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EUROMBR: Biotechnologie im geschrumpften Labor

EUROMBR ist ein europäisches Netzwerk von Doktorandinnen und Doktoranden sowie Postdocs, die in der Entwicklung und Anwendung von Bioreaktoren im Mikrometermaßstab (Mikrobioreaktoren) ausgebildet werden. Ziel von EUROMBR ist die Entwicklung innovativer Herstellungsprozesse in der Biotechnologie. Forschende im Field of Expertise Human & Biotechology der TU Graz veranschaulichen Vorteile von Mikrobioreaktoren anhand von Beispielen für effizientere biotechnologische Prozesse. Heutzutage werden Chemikalien wie Düngemittel, Pflanzenschutzmittel und Medikamente zunehmend biotechnologisch mit Hilfe von Enzymen hergestellt. Mit Hilfe von verkleinerten Bioreaktoren sollen diese Stoffe leichter, schneller und günstiger hergestellt werden können. Das Netzwerk EUROMBR wird im Rahmen des Marie Curie Integrated Training Network (ITN) der EU gefördert.

Bioreaktor – kontrollierte biologische Prozesse

Ein Bioreaktor ist ein Behälter, in dem unter kontrollierten Bedingungen biologische Prozesse ablaufen. Bestimmte Mikroorganismen oder Zellen werden unter möglichst optimalen Bedingungen in einer Nährlösung kultiviert. Damit sollen Zellen selbst, Teile von ihnen oder eines ihrer Stoffwechselprodukte gewonnen werden. Rohstoffe werden durch die Biokatalyse, das heißt durch Enzyme, die als Katalysator eine chemische Reaktion beschleunigen, in erwünschte Produkte umgewandelt. Ein Katalysator beeinflusst die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Mit Bioreaktoren können biologische Prozesse wie die Biokatalyse technisch nutzbar gemacht werden. Wirtschaftlich bedeutende biokatalysierte Prozesse sind beispielsweise die Herstellung von Vitamin C oder Antibiotika.

Mikrobioreaktor – Chemie im Miniformat

Mikrobioreaktoren (abgekürzt MBR) sind verkleinerte Bioreaktoren mit Strukturen im Mikrometermaßstab, das heißt im Tausendstel Millimeterbereich. Sie sind ein Spezialgebiet der Mikrofluidik oder Lab-on-chip Technologie. Im Vergleich zu herkömmlichen Bioreaktoren zeichnen sich Mikrobioreaktoren aufgrund ihres kleinen Volumens durch einen schnelleren Wärmetransport, eine verbesserte Reaktionskontrolle, ein geringeres Sicherheitsrisiko, einen geringeren Material- und Energieeinsatz und eine höhere Produktausbaute aus. Mikrobioreaktoren erlauben Experimente unter gut kontrollierbaren Versuchsbedingungen. Mikrobioreaktoren haben das Potenzial, in allen chemischen und biochemischen Anwendungen zum Einsatz zu kommen.

EUROMBR – Weiterbildung auf hohem Niveau

Im Rahmen des Netzwerks EUROMBR bilden führende Expertinnen und Experten internationale Doktorandinnen und Doktoranden sowie Postdocs in der Entwicklung und Anwendung von Mikrobioreaktoren aus. Im Rahmen der Ausbildung untersuchen Forschende der TU Graz die Nutzung von Enzymen in Mikrobioreaktoren und die Entwicklung von Sensoren für die Kontrolle.

Die Ausbildungsinhalte sind:

  • Herstellungsprozesse von Mikrobioreaktoren
  • Anwendung von Mikroreaktoren in der Biotechnologie
  • Nutzung von analytischen Techniken zur Prozesskontrolle
  • Computergestützte Modelle für die Simulation von Prozessen im Mikromaßstab

Die Forschungsaktivitäten

Im Netzwerk EUROMBR umfassen die Forschungsaktivitäten der TU Graz diese Arbeitsfelder: 

  • Nutzung von Enzymen in Mikrobioreaktoren:
    Hierzu werden neue Wege zur einfachen Immobilisierung von Enzymen in Mikroreaktoren untersucht. Enzyme und Moleküle zur Kopplung werden an die Wände der mikrofluidischen Systeme gebunden. Ziel ist die oftmals wertvollen Enzyme mehrfach zu verwenden und Prozesse zu optimieren.
  • Sensoren für die Prozessanalytik in Mikrobioreaktoren:
    Opto-chemische Sensoren werden in mikrofluidische Systeme integriert, um die Umsetzung 
    von Substanzen zu detektieren. Hierzu werden fluoreszierende Polymerfilme und Nanopartikel für Sauerstoff, pH, CO2 und Glukose zu entwickelt.
Bildquelle: commons.wikimedia.org

Foto eines Mikroreaktors in der Größe einer 1 Euro Münze. In den sogenannten mikrofluidischen Kanälen mit einer Größe von 10 bis 500 µm können chemische oder biokatalytische Reaktionen  durchgeführt werden.

