Forschungsschwerpunkt

Am Institut für Technische Mikrobiologie (TMI) entwickeln wir mikrobielle Prozesse, in denen organische Abfall- und Reststoffe sowie Kohlendioxid (CO₂) als Ausgangssubstrate für die Produktion von Plattformchemikalien genutzt werden. Diese Plattformchemikalien bilden die Grundlage für chemische Prozesse, die sie in Polymere oder Treibstoffe überführen. Im Mittelpunkt stehen die Dunkelfermentation und Cupriavidus necator H16 – ein chemolithoautotrophes Bakterium, das organische Säuren oder CO₂ elektrochemisch bzw. mit Wasserstoff als Kohlenstoffquelle nutzen kann.

Konkrete Arbeiten

• Metabolic Engineering von C. necator zur stereoisomerenreinen Produktion von meso-2,3-Butandiol (BDO) – einer Plattformchemikalie mit breitem industriellem Einsatzspektrum (Polymerproduktion mit der Gruppe Luinstra an der UHH, Flugzeugkraftstoffe mit IMDEA, Spanien)
• Genomische Integrationssysteme (promotorfreie, Transposon-basierte Integration von Biosynthesegenen) für stabile, plasmidfreie Produktionsstämme (Zusammenarbeit mit dem Start-up EveryCarbon)
• Adaptive Laborevolution (ALE) zur Steigerung von Substratnutzungseffizienz und Stresstoleranz (Zusammenarbeit mit Popp Feinkost)
• Kaskadennutzung: Kombination von elektrolytischer H₂-Erzeugung, autotrophem Wachstum und fermentativer Produktsynthese (DFG-SFB 1615 SMART Reactors)

Relevanz für die HTAD

Diese Arbeiten adressieren unmittelbar das HTAD-Ziel, biotechnologische Verfahren zur CO₂-Nutzung und zur Substitution fossiler Rohstoffe zu entwickeln. Durch die Verwertung biogener Reststoffe und industrieller CO₂-Ströme wird eine geschlossene Kohlenstoffkaskade realisiert, die den Anforderungen der Bioökonomie und der Nationalen Kreislaufwirtschaftsstrategie entspricht.

Forschungsschwerpunkt

Mikrobielle Elektrolysezellen (MECs) ermöglichen die biologisch katalysierte Oxidation organischer Verbindungen an einer Anode in Kombination mit elektrochemischer Wasserstofferzeugung an der Kathode. Wir untersuchen die mikrobiologischen und elektrochemischen Grundlagen dieser Systeme und entwickeln skalierbare Reaktorsysteme. Gemeinsam mit industriellen und wissenschaftlichen Partnern arbeiten wir daran, Kohlenstoff aus Abwasser mit dieser Technologie zu eliminieren.

Konkrete Arbeiten

• Charakterisierung des extrazellulären Elektronentransfers (EET) in Modellorganismen (DFG-geförderte Projekte)
• Proteinengineering der äußeren Membrancytochrome für verbesserte Elektrodeninteraktion und Sensoranwendungen (Exzellenzcluster BlueMat)
• Entwicklung optimierter Elektrodenarchitekturen (DFG-SFB 1615 SMART Reactors)

Relevanz für die HTAD

Wasserstoff aus Abwasser und organischen Reststoffen ist ein direkter Beitrag zur HTAD-Priorität klimaneutrale Energieerzeugung. Bioelektrochemische Systeme ergänzen den im HTAD adressierten Masterplan Wasserstoff um einen biologisch katalysierten, dezentralen Ansatz, der sich besonders für die Verwertung komplexer, verdünnter Substrate eignet.

Forschungsschwerpunkt

In der mikrobiellen Elektrosynthese (MES) werden Elektronen aus erneuerbarem Strom über die Kathode auf CO₂-fixierende Mikroorganismen übertragen. Wir erforschen die grundlegenden Mechanismen des kathodischen Elektronentransfers und entwickeln optimierte Reaktorkonzepte sowie Produktionsstämme.

