Entwicklung und Validierung der Steigbildmethode zur Differenzierung von ausgewählten Lebensmitteln aus verschiedenen Anbausystemen und Verarbeitungsprozessen

Zusammenfassung (deutsch) Seit den 1980iger Jahren wächst die Bedeutung der sog. Bildschaffenden Methoden für die Bestimmung der Qualität ökologischer Produkte. Zu diesen Methoden gehört die Biokristallisation, Steigbild und Rundfilter-Chromatographie. Die Ergebnisse dieser Methoden sind Bilder, die anhand definierter Kriterien ausgewertet werden. Bei der Biokristallisation sind es mehr oder weniger geordnete Kristallisationen auf einer Glasplatte, bei dem Steigbild zweidimensionale Strukturen auf Chromatographiepapier. In der Vergangenheit wurden die Bilder von Spezialisten ausgewertet, die nach einer längeren Schulung produktspezifische Kriterien entwickelt hatten. Im Gegensatz zur Dünnschicht-Chromatographie, wo der einzelne Stoff von der Matrix separiert wird, ist das Ziel beim Steigbild, Strukturen der möglichst ganzen Probe zu erzeugen. Die Methode wurde von Kolisko in den 1929iger Jahren entwickelt, wobei eine Kombination aus Chromatographieprozess und Metallkomplexreaktionen genutzt wurde. Die Firma WALA entwickelte die Methode für die Kontrolle ihrer Produkte und setze Silbernitrat und Eisensulfat ein. Bisher wurde die Methode qualitativ beschreibend ausgewertet, wobei einzelne Bildelemente und deren Interaktion beschrieben wurden. Deshalb musste für die vorliegende Arbeit Auswertungsmethoden entwickelt werden, mit denen auch eine statistische Bearbeitung der Ergebnisse möglich ist (nominale Unterscheidung von proben anhand der Bilder). Die Methode wurde bisher in einer Reihe von Studien eingesetzt (u.a. die Unterscheidung von Produktionsweisen). Obwohl die Bilder nur qualitativ ausgewertet wurden, konnten geschulte Prüfpersonen Proben aus verschiedenen Anbausystemen anhand der Bilder trennen. Die Ergebnisse wurden aber nicht so dokumentiert, dass sie den Erfordernissen internationaler Standardnormen für Laboratorien genügten. Deshalb mussten für diese Arbeit zunächst die Prozeduren dokumentiert und eine systematische Untersuchung zu den Einflussgrößen durchgeführt werden. Dazu wurde die visuelle Bildauswertung entwickelt und standardisiert. Die visuelle Bildauswertung basiert auf morphologischen Kriterien der Bilder von den untersuchten Weizen- und Möhrenproben. Ein Panel aus geschulten Personen entwickelte dann die Kriterien und legte sie anhand von Referenzbildern fest. Die Bilder der vorliegenden Arbeit wurden mit der einfach beschreibenden Prüfung ausgewertet, wie sie aus der sensorischen Prüfung von Lebensmitteln übernommen werden konnte. Mit geschulten und ungeschulten Prüfpersonen wurden Weizenproben und verschiedene Möhrensäfte mit der sog. Dreiecksprüfung ausgewertet (von ISO 4120). Alle Laborprozeduren wurden dokumentiert. Mit der Anwendung dieser Prozeduren wurden Vergleichsversuche mit Laboren in Dänemark und Holland (BRAD, LBI) durchgeführt. Die Ergebnisse waren sowohl für Weizen- als auch für Möhrenproben vergleichbar, wobei alle drei Labore zwischen jeweils zwei Proben unterscheiden konnten. Die systematische Untersuchung zu den Einflussgrößen zeigte, dass das Unterscheidungsvermögen der Methode vor allem von den klimatischen Bedingungen während der Steigphasen beeinflusst wird. Auch die Präkonditionierung der Papiere hat einen großen Einfluss, während die Wasserqualität (ultra-filtriert, de-ionisiert, destilliert) eine untergeordnete Bedeutung hat. Für Weizen- und Möhrenproben wurde sowohl die Wiederholbarkeit als auch die Reproduzierbarkeit getestet. Die Unterschiede in den Bildern der verschiedenen Proben waren dabei immer größer als die Variation durch Proben- und Bildwiederholung und das Labor. Die so charakterisierte Methode wurde auf kodierte Proben von definierten Feldversuchen und auf Marktproben (Paarvergleich von Anbausystemen ökologisch und konventionell) angewandt, wobei als Ergebnis mehr als 90% der Proben mit der einfach beschreibenden Prüfung anhand der Bilder unterschieden werden konnten. Die Auswertung mit der Dreiecksprüfung zeigte, dass sowohl Sorten und Verarbeitungsschritte (Saft) als auch Anbauweisen signifikant getrennt wurden. Darüber hinaus wurde die Methode auch erfolgreich auf Apfelproben angewandt. Weitere Untersuchungen müssen zeigen, ob sich das Potential der Methode, verschiedene Fragen wie die Authentizitätsprüfung von Lebensmitteln verifizieren lassen.

