Le alghe sono piccoli risparmiatori di clima. Già nella loro fotosintesi naturale all'aperto, sono estremamente efficienti e legano dieci volte più anidride carbonica (CO₂) delle piante terrestri. Nei bioreattori con sensori appropriati, tecnologia di controllo e automazione, l'efficienza delle alghe può essere aumentata fino a cento volte quella delle piante terrestri. Hanno quindi un notevole potenziale per un'economia circolare neutrale per il clima. Con il progetto di ricerca PhotoBionicCell, stiamo mostrando un possibile approccio per la biologizzazione industriale di domani.
Con il bioreattore è possibile coltivare automaticamente le alghe e controllare la loro crescita. A questo scopo, il liquido delle alghe viene pompato verso l'alto nei collettori di superficie, dove si distribuisce in un flusso uniforme e poi rifluisce nel coltivatore. In questa circolazione, le cellule delle alghe convertono la luce del sole, l'anidride carbonica e l'acqua in ossigeno, e vettori di energia chimica o sostanze organiche preziose per mezzo della fotosintesi, nei loro cloroplasti. In questo modo, la biomassa viene coltivata in un ciclo chiuso, in modo altamente efficiente e con risparmio di risorse.
Per creare le migliori condizioni possibili per i microrganismi, entra in gioco l'interazione di una tecnologia di controllo e regolazione collaudata con i più recenti componenti di automazione. Un concetto olistico di gassificazione assicura che l'anidride carbonica estratta dall'aria sia distribuita uniformemente nel biofluido in circolazione.
Una grande difficoltà nell'uso dei bioreattori è determinare accuratamente la quantità di biomassa. Per questo, i nostri sviluppatori si affidano a un sensore di tecnologia quantistica della start-up Q.ANT. Questo fornisce informazioni precise e in tempo reale sulla crescita degli organismi. Le alghe vengono alimentate automaticamente e continuamente con microfluidica Festo. Il sensore quantistico è in grado di rilevare otticamente le singole cellule in modo che la quantità di biomassa possa essere determinata esattamente. Solo a questo punto è possibile reagire agli eventi di processo con lungimiranza e intervenire in modo regolatore.
A seconda dei nutrienti forniti alla biomassa algale, si formano acidi grassi, pigmenti colorati e tensioattivi come prodotti dei loro processi metabolici. Questi servono come materie prime per la produzione di medicinali, prodotti alimentari, plastica, cosmetici o combustibili. A differenza dei prodotti a base di petrolio, i prodotti finali biobased possono di solito essere biodegradati e - in linea con un'economia circolare globale - riciclati in modo neutrale per il clima.
Per il lavoro su PhotoBionicCell, i nostri ricercatori si sono concentrati sulla coltivazione dell'alga blu-verde Synechocystis. Produce pigmenti colorati, acidi grassi omega-3 e acido poliidrossibutirrico (PHB). Questo PHB estratto può essere trasformato in un filamento per la stampa 3D aggiungendo altre sostanze. Con questa moderna tecnologia di produzione, forme complesse di componenti in plastica sostenibili o di imballaggi possono essere prodotte in breve tempo. Nel PhotoBionicCell, per esempio, sono installate alcune clip di fissaggio in bioplastica.
Nei laboratori, molte analisi sono state fatte a mano fino ad oggi. Ciò richiede tempo e può portare a commettere errori. Automatizzando queste strutture di laboratorio, tutti i dati necessari potrebbero essere letti direttamente e in tempo reale in futuro, e i ricercatori potrebbero concentrarsi meglio sui loro compiti principali.
PhotoBionicCell è completato da un software appositamente sviluppato. Il loro dashboard permette di mappare più fotobioreattori con dati attuali e registrazioni dal vivo. Ciò significa che le modifiche manuali dei parametri e le valutazioni corrispondenti possono essere effettuate 24 ore su 24, anche a distanza. Ciò permette agli utenti di reagire ai cambiamenti nel bioreattore in qualsiasi momento e, ad esempio, avviare la raccolta del prodotto al momento ottimale.
Il laboratorio digitalizzato è completato da un'applicazione di realtà aumentata. Tramite tablet, la realtà può essere estesa per visualizzare processi tecnici, parametri di processo e informazioni sui processi all'interno del bioreattore.
I nostri sviluppatori utilizzano anche metodi di intelligenza artificiale (AI) per valutare i dati. Ciò permette di ottimizzare il bioreattore sia per la propagazione delle colture di alghe che per il mantenimento di parametri di crescita predefiniti, con un input energetico minimo. Potrebbe anche essere usato per prevedere la durata delle valvole e di altri componenti. L'uso di gemelli digitali creati con l'aiuto dell'IA sarebbe anche concepibile. In futuro, potrebbero essere usati per simulare e mappare virtualmente i cicli di vita completi dei bioreattori. La crescita cellulare prevista di una grande varietà di microrganismi potrebbe quindi essere stimata con grande precisione anche prima della costruzione fisica di un sistema reale.
Oltre all'ottimizzazione delle strutture di laboratorio attraverso l'automazione e la digitalizzazione, la cosiddetta fotosintesi artificiale offre un'altra prospettiva promettente per una coltivazione ancora più efficiente della biomassa. Con il nostro partner di progetto Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology Marburg, abbiamo sviluppato un distributore automatico per migliorare i singoli enzimi della fotosintesi. Per questo, migliaia di varianti di un enzima devono essere testate. Rispetto al pipettaggio manuale, il dosatore automatico sviluppato lavora molto più velocemente e senza errori. Inoltre, il distributore automatico può essere adattato a nuovi compiti in pochi secondi.
Ma non solo i singoli elementi della fotosintesi possono essere ottimizzati. Gli scienziati stanno lavorando per ottimizzare digitalmente interi percorsi metabolici. Questo approccio è chiamato biologia sintetica. Un percorso metabolico ottimizzato al computer è confezionato in cellule prodotte sinteticamente, le cosiddette goccioline. Queste hanno un diametro di circa 90 micrometri e contengono tutti gli enzimi e i biocatalizzatori necessari. Questo permette loro - come i loro modelli biologici - di fissare l'anidride carbonica per mezzo dell'energia luminosa.
Anche se siamo ancora nel mezzo del processo di sviluppo, il potenziale per il futuro è già evidente oggi: se la competenza nell'automazione e la ricerca di base si uniscono, il percorso verso una produzione neutrale di anidride carbonica su scala industriale può essere intrapreso più rapidamente. Ecco perché stiamo facendo ricerche nel campo della biologizzazione.