Bildquelle: Torsten Mayr
Torsten Mayr, Projektleiter

Das Netzwerk EUROMBR bringt viele internationale Expertinnen und Experten aus unterschiedlichen Disziplinen zusammen, zum Beispiel aus Biotechnologie, Verfahrenstechnik, Mikrofluidik, Computersimulation und Sensorik. Die entwickelten miniaturisierten Werkzeuge werden helfen, Bioprozesse besser zu verstehen und deren Optimierung einfacher zu machen.

Bildquelle: Donya Valikhani
Donya Valikhani, Dokorandin am Institut für Biotechnologie und Bioprozesstechnik

EUROMBR bietet mir die Möglichkeit einer interdisziplinären Ausbildung durch internationalen Expertinnen und Experten. Noch dazu Forschungsaufenthalte von mehreren Wochen in anderen Laboren. Ich arbeite intensiv mit jungen Forschenden der Partnerorganisationen aus verschiedenen Ländern zusammen, Das transeuropäische Netzwerkprojekt schafft wissenschaftliche und soziale Beziehungen zwischen Industrie und Forschungslabor.

Mikroreaktor mit integrierten fluoreszierenden Sensoren, Bildquelle: Torsten Mayr

Mikroreaktor mit integrierten fluoreszierenden Sensoren und miniaturisiertem optischen Präzisionsauslesegerät (Lab-on-a-chip).

Bildquelle: Ixfactory, Dortmund

Vergrößerung eines Mikroreaktors mit integrierten Sensoren. Die mikrofluidischen Kanäle sind 100 µm breit und 400 µm tief. Die fluoreszierenden Sensorspots (türkis) haben einen Durchmesser von 200 µm. Durch die Kanäle werden die Substanzen geleitet die miteinander reagieren. Mit Hilfe der Sensorspots kann Sauerstoff und pH detektiert werden. Sensoren für CO2 und Glukose sind in der Entwicklung.

Bildquelle: Torsten Mayr

EUROMBR-Mitglieder bei einem Workshop über die Anwendung von Sensoren in Mikroreaktoren im September 2015 an der TU Graz.
Von links: Martin Viefhus (Micronit, Niederlande),
Gulsim Kulsharova (University College London), Ana Carolina Oliveira Fernandes (Technical University of Denmark), Michael M. Kingsten (Universität Ljubljana, Slowenien) und Shiwen Sun (TU Graz).

Bildquelle Torsten Mayr

EUROMBR-Mitglieder bei einem Workshop in der Steiermark im September 2015, im Hintergrund die Riegersburg

Bildquelle: Torsten Mayr – TU Graz

Das Team der TU Graz im EUROMBR Netzwerk:
von links: Shiwen Sun, Torsten Mayr, Donya Valikhani, Juan Bolivar und Bernd Nidetzky

 

 

Kontakt

Institut für Analytische Chemie und Lebensmittelchemie
Stremayrgasse 9/II
8010 Graz
www.analytchem.tugraz.at

Torsten MAYR
Assoc.Prof. Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.
Arbeitsgruppenleiter
Tel.: +43 316 873 32504
torsten.mayrnoSpam@tugraz.at

Zusammenarbeit macht erfolgreich

Um die Forschungsziele zu erreichen, kooperieren die Forschenden des Marie Curie ITN–Projekts EUROMBR im Field of Expertise Human & Biotechnology der TU Graz national und international mit zahlreichen Forschungseinrichtungen. 

Internationale Kooperationen

  • Cercell, Dänemark 
  • iX-factory, Deutschland 
  • Microfluidic Chipshop, Deutschland 
  • Micronit, Niederlande
  • Nanomyp, Spanien 
  • Technische Universität Braunschweig, Deutschland
  • Technische Universität Dänemark
  • Universität Ljubljana, Slowenien
  • Universität Magna Graecia Catanzaro, Italien
  • Universität Oulu, Finnland
  • University College London, Großbritannien

Nationale Kooperationen

  • Institut für Biotechnologie und Bioprozesstechnik, TU Graz
  • Institut für Analytische Chemie und Lebensmittelchemie, TU Graz