Konkrete Arbeiten

• Bioelektrosynthese mit Rhodobacter capsulatus zur lichtgetriebenen CO₂-Fixierung (SOLAR-Projekt, deutsch-japanische Zusammenarbeit)
• Elektrochemisch unterstützte autotrophe Produktion mit Cupriavidus necator (BMFTR-Projekt STROMIKA)
• Untersuchung von c-di-GMP als regulatorischem Schalter zwischen planktonischem und biofilmbasiertem Wachstumsmodus in elektrochemischen Systemen
• Entwicklung genetischer Stabilitätssysteme (Addiction-Systeme) zur Sicherung der Produktionsstabilität über lange Fermentationszeiträume (BMFTR-Projekt FLAIR)

Relevanz für die HTAD

Die mikrobielle Elektrosynthese verbindet zwei HTAD-Schlüsseltechnologiefelder: Biotechnologie und klimaneutrale Energieerzeugung. Die direkte elektrochemische CO₂-Fixierung ermöglicht Power-to-X-Prozesse auf biologischer Basis und stellt einen innovativen Ansatz zur Sektorkopplung dar. Damit adressieren wir Kernziele der HTAD zur Dekarbonisierung der Chemieindustrie.

Forschungsschwerpunkt

Biofilme – strukturierte mikrobielle Gemeinschaften auf Oberflächen – bieten gegenüber planktonischen Kulturen fundamentale Vorteile für industrielle Bioproduktionsprozesse: höhere Zelldichten, verbesserte Stresstoleranz, kontinuierliche Betriebsweise ohne Zellrückhaltung sowie natürliche Immobilisierung. Wir koordinieren das DFG-Schwerpunktprogramm SPP 2494 (ProBioS) und erforschen die molekularen und systembiologischen Grundlagen produktiver Biofilme.

Konkrete Arbeiten

• Transkriptomische Analyse von Biofilmen und Identifikation von Zielgenen für die gezielte Biofilm-Steuerung (DFG-SPP 2494 ProBioS)
• Funktionalisierung von Elektrodenoberflächen zur Optimierung der Biofilm-Elektroden-Grenzfläche (BMFTR-Projekt STROMIKA)
• Streptomyces-Biofilme: Biosynthese, Zusammensetzung und ihr Potenzial als produktive Systeme in Rohrreaktoren (DFG-Projekt StrepBio2Films)
• Synthetische mikrobielle Gemeinschaften: Nutzung von Aufgabenteilung zur Steigerung von Effizienz und Robustheit in elektrochemischen Biofilmsystemen
• Reaktortechnische Umsetzung: SMART-Reactor-Konzepte für skalierbare, biofilmbasierte Produktionsprozesse

Relevanz für die HTAD

Produktive Biofilme sind eine Schlüsseltechnologie für die nächste Generation biotechnologischer Produktionsprozesse. Sie ermöglichen eine kontinuierliche, ressourceneffiziente Bioproduktion, die den industriellen Anforderungen an Skalierbarkeit und Prozessstabilität gerecht wird.

Forschungsschwerpunkt

Am Institut für Technische Biokatalyse (ITB) werden digitale und automatisierte Forschungs- und Entwicklungsplattformen für die beschleunigte Entwicklung biotechnologischer Produktionsprozesse aufgebaut. Im Mittelpunkt stehen automatisierte Versuchsdurchführung, datengetriebene Prozessoptimierung, standardisierte Forschungsdateninfrastrukturen sowie die Integration moderner Prozessanalytik in geschlossene Entwicklungs- und Regelkreise. Ziel ist es, Entwicklungszeiten zu verkürzen, die Reproduzierbarkeit biotechnologischer Prozesse zu erhöhen und den Einsatz Künstlicher Intelligenz in der Biotechnologie zu ermöglichen.

Konkrete Arbeiten

• Aufbau standardisierter Forschungsdateninfrastrukturen für biokatalytische Prozesse sowie Integration von EnzymeML und FAIR-Datenprinzipien in internationale Datenbanken (EnzymeML / BRENDA)
• Automatisierte Versuchsplanung, Datenauswertung und KI-gestützte Prozessoptimierung für Enzymreaktionen auf automatisierten Reaktionsplattformen (Automated Biocatalysis Platforms)
• Entwicklung datengetriebener Modelle und digitaler Zwillinge für klimaresiliente biotechnologische Produktionsprozesse (DFG-Graduiertenkolleg Climate-Informed Engineering)
• Verknüpfung von Inline-Analytik, automatisierter Reaktionsführung und Forschungsdatenmanagement zur beschleunigten Entwicklung neuer Biokatalysatoren (DFG-Projekt H₂-getriebene asymmetrische Biokatalyse)

Relevanz für die HTAD

Die Arbeiten adressieren unmittelbar die HTAD-Schwerpunkte Digitalisierung, Künstliche Intelligenz und Biotechnologie. Durch standardisierte Datenräume, digitale Zwillinge und automatisierte Entwicklungsplattformen werden Innovationszyklen beschleunigt und die technologische Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands in der industriellen Biotechnologie gestärkt.

