Promotionsstelle

Studien- und Abschlussarbeiten

Im Rahmen der Forschungsvorhaben können fortlaufend

  • Teamarbeiten
  • Forschungsarbeiten (B.Sc. / M.Sc. )
  • Bachelorarbeiten
  • Masterarbeiten

durchgeführt werden.

Grundsätzlich besteht darüber hinaus die Möglichkeit als wissenschaftliche Hilfskraft auf dem Gebiet bei uns zu arbeiten.

Falls Sie Interesse daran haben Ihre Team-, Forschungs-, Studien-, Bachelor-, oder Masterarbeit an unserem Institut anzufertigen, setzen sich bitte mit den jeweiligen wissenschaftlichen Mitarbeitern/innen oder  Prof. Ulber in Verbindung.

Aktuell werden nachfolgende Themengebiete angeboten: 

 

Entwicklung einer Fed-batch-Methode zur optimalen Vermehrung von Saccharomyces cerevisiae zur Vergärung von Traubenmost

Ein erfolgreicher Weinherstellungsprozess hängt wesentlich von einer effektiven alkoholischen Gärung von Traubenmost mit der Hefe Saccharomyces cerevisiae ab. Dem Most wird Trockenhefe zugesetzt, die ihn unter anaeroben Bedingungen unter Zuckerabbau und gleichzeitiger Ethanolproduktion vergärt.

Eine hohe Lebensfähigkeit, auch Viabilität genannt, und Aktivität, auch Vitalität genannt, der Hefezellen gewährleistet eine geringe bzw. die gewünschte Restzuckerkonzentration und damit eine geringe Restsüße eine hohe Ethanolkonzentration im Wein. Manchmal kommt es jedoch zu einer Stagnation der Gärung. Das kann an den Trockenhefen selbst liegen, die trotz Rehydrierung vor der alkoholischen Gärung nicht ausreichend viabel oder vital sind, aber auch an ungünstigen Wachstumsbedingungen, wie einer Nährstofflimitierung. Um diese sogenannte Gärstockung zu vermeiden, ist die Sicherstellung einer ausreichenden Viabilität und Vitalität der Zellen vor der Inokulation und während der Fermentation unerlässlich.

In diesem Projekt können verschiedene Aspekte dieser Problemstellung in studentischen Arbeiten zusammen mit Projektpartnern der Universität Hohenheim und eines Weinguts untersucht werden. Dazu gehört die aerobe Kultivierung von vitalen Hefezellen unter Einschränkungen, die durch die Weinverordnung vorgegeben werden und der Verfahrenstechnik für den Prozess unter Zuhilfenahme von on-line Messdaten. Dazu steht ein Bioreaktor mit einem Volumen von 1000 L zur Verfügung. Auch die Entwicklung von Assays zur Bestimmung der Vitalität von S. cerevisiae sind Bestandteil des Projekts. Außerdem werden vergleichende Gärversuche mit der frischen, aerob kultivierten Hefe im Vergleich zu rehydrierter Hefe. Dabei müssen die Gärverläufe untersucht werden, aber auch die sensorischen Eigenschaften des daraus resultierenden Weins. Ein Teil der Versuche kann direkt im Weingut durchgeführt werden.

Kontakt

Smarte Batchprozesse im Energiesystem der Zukunft – Fermentation von Aspergillus niger zur Produktion von Zitronensäure

Mit 11% des Strombedarfs gehört die Prozessindustrie zu den zentralen Verbrauchern elektrischer Energie in Deutschland. Für das Gelingen der Energiewende ist die Umstellung auf eine regenerative Stromversorgung daher von entscheidender Bedeutung. Während bisher der Strombedarf nachfrageorientiert gedeckt war, erfordert eine variable regenerative Stromversorgung eine flexible Anpassung der Prozesse an das Stromangebot. Dafür müssen grundlegend neue Methoden und Verfahren entwickelt und in der realen Anwendung erprobt werden. Im Gegensatz zu kontinuierlichen Prozessen sind Batchprozesse in Bezug auf eine Flexibilisierung noch weitgehend unerforscht. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass im Laufe eines Zyklus verschiedene Aggregate (Rührer, Pumpen, elektrische Heizungen, usw.) an- und abgefahren werden, um unterschiedliche Prozessschritte nacheinander durchzuführen.

Projektziel ist dabei eine Flexibilisierung der Prozesse. Dabei untersucht die Bioverfahrenstechnik explizit den aeroben Biodemonstrator zur Produktion von Zitronensäure mit Aspergillus niger.

