Die Produktion von Beton hat einen weltweiten Anteil von 8,6 % der anthropogenen CO₂-Emission. Daher wird nach alternativen Möglichkeiten geforscht den CO₂ -Ausstoß bei der Betonproduktion zu reduzieren. Ein  biotechnologischer Ansatz ist die Produktion von künstlichem Sandstein mittels sogenanntem Biozement, der von verschiedenen Mikroorganismen produziert werden kann. Beispielsweise sind ureolytische Mikroorganismen in der Lage Harnstoff abzubauen, wodurch Carbonat-Ionen gebildet werden. In alkalischer Umgebung und Anwesenheit von Calcium-Ionen kann dadurch Calciumcarbonat gebildet werden. Ähnlich zu klassischem Zement kann dieser Vorgang eingesetzt werden um mineralische Partikel, beispielsweise Quarzsand, zu verbinden. Dadurch wird dieser verfestigt und kann als Baumaterial eingesetzt werden. Am Lehrgebiet für Bioverfahrenstechnik wird dieser Vorgang untersucht. Im Fokus steht dabei die Optimierung der Druckfestigkeit und der Produktionszeit von Biozement. Praktische Arbeiten sind in der Produktion des Biosandsteins, der Kultivierung ureolytischer Mikroorganismen und der Untersuchung von Kinetiken der MICP möglich. Spezielle Vorkenntnisse sind nicht notwendig. Erste Laborerfahrung wäre vorteilhaft.

The extensive use of fossil-based resources has caused severe environmental problems such as climate change, pollutions and greenhouse emissions. Nowadays, the use of renewable resources represents a way to overcome these problems. Among the others, the exploitation of lignocellulosic biomasses to produce energy and (bio)chemicals are gaining more attraction due to their sustainability and renewability. According to this, at BioVT group the use of a green biomass is under evaluation. In particular, different varieties of a ryegrass are investigated for the production of organic acids and solvents using fungi, yeasts and bacteria. With this regard, different cultivation processes such as Sub-merged fermentation and Solid-State fermentation are carried out. Firstly, the establishment of the fermentation parameters will be investigated. Then, the fermentation processes will be optimized in order to get the highest yields possible. The project is practical, thus a preliminary experience in lab work would be relevant. Also, the knowledge of English is mandatory.  

Der Citizen Science-Ansatz ist im Laufe der letzten Jahre immer populärer geworden. Der Hintergrund ist dabei, dass auch BürgerInnen und Laien ohne wissenschaftliche Ausbildung bei der Datenerhebung und Auswertung im Rahmen wissenschaftlicher Studien mitwirken können. Im Zusammenhang mit Umweltschutz werden dafür simple Analysesysteme benötigt, die einfach zu bedienen und zu verstehen sind.

Am Lehrgebiert Bioverfahrenstechnik laufen aktuell Arbeiten zur Entwicklung eines einfachen Photometers und von geeigneten kolorimetrischen Methoden zur Vor-Ort-Analyse von Gewässerproben auf wichtige Umweltparameter, ohne dass gefährlichen Chemikalien zum Einsatz kommen. Im Rahmen von Studienarbeiten sollen bestehende Analysemethoden zusätzlich optimiert und erweitert werden. Außerdem sollen neue Prototypen des portablen Photometers auf dessen Genauigkeit im Vergleich zum Laborphotometer überprüft werden. In weiteren Untersuchungen soll geprüft werden, inwiefern der Einsatz des entwickelten Photometers als medizinische Analyse Methode im Bereich der Selbst-Diagnose realisierbar ist. Hierfür sind Entwicklungen von geeigneten Immunassays im Bereich der Nasschemie und deren Anwendung im Alltag vorgesehen.