Forschungsschwerpunkt

Am ITB werden innovative Methoden der Process Analytical Technology (PAT) zur Echtzeitüberwachung und Regelung biotechnologischer Prozesse entwickelt. Im Fokus stehen spektroskopische und kernmagnetische Verfahren, die eine kontinuierliche Erfassung von Reaktionsverläufen und Prozesszuständen ermöglichen. Die Kombination von Prozessanalytik, Datenintegration und Modellierung schafft die Grundlage für autonome und selbstoptimierende Produktionssysteme.

Konkrete Arbeiten

• Entwicklung von Online-Analytik für enzymatische (De-)Carboxylierungen in Deep Eutectic Solvents mittels FTIR- und NMR-Spektroskopie (DFG-Forschungsgruppe 5730, Teilprojekt SP8)
• Integration von FTIR-, UV/Vis- und NMR-Spektroskopie zur Echtzeitüberwachung enzymatisch schaltbarer Hybridmaterialien (Exzellenzcluster BlueMat)
• Entwicklung geschlossener Regelkreise und intelligenter Prozesssteuerungen auf Basis kontinuierlicher Prozessdaten (DFG-SFB 1615 SMART Reactors)
• Inline-Erfassung und modellgestützte Optimierung enzymatischer Prozesse in neuartigen Lösungsmittelsystemen und kontinuierlichen Reaktoren (FNR-Projekt SkaDES)

Relevanz für die HTAD

Die Verbindung von Prozessanalytik, Digitalisierung und datengetriebener Prozessführung schafft die Grundlage für die nächste Generation intelligenter Produktionssysteme. Die Arbeiten leisten einen wesentlichen Beitrag zur industriellen Transformation sowie zur Entwicklung ressourcen- und energieeffizienter Produktionsverfahren.

Forschungsschwerpunkt

Am ITB werden enzymatische und biokatalytische Verfahren zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe sowie industrieller Neben- und Reststoffströme entwickelt. Ziel ist die Schaffung neuer biobasierter Wertschöpfungsketten als Alternative zu fossilbasierten Produktionssystemen. Dabei werden nachhaltige Kohlenstoffquellen erschlossen und innovative Biokatalysatoren für industrielle Anwendungen entwickelt.

Konkrete Arbeiten

• Entwicklung einer neuen Plattform für die atomökonomische Herstellung chiraler Feinchemikalien auf Basis von Wasserstoff als Elektronen- und Protonendonor (DFG-Projekt H₂-getriebene asymmetrische Biokatalyse)
• Entwicklung enzymatischer Verfahren zur Herstellung biobasierter Wachse aus regional verfügbaren industriellen Nebenströmen und Getreideabfällen (Reststoffströme der Firma traceless; BMFTR-Projekt BioWachs)
• Skalierung enzymatischer Prozesse in Natural Deep Eutectic Solvents zur Herstellung von Biotensiden und chiralen Feinchemikalien (FNR-Projekt SkaDES)
• Nutzung von Reststoffströmen der Molkereiwirtschaft zur Herstellung alternativer Proteinprodukte durch Myzel-Fermentation und vollständige Verwertung der Nebenströme (BMEL-Projekt MolkProtMush)
• Entwicklung von Spezialenzymen zur Oxidation und Degradation von Kohlenwasserstoffen für nachhaltige Wasch- und Reinigungsverfahren (AiF-Projekt Spezialenzyme für Wasch- und Reinigungstechnologien)

Relevanz für die HTAD

Die Arbeiten leisten einen direkten Beitrag zur Nationalen Bioökonomiestrategie und zur Kreislaufwirtschaft. Durch die Nutzung erneuerbarer Rohstoffe und industrieller Nebenströme werden fossile Ressourcen substituiert und neue nachhaltige Wertschöpfungsketten geschaffen. Gleichzeitig entstehen innovative Produkte für die Chemie-, Konsumgüter- und Lebensmittelindustrie.

Forschungsschwerpunkt

Am ITB werden adaptive Produktionssysteme erforscht, die sich flexibel an veränderliche Rohstoffqualitäten, Energieverfügbarkeiten und klimatische Randbedingungen anpassen können. Hierzu werden Biokatalyse, Reaktionstechnik, Prozessanalytik und Digitalisierung in integrierten Systemen zusammengeführt. Ziel sind robuste, skalierbare und ressourceneffiziente Produktionsplattformen für die industrielle Bioökonomie.