Entwicklung, in-house Validierung und Anwendung des ganzheitlichen Verfahrens Biokristallisation für die Unterscheidung von Weizen-, Möhren- und Apfelproben aus unterschiedlichem Anbau und Verarbeitungsschritten

Die Qualität ökologischer Produkte wird über den Prozess und nicht am Produkt selbst bestimmt. Die zunehmende Nachfrage nach ökologischen Produkten fordert Methoden, die den Prozess am Produkt zeigen (Authentizitätsprüfung). Eine Literaturstudie für die vorliegende Habilitationsschrift ergab, dass ganzheitliche Verfahren sich dazu besonders eignen. Zu solchen ganzheitlichen Verfahren gehört die Biokristallisation. Bei diesem Verfahren kristallisiert eine Mischung aus Probe und CuCl2 auf einer Glasplatte zu einem Bild, das sowohl visuell, als auch computergestützt ausgewertet werden kann. Es wurden zunächst alle Schritte im Labor dokumentiert und entsprechende Standardarbeitsanweisungen erstellt. Mit einem eigens entwickelten Computerprogramm werden die Bedingungen während der Probenaufbereitung und Kristallisation für jede Probe und jedes Bild erfasst. Mit einer Texturanalyse können auch die für diese Arbeiten erstellte große Menge an Bildern ausgewertet und die Ergebnisse statistisch bearbeitet werden. Damit ist es möglich das Verfahren und Methoden für Weizen- und Möhrenproben zu charakterisieren. Es wurden verschiedene Einflussgrößen untersucht. Das Verfahren ist besonders gegenüber Änderungen in der Probenvorbereitung (z.B. Vermahlung, Mischungsverhältnis) empfindlich. Es wurde sowohl die Methodenstreuung, als auch der Anteil einzelner Schritte an der Gesamtstreuung für Weizen-, Möhren- und Apfelproben ermittelt. Die Verdampfung und Kristallisation hat den größten Anteil an der Gesamtstreuung. Die Durchführung eines Laboreignungstests zeigte, dass die so dokumentierten und charakterisierten Methoden in anderen Laboratorien erfolgreich eingesetzt werden können. Das Verfahren wurde für die nominale Unterscheidung von Weizen-, Möhren- und Apfelproben aus unterschiedlichem Anbau und Verarbeitungsschritten eingesetzt. Weizen-, Möhren- und Apfelproben aus definiertem Anbau können signifikant unterschieden werden. Weizen-, Möhren- und Apfelproben vom Erzeuger (Markt) konnten im Paarvergleich (ökologisch, konventionell) teilweise signifikant getrennt werden. Das Verfahren ist auch für die Charakterisierung von verarbeiteten Proben einsetzbar. Es konnte der Einfluss von Saftherstellung, Erwärmung und Alterung signifikant gezeigt werden. Darüber hinaus lässt sich das Verfahren auf weitere Probenarten anwenden. Das Verfahren arbeitet ganzheitlich, d.h. es werden keine Einzelstoffe analytisch bestimmt, sondern als Ergebnis wird ein Bild erhalten. Die Textur- und Struktureigenschaften dieses Bildes können mit standardisierten Methoden ausgewertet werden.

