Unser Forschungsschwerpunkt
In BioMat lernen wir von genialen Designs, Konzepten und Anwendungen, die in der Natur zu finden sind, um einzigartige hybride lebende Materialien (HLMs) unter Verwendung von Biofilmen zu entwickeln. Diese Entwicklungen werden durch die Kombination der folgenden biologischen und technischen Aspekte vorangetrieben:
- Entwicklung mikrobieller Konsortien zur Ausnutzung der metabolischen Plastizität photoautotropher, heterotropher und methanotropher Stämme, um ein Maximum an CO2 und/oder CH4 und Sonnenstrahlung zu ernten. Auf diese Weise können die natürlichen Ressourcen maximal genutzt und energie- und kosteneffiziente HLM-Systeme für Produktionszwecke eingerichtet werden.
- Verwendung von mikrobiellen Biofilmen und damit Nutzung der Eigenschaften der Selbstimmobilisierung, Selbstregeneration und Selbstanpassung, um Biomasse zu erhalten und eine Kultur mit hoher Zelldichte, sogenannter High-Cell-Density (HCD) zu erzeugen. Hier wollen wir strukturierte mikrobielle Gemeinschaften in stabilen Biofilmen für eine effiziente Umwandlung von Licht in chemische Energie entwickeln.
- Entwurf und Bau von Biofilm-basierten Reaktormodulen zur Erzeugung von HCD-Kulturen für die kontinuierliche Produktion von Chemikalien und Energieträgern. Gleichzeitig werden wir Prototypen konstruieren, die die Vergrößerung von HLMs unter Verwendung des Numbering-up-Ansatzes zur Verbesserung der katalytischen Oberfläche und des Produktdurchsatzes demonstrieren.
Unsere Projekte
REPLACER: Recycling von Kunststoffen und Entwicklung hybrider lebender Materialien
Das innovative Konzept von REPLACER besteht darin, erneuerbare lebende Materialien mit porösen recycelten Kunststoffen zu kombinieren, um neue nachhaltige Technologien zu entwickeln. Wir werden synergistische mikrobielle Biofilm-Konsortien in porösen Kunststoffgerüsten kultivieren, die Treibhausgase wie Kohlendioxid und Methan binden und
mikrobielle Proteine als Mehrwertprodukte produzieren.
gefördert durch:
- M-ERA.NET
Principal Investigator (PI)
Dr. Ing. Rohan Karande (Koordinator), Prof. Dr. Tilo Pompe, Prof. Dr. Frank Cichos, Prof. Dr. Oskar Hallatschek, Dr. Susanne Ebitsch
Partner
- qCoat GmbH Leipzig
- Holisun SRL Romania
- Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V. (IOM)
- University of Latvia
Beirat
- Puevit GmbH
- Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (SMWA)
- Universität Leipzig, Stabstelle Chancengleichheit der UL
Laufzeit
05.06.2023 – 31.05.2026
LigNylon: Elektrochemische Hydrierung von aus Lignin gewonnenen Mischungen von aromatischen Verbindungen für die mikrobielle Synthese von Nylon Monomeren
LigNylon ist ein kosteneffizientes und nachhaltiges Verfahren für biobasierte Monomere für Nylon, dem am häufigsten vorkommenden synthetischen Textil. Es werden erneuerbare Ausgangsstoffe und elektrische und elektrische Energie anstelle fossiler Ressourcen genutzt und ein Verfahren im Labormaßstab entwickelt, das an technische Größenordungen heranreicht.
