Dasgip bioreactors. Foto: UFZ

IMPACT – Integrierte mikrobielle Plattform für Analytik und Bioprozesstechnik

Die integrierte mikrobielle Plattform für Analytik und Bioprozesstechnik bietet Expertise und Infrastruktur in den Bereichen Kultivierung, Bioprozesstechnik und Analytik zur Untersuchung der mikrobiellen Leistungsfähigkeit in Reinkulturen, Co-Kulturen und komplexen Reaktormikrobiomen. Die Plattform ist in das Department Mikrobielle Biotechnologie (MIBITECH) eingebettet, dessen Schwerpunkt auf der Entwicklung nachhaltiger biotechnologischer Prozesse für eine biobasierte Kreislaufwirtschaft liegt.

Forschungsschwerpunkt

Unsere Plattform konzentriert sich auf die quantitative und qualitative Charakterisierung mikrobieller Prozesse. Dies umfasst:
  • Kultivierung und physiologische Charakterisierung heterotropher und autotropher Mikroorganismen
  • Fermentations- und Biotransformationsprozesse, einschließlich Redoxreaktionen und orthologer Stoffwechselwege
  • Analyse, Quantifizierung und Bilanzierung gasförmiger Verbindungen (wie N₂, O₂, H₂, Ethylen, Acetylen), einiger anorganischer Ionen sowie organischer Verbindungen in Lösung (wie Säuren, Alkohole, Zucker, Ketone, Aldehyde, Aminosäuren, Steroide und Fettsäuren), je nach Anwendung entweder als entsprechende Derivatisierungsprodukte oder in nativer Form
  • Metabolomik und Fluxomik unter Verwendung von GC-MS und LC/IC-HRMS

Kollaboration und Service

Unsere Plattform fördert aktiv interne und externe Kooperationen mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie. Wir unterstützen insbesondere Forschungsprojekte in folgenden Bereichen:
  • Überwachung von Bioprozessen in Bioreaktoren, einschließlich Versuchsplanung und Analysestrategie
  • Bioprozesstechnik, einschließlich Zufütterungs- und ISPR-Strategien
  • Metabolomik-basierte Phänotypcharakterisierung und entsprechende Arbeitsabläufe, einschließlich Probenahme, Methodenentwicklung für schwer nachweisbare Metaboliten, Messung und Datenanalyse
  • Untersuchung von Stoffwechselströmen und -aktivitäten mit Schwerpunkt auf Kohlenstoff- und Elektronenfluss
  • Integration von Analyse- und Prozessdaten in Modelle
 

Bioreaktor-Ausstattung und -Kapazität


Übersicht über die Kultivierungsgeräte

Gerät Kurzbezeichnung ungefähres Betriebsvolumen Verwendung für Anzahl Geräte
Dasgip bioreactors Dasgips 1.5 L Photo-/Heterotrophe 16 Geäßes
Labfors Flatpanel reactors FP 1.8 L Phototrophe 4 FP-Reaktoren
Labfors STR Lux STR Lux 2.0 L Phototrophe 2 Gefäße
Labfors STR STR 2.0 L Heterotrophe 2 Gefäße
Multifors 2 MF2 1.0 L Heterotrophe 6 Gefäße
Multicultivators MC 80 ml Phototrophe 7 Ein-heiten mit je 8 Röhrchen
Biolector 2 Biolector 1.5 mL Heterotrophe 48 well plate
Kurzbez. Kurzbeschreibung Hersteller
Dasgips Innenbeleuchtung durch LED-Leisten, 4 parallele STRs pro Einheit Eppendorf
FP Außenbeleuchtung durch LED-Panel, Einzelgeräte Infors
STR Lux OÜberkopf-Rührer mit Außenbeleuchtung durch LED-Gehäuse, Einzelgeräte Infors
STR Überkopf-Rührer, Einzelgeräte Infors
MF2 Von unten gesteuerter Magnetrührer, 6 parallele STRs Infors
MC Paralleles Röhrchenkultursystem, 8 Blasensäulen pro Einheit PSI Photon Instruments
Biolector Parallele Kultivierung in Deep-Well-Platten (OD-, pH- und DO-Sensoren in jedem Well) Beckman Coulter (M2P)

