Las algas son pequeñas salvadoras del clima. Ya en su fotosíntesis natural al aire libre, son extremadamente eficientes y fijan diez veces más dióxido de carbono (CO₂) que las plantas terrestres. En biorreactores con los sensores, la técnica de regulación y la automatización adecuados, se puede aumentar la eficiencia de las algas hasta cien veces la de las plantas terrestres. Por lo tanto, esconden un potencial considerable para lograr una economía circular neutra para el clima. Con el proyecto de investigación PhotoBionicCell, mostramos un posible planteamiento para una implementación industrial de la biología del mañana.
En el biorreactor, las algas se pueden cultivar automáticamente y controlar su crecimiento. Para ello, el líquido de las algas se bombea hacia arriba, hacia los colectores de superficie, donde se distribuye en un flujo uniforme y luego retorna al cultivador. En esta circulación y mediante la fotosíntesis que tiene lugar en sus cloroplastos, las células de las algas convierten la luz solar, el dióxido de carbono y el agua en oxígeno y portadores de energía química o sustancias orgánicas de valor. De este modo, la biomasa se cultiva en un ciclo cerrado de forma muy eficiente y ahorrando recursos.
Para crear las mejores condiciones posibles para los microorganismos se sirve de la interacción entre las técnicas regulación y de control de eficacia probada y los componentes de automatización más modernos. Un concepto global de gasificación garantiza que el dióxido de carbono extraído del aire se distribuya uniformemente en el biofluido circulante.
Uno de los principales retos de los biorreactores es determinar con precisión la cantidad de biomasa. Para ello, nuestros desarrolladores cuentan con un sensor de tecnología cuántica de la startup Q.ANT. Este proporciona información precisa y en tiempo real sobre el crecimiento de los organismos. Para ello, las algas se hacen pasar por el sensor continuamente mediante la microfluídica de Festo. El sensor cuántico es capaz de detectar ópticamente células individuales para que la cantidad de biomasa se pueda determinar exactamente. También examina las células para comprobar su vitalidad. Sólo así es posible reaccionar con previsión a los acontecimientos del proceso e intervenir regulando.
En función de los nutrientes suministrados a la biomasa de las algas, se forman ácidos grasos, pigmentos y tensioactivos como productos de sus procesos metabólicos. Estos sirven como materia prima para la producción de medicamentos, alimentos, plásticos, cosméticos o combustibles. A diferencia de los productos derivados del petróleo, los productos finales de base biológica suelen ser biodegradables y, en consonancia con una economía circular global, se pueden reciclar de manera neutra para el clima.
Para el trabajo de PhotoBionicCell, nuestros investigadores se centraron en el cultivo del alga azul Synechocystis. Produce pigmentos, ácidos grasos omega 3 y ácido polihidroxibutírico (PHB). Este PHB extraído puede transformarse en un filamento para la impresión 3D añadiendo otras sustancias. Con esta moderna tecnología de producción, se pueden producir en poco tiempo formas complejas de componentes de plástico o envases y embalajes sostenibles. En el PhotoBionicCell, por ejemplo, se utilizan ciertas pinzas de sujeción hechas de bioplástico.
En los laboratorios, muchos análisis se han hecho a mano hasta ahora. Esto requiere mucho tiempo y puede dar lugar a errores. Mediante la automatización de este tipo de instalaciones de laboratorio, en el futuro se podrán leer directamente y en tiempo real todos los datos necesarios y los investigadores podrán concentrarse mejor en sus tareas principales.
PhotoBionicCell se completa con un software especialmente desarrollado. Su panel de control permite mostrar varios fotobiorreactores con datos actuales y grabaciones en directo. De esta manera pueden realizarse en todo momento e, incluso remotamente, las modificaciones manuales de los parámetros y las evaluaciones correspondientes. Esto permite a los usuarios reaccionar a los cambios en el biorreactor en cualquier momento y, por ejemplo, iniciar la recolección de los productos en el momento óptimo.
El laboratorio digitalizado se complementa con una aplicación de realidad aumentada. Mediante una tablet, la realidad puede ampliarse para visualizar los procesos técnicos, sus parámetros y la información sobre los procesos que tienen lugar dentro del biorreactor.
Nuestros desarrolladores también utilizan métodos de inteligencia artificial (IA) para evaluar los datos. Esto permite optimizar el biorreactor tanto para incrementar los cultivos de algas como para mantener unos parámetros de crecimiento predefinidos con un mínimo aporte de energía. De esta manera, también se podría predecir la durabilidad de las válvulas y otros componentes. Incluso sería concebible el uso de gemelos digitales creados con la ayuda de la inteligencia artificial. Con ellos, podrían simularse en el futuro ciclos de vida completos de los biorreactores y representarlos virtualmente. También se podría estimar con gran precisión el crecimiento celular esperado de una gran variedad de microorganismos incluso antes de la construcción física de un sistema real.
Además de la optimización de las instalaciones de laboratorio mediante la automatización y la digitalización, la denominada fotosíntesis artificial ofrece otra perspectiva prometedora para un cultivo aún más eficiente de la biomasa. Con nuestro socio del proyecto, el Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre de Marburgo, hemos desarrollado un dispensador automático para mejorar las diferentes enzimas de la fotosíntesis. Para ello, se deben probar miles de variantes de una enzima. En comparación con el pipeteo manual, el dispensador automático desarrollado lo hace mucho más rápido y sin errores. Además, el dispensador automático puede adaptarse a nuevas tareas en segundos.
Pero no solo se pueden optimizar elementos individuales de la fotosíntesis. Los científicos trabajan en la optimización digital de vías metabólicas completas. Este planteamiento se denomina biología sintética. Una vía metabólica optimizada en el ordenador se empaqueta en células producidas sintéticamente, las llamadas droplets (gotas). Tienen un diámetro de unas 90 micras y contienen todas las enzimas y biocatalizadores necesarios. Esto les permite, al igual que sus modelos biológicos, fijar el dióxido de carbono mediante la energía lumínica.
Aunque todavía estamos en pleno proceso de desarrollo, resulta evidente que actualmente ya existe un gran potencial para el futuro: si se unen los conocimientos en automatización y la investigación básica, podrá emprenderse más rápidamente el camino hacia la producción neutra de dióxido de carbono a escala industrial. Por eso investigamos en el campo de la biología.