Optimierung der Astaxanthin-Produktion mit C. glutamicum in einer zweistufigen kontinuierlichen Bioreaktor-Kaskade

=== English version below ====

Über uns: Die Arbeitsgruppe „Mikrosysteme in der Bioverfahrenstechnik" an der Fakultät für Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik (CIW) des KIT widmet sich der Integration mikrofluidischer Technologien in die Bioprozessforschung.
Die Untergruppe BIOSCALE konzentriert sich auf die Bioprozessentwicklung in Rührkesselreaktoren im Labormaßstab (3,7 L). Zu den Kernaktivitäten zählen die mikrobielle Kultivierung unter kontrollierten Bedingungen, die Prozessüberwachung sowie die systematische Evaluierung von Prozessparametern zum besseren Verständnis und zur Optimierung biotechnologischer Produktionssysteme. Kontinuierliche Fermentationen bilden dabei einen zentralen Forschungsschwerpunkt, da sie gegenüber traditionellen Fermentationsverfahren bedeutende Vorteile bieten.

Projekthintergrund: Die wachsende Nachfrage nach hochwertigen, von fossilen Ressourcen unabhängigen Verbindungen treibt die Entwicklung besserer Bioprozesse voran. Astaxanthin, ein rotes Carotinoid-Pigment, das derzeit in Kosmetik und Futtermitteln eingesetzt wird, besitzt aufgrund seiner starken antioxidativen Eigenschaften großes Potenzial für Nahrungs- und Pharma-Anwendungen. Algenbasierte sowie synthetische Produktionsverfahren weisen jedoch erhebliche Nachteile auf.
In Corynebacterium glutamicum werden Wachstum, Vorstufen-Bildung und Astaxanthin-Synthese von unterschiedlichen Stoffwechselwegen mit jeweils eigenen pH-Optima gesteuert. Da es sich bei Astaxanthin um ein Sekundärmetabolit handelt, profitiert dessen Synthese von Bedingungen, die sich von denen der Biomassebildung unterscheiden. Vorangegangene Arbeiten etablierten eine zweistufige, aus zwei Reaktoren bestehende Kaskade sequenzieller kontinuierlicher Kultivierungen, die Wachstums- und Produktionsphase räumlich trennt, sodass beide unter ihren jeweils optimalen Bedingungen ablaufen können, um die Effizienz der Astaxanthin-Produktion zu steigern. Verschiedene Verdünnungsraten und Fütterungsschemata wurden bereits getestet, um eine Richtung für die weitere Optimierung zu finden.

Projektziel: Mit diesem neu etablierten kontinuierlichen Aufbau erscheint es möglich, die bisher höchste in der Literatur beschriebene volumetrische Produktivität basierend auf einem Fed-Batch-Prozess zu übertreffen. Dies würde zur Entwicklung eines Prozesses führen, der die Vorteile kontinuierlicher Fermentation mit höheren Raum-Zeit-Ausbeuten vereint. Mögliche Optimierungsansätze umfassen individuelle, reaktorspezifische Anpassungen von Glukose-Fütterungsschema, Verdünnungsraten und Sauerstoffversorgung.

Deine Aufgaben:

• Kultivierung von Corynebacterium glutamicum in Schüttelkolben und Rührkesselbioreaktoren
• Individuelle Parameter- und Aufbau-Evaluierung, sowie Optimierung
• Quantifizierung von Carotenoiden mittels HPLC
• Dokumentation von Experimenten und Ergebnissen

Dein Profil:

• Studium im Bioingenieurwesen oder ähnlichem
• Ausgeprägtes Interesse an Prozessentwicklung und -optimierung
• Freude an praktischer, experimenteller Problemlösung
• Hohe Motivation

Kontakt:
Jonas Lange
Tommy Fischer

Microsystems in Bioprocess Engineering
Karlsruher Institute of Technology

E-Mail:
jonas lange ∂does-not-exist.kit edu 
tommy.fischer@kit.edu 

Optimization of astaxanthin production with C. glutamicum in a two-stage continuous bioreactor cascade

About us: The "Microsystems in Bioprocess Engineering" group at the CIW Faculty of KIT is dedicated to integrating microfluidic technologies into bioprocess research. 
The BIOSCALE group is a subgroup within this research unit and focuses on bioprocess development in laboratory-scale stirred-tank reactors (3.7 L). Core activities include microbial cultivation under controlled conditions, process monitoring, and the systematic evaluation of process parameters to better understand and optimize biotechnological production systems. Especially continuous fermentations are a key part of our research area as they provide valuable advantages over more traditional fermentation modes such as lower downtime and higher process parameter control.

Project-Background: Growing demand for high-value compounds independent of fossil resources drives the development of superior bioprocesses. Astaxanthin, a red carotenoid pigment currently used in cosmetics and feed, holds great potential for nutraceutical and pharmaceutical applications due to its strong antioxidant properties. Algal and synthetic production have significant shortcomings though.
In Corynebacterium glutamicum, growth, precursor formation, and astaxanthin synthesis are governed by distinct metabolic pathways with different pH optima for growth, precursor and astaxanthin formation. As a secondary metabolite, astaxanthin synthesis benefits from conditions distinct from those driving biomass formation. Prior work established a two-stage, two-reactor cascade of sequential continuous cultivations, separating growth and production phases spatially to allow each to proceed under its optimal conditions for enhanced astaxanthin production efficiency. Different dilution rates and feeding schedules have already been tested to find a direction towards further optimisation.
Project aim: With this newly established continuous setup, surpassing the highest volumetric productivity thus far described in literature based on a fed-batch process, seems possible, leading to the development of a process capable of uniting the benefits of continuous fermentation paired with superior space-time-yields. Possible ways of optimisation include individual per reactor adjustments to glucose feed schedule, dilution rates, and oxygenation.

Your tasks:

• Cultivation of Corynebacterium glutamicum in shake flasks and stirred tank bioreactors
• Individual parameter and setup evaluation as well as optimisation
• Carotenoid quantification using HPLC
• Reporting of experiments and results

Your qualification:

• Studying Bioengineering or similar
• Strong interest in process development and optimisation
• Affinity for hands-on tinkering and problem-solving
• High motivation

Contact:
Jonas Lange
Tommy Fischer

Microsystems in Bioprocess Engineering
Karlsruher Institute of Technology

E-Mail:
jonas lange ∂does-not-exist.kit edu 
tommy.fischer@kit.edu