Im Rahmen des beantragten Projektes wird die systematische Aufklärung von Struktur-Funktionszusammenhängen des zielgerichteten Metabolitentransfers in Multienzymkomplexen -- insbesondere auf Basis des Metabolic Channeling -- angestrebt. Eine wesentliche Rolle während aller Arbeitsschritte spielen multiskalige Modelingmethoden: Von der Nanostruktur auf Molekülebene, über die Mesostruktur in Mikrokompartimenten bis hin zur Makroskala, d.h. zum Gesamtprozess und dessen Optimierung. Ziel ist die Realisierung der notwendigen Basistechnologien für effiziente zellfreie enzymkatalysierte synthetische Reaktionskaskaden in vitro unter Ausnutzung dieser Channelingeffekte, um bisher auftretende effizienzmindernde Schwachpunkte, wie z.B. Intermediat-Diffusion und Feedback-Inhibierung, zu vermeiden. Die zu erreichenden Ziele stehen im Einklang mit den während der Fachgespräche von Oktober 2010 bis Januar 2012 formulierten Meilensteinen des BMBF-Strategieprozesses ''Biotechnologie 2020+''.

Fundamentals and process development of cell cultures for application in pharmaceutical industry

Ziel des Verbundprojekts ist es, eine Plattform-Technologie für die modell-gestützte Auslegung neuer Bioprozesse zur Nutzung minderwertiger organischer Abfälle für die Herstellung von flüchtigen Fettsäuren (VFA, wie Essig-, Propion-, Butter- und Valeriansäure) mittels Mischkulturfermentation zu entwickeln und in eine Semi-Pilotanlage zu implementieren. Dazu kommen folgende Methoden und Technik im Einsatz: Entwicklung eines bioenergetisch basierten kinetischen Models für die Vorhersagebevorzugter metabolischer Routen von Mischpopulationen; Unterstützung der experimentellen Untersuchungen durch gezielte Optimierung der Betriebsbedingungen anhand des Modells und Werkzeuge der Bioprozesstechnik; Optimierung der mikrobiellen Gemeinschaft für ein gewünschtes Produktspektrum und Produktausbeute durch gezielte Manipulation der Betriebsbedingungen; Erhöhung der Produktivität und Überwindung der Produktinhibierung durch Einsatz einer in-situ Produkttrennungstechnik; Entwicklung einer virtuellen Anlage zur Prozessauslegung für ausgewählte Produkte aus verschiedenen Susbtraten. Kooperationen: Universidade de Santiago de Compostela, Spanien VTT Technical Research Centre of Finland Ltd.

Both biology and engineering are entering new areas owing to rapid advances in enabling technologies such as genome sequencing, functional genomics, computation, microfluidics, nanotechnology, systems and synthetic biology. The cluster SynBio studies biological and technological fundamentals of synthetic biology as an emerging new field. In addition to better understanding natural bioprocesses synthetic biology particularly aims at generating efficient and interchangeable parts by molecular-biological and engineering tools or directly from natural biology by screening and assembling them into technologically artificial but useful biological systems. Synthetic biology has thus a high potential for applications such as targeted synthesis of biopharmaceuticals, sustainable chemical industry and energy generation, and production of smart (bio)materials. Parallels have been drawn between the design and manufacture of semiconductor chips in information and communication technologies (ICTs) and the construction of standardized biological parts (also called biobricks) in synthetic biology. Whereas semiconductor and microelectronics have revolutionized ICTs, it is expected that synthetic biology in combination with microfluidics and nanotechnology has similar impacts for biotechnology and life sciences in the near future. The structural and scientific objectives of SynBio are to establish an interdisciplinary and excellent research cluster in Hamburg with focus on studying fundamentals for developing novel synthetic biocatalytic pathways and systems with applications in biotechnology and life sciences.

Die Entwicklung und Optimierung biobasierter Produkte ist noch stark empirisch geprägt. Dazu werden häufig „Design of Experiment“ (DoE)-Methoden eingesetzt, die eine hohe Anzahl an zeitintensiven Experimenten erfordern. Die Konzeption, insbesondere die Eingrenzung des Parameterraumes, ist schwierig und die Aussagekraft häufig begrenzt. Die zentrale Projektidee besteht darin, modulare Software-Tools anzubieten, die DoE-Strategien mit mathematischen Prozessmodellen verknüpfen und somit den experimentellen Aufwand signifikant reduzieren und die Aussagekraft eines DoE entscheidend erhöhen. In der Sondierungsphase wurde der hohe Bedarf des Software-Tools abgeschätzt und in einer on-line Umfrage bestätigt. In der Machbarkeitsphase soll die Software-Toolbox zusammen mit den Partnern schrittweise entwickelt, evaluiert und ihre Leistungsfähigkeit an relevanten bioökonomischen Beispielprozessen demonstriert werden.