gefördert durch:
- Helmholtz transbig
Principal Investigator (PI)
Dr. Ing. Rohan Karande, Prof. Dr. Tilo Pompe
Partner
- Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH – UFZ (Prof. Harnisch, Projektleiter)
- Domo Caproleuna GmbH
Laufzeit
01.10.23 − 30.09.2025
Analyse und Prognose komplexer mikrobieller Gemeinschaften in hybrid lebenden Materialien1D6F88
gefördert durch:
- Seed Funding SCADS.AI
Principal Investigator (PI)
Prof. Dr. Frank Cichos
Partner
- Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften (Dr. Nico Scherf)
Laufzeit
01.10.2023 − 31.12.2024
LivMat: Produktive katalytische lebende Materialien – Kombination von fibrillären 3D-Membranen auf Biobasis mit synthetischen mikrobiellen Konsortien zur Herstellung von Chemikalien
In der Natur werden Materialien mit einzigartigem erneuerbarem, wiederverwertbarem und biologisch abbaubarem Potenzial aus natürlichen Ressourcen hergestellt und weiterentwickelt, um die effektivsten Designs und Systeme bereitzustellen. Solche in der Natur entstandenen Konzepte und Systeme bilden die Grundlage für das LivMat-Projekt zur Entwicklung katalytischer lebender Materialien (cat-LMs) und zur Überwindung grundlegender Effizienz-, Robustheits- und Skalierbarkeitsprobleme im Zusammen-hang mit dem derzeitigen Stand der Technik.
Spezifische Innovationsziele und Ergebnisse: Das LivMat-Projekt zielt darauf ab, biobasierte poröse 3D-Materialien mit synthetischen mikrobiellen Konsortien zu generieren (catalytic living materials, cat LM), um nachwachsende und Abfallbasierte Ressourcen umzusetzen und kontinuierlich Chemikalien zu synthetisieren. Diese Entwicklungsarbeit wird unterstützt durch den Einsatz einer Plattform basierend auf künstlicher Intelligenz (KI). Als Ergebnis wird das LivMat-Team Bioreaktoren auf der Basis von cat-LMs bis TRL 5 für die kontinuierliche Produktion von biobasierten Monomeren (mindestens 100 g), wie Adipinsäure oder ɛ-Caprolacton, als Modellverbindungen demonstrieren und skalieren. Somit unterstützt das LivMat-Projekt den Übergang zur Kreislaufwirtschaft und den europäischen Green Deal, indem es material- und energieeffiziente Bioreaktorplattformen auf der Basis von cat-LMs entwickelt, die über den derzeitigen Stand der Technik für die chemische Produktion hinausgehen. In Zukunft könnten diese cat-LM-Bioreaktoren für Anwendungen in der Umwelt-, Weltraum- oder Biotechnologie angepasst werden.
Erforderliche Maßnahmen: Das LivMat-Projekt profitiert von einem interdisziplinären Netzwerk, welches über Expertisen sowohl im Bereich katalytischer Mikroorganismen, als auch auf dem Gebiet des Materialdesigns verfügt und dadurch die Entwicklung von funktionalen mikrobielle Konsortien für die chemische Produktion ermöglicht. Die interdisziplinäre Kombination von exzellenter Grundlagenforschung und angewandter Wissenschaft sind nötig um innovative cat-LM-Anwendungen und robuste und effiziente nachhaltige Technologien für die chemische Synthese zu entwickeln.
Auswirkungen und potenzieller Nutzen: Die gesamte Entwicklung von cat-LMs und ihre Anwendungen zur Herstellung von Biomonomeren wie ɛ-Caprolacton und Adipinsäure, einschließlich der CO2-Sequestrierung, werden im Rahmen der verantwortungsvollen Forschung und Innovation (RRI) einer Ökobilanz unterzogen. Dies wird es uns ermöglichen, die Umweltauswirkungen abzuschätzen und den sozio-ökologischen Nutzen und den Einfluss auf die globale Nachhaltigkeitsziele (SDGs 2, 9, 12 und 13) abzuschätzen.
gefördert durch:
- M-ERA.NET
Principal Investigator (PI)
Dr. Ing. Rohan Karande (Koordinator), Dr. Susanne Ebitsch (Projektmanagement), Prof. Dr. Tilo Pompe, Prof. Dr. Frank Cichos
Partner
- Solaga GmbH Leipzig / Berlin
- Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH – UFZ, (Prof. Dr. Katja Bühler)
- Istanbul Technical Univeristy
- Kaunas University of Technology
- University of Latvia
Assoziierte Partner
- WEARONICS Technology Ltd.