Aspergillus niger ist ein strikt aerober filamentöser Pilz, welcher schwarze Sporen ausbildet. Er ist in submerser Kultivierung in der Lage, entweder disperse Mycelen oder Pellets zu formen. Ebenso kann er auf Oberflächen einen Biofilm ausbilden. Dabei beeinflussen die unterschiedlichen Morphologien gleichzeitig die Produktivität der Zitronensäure. Durch die Kultivierung auf unterschiedlichen Carriern beispielsweise lässt sich die Produktivität von Zitronensäure steigern. Die Morphologie, die dabei ausgebildet wird, lässt sich mit dem konfokalen Laser Scanning Mikroskop sichtbar machen. So soll mit der Biofilmkultivierung auf Carriern die Flexibilisierung dieses Batchprozesses untersucht werden.

Spezielle Vorkenntnisse sind nicht notwendig, erste Laborerfahrung wäre vorteilhaft.

Pflanzenzellkulturen zur Produktion von Sekundärmetaboliten

Pflanzen produzieren eine Vielzahl interessanter Verbindungen, so genannte Sekundärmetaboliten, die bei ökologischen Interaktionen, Abwehrmechanismen und Anpassungsreaktionen auf Umweltreize eine zentrale Rolle spielen. Die Anwendungen dieser Sekundärmetaboliten reichen von Arzneimitteln über Kosmetika bis hin zu Lebensmittelzusatzstoffen und stellen eine Quelle bioaktiver Verbindungen mit großem industriellen Potenzial dar. Für eine groß angelegte Produktion mit angemessenen Produktausbeuten ist die Wachstumsrate vieler Pflanzen jedoch zu langsam. Zusätzlich ist ihre Kultivierung häufig komplex und teuer, weshalb das Interesse an Pflanzenzellkulturen zunimmt. Dieser Ansatz ermöglicht nicht nur die Kultivierung von Pflanzenzellen in geschlossenen Bioreaktoren, sondern hat auch den Vorteil, dass bestimmte Zelltypen selektiv kultiviert werden können. Durch Übertragen des differenzierten Gewebes einer Pflanze (z. B. der Wurzel oder des Stängels) auf eine Agarplatte ist die gezielte Induktion von so genannten Kalluszellen möglich. Diese entdifferenzierten, totipotenten Zellen können anschließend für das Wachstum in Suspensionskulturen verwendet werden. Im Rahmen unser Forschung am Lehrstuhl konzentrieren wir uns auf die Kultivierung verschiedener pflanzlicher Zelllinien zur gezielten Produktion spezifischer Sekundärmetabolite. Unsere Projekte bieten praktische Laborerfahrung und fördern die Kompetenz in der Versuchsplanung, -durchführung und -analyse. Englischkenntnisse werden vorausgesetzt, und ein Hintergrund in Biowissenschaften oder verwandten Disziplinen ist von Vorteil.

Einsatz von Mikroorganismen zur Produktion von Biozement

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 und dadurch Bodeneigenschaften zu verbessern. Am Lehrgebiet für Bioverfahrenstechnik wird dieser Vorgang untersucht. Im Fokus steht dabei die Optimierung der Produktionszeit von Biozement. Praktische Arbeiten sind in der Kultivierung ureolytischer Mikroorganismen und der Untersuchung von Kinetiken der MICP möglich. Spezielle Vorkenntnisse sind nicht notwendig.

Erste Laborerfahrung ist wünschenswert, aber keine Voraussetzung.

Kontakt

M. Sc. Niklas Erdmann
niklas.erdmann(at)mv.rptu.de
 

Weitere Informationen zum laufenden Projekt finden Sie hier

Use of a green biomass for the development of a biorefinery platform

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. 

Einsatz von Cyanobakterien im Agrarsektor zur Verbesserung des Pflanzenwachstums

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

Lebendige Kabel – Kultivierung von Kabelbakterien

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.

Kommunaler Grünschnitt als Rohstoff für die fermentative Produktion von Plattformchemikalien

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.

Kontakt

M. Sc. Marianne Volkmar

marianne.volkmar(at)mv.rptu.de

 

Weitere Informationen zu der Thematik:

GreenToGreen - Kommunaler Grünschnitt als Basis für eine grüne Chemie
 

Elektrobiotechnologie und Elektrofermentation

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.

Entwicklung einer autarken, biologischen Reaktionskaskade zur Produktion eines Biokraftstoffes

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.

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