Dieselmotor-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen im Kontext der Integration Erneuerbarer Energien in die Energieversorgung

In dieser Arbeit werden die sich abzeichnenden zukünftigen Möglichkeiten, Stärken und Schwächen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) untersucht. Dies geschieht vor dem Hintergrund des Klimawandels, der Integration steigender Anteile Erneuerbarer Energien in die Stromerzeugung und unter Berücksichtigung der sich damit ergebenden Herausforderungen, eine sichere und nachhaltige Stromversorgung zu gestalten. Der Fokus liegt auf der Dieselmotor-KWK und der Nutzung nachwachsender Kraftstoffe. Es wird davon ausgegangen, dass der Übergang zu einer reinen Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energiequellen in Deutschland unter erheblicher Einbindung des hohen Potentials der kostengünstigen, umweltfreundlichen, aber in der Leistung extrem fluktuierenden Windenergie erfolgen wird. Als dezentrales Integrationswerkzeug wurde die Kraft-Wärme-Kopplung mit Dieselmotoren untersucht. Sie entspricht aufgrund ihrer großen Flexibilität und ihrer hohen Wirkungsgrade mit vergleichsweise kleinen Leistungen sehr gut den Anforderungen der gleichzeitigen dezentralen Wärmenutzung. In der Dissertation werden die Randbedingungen der Dieselmotor-KWK untersucht und beschrieben. Darauf aufbauend werden unterschiedliche Modelle der Windintegration durch KWK erarbeitet und in diversen Variationen wird der Ausgleich der Stromerzeugung aus Windenergie durch KWK simuliert. Darüber hinaus werden dezentrale KWK-Anlagen hinsichtlich eines koordinierten gemeinsamen Betriebs und hinsichtlich der optimalen Auslegung für den Windenergieausgleich betrachtet. Es wird für den beschriebenen Kontext der Erneuerbaren Energien und der Kraft-Wärme-Kopplung das Thema „Umweltwirkungen“ diskutiert. Es wird dargelegt, dass die heute verwendeten Ansätze zur Bewertung der KWK zu einer Verzerrung der Ergebnisse führen. Demgegenüber wurde mit der so genannten Outputmethode eine Methode der Ökobilanzierung vorgestellt, die, im Gegensatz zu den anderen Methoden, keine verzerrenden Annahmen in die Wirkungsabschätzung aufnimmt und somit eine eindeutige und rein wissenschaftliche Auswertung bleibt. Hiermit ist die Grundlage für die Bewertung der unterschiedlichen Technologien und Szenarien sowie für die Einordnung der KWK in den Kontext der Energieerzeugung gegeben. Mit der Outputmethode wird u.a. rechnerisch bewiesen, dass die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung in KWK-Anlagen tatsächlich die optimale Nutzung der regenerativen Kraftstoffe „Biogas“ und „Pflanzenöl“ im Hinblick auf Ressourceneinsatz, Treibhausgaseinsparung und Exergieerzeugung ist. Es wurde darüber hinaus die Frage untersucht woher die für die Stromerzeugung durch Dieselmotor-KWK-Anlagen notwendige Bioenergie genommen werden kann. Es ist erwiesen, dass die in Deutschland nutzbare landwirtschaftliche Fläche nur zur Deckung eines Teils der Stromerzeugung ausreichen würde. Einheimisches Biogas und nachhaltiges importiertes Pflanzenöl, das in hohem Maße auf degradierten Böden angebaut werden sollte, können die notwendige Brennstoffenergie liefern. Um im Ausland ausreichend Pflanzenöl herstellen zu können, wird eine landwirtschaftliche Fläche von 6 bis 12 Mio. ha benötigt. Das Ergebnis ist, dass ein voller Ausgleich von Windenergie-Restlast durch KWK mit Erneuerbaren Energieträgern sinnvoll und machbar ist! Dieses Wind-KWK-DSM-System sollte durch ein Stromnetz ergänzt sein, das Wasserkraftstrom für den Großteil der Regelenergieaufgaben nutzt, und das den großräumigen Ausgleich Erneuerbarer Energien in Europa und den Nachbarregionen ermöglicht.

Verfahren zur echtzeitfähigen Simulation dynamischer Emissionsverläufe ausgewählter Schadstoffe von Ottomotoren

