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Doktorand/in: Einfluss der Bioreaktorinhomogenität bei der Maßstabsvergrößerung mikrobieller Bioprozesse vom Labor- in den Produktionsmaßstab

Ausschreibendes Institut: IBG-1 - Biotechnologie
Kennziffer: D164/2017, Bioingenieurwesen, Biotechnologie, Bioverfahrenstechnik, Chemie, Biochemie

Die Industrielle Biotechnologie hat in den vergangenen Jahren eine rasante Entwicklung erlebt. In zunehmendem Maße werden Proteine, Chiralika und Feinchemikalien (z.B. Pharmaproteine- und Wirkstoffe, Chiralika, Pharma-Aminosäuren, Vitamine, etc.) sowie Bulk-Chemikalien (z.B. 1,3-Propan-Diol, L-Lysin, L-Glutamat, Ethanol, Succinat, Citronensäure etc.) über biotechnologische Verfahren gewonnen. Ein Grund dafür ist der Wechsel von petrochemischen zu nachwachsenden Rohstoffen.

Insbesondere für die Produktion von Wertstoffen in großen Produktionsmengen oder geringer Wertschöpfung besteht die Notwendigkeit zur mikrobiellen Produktion in großen Bioreaktoren mit einem Bioreaktorvolumen von 100 m3 Reaktorvolumen und mehr. Insbesondere für Bulk-Produkte mit niedrigen Marktpreisen besteht ein besonderer Druck zu großen Produktionsmaßstäben, um die Produktionskosten pro kg Produkt zu verringern.

Auf der anderen Seite erfolgt die Entwicklung mikrobieller Produktionsstämme und deren Bioprozessentwicklung typischerweise im Maßstab von Mikrotiterplatten, Schüttelkolben und Laborbioreaktoren. Bei der Übertragung erfolgreicher mikrobieller Produktionsprozesse vom Labor- in den Produktionsmaßstab kann es daher zu Unsicherheiten kommen, da sich die Umgebungsbedingungen der Mikroorganismen drastisch ändern. Im Unterschied zu den nahezu homogen durchmischten Laborbioreaktoren kommt es im Pilot- und Produktionsmaßstab zu einer zunehmenden Ausbildung von Gradienten für die Substratkonzentration und anderer Prozessgrößen. Insbesondere die geringe Sauerstofflöslichkeit in der flüssigen Phase führt hier zu oszillierenden Bedingungen in der Verfügbarkeit von Sauerstoff.

Solche Effekte der Inhomogenität lassen sich im Labormaßstab durch sogenannte „Scale-Down“ Simulatoren nachstellen. In der AG Bioprozesse und Bioanalytik sind solche Setups in der Vergangenheit durch Kombination eines gut durchmischten Rührkesselreaktors mit einem Strömungsrohrreaktor oder einem zweiten Rührkesselreaktor erfolgreich etabliert worden. Das zusätzliche Reaktionskompartiment wird hierbei zur Einstellung von Zuständen mit definierter Inhomogenität benutzt.

Dieses Setup soll am Beispiel eines Bacillus Stammes für die Proteinsekretion zur Untersuchung des Einflusses der Maßstabsvergrößerung auf den mikrobiellen Stoffwechsel und die Sekretionsleistung der Zellen eingesetzt werden. Das Zielprotein ist ein aktuelles Produkt des beteiligten Industriepartners und wird im großen Maßstab für Bäckereianwendungen produziert.

Neben der Bilanzierung und Charakterisierung der Kultivierungsexperimente im Labor-Bioreaktor und dem „Scale-Down“-Simulator wird die vergleichende metabolische Untersuchung der Zellen durch Anwendung von Omics-Methoden (Metabolomics, Proteomics, Transkriptomics) erfolgen. Das primäre Ziel der Arbeiten ist es zu untersuchen, inwiefern die Maßstabsvergrößerung und die damit einhergehende Bioreaktor-Inhomogenität einen Einfluss auf die mikrobielle Gewinnung des Produktes haben. Das Ziel ist es die daran beteiligten metabolischen Effekte und bioprozesstechnischen Einflüsse zu identifizieren und zur Verbesserung des Produktionsprozesses zu nutzen. In den Arbeiten eines Projektpartners sollen die großskaligen Produktionsbioreaktoren durch Computational Fluid Dynamics (CFD) Modelle abgebildet und simuliert werden. Auf dieser Basis wird ein maßgeschneidertes Scale-down Bioreaktorsetup ausgelegt und gegen den Produktionsmaßstab validiert werden.

Das Projekt wird im Rahmen der Förderung durch ERA CoBioTech (ERA-Net Cofund Action under H2020, https://www.cobiotech.eu/) zusammen mit Partnern aus EU-Ländern bearbeitet. Das Projekt ist sehr interdisziplinär und bedingt die Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren, (Bio-)Chemikern, Molekularbiologen und der Bioinformatik.

Die Finanzierung des 3-jährigen Projekts mit einer Vergütung nach 50% TVÖD E13 mit Zulage ist gegeben. Die Stelle kann ab sofort besetzt werden.

Literatur:
Limberg MH, Pooth V, Wiechert W, Oldiges M. 2016. Plug flow versus stirred tank reactor flow characteristics in two-compartment scale-down bioreactor: Setup-specific influence on the metabolic phenotype and bioprocess performance of Corynebacterium glutamicum. Engineering in Life Sciences 16(7):610-619.

Limberg MH, Schulte J, Aryani T, Mahr R, Baumgart M, Bott M, Wiechert W, Oldiges M. 2017. Metabolic profile of 1,5-diaminopentane producing Corynebacterium glutamicum under scale-down conditions: Blueprint for robustness to bioreactor inhomogeneities. Biotechnology and Bioengineering 114(3):560-575.

Anforderungen:
Hochschulstudium in Bioingenieurwesen, Biotechnologie, Bioverfahrenstechnik, Chemie, Biochemie oder vergleichbarer Disziplin mit Abschlussnote 2,0 oder besser. Für die Bearbeitung des Projektes ist ein Interesse im Bereich Bioverfahrenstechnik/Bioprozesstechnik von Vorteil aber nicht zwingend notwendig. Weiterhin wird die Fähigkeit zur Arbeit in einem interdisziplinären Team und einem internationalen Projekt vorausgesetzt.

Das Forschungszentrum Jülich möchte mehr Mitarbeiterinnen in diesem Bereich beschäftigen. Wir sind daher an der Bewerbung von Frauen besonders interessiert. Bewerbungen schwerbehinderter Menschen sind uns willkommen.

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Marco Oldiges
Forschungszentrum Jülich GmbH
Institut für Bio- und Geowissenschaften
IBG-1: Biotechnologie
Leo-Brandt-Straße
52425 Jülich

Tel.: +49 (0)2461-61-3951

e-mail: m.oldiges@fz-juelich.de

http://www.fz-juelich.de/ibg/ibg-1/EN/Research/SystemsBiotechnology/bioproc/bioproc_node.html

Bitte senden sie ihre vollständigen Bewerbungsunterlagen entweder per e-mail oder postalisch an obige Kontaktdaten. Für Rückfragen oder weitere Informationen können sie sich gerne telefonisch an mich wenden.


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