Водораслите са малки спасители на климата. Още при естествената си фотосинтеза на открито те са изключително ефективни и свързват десет пъти повече въглероден диоксид (CO₂) от сухоземните растения. В биореактори със съответните сензори, технология за регулиране и автоматизация ефективността на водораслите може да се увеличи до сто пъти в сравнение със сухоземните растения. Следователно те имат значителен потенциал за неутрална по отношение на климата кръгова икономика. С изследователския проект PhotoBionicCell показваме възможен подход за индустриалната биология на бъдещето.
С помощта на биореактора водораслите могат да се култивират автоматично и да се контролира техният растеж. За тази цел течността от водораслите се изпомпва нагоре в плоските колектори, където се разпределя в равномерен поток и след това се връща обратно в култиватора. По време на тази циркулация клетките на водораслите използват фотосинтеза в своите хлоропласти, за да преобразуват слънчевата светлина, въглеродния диоксид и водата в кислород и химически източници на енергия или органични ценни вещества. По този начин биомасата се култивира в затворен цикъл по изключително ефективен и спестяващ ресурси начин.
За да се създадат възможно най-добрите условия за микроорганизмите, се използва взаимодействието на доказана технология за управление и регулиране с най-новите компоненти за автоматизация. Цялостната концепция за газообразуване гарантира, че въглеродният диоксид извлечен от въздуха се разпределя равномерно в циркулиращата биотечност.
Основното предизвикателство при биореакторите е точното определяне на количеството биомаса. За тази цел нашите разработчици разчитат на сензор за квантови технологии от стартиращата компания Q.ANT. Той осигурява точна информация в реално време за растежа на организмите. Водораслите се подават към него автоматично и непрекъснато с помощта на микрофлуидна техника на Festo. Квантовият сензор е в състояние да открива оптично отделни клетки, така че количеството биомаса да може да бъде определено точно. Освен това той изследва виталността на клетките. Само благодарение на това е възможно да се реагира предвидливо на събитията в процеса и да се предприемат регулиращи действия.
В зависимост от хранителните вещества, с които се снабдява биомасата от водорасли, в резултат на метаболитните процеси се образуват мастни киселини, цветни пигменти и тензиди. Те служат за изходен материал за производството на лекарства, храни, пластмаси, козметика или горива. За разлика от продуктите на петролна основа, крайните продукти на биологична основа обикновено могат да бъдат биоразградени и – в съответствие с цялостната кръгова икономика – винаги се рециклират по неутрален за климата начин.
За работата по PhotoBionicCell нашите изследователи се съсредоточиха върху култивирането на синьо-зеленото водорасло Synechocystis. От него се получават цветни пигменти, омега-3 мастни киселини и полихидрокси маслена киселина (PHB). Тази извлечена PHB може да бъде преработена във филамент за 3D принтиране посредством добавяне на други вещества. С тази модерна производствена технология за кратко време могат да бъдат произведени сложни форми на устойчиви пластмасови компоненти или опаковки. В случая на PhotoBionicCell например се монтират определени закрепващи щипки изработени от биопластмаса.
В лабораториите досега много анализи се извършваха на ръка. Това отнема много време и може да доведе до грешки. Посредством автоматизирането на такива лабораторни съоръжения в бъдеще всички необходими данни ще могат да се отчитат директно и в реално време, а изследователите ще могат да се концентрират по-добре върху основните си задачи.
PhotoBionicCell се допълва от специално разработен софтуер. Вашето информационното табло позволява изобразяване на множество фотобиореактори с текущи данни и записи на живо. Това означава, че ръчните промени на параметрите и съответните оценки могат да се извършват денонощно, дори от разстояние. Това позволява на потребителите да реагират на промените в биореактора по всяко време и например да започнат събирането на продукта в оптималния момент.
Дигитализираната лаборатория се допълва от приложение за разширена реалност. С помощта на таблета реалността може да се разшири, за да се визуализират техническите процеси, параметрите на процеса и информацията за процесите в биореактора.
Нашите разработчици използват и методи на изкуствения интелект (ИИ) за оценка на данните. Това позволява биореакторът да бъде оптимизиран за размножаване на културите от водорасли или за поддържане на предварително определени параметри на растеж с минимално потребление на енергия. Той може да се използва и за прогнозиране на издръжливостта на разпределители и други компоненти. Възможно е и използването на цифрови близнаци, създадени с помощта на изкуствен интелект. В бъдеще те ще могат да се използват за симулиране и виртуално картографиране на целия жизнен цикъл на биореакторите. По този начин очакваният клетъчен растеж на най-различни микроорганизми може да бъде оценен с голяма точност още преди физическото изграждане на реална система.
В допълнение към оптимизирането на лабораторните съоръжения чрез автоматизация и цифровизация, т.нар. изкуствена фотосинтеза предлага друга обещаваща перспектива за още по-ефективно култивиране на биомаса. Заедно с партньора ни по проекта Макс Планк Институт за наземна микробиология Марбург разработихме автоматичен дозатор за подобряване на отделни ензими на фотосинтезата. За тази цел трябва да се тестват хиляди варианти на даден ензим. В сравнение с ръчното дозиране, разработеният автоматичен дозатор прави това много по-бързо и без грешки. Освен това автоматът може да се адаптира към нови задачи за секунди.
Но не само отделните градивни елементи на фотосинтезата могат да бъдат оптимизирани. Учените работят по дигиталното оптимизиране на цели метаболитни пътища. Този подход се нарича синтетична биология. Оптимизираният на компютъра метаболитен път се пакетира в синтетично произведени клетки, т.нар. капки. Те са с диаметър около 90 микрометра и съдържат всички необходими ензими и биокатализатори. Това им позволява да фиксират въглеродния диоксид чрез светлинна енергия, точно както техните биологични модели.
Въпреки че все още сме в средата на процеса на разработване, потенциалът за бъдещето е видим още днес: ако се обединят експертните познания в областта на автоматизацията и фундаменталните изследвания, пътят към неутрално производство на въглероден диоксид в промишлен мащаб може да бъде извървян по-бързо. Затова провеждаме изследвания в областта на биологизацията.