Bakterien wachsen in der Natur häufig in Gemeinschaften auf Oberflächen – als sogenannte Biofilme. Biofilme sind für die Bakterien vorteilhaft, da sie die Resilienz gegenüber schädlichen Umwelteinflüssen und antimikrobiellen Stoffen erhöhen. In der Medizin sind sie von Bedeutung, da eine Besiedelung mit pathogenen Keimen z. B. nach Operationen zu schwerwiegenden Komplikationen führen kann. Aber auch für die Industrie kann man sich Biofilme nutzbar machen - so werden etwa Butanol und Essigsäure in Biofilmreaktoren produziert. Speziell im verfahrenstechnischen Bereich ist die Selbstimmobilisation von Interesse, da hier zeit- und kostenintensive Extraktions- und Aufreinigungsschritte verkürzt oder gar eingespart werden können. In früheren Arbeiten am Institut wurde festgestellt, dass die Oberflächenstruktur des Untergrunds einen Einfluss auf das Wachstum und die Produktivität von bakteriellen Biofilmen hat. Da auch Eukaryoten biotechnologisch interessante Verbindungen produzieren, stehen im Fokus laufender Forschungsvorhaben die Untersuchung des Wachstumsverhaltens vom filamentösen Pilz Aspergillus niger auf mikrostrukturierten Oberflächen sowie dessen Biomasse- und Produktbildung. Mittels bildgebender Verfahren wie CLSM und OCT kann zudem der Einfluss der Oberfläche auf die Morphologie untersucht werden.
Spezielle Vorkenntnisse sind nicht notwendig, erste Laborerfahrung wäre vorteilhaft.

In der Weinindustrie ist eine fortlaufende Prozesskontrolle zur Qualitätssicherung und Vermeidung von Fehlchargen von großer Bedeutung. Gerade kleineren und mittelständigen Betrieben stehen hierfür unter anderem aufgrund von hohen Anschaffungskosten häufig nicht die nötigen Laborgeräte  zur Verfügung, weshalb Proben zur Analytik in Labore eingeschickt werden müssen. Dieses Vorgehen kostet jedoch wertvolle Zeit, was bei Fehlern im Prozess das Eingreifen verzögert. Es soll deshalb ein kostengünstiges Analysesystem entwickelt werden, das dem Winzer die Analytik von Proben vor Ort ermöglicht. Aufgrund der vielfältigen photometrischen Analysen im Weinbau, mit denen praktisch alle relevanten Parameter von der Farbe des Weins bis hin zur Hefevitalität abgedeckt werden, soll im Rahmen von Forschungs- und Abschlussarbeiten ein portables Photometer auf Basis eines bereits bestehenden Systems zum Einsatz in Weinkellern entwickelt werden. Weiterhin sollen Analysemethoden für wichtige Weinparameter auf das neue Analysegerät übertragen werden, die auf den unerfahrenen Winzer zugeschnitten sind. Da die Analytik an Wein erfolgen soll, spielen vor allem Fluoreszenznachweise eine große Rolle. Diese sind weniger anfällig für Störstoffe und bieten häufig eine höhere Selektivität. In diesem Zusammenhang soll deshalb der Umbau des Photometers zum Fluoreszenzphotometer erfolgen.

Cyanobakterien sind photoautotrophe und meist Biofilm bildende Organismen, von denen einige sich durch die besondere Fähigkeit auszeichnen Luftstickstoff fixieren zu können. Da die Cyanobakterien den fixierten Stickstoff anschließend in einer für Pflanzen verwertbaren Form wieder abgeben können, eignen sie sich als biologischer Stickstoffdüngerersatz. Dabei können Biofilme aus Cyanobakterien auch noch weitere wachstumsfördernde Stoffe freisetzen oder den Wasserrückhalt von Böden verbessern. In diesem Projekt untersuchen wir die Ko-Kultur von stickstofffixierenden Cyanobakterien mit unterschiedlichen Pflanzen, wobei wir folgende Schwerpunkte bearbeiten:

• Etablierung einer Ko-Kultur in Hydroponik zum besseren Verständnis der Symbiose von Cyanobakterien und Pflanzen
• Immobilisierung der Cyanobakterien auf biologisch abbaubaren Materialien
• Konstruktion neuer Photobioreaktoren zur Kultivierung von Cyanobakterien zum Einsatz im Agrarsektor
• Steigerung des Wasserrückhaltevermögens von Böden durch phototrophe Biofilme
• Ko-Kultivierungen in Topfkulturen