Im Rahmen dieser Arbeit werden Modellbildungsverfahren zur echtzeitfähigen Simulation wichtiger Schadstoffkomponenten im Abgasstrom von Verbrennungsmotoren vorgestellt. Es wird ein ganzheitlicher Entwicklungsablauf dargestellt, dessen einzelne Schritte, beginnend bei der Ver-suchsplanung über die Erstellung einer geeigneten Modellstruktur bis hin zur Modellvalidierung, detailliert beschrieben werden. Diese Methoden werden zur Nachbildung der dynamischen Emissi-onsverläufe relevanter Schadstoffe des Ottomotors angewendet. Die abgeleiteten Emissionsmodelle dienen zusammen mit einer Gesamtmotorsimulation zur Optimierung von Betriebstrategien in Hybridfahrzeugen. Im ersten Abschnitt der Arbeit wird eine systematische Vorgehensweise zur Planung und Erstellung von komplexen, dynamischen und echtzeitfähigen Modellstrukturen aufgezeigt. Es beginnt mit einer physikalisch motivierten Strukturierung, die eine geeignete Unterteilung eines Prozessmodells in einzelne überschaubare Elemente vorsieht. Diese Teilmodelle werden dann, jeweils ausgehend von einem möglichst einfachen nominalen Modellkern, schrittweise erweitert und ermöglichen zum Abschluss eine robuste Nachbildung auch komplexen, dynamischen Verhaltens bei hinreichender Genauigkeit. Da einige Teilmodelle als neuronale Netze realisiert werden, wurde eigens ein Verfah-ren zur sogenannten diskreten evidenten Interpolation (DEI) entwickelt, das beim Training einge-setzt, und bei minimaler Messdatenanzahl ein plausibles, also evidentes Verhalten experimenteller Modelle sicherstellen kann. Zum Abgleich der einzelnen Teilmodelle wurden statistische Versuchs-pläne erstellt, die sowohl mit klassischen DoE-Methoden als auch mittels einer iterativen Versuchs-planung (iDoE ) generiert wurden. Im zweiten Teil der Arbeit werden, nach Ermittlung der wichtigsten Einflussparameter, die Model-strukturen zur Nachbildung dynamischer Emissionsverläufe ausgewählter Abgaskomponenten vor-gestellt, wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Stickstoffmonoxid (NO) sowie Kohlenmono-xid (CO). Die vorgestellten Simulationsmodelle bilden die Schadstoffkonzentrationen eines Ver-brennungsmotors im Kaltstart sowie in der anschließenden Warmlaufphase in Echtzeit nach. Im Vergleich zur obligatorischen Nachbildung des stationären Verhaltens wird hier auch das dynami-sche Verhalten des Verbrennungsmotors in transienten Betriebsphasen ausreichend korrekt darge-stellt. Eine konsequente Anwendung der im ersten Teil der Arbeit vorgestellten Methodik erlaubt, trotz einer Vielzahl von Prozesseinflussgrößen, auch hier eine hohe Simulationsqualität und Ro-bustheit. Die Modelle der Schadstoffemissionen, eingebettet in das dynamische Gesamtmodell eines Ver-brennungsmotors, werden zur Ableitung einer optimalen Betriebsstrategie im Hybridfahrzeug ein-gesetzt. Zur Lösung solcher Optimierungsaufgaben bieten sich modellbasierte Verfahren in beson-derer Weise an, wobei insbesondere unter Verwendung dynamischer als auch kaltstartfähiger Mo-delle und der damit verbundenen Realitätsnähe eine hohe Ausgabequalität erreicht werden kann.

Parameter identification of structural dynamic models by inverse statistical analysis

Auf dem Gebiet der Strukturdynamik sind computergestützte Modellvalidierungstechniken inzwischen weit verbreitet. Dabei werden experimentelle Modaldaten, um ein numerisches Modell für weitere Analysen zu korrigieren. Gleichwohl repräsentiert das validierte Modell nur das dynamische Verhalten der getesteten Struktur. In der Realität gibt es wiederum viele Faktoren, die zwangsläufig zu variierenden Ergebnissen von Modaltests führen werden: Sich verändernde Umgebungsbedingungen während eines Tests, leicht unterschiedliche Testaufbauten, ein Test an einer nominell gleichen aber anderen Struktur (z.B. aus der Serienfertigung), etc. Damit eine stochastische Simulation durchgeführt werden kann, muss eine Reihe von Annahmen für die verwendeten Zufallsvariablengetroffen werden. Folglich bedarf es einer inversen Methode, die es ermöglicht ein stochastisches Modell aus experimentellen Modaldaten zu identifizieren. Die Arbeit beschreibt die Entwicklung eines parameter-basierten Ansatzes, um stochastische Simulationsmodelle auf dem Gebiet der Strukturdynamik zu identifizieren. Die entwickelte Methode beruht auf Sensitivitäten erster Ordnung, mit denen Parametermittelwerte und Kovarianzen des numerischen Modells aus stochastischen experimentellen Modaldaten bestimmt werden können.

