As algas são pequenas salvadoras do clima. Já na sua fotossíntese natural ao ar livre, são extremamente eficientes e fixam dez vezes mais dióxido de carbono do que as plantas terrestres. Em biorreatores com sensores, tecnologia de controlo e automação adequados, é possível aumentar a eficiência das algas até cem vezes em relação à das plantas terrestres. Portanto, escondem um potencial considerável para conseguir uma economia circular neutra para o clima. Com o projeto de investigação PhotoBionicCell, mostramos uma possível abordagem para a implementação industrial da biologia do futuro.
No biorreator, as algas podem ser cultivadas automaticamente e controlar o seu crescimento. Para isso, o líquido das algas é bombeado para cima, para os coletores da superfície, onde é distribuído num fluxo uniforme e logo retorna ao cultivador. Nesta circulação e mediante a fotossíntese que ocorre nos cloroplastos, as células das algas convertem a luz solar, o dióxido de carbono e a água em oxigénio e portadores de energia química ou substâncias de valor orgânico. Desta forma, a biomassa é cultivada num ciclo fechado de modo muito eficiente e poupando recursos.
Para criar as melhores condições possíveis para os microrganismos, serve-se da interação entre as tecnologias de controlo de eficiência comprovada e os componentes de automação mais modernos. Um conceito global de gaseificação garante que o dióxido de carbono extraído do ar é distribuído uniformemente no biofluido circulante.
Um dos principais desafios dos biorreatores é determinar com precisão a quantidade de biomassa. Para isso, os nossos desenvolvedores contam com um sensor de tecnologia quântica da start-up Q.ANT. Isto proporciona informação precisa e em tempo real sobre o crescimento dos organismos. Para isso, as algas passam continuamente pelo sensor mediante os microfluidos da Festo. O sensor quântico é capaz de detetar ótica células individuais para que a quantidade de biomassa possa ser determinada exatamente. As células também são avaliadas para comprovar a sua vitalidade. Só assim é possível prever os acontecimentos do processo e intervir de forma reguladora.
Em função dos nutrientes fornecidos à biomassa das algas, são formados ácidos gordos, pigmentos e tensioativos como produtos dos seus processos metabólicos. Estes servem como matéria-prima para a produção de medicamentos, alimentos, plásticos, cosméticos ou combustíveis. Ao contrário dos produtos derivados do petróleo, os produtos finais cuja base é biológica costumam ser biodegradáveis e, em consonância com uma economia circular global, podem ser reciclados de forma neutra para o clima.
Para o trabalho de PhotoBionicCell, os nossos investigadores concentraram-se no cultivo da alga azul Synechocystis. Produz pigmentos, ácidos gordos omega 3 e ácido polihidroxibutírico (PHB). Este PHB extraído pode ser transformado num filamento para a impressão 3D, adicionando outras substâncias. Com esta moderna tecnologia de produção, é possível produzir em pouco tempo formas complexas de componentes de plástico ou recipientes e embalagens sustentáveis. No PhotoBionicCell, por exemplo, são instaladas certos fixadores feitos de bioplástico.
Nos laboratórios, muitas análises foram feitas à mão até agora. Isto requer muito tempo e pode dar lugar a erros. Através da automação deste tipo de instalações de laboratório, no futuro poderão ser lidos diretamente e em tempo real os dados necessários e os investigadores poderão concentrar-se melhor nas suas principais funções.
PhotoBionicCell completa-se com um software especialmente desenvolvido. O seu painel de controlo permite mostrar vários fotobiorreatores com dados atuais e gravações em direto. Desta forma, é possível realizar em todos os momentos, incluindo remotamente, as modificações manuais dos parâmetros e as respetivas avaliações. Isto permite aos utilizadores reagirem às mudanças no biorreator em qualquer momento e, por exemplo, iniciar a recolha dos produtos no momento ótimo.
O laboratório digitalizado é complementado por uma aplicação de realidade aumentada. Através de um tablet, a realidade pode ser ampliada para visualizar os processos técnicos, os parâmetros e as informações sobre os processos que ocorrem dentro do biorreator.
Os nossos desenvolvedores também utilizam métodos de inteligência artificial (IA) para avaliar os dados. Isto permite otimizar o biorreator tanto para incrementar os cultivos de algas, como para manter parâmetros de crescimento predefinidos com uma contribuição de energia mínima. Desta forma, também é possível prever a durabilidade das válvulas e outros componentes. Inclusivamente, seria concebível o uso de gémeos digitais criados com a ajuda da inteligência artificial. Com eles, é possível simular no futuro ciclos de vida completos dos biorreatores e representá-los virtualmente. Também é possível estimar com grande precisão o crescimento celular esperado de uma grande variedade de microrganismos, mesmo antes da construção física de um sistema real.
Além da otimização das instalações laboratoriais mediante a automação e a digitalização, a denominada fotossíntese articial oferece outra perspectiva prometedora para um cultivo ainda mais eficiente da biomassa. Com o nosso parceiro do projeto, o Instituto Max Planck de Microbiologia Terrestre de Marburgo, desenvolvemos um distribuidor automático para melhorar as diferentes enzimas da fotossíntese. Para isso, é necessário testar milhares de variantes de uma ensinam. Em comparação com a pipetagem manual, o distribuidor automático desenvolvido fá-lo muito mais rápido e sem erros. Além disso, é possível adaptar o distribuidor automático a novas tarefas em segundos.
Mas não só é possível otimizar elementos individuais da fotossíntese. Os cientistas trabalham na otimização digital de vias metabólicas completas. Esta abordagem denomina-se biologia sintética. Uma via metabólica otimizada no computador é embalada em células produzidas sinteticamente, as chamadas droplets (gotas). Têm um diâmetro de cerca de 90 micras e contêm todas as enzimas e biocatalisadores necessários. Isto permite-lhes, tal como os seus modelos biológicos, fixar o dióxido de carbono por meio de energia luminosa.
Embora ainda estejamos em pleno processo de desenvolvimento, é evidente que atualmente já existe um grande potencial para o futuro: caso se unam os conhecimentos em automação e a investigação básica, poderá usar-se mais rapidamente o caminho em direção à produção neutra de dióxido de carbono à escala industrial. Por isso, investigamos na área da biologia.