Kabelbakterien sind multizelluläre Mikroorganismen, die Elektronen über Distanzen von mehreren Zentimetern transportieren können. Die filamentösen Bakterien sind erst seit wenigen Jahren bekannt, wurden mittlerweile aber bereits im Sediment zahlreicher Süßgewässer und Meersediment gefunden. Dort wachsen sie bis zu mehrere cm tief in das Sediment hinein, wobei die Zellen im tiefer gelegenen, anoxischen Sediment Schwefelverbindungen oxidieren. Die frei werdenen Elektronen werden entlang des Filaments bis in die oxische Sedimentschicht geleitet, wo die Zellen Sauerstoff reduzieren. Der einzigartige Stoffwechsel der Kablebakterien und ihre Fähigkeit, Elektronen über weite Distanzen zu leiten, macht sie zu interessanten Produktionsorganismen für die (Elektro)biotechnologie. Bislang gibt es hierzu jedoch kaum Untersuchungen.

Am Lehrgebiet Bioverfahrenstechnik wird untersucht, wie man das Potenzial dieser Mikroorganismen nutzbar machen kann. Praktische Arbeiten sind im Bereich der Kultivierung der Kabelbakterien, der Entwicklung von Reaktorsystemen sowie der Untersuchung von Einsatzmöglichkeiten als Produktionsorganismen möglich. Spezielle Vorkenntnisse sind nicht notwendig.

Der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRo) in Bioraffinieren zur Produktion von Grund- und Feinchemikalien ist bereits seit langer Zeit Bestandteil der aktuellen Forschung. Intensiviert wurde die Fragestellung durch die sogenannte Teller-Tank-Problematik, nach welcher NaWaRo entweder in Bioraffinieren oder als Nahrungsmittel eingesetzt werden können. Am Lehrgebiet Bioverfahrenstechnik laufen spannende Forschungsvorhaben, die sich mit der Verwendung von Neben- oder Abfallproduktströmen wie beispielsweise kommunalem Grünschnitt beschäftigen. Im Fokus stehen dabei insbesondere die Vorbehandlung der Biomasse mittels mechanischer Verfahren sowie hydrothermaler Aufschlüsse in einem Druckreaktor mit anschließender enzymatischer Hydrolyse, um aus den enthaltenen strukturellen Kohlenhydraten fermentierbare Zucker bereitzustellen. Diese werden in nachfolgenden Prozessschritten für die mikrobielle Produktion von industriell relevanten Grund- und Feinchemikalien eingesetzt. Hierbei geht es insbesondere um die Gewinnung von organischen Säuren sowie Lösemitteln.
Laborerfahrung ist wünschenswert, aber keine Voraussetzung für eine Forschungsarbeit auf diesem Gebiet.

Die Elektrobiotechnologie kombiniert Elemente der klassischen Biotechnologie mit elektrochemischen Stoffumwandlungen. Die Grundlage hierfür sind elektroaktive Mikroorganismen. Diese sind in der Lage, Elektronen direkt oder über Mediatoren an eine Elektrode abzugeben oder sie von dieser aufzunehmen. Ersteres bildet die Grundlage der Stromgewinnung mittels mikrobiellen Brennstoffzellen (microbial fuel cell, MFC) und ist seit über einem Jahrhundert bekannt. Die Aufnahme von Elektronen für die mikrobielle Elektrosynthese (MES) hingegen wird erst seit wenigen Jahren erforscht. Die an einer Elektrode bereitgestellten Elektronen werden von  elektroaktiven Organismen aufgenommen und für die Regeneration von Reduktionsäquivalenten der Stoffwechselwege verwendet. Die Elektronen fungieren also als alternative Energiequelle anstelle von Zuckern, wodurch  eine Steigerung der Fermentationsausbeute erzielt werden kann. Am Lehrgebiet Bioverfahrenstechnik wird der Einfluss eines angelegten elektrischen Potentials auf Fermentationen untersucht. Im Fokus steht dabei die Produktausbeute sowie die Entwicklung neuartiger Reaktorsysteme.