Molecular Beam Epitaxial Growth of III-V Semiconductor Nanostructures on Silicon Substrates

The main focus and concerns of this PhD thesis is the growth of III-V semiconductor nanostructures (Quantum dots (QDs) and quantum dashes) on silicon substrates using molecular beam epitaxy (MBE) technique. The investigation of influence of the major growth parameters on their basic properties (density, geometry, composition, size etc.) and the systematic characterization of their structural and optical properties are the core of the research work. The monolithic integration of III-V optoelectronic devices with silicon electronic circuits could bring enormous prospect for the existing semiconductor technology. Our challenging approach is to combine the superior passive optical properties of silicon with the superior optical emission properties of III-V material by reducing the amount of III-V materials to the very limit of the active region. Different heteroepitaxial integration approaches have been investigated to overcome the materials issues between III-V and Si. However, this include the self-assembled growth of InAs and InGaAs QDs in silicon and GaAx matrices directly on flat silicon substrate, sitecontrolled growth of (GaAs/In0,15Ga0,85As/GaAs) QDs on pre-patterned Si substrate and the direct growth of GaP on Si using migration enhanced epitaxy (MEE) and MBE growth modes. An efficient ex-situ-buffered HF (BHF) and in-situ surface cleaning sequence based on atomic hydrogen (AH) cleaning at 500 °C combined with thermal oxide desorption within a temperature range of 700-900 °C has been established. The removal of oxide desorption was confirmed by semicircular streaky reflection high energy electron diffraction (RHEED) patterns indicating a 2D smooth surface construction prior to the MBE growth. The evolution of size, density and shape of the QDs are ex-situ characterized by atomic-force microscopy (AFM) and transmission electron microscopy (TEM). The InAs QDs density is strongly increased from 108 to 1011 cm-2 at V/III ratios in the range of 15-35 (beam equivalent pressure values). InAs QD formations are not observed at temperatures of 500 °C and above. Growth experiments on (111) substrates show orientation dependent QD formation behaviour. A significant shape and size transition with elongated InAs quantum dots and dashes has been observed on (111) orientation and at higher Indium-growth rate of 0.3 ML/s. The 2D strain mapping derived from high-resolution TEM of InAs QDs embedded in silicon matrix confirmed semi-coherent and fully relaxed QDs embedded in defectfree silicon matrix. The strain relaxation is released by dislocation loops exclusively localized along the InAs/Si interfaces and partial dislocations with stacking faults inside the InAs clusters. The site controlled growth of GaAs/In0,15Ga0,85As/GaAs nanostructures has been demonstrated for the first time with 1 μm spacing and very low nominal deposition thicknesses, directly on pre-patterned Si without the use of SiO2 mask. Thin planar GaP layer was successfully grown through migration enhanced epitaxy (MEE) to initiate a planar GaP wetting layer at the polar/non-polar interface, which work as a virtual GaP substrate, for the GaP-MBE subsequently growth on the GaP-MEE layer with total thickness of 50 nm. The best root mean square (RMS) roughness value was as good as 1.3 nm. However, these results are highly encouraging for the realization of III-V optical devices on silicon for potential applications.

Optimization-Based Robotic Manipulation for Safe Interaction with Human Operators

This thesis investigates a method for human-robot interaction (HRI) in order to uphold productivity of industrial robots like minimization of the shortest operation time, while ensuring human safety like collision avoidance. For solving such problems an online motion planning approach for robotic manipulators with HRI has been proposed. The approach is based on model predictive control (MPC) with embedded mixed integer programming. The planning strategies of the robotic manipulators mainly considered in the thesis are directly performed in the workspace for easy obstacle representation. The non-convex optimization problem is approximated by a mixed-integer program (MIP). It is further effectively reformulated such that the number of binary variables and the number of feasible integer solutions are drastically decreased. Safety-relevant regions, which are potentially occupied by the human operators, can be generated online by a proposed method based on hidden Markov models. In contrast to previous approaches, which derive predictions based on probability density functions in the form of single points, such as most likely or expected human positions, the proposed method computes safety-relevant subsets of the workspace as a region which is possibly occupied by the human at future instances of time. The method is further enhanced by combining reachability analysis to increase the prediction accuracy. These safety-relevant regions can subsequently serve as safety constraints when the motion is planned by optimization. This way one arrives at motion plans that are safe, i.e. plans that avoid collision with a probability not less than a predefined threshold. The developed methods have been successfully applied to a developed demonstrator, where an industrial robot works in the same space as a human operator. The task of the industrial robot is to drive its end-effector according to a nominal sequence of grippingmotion-releasing operations while no collision with a human arm occurs.