwasser einzusetzen, da das behandelte Abwasser salzhaltiger und organischer als unbehandeltes häusliches Abwasser war. In den letzten zehn Jahren hat sich die Menge des anfallenden Abwassers ohne drastischen demographischen und industriellen Wandel in Faisalabad verdoppelt. Die meisten Industrieanlagen verdünnen ihre Abwässer, indem sie salzhaltiges Grundwasser zu ihren Abwässern hinzufügen, bevor sie es in die Kanalisation gelangen lassen. Es zeigte sich, dass die Wiederverwendung von Abwasser und die Einleitung von unbehandeltem Abwasser in Faisalabad zunahmen. Die Belege deuten darauf hin, dass sich die Abwasserbewirtschaftung (Erzeugung, Sammlung, Behandlung und Wiederverwendung) in Faisalabad trotz aller Bemühungen zur Lösung des Problems in den letzten Jahren verschlechtert hat.
Die Ergebnisse der Haushaltsumfrage über drei Wasserkategorien (Industrieabwässer, Haushaltsabwässer und Kanalwasser) in Faisalabad bestätigten die problematische Verwendung von unbehandeltem Abwasser zur Bewässerung und seine Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Die Bewässerung mit häuslichem Abwasser war mit einem höheren Einkommen verbunden und trug somit zur Ernährungssicherheit bei, was die Präferenz der Bauern für diese Art von Wasser unterstreicht. Im Gegenteil, Industrieabwässer belasteten die landwirtschaftlichen Haushalte. So zeigten die Ergebnisse, dass es einen Bedarf an Wiederverwendung von Abwasser in der Landwirtschaft gibt, die ein angemessenes Management benötigt, um die damit verbundenen Risiken zu reduzieren. Es wurde der Schluss gezogen, dass die für jeden Standort erforderlichen Maßnahmen je nach Qualität des Abwassers und den örtlichen Gegebenheiten der Standorte unterschiedlich sein werden. Kein einziges Modell ist für alle Bedingungen geeignet.
Die Überprüfung der aktuellen Gesetzgebung führte zur Identifizierung mehrerer Lücken, die Verletzer oder Regeln und Verursacher begünstigten. Obwohl eine nachhaltige Abwasserentsorgung durch verstreute Klauseln in verschiedenen formalen Gesetzen angesprochen wurde, wurden die Vorschriften nicht umfassend gesetzlich geregelt oder durchgesetzt. Die Studie zeigte, dass die Schwierigkeit, das entsorgte Abwasser rechtzeitig zu testen, und das langwierige Rechtsverfahren eine ordnungsgemäße Strafverfolgung praktisch unmöglich machten. Daher nutzten Verletzer diese Umsetzungslücken, um Bußgelder und Strafen zu vermeiden. Das lokale Bewusstsein und die Präsenz einer lokalen Interessengruppe zum Zeitpunkt der Gesetzgebung hätten Lücken in der Gesetzgebung und in der Strafverfolgung schließen können.
Anhand von Governance- und Bewertungskriterien (abgeleitet aus dem IAD-Rahmen) wurden soziale und Governance-Herausforderungen in Bezug auf die Abwasserbewirtschaftung in Faisalabad umfassend bewertet. Darüber hinaus trug der Ansatz des historischen Institutionalismus dazu bei, die eingebauten Herausforderungen der Verwaltungseinrichtungen zu identifizieren. Die wichtigste Herausforderung, die in der Studie identifiziert wurde, war die geringe Kapazität der Durchführungseinrichtungen aufgrund menschlicher, technischer und finanzieller Einschränkungen. Darüber hinaus scheiterte die Stadtplanung von Faisalabad in den vergangenen Jahrzehnten völlig, was zu verstreuten Industrieclustern in den Wohngebieten führte. Eine solche schlechte Planung schränkte die ordnungsgemäße Verwaltung, Behandlung und Wiederverwendung von Abwässern ein. Darüber hinaus zeigte die institutionelle Analyse, dass die öffentlichen Organisationen und Agenturen schwache administrative Verflechtungen untereinander aufweisen. Die Studie zeigte auch, dass ein problematisches institutionelles Umfeld, einschließlich Vetternwirtschaft und Einmischung in Büroangelegenheiten, die Funktionsweise der öffentlichen Organisationen beeinflusst.
Es wurde festgestellt, dass eine umfassende Strategie für eine verbesserte Abwasserentsorgung erforderlich ist, die gleichzeitig Fragen der institutionellen und technischen Durchführbarkeit, der Ökonomie, der sozialen Akzeptanz und der ökologischen Nachhaltigkeit angehen muss. Zukünftige Studien könnten solche umfassenden Strategien im Kontext der Entwicklungsländer weiter untersuchen