- Association of the Chemicals Industry (VCI)
- biosaxony e.V.
- iDiv Research Greenhouse
Laufzeit
01.07.2024 – 30.06.2027
BIOWIN: AI-supported biotechnology for resource-efficient active ingredient and bio-nylon production
The main objective of the project is the development of innovative and sustainable technologies for the production of active ingredients and chemicals based on renewable resources. Today’s pharmaceutical and chemical industry is mainly based on energy-intensive petrochemicals and is therefore facing a fundamental shift towards the energy- and land-efficient utilisation of renewable resources. The dependence on fossil energy and rising energy prices are currently directly affecting our industry. BASF, for example, recently closed two energy-intensive ammonia plants at its Ludwigshafen site and announced the loss of 2,600 jobs. This project aims to develop resource- and energy-efficient bioprocesses with the help of artificial intelligence (AI) and in-silico modelling. This includes two product areas, the antifibrinolytic active ingredient ε-aminocaproic acid (ACA) and monomers as building blocks of bio-nylon.
The production strategies for both product classes are based on the same artificial metabolic pathways (in vivo cascades) developed at the UFZ and Leipzig University, which are to be further optimised and brought into suitable process setups. The development of the process setups is supported by or based on AI approaches.
Funding source
- SAB /JTF Joint project
Principal Investigator (PI)
Dr. Ing. Rohan Karande
Partners
- Helmholtz Centre for Environmental Research – UFZ (Prof. Bruno Bühler, Coordinator)
- Max Planck Institute for Human Cognitive and Brain Sciences (Dr. Nico Scherf)
Duration
01.04.2024 − 30.06.2026
SPP 2451: Konstruierte lebende Materialien mit adaptiven Funktionen
Kombination von stimuli-responsiven Hydrogelen und gerüstgestützten mikrobiellen Biofilmen für eine selbstkontrollierte katalytische Aktivität eines mikrobiellen Blattes
gefördert durch:
- DFG SPP 2451
Principal Investigator (PI)
Prof. Dr. Tilo Pompe, Dr. Ing. Rohan Karande
Partner
- Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V. (IOM), Dr. Agnes Schulze
Laufzeit
01.04.2024 − 31.03.2027
Unser Team
LEITER DER GRUPPE
Dr. Rohan Karande
Telefon: +49 341 97-36593
E-Mail
Institut für Biochemie
Johannisallee 21-23
04103 Leipzig
Wissenschaftlicher Werdegang
Since 2021
Junior Research Group Leader “Bioactive systems for controlled evolutionary materials”, Interfaculty Centre for Bioactive Matter (bACTmatter), University of Leipzig, Germany
Since 2021
Guest scientist at the Department of Solar Materials (SoMa),
Helmholtz Centre for Environmental Research, Leipzig, Germany
2014 – 2021
Scientist at the Department of Solar Materials (SoMa), Helmholtz Centre for Environmental Research, Leipzig, Germany
2012 – 2014
Post-doctoral Researcher at the Laboratory of Chemical Biotechnology, TU Dortmund University, Dortmund, Germany
2007 – 2012
Dissertation at the Laboratory of Chemical Biotechnology,
TU Dortmund University, Dortmund, Germany
2004 – 2007
Master of Science in Chemical Engineering (M. Sc.) with specialization in Biochemical Engineering, TU Dortmund University, Dortmund, Germany
1999 – 2003
Bachelor in Chemical Engineering (B.E), Shivaji University (P.V.P Institute of Technology), Kolhapur, India
Ausgewählte Publikationen
- Bretschneider L, Heuschkel I, Bühler K, Karande R, Bühler B Rational orthologous pathway and biochemical process engineering for adipic acid production using Pseudomonas taiwanensis VLB120. Metabolic Engineering, accepted
- Bretschneider L, Heuschkel I, Ahmed A, Bühler K, Karande R, Bühler B
Characterization of different biocatalyst formats for BVMO-catalyzed cyclohexanone oxidation
Biotechnology and Bioengineering - Salamanca D, Bühler K, Engesser K-H, Schmid A, and Karande R*
Whole-cell biocatalysis using the Acidovorax sp. CHX100 Δ6HX for the production of ω-hydroxycarboxylic acids from cycloalkanes. New Biotechnology, 2021, 60, 200-206. - Heuschkel I, Hanisch S, Volke D, Löfgren E, Hoschek A, Nikel P, Karande R, and Bühler K Continuous production of polycaprolactone monomers from cyclohexanone using engineered Pseudomonas taiwanensis VLB120 biofilms in drip-flow and rotating bed reactors Engineering in Life Sciences, 2021.
