Bioreaktoren mit massenspektrometrischer Gasanalytik

• Fachliche Zuordnung: Mikrobiologie, Virologie und Immunologie
• Förderung: Förderung in 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 569502488

Die Untersuchung des Wachstums von Mikroorganismen und ihrer vielfältigen Stoffwechselleistungen bedarf verschiedener Kultivierungsmethoden. Insbesondere um die Parameter der mikrobiellen Ganzzellkatalyse zur Produktion von industriell relevanten Plattformchemikalien und Brennstoffen zu untersuchen, müssen neben batch-Ansätzen kontinuierliche, insbesondere auch pH-kontrollierte Kultivierungen in Bioreaktoren durchgeführt werden. Beispielhaft für in der Arbeitsgruppe untersuchte Prozesse seien hier genannt die Umsetzung von Algen- oder Pflanzenpolymeren zu organischen Säuren und Gasen (Wasserstoff, H2 sowie Kohlendioxid, CO2) durch gärende Mikroorganismen genannt, sowie die Umsetzung von Gasen (H2/CO2) durch acetogene Mikroorganismen unter anoxischen Bedingungen. Die Experimente in diesen wissenschaftlichen Kontexten sollen in einem Bioreaktor-System mit vier parallelen Minireaktoren erfolgen, die unabhängig voneinander steuerbar sind, um die zeitgleiche Untersuchung von Replikaten oder von unterschiedlichen Stämmen und Arten unter gleichen Bedingungen zu ermöglichen. Zum Studium der Acetogenese sowie der Zuckerverwertung durch thermophile Mikroorganismen unter anderem durch Thermoanaerobacter kivui bzw. Thermotoga maritima sind die Bioreaktoren auch bei hohen Temperaturen im Bereich von 60–80°C im kontinuierlichen und im batch-Modus zu betreiben. Die Möglichkeit der pH-Kontrolle (und -Steuerung) ist notwendig, um eine Wachstumshemmung durch Säurebildung zu verhindern und höhere optischen Dichten bei gesteigertem Produktumsatz zu erzielen. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt unserer Arbeitsgruppe ist die Laborevolution thermophiler Mikroorganismen, mit Blick auf deren biotechnologische Nutzung, aber auch zur grundlegenden Erforschung ihrer Adaptationsmechanismen hin zu Wachstum bei niedrigeren Temperaturen. Niedrigere Wachstumstemperaturen bedingen zunächst verminderte Wachstumsgeschwindigkeiten. Hier erlaubt eine kontinuierliche Langzeit-Kultivierung im Turbidostat-Modus eine geregelte Nährstoffzufuhr, ohne dass die Biomasse aus dem Kultivierungsgefäß ausgewaschen wird. Anoxische Bedingungen mit gewünschter Gas-Atmosphäre (N2, H2 / CO2) werden durch geregelte Zufuhr ein oder mehrerer Gase hergestellt. Zur Quantifizierung der Gasnutzung bzw. der Gasproduktion werden kontinuierlich und parallel die Konzentrationen der Gase H2, CO2, N2, CH4, und O2 im Ausstrom aller Bioreaktoren über ein gekoppeltes Gasmassenspektrometer gemessen. Die Anschaffung eines multiplen Bioreaktorsystems mit nachgeschalteter Gasmassenspektrometrie ermöglicht somit die Erforschung der Physiologie einer Vielzahl aerober und anaerober Mikroorganismen sowie deren Kultivierung unter verschiedenen Bedingungen (batch, kontinuierlich: Chemostat, Turbidostat; pH-kontrolliert). Es handelt sich um eine zukunftsweisende Plattformtechnologie für die mikrobiologische Grundlagen- und angewandte Forschung im Institut für Biowissenschaften der Universität Rostock.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Bioreaktoren mit massenspektrometrischer Gasanalytik
• Gerätegruppe: 3520 Bakterien-Zuchtgeräte, Fermenter
• Antragstellende Institution: Universität Rostock
• Leiter: Professor Dr. Mirko Basen