Algen zijn kleine klimaatredders. Al tijdens hun natuurlijke fotosynthese buiten zijn ze uiterst efficiënt en binden ze tien keer meer kooldioxide (CO₂) dan landplanten. In bioreactoren met passende sensoren, besturingstechniek en automatisering kan de efficiëntie van algen worden verhoogd tot het honderdvoudige van dat van landplanten. Ze bieden grote mogelijkheden voor een klimaatneutrale kringloopeconomie. In het onderzoeksproject PhotoBionicCell tonen wij een mogelijke aanpak voor de industriële biologisering van morgen.
Met de bioreactor kunnen algen automatisch worden gecultiveerd en kan hun groei worden gecontroleerd. Daartoe wordt de algenvloeistof omhoog gepompt in de oppervlaktecollectoren, waar ze in een gelijkmatige stroom wordt verdeeld en vervolgens terugstromen naar de cultivator. In deze kringloop zetten de algencellen zonlicht, kooldioxide en water door middel van fotosynthese in hun chloroplasten om in zuurstof en chemische energiedragers of organische materaielen. Zo wordt de biomassa in een gesloten kringloop op een zeer efficiënte manier en met zo min mogelijk natuurlijke hulpbronnen gecultiveerd.
Om de best mogelijke omstandigheden voor de micro-organismen te creëren, wordt beproefde regel- en besturingstechniek gecombineerd met de modernste automatiseringscomponenten. Een integraal begassingsconcept zorgt ervoor dat het aan de lucht onttrokken kooldioxide gelijkmatig wordt verdeeld in de circulerende biovloeistof.
Een grote uitdaging bij bioreactoren is het nauwkeurig bepalen van de hoeveelheid biomassa. Hiervoor vertrouwen onze ontwikkelaars op een kwantumtechnologiesensor van de start-up Q.ANT. Die levert nauwkeurige en realtime informatie over de groei van de organismen. De algen worden automatisch en continu toegevoerd met microfluïdica van Festo. De kwantumsensor is in staat om individuele cellen optisch te detecteren zodat de hoeveelheid biomassa precies bepaald kan worden. Bovendien wordt de vitaliteit van de cellen onderzocht. Alleen dan is het mogelijk met vooruitziende blik op procesgebeurtenissen te reageren en de regeling/besturing aan te passen.
Afhankelijk van de voedingsstoffen die aan de algenbiomassa worden toegevoerd, onstaan door de stofwisseling vetzuren, kleurpigmenten en tensiden. Deze dienen als grondstoffen voor de productie van geneesmiddelen, voedingsmiddelen, kunststoffen, cosmetica of brandstoffen. In tegenstelling tot op aardolie gebaseerde producten kunnen biogebaseerde eindproducten meestal biologisch worden afgebroken en - geheel in overeenstemming met een totale kringloopeconomie - op een klimaatneutrale manier worden gerecycled.
Bij PhotoBionicCell hebben onze onderzoekers zich geconcentreerd op de cultivering van de blauwgroene alg Synechocystis. Deze produceert kleurpigmenten, omega-3 vetzuren en polyhydroxyboterzuur (PHB). Dit geëxtraheerde PHB kan door toevoeging van andere stoffen worden verwerkt tot een filament voor 3D-printing. Met deze moderne productietechnologie kunnen complexe vormen van duurzame kunststofcomponenten of verpakkingen in korte tijd worden geproduceerd. In de PhotoBionicCell zijn bijvoorbeeld bepaalde bevestigingsclips van bioplastic aangebracht.
In laboratoria werden tot nu toe veel analyses met de hand uitgevoerd. Dit is tijdrovend en kan tot fouten leiden. Door deze laboratoriumwerkzaamheden te automatiseren, kunnen in de toekomst alle noodzakelijke gegevens rechtstreeks en in realtime worden afgelezen en kunnen onderzoekers zich beter concentreren op hun kerntaken.
PhotoBionicCell wordt aangevuld met een speciaal ontwikkelde software. Op het dashboard kunnen meerdere fotobioreactoren worden afgebeeld met actuele gegevens en live-opnamen. Dit betekent dat handmatige parameterwijzigingen en de bijbehorende evaluaties 24 uur per dag, zelfs op afstand, kunnen worden uitgevoerd. Zo kunnen gebruikers op elk moment reageren op veranderingen in de bioreactor en bijvoorbeeld het oogsten van de producten op het optimale moment starten.
Het gedigitaliseerde laboratorium wordt aangevuld met een augmented reality-toepassing. Via een tablet kan de realiteit worden uitgebreid om technische processen, procesparameters en informatie over processen binnen de bioreactor te visualiseren.
Onze ontwikkelaars maken ook gebruik van kunstmatige intelligentie (KI)-methoden om de gegevens te evalueren. Daarmee kan de bioreactor worden geoptimaliseerd om de algenculturen te vermeerderen of om vooraf bepaalde groeiparameters in stand te houden met minimaal energieverbruik. Ook zou daarmee de duurzaamheid van ventielen en andere componenten kunnen worden voorspeld. Ook zouden digitale tweelingen kunnen worden gebruikt die met behulp van KI zijn gemaakt. Daarmee zouden in de toekomst volledige levenscycli van bioreactoren kunnen worden gesimuleerd en virtueel worden weergegeven. De verwachte celgroei van zeer verschillende micro-organismen zou dan ook met grote nauwkeurigheid kunnen worden geschat, nog vóór de fysieke bouw van een echt systeem.
Naast de optimalisering van laboratoriumfaciliteiten door automatisering en digitalisering biedt de zogenaamde kunstmatige fotosynthese een ander veelbelovend perspectief voor een nog efficiëntere cultivering van biomassa. Met onze projectpartner Max Planck Institute für terrestrische Mikrobiologie in Marburg hebben wij een automatische dispenser ontwikkeld om individuele fotosynthese-enzymen te verbeteren. Daartoe moeten duizenden varianten van een enzym worden getest. Vergeleken met manueel pipetteren doet de ontwikkelde automatische dispenser dit veel sneller en zonder fouten. Bovendien kan de automaat binnen enkele seconden aan nieuwe taken worden aangepast.
Maar niet alleen de afzonderlijke bouwstenen van de fotosynthese kunnen worden geoptimaliseerd. De wetenschappers werken aan de digitale optimalisatie van volledige stofwisselingsroutes. Deze aanpak wordt synthetische biologie genoemd. Een op de computer geoptimaliseerde stofwisselingsroute wordt verpakt in synthetisch geproduceerde cellen, zogenaamde Droplets. Deze hebben een diameter van ongeveer 90 micrometer en bevatten alle noodzakelijke enzymen en biokatalysatoren. Hierdoor kunnen ze - net als hun biologische voorbeelden - kooldioxide binden met behulp van lichtenergie.
Hoewel wij ons nog midden in het ontwikkelingsproces bevinden, zijn de toekomstmogelijkheden nu al duidelijk: als de deskundigheid op het gebied van automatisering en fundamenteel onderzoek wordeng gecombineerd, kan de weg naar een kooldioxideneutrale productie op industriële schaal sneller worden ingeslagen. Daarom doen wij onderzoek op het gebied van biologisering.