Im Rahmen des Projekts „BioTech-House®“ werden biotechnologische Prozesse in einer virtuellen Umgebung abgebildet und die Anwendungen in Forschung und Lehre erprobt. Die Lernanwendungen sind als realitätsnahe Simulationen in Virtual Reality gestaltet. Sie ermöglichen es, Produktionsabläufe nachzuvollziehen und ausgewählte Arbeitsschritte selbst auszuführen, die im Lehralltag nur eingeschränkt oder gar nicht zugänglich sind. Für das Modul „Angewandte Biotechnologie" an der Hochschule Anhalt sind Szenarien der Lebensmittelproduktion entstanden, darunter die Wein- und die Joghurtherstellung.
Im Szenario zur Weinherstellung lernen die Studierenden die zentralen Schritte vom Ausgangsprodukt bis zur verpackten Flasche kennen: Entrappen und Pressen, Sedimentation und Fermentation sowie Filtration, Abfüllung, Verkorken und Verpacken. Im Mittelpunkt stehen die Reihenfolge und das Zusammenspiel dieser Schritte sowie die zugrunde liegenden biotechnologischen Vorgänge.
Die Traubenverarbeitung ist an die Erntezeit gebunden, Gärung und Reifung benötigen Zeit. Hinzu kommt der organisatorische Aufwand, Studierenden Zugang zu einem laufenden Produktionsbetrieb zu ermöglichen. Ein einzelner Besuch bietet deshalb meist nur einen Ausschnitt des Herstellungsprozesses und wenig Gelegenheit, selbst tätig zu werden.
© Hochschule Anhalt / praxwerk
Im Szenario zur Joghurtherstellung lernen die Studierenden die zentralen Schritte des Herstellungsprozesses kennen: Anlagenreinigung und -sterilisation (CIP/SIP), Pasteurisierung, Zugabe der Joghurtkulturen und Fermentation sowie Fruchtzugabe, Verpackung und Einsortierung in Kisten. Im Mittelpunkt stehen die Reihenfolge und das Zusammenspiel dieser Schritte sowie die zugrunde liegenden biotechnologischen Vorgänge, insbesondere die Rolle der Joghurtkulturen bei der Fermentation.
Produktionszeiten und betriebliche Abläufe lassen sich nur begrenzt mit Lehrveranstaltungen vereinbaren. Ein früher Produktionsbeginn und mehrstündige Fermentationszeiten erschweren es, die Joghurtherstellung bei einem Besuch vollständig zu verfolgen. Möglichkeiten zur eigenständigen Bedienung der Anlagen sind im laufenden Betrieb ebenfalls begrenzt.
© Hochschule Anhalt / BioTech-House®
Von der Produktionsanlage zur Trainingssimulation
Die Entwicklung gliedert sich in drei Schritte.
1. Werksbesuche und Prozessaufnahme
Ausgangspunkt der Entwicklung sind Besuche in den Produktionsbetrieben. Vor Ort werden Fotos aufgenommen, Anlagen vermessen und die Prozessabläufe mit den zuständigen Fachkräften besprochen. Dabei geht es darum, wie einzelne Arbeitsschritte in der Praxis ausgeführt werden und worauf bei der Bedienung der Anlagen zu achten ist. Die dabei erfassten Materialien bilden die Grundlage für die virtuelle Umsetzung: Maße und Fotos dienen der Modellierung der Anlagen, Oberflächenaufnahmen der Texturierung und aufgezeichnete Anlagengeräusche der akustischen Gestaltung.
2. Auswahl der Prozessschritte und Konzept des Ablaufs
Auf Grundlage der Aufnahmen aus den Betrieben und der Lehrmaterialien des Moduls wird der Ablauf gemeinsam mit der Lehrperson didaktisch konzipiert. Ausgewählt werden die für die Lernziele wesentlichen Prozessschritte. Die Bedienung der Anlagen beschränkt sich auf das, was zum Verständnis des Prozesses erforderlich ist. Dabei werden die Stärken von VR gezielt genutzt: Die Lernenden erleben die Produktionsabläufe in einer realitätsnahen Umgebung und führen ausgewählte Arbeitsschritte selbst aus. Im Mittelpunkt steht prozedurales Wissen, also das Wissen darüber, wie ein Ablauf praktisch durchgeführt wird.
3. Technische Umsetzung
Auf Grundlage des erarbeiteten Konzepts und der gesammelten Materialien werden die Anlagen in 3D modelliert und die vorgesehenen Abläufe in Unity programmiert. Dabei werden Interaktionen, Animationen und Rückmeldungen umgesetzt. Anschließend wird die Anwendung für den Einsatz auf Standalone-VR-Headsets aufbereitet und als ausführbare Version bereitgestellt.
© Hochschule Anhalt / BioTech-House®
Prozesse verstehen und Abläufe erproben
Den gesamten Prozess durchlaufen. Die ausgewählten Produktionsschritte bilden einen zusammenhängenden Ablauf vom Anfang bis zum Ende. Längere Phasen wie Fermentation und Reifung sind zeitlich verkürzt, sodass der Prozess innerhalb einer Übungseinheit durchlaufen werden kann — unabhängig von Produktionszeiten und Saison.
Visualisierung biotechnologischer Vorgänge. Animationen ergänzen die Darstellung der Anlagen um Vorgänge, die von außen nicht unmittelbar beobachtbar sind. Dazu gehört die Fermentation im Tank, die innerhalb des zugehörigen Prozessschritts veranschaulicht wird.
Manuelle Tätigkeiten. Ausgewählte Arbeitsschritte sind als manuelle Interaktionen umgesetzt. Dazu zählen die Zugabe von Joghurtkulturen in den Kessel, die Hefezugabe in den Gärtank und das Verpacken von Weinflaschen.
Angeleitete und selbstständige Durchführung. Für die CIP-Reinigung stehen zwei aufeinander aufbauende Modi zur Verfügung. Im angeleiteten Modus unterstützen Anweisungskarten die Durchführung. Im anschließenden Testmodus wird derselbe Ablauf ohne diese Hilfestellung bearbeitet.
Darstellung der Anlagenmechanik. An ausgewählten Anlagen lassen sich Gehäuseteile während des virtuellen Betriebs transparent darstellen. Die dadurch sichtbaren mechanischen Abläufe werden schrittweise erläutert.
Erste Erprobungen
Die Szenarien wurden bereits in Lehrveranstaltungen erprobt. Im Rahmen einer Vorlesung zur Weinherstellung durchliefen Studierende beispielsweise den virtuellen Produktionsablauf selbstständig.
Das BioTech-House®
Das „BioTech-House®“ ist ein interdisziplinäres Lehrprojekt der Hochschule Anhalt und zeigt die Präsenz der Biotechnologie in unserem Alltag. Dieses innovative und didaktisch fundierte Projekt fördert den Zugang zur Biotechnologie im Studium. Mit Unterstützung des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) wird das Projekt kontinuierlich erweitert. Mehr über das Projekt: www.hs-anhalt.de/vr-biotech-house
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