In den Bildungsbereichen Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik (MINT) bietet sich zunehmend die Möglichkeit, forschungsbasierte Themen der Bioverfahrenstechnik zu implementieren und SchülerInnen schon früh für die Natur- und Ingenieurwissenschaften zu begeistern. Auch im Hinblick auf die Umsetzung von Nachhaltigkeitsaspekten, wie sie in den Sustainable Development Goals ("SDGs") der Vereinten Nationen beschrieben sind, können bioverfahrenstechnische und biotechnologische Aspekte eine wesentliche Rolle bei der Steigerung der Qualität im Unterricht spielen (SDG 4 "Qualitative Education").

Dementsprechend gibt es am Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik Projekte, die sich vor allem mit dem Transfer von forschungsbasierten Themen aus Bioraffinerie, Biokatalyse, Verfahrenstechnik und Bioverfahrenstechnik in die MINT-Bildung beschäftigen.

Der Wandel zu einer digitalen Welt erfordert neue Bildungsziele und ebnet den Weg für neue digitale Technologien in der MINT-Bildung. So steht auch bei Projekten aus dem Bildungsbereich der BioVT die Digitalisierung im Vordergrund. Da sich alle Projekte auf unterschiedliche Weise mit der Photometrie auseinandersetzen, liegt der Schwerpunkt darauf, den Schülerinnen und Schülern diese Analysemethode auf anschauliche Weise zu vermitteln, wobei der Schwerpunkt auf digitalen Lernumgebungen liegt.

Mögliche Arbeitsbereiche sind im Rahmen der Entwicklung und Optimierung neuer Schulversuche mit AR/VR. Außerdem Laborarbeiten im Bereich der Isolierung und Quantifizierung von Photopigmenten und Phycobiliproteinenaus Mikro-/Makroalgen. Dazu sollen Experimente zur Isolierung und Quantifizierung von Photopigmenten und Phycobiliproteinen aus Lebensmitteln entwickelt werden. Außerdem stehen verschiedene Programmieraufgaben für die AR/VR-Anwendung in Unity und XCode an. Dazu sind Programmiervorkenntnisse vorteilhaft.

Wenn Sie Lehramtsstudierende sind sind zudem eigene Studien (im Rahmen einer Abschlussarbeit) mit SchülerInnen oder Lehrkräften zu sozialwissenschaftlichen Themen wie der kognitiven Belastung bei der Nutzung von AR/VR möglich.

Die Entwicklung von Biokraftstoffen erlangt, im Hinblick auf die Erschöpfung der Erdölreserven, immer größere Bedeutung. Das Potential von Buttersäureethyl-Ester als Kraftstoff wurde bereits untersucht und ergab vielversprechende Ergebnisse. Aufgrund dessen wird die biologische Herstellung von Buttersäureethylester mit Clostridien und Hefe oder Bakterien in einer autarken Reaktionskaskade untersucht. Clostridien und Hefe sollen die Produkte Buttersäure und Ethanol produzieren, welche durch das Enzym Lipase verestert werden. Am Lehrgebiet Bioverfahrenstechnik wird im ersten Schritt die Kultivierung von Clostridien zur Buttersäureproduktion durchgeführt und optimiert. Diese Kultivierungsbedingungen werden auf die Hefe-Kultivierung übertragen, um die Möglichkeit der Co-Kultivierung der beiden Organismen zu prüfen. Die Co-Kultivierung soll dann im kleinen Maßstab sowie im Bioreaktor untersucht werden. Auch die enzymatische Katalyse der Esterbildung ist ein wichtiger Teil dieser Versuche. Im weiteren Verlauf soll innerhalb der Fermentation ein zwei-Phasen System etabliert werden, wodurch der Ester in eine organische Phase extrahiert wird. Auch zu diesem Bereich der extraktiven Fermentation werden Versuche durchgeführt.

Laborerfahrung ist wünschenswert, aber keine Voraussetzung für eine Forschungsarbeit auf diesem Gebiet.