FP reactors. Source: UFZ  

  • 4 Flachplatten-Reaktoreinheiten
  • phototrophe Kultivierungen mit einem Nettovolumen von bis zu 1,8 l
  • batch, repeated batch, fed-batch, und kontinuierliche (chemostat) Kultivation
  • Prozesssteuerung über Temperatur, pH, pO2, Mischbegasung sowie Zuluft- und Abgasanalyse
  • externe Belichtung mit bis zu 3.000 µmol Photonen m-2 s-1

STR Lux Reactors

  • 2 Rührkesselphotobioreaktoranlagen
  • photo- und heterotrophe Kultivierungen mit einem Nettovolumen von bis zu 2,0 l
  • batch, repeated batch, fed-batch, und kontinuierliche (chemostat) Kultivation
  • Prozesssteuerung über Temperatur, pH, pO2, Mischbegasung sowie Zuluft- und Abgasanalyse 
  • externe Belichtung mit bis zu 1.500 µmol Photonen m-2 s-1

STR Lux Reactors Lab. Source: UFZ

Stirred tank reactors. Source: UFZ

  • 2 Rührkesselbioreaktoranlagen
  • heterotrophe Kultivierungen mit einem Nettovolumen von bis zu 2,0 l
  • batch, repeated batch, fed-batch, und kontinuierliche (chemostat) Kultivation
  • Prozesssteuerung über Temperatur, pH, pO2, Mischbegasung sowie Zuluft- und Abgasanalyse

MF2 reactors, image lab. Source: UFZ

  • 6 Rührkessel-
    bioreaktor-
    anlagen, Parallelbetrieb möglich
  • 3 x 2 Reaktoren, gesteuert in 3 Bioblöcken
  • heterotrophe Kultivierungen bei einem Nettovolumen von bis zu 1,0 l
  • batch, repeated batch, fed-batch, und kontinuierliche (chemostat) Kultivation
  • Prozesssteuerung über Temperatur, pH, pO2 und Mischbegasung
  • Abgasanalyse über Blue-Vary-Sensoren

Dasgip biorecators. Source: UFZ

  • 16 Rührkesselbioreaktoranlagen, Parallelbetrieb möglich
  • 4 x 4 Reaktoren, gesteuert in 4 Bioblöcken
  • photo- und heterotrophe Kultivierungen bei einem Nettovolumen von bis zu 1,0 l
  • batch, repeated batch, fed-batch und kontinuierliche (chemostat) Kultivation
  • Prozesssteuerung über Temperatur, pH, pO2 und Mischbegasung
  • Abgasanalyse via MS (verschiedene Analyten)
  • interne Beleuchtung durch LED-Leisten

 

Dasgip bioreactors, lab image. Source: UFZ

OFF-gas MS. Source: UFZ

  • An Dasgip-Bioreaktoren gekoppeltes Abgas-Massenspektrometer
  • Ankopplung an alle oben beschriebenen Reaktoreinheiten über ein 40-Wege-Multiportventil unter Verwendung eines Quadrupol-Massenfilters möglich
  • Gasanalyse mittels Faraday-Küvette oder eines empfindlicheren SEM-Detektors
  • simple gas analysis applications for offgas-analytes of interest
  • Einfache Gasanalyseanwendungen für relevante Abgasanalyten wie CO2, O2, N2, Luft, H2 usw.
  • Restgasanalyse, z. B. hinsichtlich Isotopenpeaks
  • Analyse komplexer Spezies unter Einbeziehung verschiedener Werkzeuge, von der NIST-Datenbank und Fragmentierungs-mustertabellen bis hin zu Spektralbibliotheken
  • globale und individuelle Scan-Modulation

