Les algues sont de vrais sauveteurs de l'environnement. Déjà lors de la photosynthèse naturelle en plein air, elles sont extrêmement efficaces et fixent dix fois plus de dioxyde de carbone (CO₂) que les plantes terrestres. Et dans des bioréacteurs équipés de capteurs, de systèmes de contrôle et de capacités d'automatisation appropriés, l'efficacité des algues peut être multipliée par cent par rapport aux plantes terrestres. Elles représentent donc un potentiel considérable pour l'économie circulaire et climatiquement neutre. Avec le projet de recherche PhotoBionicCell, nous indiquons une approche possible de la biologisation industrielle de demain.
Le bioréacteur permet de cultiver des algues de manière automatisée et de contrôler leur croissance. Pour ce faire, le liquide des algues est pompé vers le haut, dans les collecteurs de surface, où il se divise en un flux régulier avant de retourner dans le cultivateur. En circulant de la sorte, les cellules des algues transforment, par photosynthèse et dans leurs chloroplastes, la lumière du soleil, le dioxyde de carbone et l'eau en oxygène et en sources d'énergie chimique, ou en matières organiques utiles. La biomasse est ainsi cultivée en circuit fermé, en préservant les ressources, et de manière très efficace.
L'interaction entre une technologie de contrôle et de régulation éprouvée et des composants d'automatisation modernes permet de créer les meilleures conditions possibles pour les micro-organismes. Un concept global de fumigation assure une répartition uniforme, dans le liquide biologique en circulation, du dioxyde de carbone prélevé dans l'air.
L'un des grands défis que posent les bioréacteurs est la détermination précise de la quantité de biomasse. Pour y arriver, nos développeurs utilisent un capteur quantique développé par la start-up Q.ANT. Celui-ci donne en temps réel des informations précises sur la croissance des organismes. Pour ce faire, les algues lui sont acheminées de manière automatisée et continue grâce à la technologie microfluidique de Festo. Le capteur quantique est capable de détecter optiquement des cellules individuelles afin que la quantité de biomasse puisse être déterminée avec précision. En outre, il examine la vitalité des cellules. Ce n'est qu'ainsi qu'il est possible de réagir de manière anticipée aux événements qui surviennent lors du processus et d'intervenir afin de les réguler.
En fonction des nutriments apportés à la biomasse algale, le métabolisme de cette dernière produit des acides gras, des pigments et des agents tensioactifs. Ces derniers sont utilisés comme matière première pour la fabrication de médicaments, d'aliments, de plastiques, de produits cosmétiques ou de carburants. Contrairement aux produits dérivés du pétrole, les produits biologiques finaux sont généralement biodégradables et peuvent être recyclés sans avoir d'impact sur l'environnement, ce qui représente un aspect favorable pour une économie circulaire globale.
Dans leur cadre de leur travail portant sur PhotoBionicCell, nos chercheurs se sont concentrés sur la culture de l'algue bleue, ou Synechocystis. Elle produit des pigments colorés, des acides gras oméga-3 et de l'acide polyhydroxybutyrique (PHB). Le PHB obtenu peut ensuite être transformé en filament pour l'impression 3D par l'ajout d'autres substances. Cette technologie de production moderne permet de fabriquer rapidement des formes complexes de composants en plastique ou d'emballages durables. Le PhotoBionicCell, par exemple, contient des pinces de fixation en bioplastique.
Aujourd'hui, dans les laboratoires, de nombreuses analyses sont encore effectuées à la main, ce qui demande beaucoup de travail et peut conduire à des erreurs. L'automatisation des laboratoires pourrait permettre, à l'avenir, de consulter toutes les données nécessaires directement et en temps réel, permettant ainsi aux chercheurs de se concentrer davantage sur leurs tâches principales.
Un logiciel développé en interne complète PhotoBionicCell. Le tableau de bord permet de visualiser plusieurs photobioréacteurs, tout en fournissant données actualisées et images en direct. Il est ainsi possible de modifier manuellement les paramètres et d'effectuer les analyses correspondantes 24 heures sur 24, même à distance. Les utilisateurs sont donc en mesure de réagir à tout moment aux changements qui se produisent dans le bioréacteur et, par exemple, de lancer la récolte au moment le plus opportun.
Une application de réalité augmentée vient compléter le laboratoire numérisé. Une tablette permet d'étendre la réalité afin de visualiser les opérations techniques, les paramètres des processus et les informations ce qu'il se passe à l'intérieur du bioréacteur.
Pour analyser les données, nos développeurs utilisent également des méthodes liées à l'intelligence artificielle (IA). Le bioréacteur peut ainsi être optimisé soit pour la multiplication des cultures d'algues, soit pour obtenir des paramètres de croissance prédéfinis avec une consommation minimale d'énergie. Il permettrait également de prévoir la durée de vie des distributeurs et autres composants. Il est également possible d'envisager l'utilisation de jumeaux numériques créés à l'aide de l'IA. Ils pourraient à l'avenir permettre de simuler et de représenter virtuellement des cycles de vie complets de bioréacteurs. Il serait également possible d'estimer avec grande précision la croissance cellulaire prévue de différents micro-organismes avant même de construire physiquement un système réel.
Outre l'optimisation des laboratoires par l'automatisation et la digitalisation, la photosynthèse dite artificielle donne une autre perspective prometteuse de culture encore plus efficace de la biomasse. Avec notre partenaire de projet, le Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology de Marbourg, nous avons développé un automate de distribution permettant d'améliorer les enzymes de la photosynthèse. Pour parvenir à une amélioration, il faut tester des milliers de variantes d'une enzyme. Mais le nouvel automate de distribution effectue cette opération beaucoup plus rapidement et sans erreur par rapport au pipetage manuel. De plus, l'automate s'adapte en quelques secondes aux nouvelles tâches.
Il n'y a pas que les composantes de la photosynthèse qui peuvent être optimisées. Les scientifiques travaillent à l'optimisation numérique de voies métaboliques entières. Cette approche s'appelle la biologie synthétique. Une voie métabolique optimisée par ordinateur est intégrée dans des cellules synthétiques appelées « droplets ». Celles-ci ont un diamètre d'environ 90 microns et contiennent toutes les enzymes et tous les biocatalyseurs nécessaires. Elles sont ainsi capables, comme leurs modèles biologiques, de fixer le dioxyde de carbone grâce à l'énergie lumineuse.
Bien que nous soyons encore en plein processus de développement, le potentiel pour l'avenir se laisse déjà entrevoir aujourd'hui : si l'expertise en automatisation et la recherche fondamentale allient leurs forces, le chemin vers une production neutre en carbone à l'échelle industrielle sera parcouru plus rapidement. Voici la raison pour laquelle nous menons des recherches dans le domaine de la biologisation.