Bioreaktor mit integrierter Massenspektrometrie

• Fachliche Zuordnung: Verfahrenstechnik, Technische Chemie ; Mikrobiologie, Virologie und Immunologie
• Förderung: Förderung in 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445484440

Am Zentrum für Angewandte Geowissenschaften (ZAG) mit 13 Umweltforschungsdisziplinen, die 2020 gebündelt am neugeschaffenen Geo- und Umweltforschungszentrum beheimatet sind, forscht die Arbeitsgruppe unter Prof. Largus (Lars) Angenent auf dem Feld der Umweltbiotechnologie. Im Forschungsfokus liegen hierbei drei Kernthemen, die gemeinsam zum Ziel haben, Kohlenstoffemissionen (in Form von Gasen) aus Industrie und Abfallwirtschaft in mikrobiell generierte Energieträger oder andere wirtschaftlich interessante Rohstoffe (z.B. mittelkettige Fettsäuren) zurück zu überführen. Hierzu gehören die Forschungszweige der Syngasfermentation, Power-to-X und Chain elongation. Essentiell für diese Forschung ist der Einsatz von sogenannten Bioreaktoren. Bisher wurden diese selbst entworfen und an die jeweiligen Projektanforderungen angepasst. Dadurch konnte der projektspezifische Einsatz für die Arbeit mit mikrobiellen Mischkulturen optimiert werden. Die Verwendung dieser Reaktoren in anvisierten Projekten mit Reinkulturen ist durch die einzigartige Bauweise jedoch limitiert. Hierbei hervorzuheben sind systembiologische Untersuchungen mit genmodifizierten Reinkulturen (u.a. Clostridium ljungdahlii, Methanothermobacter thermautotrophicus) und isotopisch markierten C-haltigen Gasen. Hier ist es notwendig, in-silico erstellte molekularbiologische Genome-scale metabolic models (GEM) durch in-vitro Kultivierungsversuche zu validieren, um Anpassungen im genetischen Modell vorzunehmen. So können mikrobielle Stoffwechselprozesse bei der Fermentation von C-haltigen Gasen aufgeklärt, sowie deren Effizienz für zukünftige biotechnologische Anwendungen maximiert werden. Essentiell für den systembiologischen Forschungsansatz ist die Verwendung vollautomatischer Durchflussinkubatoren, die es erlauben, die Zu- und Abfuhr von Substrat (i.F.v. C-haltigem Gas), sowie den Substratumsatz konstant (steady-state) zu halten. Um steady-state Bedingungen in den jeweiligen Reaktoren zu erhalten, ist es notwendig eine vollständige Kohlenstoffstöchiometrie der zu- und abströmenden C-Komponenten zu erstellen. Eine Koppelung des Bioreaktors an ein Gasanalysegerät, welches das einströmende C-Gassubstrat, das ausströmende Restgas, sowie mikrobielle Reaktionsprodukte (z.B. CH4) in extrem hoher zeitlicher Auflösung analysiert und quantifiziert, ist hierfür unerlässlich. Beantragt wird im vorliegenden Antrag ein Bioreaktoraufbau mit Kontrolleinheit und vier Versorgungseinheiten, die einen Betrieb von bis zu vier unabhängig kontrollierbaren Reaktorgefäßen erlaubt. Darüber hinaus ist ein Gasmassenspektrometer Gegenstand des Antrags, welches die ein- und ausströmende Gasphase der jeweiligen Reaktoren sowie die entsprechenden mikrobiellen Reaktionsprodukte quantitativ identifiziert. Der Vorteil eines Gasmassenspektrometers gegenüber alternativen Messmethoden (GC-MS, Infrarot- oder Gasmeter) ist die schnelle und präzise Messung organischer und anorganischer Gaskomponenten ohne aufwendige Geräteumbauten.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Bioreaktor mit integrierter Massenspektrometrie
• Gerätegruppe: 3520 Bakterien-Zuchtgeräte, Fermenter
• Antragstellende Institution: Eberhard Karls Universität Tübingen
• Leiter: Professor Largus Angenent, Ph.D.