Multicultivators. Source: UFZ

  • 8 parallel betriebene Blasensäulen
  • phototrophe Kultivierungen mit einem Nettovolumen von jeweils bis zu 70 ml
  • Prozesssteuerung über Temperatur, Mischgaszufuhr und OD
  • Zufütterungsoption (Turbidostat)
  • Aufzeichnung von Prozessdaten
  • Beleuchtungssteuerung
  • verschiedene Lichtspektren und -intensitäten, darunter 5 Sätze warmweißes Licht, 1 Satz kaltweißes Licht und 1 Satz individuell angepasster Wellenlängen

 

Biolector. Source: UFZ

  • Parallelkultivierung in 48-Well-Platten (Flowerplate), geeignet für Screenings
  • heterotrophe Kultivierungen mit einem Nettovolumen von jeweils bis zu 1,5 ml
  • Temperaturregelung
  • Messung von OD, pH und DO mittels Optoden
  • pH Bereich: 5,5 – 8,5Nachweis von Substraten/Produkten mittels Fluoreszenz 

Analytik-Ausstattung und -Kapazität


Unsere Plattform verfügt über insgesamt 16 Analysesysteme, die alle über eine zentrale Serverinfrastruktur für die Fernsteuerung und Datenauswertung miteinander verbunden sind. 

Lab: Analytical Instrumentation and Capacity. Source: UFZ
  • 4 GC-Systeme (Thermo Trace 1310-Serie)
  • Ausgestattet mit Wärmeleitdetektoren (TCD) und Flammenionisationsdetektoren (FID) sowie TriPlus 500 Headspace- und TriPlus RSH-Autosamplern für Headspace- oder Flüssiginjektionen
  • Anwendungen: Inertgase (N₂, O₂, H₂), leichte Kohlenwasserstoffe (Ethylen, Acetylen), flüchtige und halbflüchtige Verbindungen (Alkohole, organische Säuren, FFA)

  • 5 HPLC-Systeme (Thermo UltiMate 3000 und Thermo Vanquish)
  • Ausgestattet mit mehreren Detektoren: UV/DAD (Ultraviolett/Diodenarray-Detektoren), CAD (geladene Aerosol-Detektion), RID (Brechungsindex-Detektion) und FLD (Fluoreszenz-Detektion)
  • Anwendungen: Zucker (z. B. Glukose, Fruktose, Saccharose), organische Säuren (z. B. TCA-Zwischenprodukte), Alkohole, Ketone, Aldehyde, Aminosäuren (einschließlich derivatisierter Verbindungen)
Kationen-IC-System (Thermo Dionex Integrion)
  • ausgestattet mit einem Leitfähigkeitsdetektor
  • Anwendungen: anorganische Kationen (z. B. Natrium, Kalium, Ammonium)
Anionen-IC-System (Thermo Dionex ICS-6000)
  • Ausgestattet mit Leitfähigkeits- und elektrochemischen Detektoren
  • Anwendungen: anorganische Anionen (z. B. Nitrat, Sulfat, Sulfid), organische Säuren (z. B. Acetat, Lactat) und Zucker
  • Anionen-IC-HRMS-System (Thermo Dionex ICS-6000-System gekoppelt an Thermo Exploris 240 Orbitrap HRMS) unter Verwendung der Anionenaustauschtechnik
  • Anwendungen: gezielte und ungezielte Metabolomik, organische Säuren, Zuckerphosphate, Coenzyme-A-Derivate (CoA), Nukleotid-Redox-Coenzyme

 

  • UHPLC-HRMS-System (Thermo Vanquish UHPLC-System gekoppelt an eine Thermo Exploris 240 Orbitrap)
  • Betrieb mit HILIC- oder reversed-phase-Trenntechniken
  • Anwendungen: gezielte und nicht gezielte Metabolomik, Aminosäuren, Fettsäuren 
  • GC–MS-System (Thermo Trace und ISQ 7000)
  • Headspace- und Derivatisierungsmöglichkeiten
  • Anwendungen: Metabolomik, Fluxomik, Aminosäuren, Fettsäuremethylester (FAMEs), Identifizierung unbekannter Verbindungen (NIST-Bibliothek, SIM/Full-Scan)
  • Echtzeitanalyse gelöster Gase (z. B. O₂, CO₂, H₂)