Konkrete Arbeiten

• Entwicklung autonomer und adaptiver Reaktorsysteme für schwankende Rohstoff- und Prozessbedingungen (DFG-SFB 1615 SMART Reactors)
• Kontinuierliche bioelektrochemische Reaktorkaskaden zur Herstellung biobasierter Plattformchemikalien aus HMF und anderen erneuerbaren Rohstoffen (DFG-Projekt BioElectroFlow)
• Entwicklung und Scale-up neuer Reaktorkonzepte für enzymatische Prozesse in Natural Deep Eutectic Solvents bis in den Kilogramm-Maßstab (FNR-Projekt SkaDES)
• Entwicklung enzymatisch schaltbarer Hydrogele und Nanocellulose-Materialien als adaptive Funktionsmaterialien mit integrierter Prozessanalytik (Exzellenzcluster BlueMat)
• Integration hochauflösender Klimadaten in die Auslegung zukünftiger biotechnologischer Produktionssysteme (DFG-Graduiertenkolleg Climate-Informed Engineering)

Relevanz für die HTAD

Die Arbeiten adressieren zentrale HTAD-Ziele in den Bereichen industrielle Transformation, nachhaltige Produktion, Digitalisierung und klimaneutrale Wertschöpfung. Adaptive Reaktorsysteme ermöglichen resiliente Produktionsprozesse und schaffen die Grundlage für die industrielle Bioökonomie der Zukunft. Durch die Verknüpfung von Prozessintensivierung, Digitalisierung und Klimaanpassung entstehen neue Ansätze für nachhaltige und wettbewerbsfähige Produktionssysteme.

Forschungsschwerpunkt

Am Institut für Bioprozess- und Biosystemtechnik (IBB) werden produktive mikrobielle und zellkulturbasierte Bioprozesse entwickelt, die sich robust an dynamische Umgebungsbedingungen anpassen, wie sie besonders in großskaligen Bioreaktoren auftreten. Durch physiologische Untersuchungen auf verschiedenen zellulären Ebenen unter experimentell simulierten industriellen Bioprozessbedingungen wird ein vertieftes Prozessverständnis bereits vor der realen Skalierung erreicht – als Basis für die Entwicklung individueller Steuerungskonzepte.

Konkrete Arbeiten

• Kontrolle von durch Populationsheterogenität induzierten Schwankungen der Prozessleistung während der L-Phenylalanin-Produktion mit Escherichia coli (DFG-Projekt ProPHet2Con)
• Robustheit und Stabilität plasmidbasierter, antibiotikafreier Escherichia-coli-Kultivierung in industriellen Batch- und Fed-Batch-Prozessen (Projekt AntiFree, industrielle Forschung in Kooperation mit der Firma Gen-H)
• Analyse von Populationsheterogenitäten mit einem multiplen Reportersystem im Multikomponenten-Bioreaktor mit automatisierter Echtzeit-Durchflusszytometrie am Beispiel der L-Cystein-Produktion mit Escherichia coli (Projekt POP-UP Cys, industrielle Forschung in Kooperation mit der Firma Wacker)
• Untersuchung der metabolischen Belastung in Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae und Lactococcus lactis im industriellen Bioprozess (Teil des BMFTR-Projekts VERIBIO)
• Verbesserung der Bioprozesssteuerung von HEK293-F-Zellkulturen durch Identifizierung von Einflussfaktoren auf die Zellaggregation (Teil eines DFG-Projekts)

Relevanz für die HTAD

Die Arbeiten adressieren zentrale HTAD-Ziele in den Bereichen industrielle Bioökonomie, nachhaltige Produktion und industrienahe Forschung. Sie schaffen die Grundlage, um zukünftig vermehrt resiliente biobasierte Produktionsprozesse industriell zu etablieren.

Forschungsschwerpunkt

Am IBB wird das reproduzierbare Bereitstellen metabolisch aktiver Zellen mit therapeutischer Wirkung erforscht, die auch unter physiologischen Bedingungen robust und stabil sind.

Konkrete Arbeiten

• Digital-Twin-gestütztes Prozessdesign für NK-Zelltherapien (Übergangsphase zwischen zwei DFG-Projekten)
• Untersuchung der Stabilität von Fibroblasten in Hydrogelen (DFG-Projekt in Vorbereitung)

Relevanz für die HTAD

Die Arbeiten adressieren zentrale Themen der Gesundheitsforschung zur vermehrten Etablierung von Gen- und Zelltherapien und tragen zur Entwicklung im Bereich der personalisierten Medizin bei.