Ressourcenschonende Biofilmreaktoren für Aerosol- Biotransformationsreaktionen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Katja Bühler; Professor Dr. Roland Ulber
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559141727

Das Projekt ReActoB befasst sich mit zwei Hauptaspekten der Entwicklung biofilmbasierter Prozesse: neuartige, skalierbare Biofilmreaktoren und die Kontrolle des Biofilms. Damit werden die Themen 3 bzw. 1 des SPPs adressiert. Um einen ressourcenschonenden Betrieb von Biofilm-getriebenen Biotransformationen zu ermöglichen, werden ein neuartiger Biofilmreaktor für Aerosol-Biotransformationen (BRAB) und ein Konzept zur Wachstumskontrolle des Biofilms mittels optogenetischer Schalter entwickelt. Dabei wird auf einer bestehenden Biofilmreaktor-Technologie aufgebaut, die ursprünglich für die Kultivierung von terrestrischen Cyanobakterien zur Biomasseproduktion entwickelt wurde. In ReActoB wird dieses System erweitert, um das Biofilmwachstum von chemohetero- und photoautotrophen Mikroorganismen, sowohl aquatischer als auch terrestrischer Herkunft, zu ermöglichen und sie für Biotransformationsreaktionen einschließlich der in situ-Produktentfernung (ISPR) zu nutzen. Das Schlüsselkonzept des BRAB ist die Bereitstellung des Wachstumsmediums als Aerosol, was den Medienbedarf in kontinuierlichen Bioprozessen deutlich reduziert. Dabei stehen eine hohe Oberfläche für die Biofilmadhäsion und die Medium- und Biotransformationssubstratversorgung über die Gasphase im Vordergrund. Als Modellreaktion wird die anspruchsvolle Umsetzung von Cyclohexan zu Cyclohexanol untersucht. Zu diesem Zweck werden wir die Katalysatorleistung im BRAB unter Verwendung rekombinanter Varianten von Pseudomonas taiwanensis VLB120 und Synechocystis sp. PCC6803, sowohl in axenischen als auch in Mischkulturen, bewerten. Das ISPR zielt auf eine extraktive Produktgewinnung durch lösungsmittelimprägnierte Harze ab, die im Vergleich zu einer reinen Lösungsmittelphase leichter zu gewinnen und weniger lösungsmittelintensiv sind. Für die Untersuchung und Charakterisierung von Biofilmen besteht ein umfassendes Prozedere. Biofilmarchitektur und Zellanordnung werden mittels verschiedener bildgebender Verfahren untersucht. Die Populationsdynamik kann mittels Durchflusszytometrie schnell analysiert werden, während die chemische Zusammensetzung des Biofilms mittels biochemischer Analysen und Raman-Spektroskopie untersucht wird. Außerdem wollen wir untersuchen, inwieweit lichtgesteuerte Schalter zur Kontrolle der Biofilmdicke eingesetzt werden können. Zu diesem Zweck werden wir zunächst eine auxotrophe Variante von P. taiwanensis VLB120 erzeugen. In einem nächsten Schritt werden Gene, die die Auxotrophie wieder komplementieren, auf einem Plasmid unter die Kontrolle eines optogenetischen Schalters aus der LOV-Familie gebracht. Dadurch wird das Wachstum ermöglicht, solange der Biofilm dünn genug ist, um Licht durchzulassen, gefolgt von einem Wachstumsstopp, sobald das Licht den Biofilm nicht mehr ausreichend durchdringen kann. Mit diesem System werden wir untersuchen, ob und wie sich das Wachstum durch Anpassung der Lichtintensität oder der Verfügbarkeit steuern lässt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2494: Produktive Biofilmsysteme