- Bretschneider L, Wegner M, Bühler K, Bühler B, and Karande R
One-pot synthesis of 6-aminohexanoic acid from cyclohexane using mixed-species cultures
Microbial Biotechnology, 2020, 1-15 - Heuschkel I, Dagini R, Karande R, and Bühler K The impact of glass material on growth and biocatalytic performance of mixed-species biofilms in capillary reactors for continuous cyclohexanol production Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2020, 8, 1090-1100
- Hoschek A, Heuschkel I, Schmid A, Bühler B, Karande R, and Bühler K
Mixed-species biofilms for high-cell-density application of Synechocystis sp. PCC 6803 in capillary reactors for continuous cyclohexane oxidation to cyclohexanol
Bioresource Technology, 2019, 282, 171-178 - Karande R, Salamanca D, Schmid A, and Buehler K Biocatalytic conversion of cycloalkanes to lactones using an in-vivo cascade in Pseudomonas taiwanensis VLB120 Biotechnology and Bioengineering, 2018, 115, 2, 312-320
- Karande R, Schmid A, and Buehler K
Applications of multiphasic microreactors for biocatalytic reactions
Organic Process Research & Development, 2016, 20, 361-370 - Karande R°, Halan B°, Schmid A, and Buehler K*
Segmented flow is controlling the growth of catalytic biofilms in continuous multiphase microreactors
Biotechnology and Bioengineering, 2014, 111, 1831-1840
°These authors contributed equally to this work - Karande R, Schmid A*, and Buehler K
Miniaturizing Biocatalysis: Enzyme-catalyzed reactions in an aqueous/organic segmented flow capillary microreactor
Advanced Synthesis and Catalysis, 2011, 353, 2511-2521
Patente
- WO/2020/052762
A composition of photoautotrophic microorganisms and chemoheterotrophic microorganisms in a biofilm
Karande R, Hoschek A, Heuschkel I, Bühler K, and Schmid A
2018 - WO/2018/046104
Microorganisms and a method for the production of lactones and their secondary products by converting cycloalkanes
Karande R, Salamanca D, Engesser K-H, Buehler K, and Schmid A
2016 - WO/2012/152337
Segmented flow biofilm reactor
Schmid A, Buehler K, and Karande R
2010
DOKTORANDEN
M.Sc. Nina Siebert
Institut für Biochemie
Johannisallee 21-23
04103 Leipzig
Dipl.-Ing. Alexander Franz
Institut für Biochemie
Johannisallee 21-23
04103 Leipzig
Dipl.-Ing. Selina Hanisch
Institut für Biochemie
Johannisallee 21-23
04103 Leipzig
Dipl.-Ing. Valentina Schmitz
Institut für Biochemie
Johannisallee 21-23
04103 Leipzig
Lea Seibert
Institut für Biochemie
Johannisallee 21-23
04103 Leipzig
Kooperationen
Unsere Nachwuchsgruppe arbeitet eng mit der Arbeitsgruppe Katalytische Biofilme der Abteilung Solare Materialien am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH (UFZ) zusammen.