prot P.S.I. ist eine unternehmerisch geführte Forschungs- und Entwicklungsallianz im Rahmen des Förderprogramms „Innovationsinitiative industrielle Biotechnologie“. Das übergeordnete Ziel der strategischen Innovationsallianz prot P.S.I. ist, die industrielle Biotechnologie und somit eine Biologisierung in der Feinchemie durch branchenübergreifende Nutzbarmachung des Prozessparameters „Druck“ voranzutreiben. Hierzu haben sich die Allianzpartner durch koordinierte Zusammenarbeit entlang einer Wertschöpfungskette zur Aufgabe gesetzt, die kritische Stabilitätsgrenze von Proteinen und somit ihre Reaktivität bei (hohem) Druck zu identifizieren und für verfahrenstechnische Prozesse, primär im Bereich der industriellen Feinchemie, nutzbar zu machen. Durch die gewonnenen Erkenntnisse soll eine Steigerung von Prozess-Effizienzen erreicht werden, welche branchenübergreifend auch in anderen Bereichen der industriellen Bioprozesstechnologie und biokatalytischen Produktionsverfahren Anwendung finden kann. Das wesentliche Ziel des Teilprojektes C2 im Rahmen des Verbundprojektes prot P.S.I. ist die Entwicklung von softwarebasierten Werkzeugen für die Prozessentwicklung für Prozesse unter Druck, speziell enzymatische Prozesse. Hierzu werden von der Fa. IB Schoop sowie den AG´s Hass und Pörtner zunächst die Werkzeuge zum schnellen Prozesstransfer druckbeeinflusster biotechnischer Prozesse entwickelt und für Prozessleitsysteme (wie z.B. WinErs, WinCC) nutzbar gemacht. Hierzu gehört auch die Entwicklung neuer Regelungsstrategien und ggf. Algorithmen für biotechnische Prozesse unter Druck. In der ersten Phase wird der Schwerpunkt bei der Modellierung und Einbindung der Modellierung in WinErs (inkl. Parameterschätzung etc.) liegen, in der 2. Phase Fokus auf modellgestützter Prozessführung. Für das komplexe enzymatische System, das bei verschiedenen Bedingungen (Druck niedrig, hoch, suspendiert, immobilisiert, Strömungsrohr) ablaufen soll, stellt dies eine große Herausforderung und wurde in der Form in der Literatur auch noch nicht beschrieben. 1.) Enzymsysteme (einzeln und in Kombination gemäß C1) unter Normalbedingungen in Suspension und immobilisiert an suspendierten Trägern (experimentelle Umsetzung bei GALAB); 2.) Enzymsysteme (einzeln und in Kombination gemäß C1) unter Druck in Suspension und immobilisiert an suspendierten Trägern (experimentelle Umsetzung bei AG Liese, C1), 3.) Enzymsysteme in UHPLC gemäß C1) unter Druck (experimentelle Umsetzung in C1 bei AG Liese und GALAB) Die in C1 eingesetzten Enzyme werden von GALAB hergestellt. In C2 werden von GALAB reaktionskinetische Daten unter Normalbedingungen generiert und an AG´s Pörtner und Hass weitergegeben. Reaktionskinetische Daten unter Druck (Suspension und immobilisiert in UHPLC) werden von AG Liese in C1 ermittelt. Kooperationen: GALAB GmbH, HamburgIngenieurbüro Dr.-Ing. Schoop GmbHProf. Dr.-Ing. Volker C. Hass, HS Furtwangen

Crude glycerol (a side-product of biodiesel production) and cellulosic sugars (CLS) are renewable resources generated in continuously increasing quantities worldwide. Previous efforts in producing chemicals and fuels normally use either glycerol or CLS as substrate. However, biologically the use of blends of glycerol and CLS could achieve results which are either impossible with a single substrate or much superior compared to existing processes. This will be demonstrated in this project for the production of microbial oil (lipids, also called single-cell oil or SCO) in a novel bioprocess. SCO can be used for the production of high-quality biodiesel and other value-added nutritional or pharmaceutical products like polyunsaturated fatty acids (PUFAs). Here, we focus on the production of SCO and its further conversion to biodiesel with work ranging from fundamental understanding and optimization of SCO synthesis in selected microorganisms in laboratory to scale-up and demonstration in pilot plant up to 1000 L scale with an interdisciplinary approach. The knowledge and technology generated in this project can be extended to the generation of PUFAs and other products from blends of glycerol and CLS. Thus, this collaborative project will advance the technology for producing valuable nutritional substances and fuels from renewable materials in the frame of Bio-economy and Energy, two of the Priority Research Area of this Call. It also directly contributes to the major goals of the collaboration envisaged in the Call, i.e. to improve the competitiveness of the collaboration partners by combing the strength and expertise of the partners, to strengthen the links between research and industry through the participation of an industrial partner, last but not least to prepare the partners for the EU Framework Program Horizon 2020. Previous successful collaboration of the two academic partners will ensure a success again in this collaborative project on a timely and important topic with long-range impact.

For novel biocatalytic processes, there is a particular challenge in the complex, predominantly experimental process development due to complex, changeable substrates and complex process dynamics. Here, efficient, model-based process development strategies are required. Such approaches are currently not as important in the design of biocatalytic processes as in the large-scale chemical industry. In particular, pressure as a process-relevant variable in enzymatic reactions requires new solution concepts for process control. The planned project will develop and validate novel, model-based tools for process development and control for enzymatic biotechnological processes under high pressure. For this purpose, e.g. model-assisted experimental design to determine kinetic parameters, model-assisted design-of-experiment, or model-based process development and management strategies such as the Open Loop Feedback Optimal (OLFO) strategy will be applied. The goal is to combine these model-assisted approaches into an overall development strategy in order to make process development more efficient. While the TUHH, AG Pörtner reported initial results on this promising development strategy for microbial and cell culture processes, this has not yet been pursued for enzymatic processes.