Řasy jsou malí zachránci klimatu. Již při své přirozené fotosyntéze na vzduchu jsou mimořádně účinné a vážou desetkrát více oxidu uhličitého (CO₂) než suchozemské rostliny. V bioreaktorech s příslušnými senzory, řídicí technikou a automatizací lze účinnost řas zvýšit až stonásobně oproti suchozemským rostlinám. Mají proto značný potenciál pro klimaticky neutrální hospodářství v koloběhu. S výzkumným projektem PhotoBionicCell ukazujeme možný přístup pro průmyslovou biologizaci zítřka.
S bioreaktorem lze řasy automaticky kultivovat a řídit jejich růst. Kapalina z řas je čerpána nahoru do plošných kolektorů, kde se rovnoměrným prouděním rozděluje a poté proudí zpět do kultivátoru. Během koloběhu využívají buňky řas fotosyntézu ve svých chloroplastech k přeměně slunečního světla, oxidu uhličitého a vody na kyslík a chemické nosiče energie nebo organické materiály. Biomasa se kultivuje v uzavřeném koloběhu způsobem, který je velmi účinný a šetří zdroje.
Abychom pro mikroorganismy vytvořili co nejlepší podmínky, přichází do hry interakce osvědčené řídicí a regulační techniky s nejnovějšími automatizačními komponenty. Holistická koncepce plynování zajišťuje rovnoměrnou distribuci oxidu uhličitého extrahovaného ze vzduchu v cirkulující biokapalině.
Velkou výzvou v bioreaktorech je přesné stanovení množství biomasy. Naši vývojáři se zaměřili na senzor kvantové technologie od startupu Q.ANT. Senzor poskytuje okamžité a přesné informace o růstu organismů. Řasy jsou do něj přiváděny automaticky a nepřetržitě pomocí mikrofluidního systému od Festo. Kvantový senzor je schopen opticky detekovat jednotlivé buňky tak, aby bylo možné přesně určit množství biomasy. Kromě toho zkoumá buňky na jejich vitalitu. Jedině tak je možné předvídavě reagovat na procesní události a zasahovat k jejich regulaci.
V závislosti na živinách, které jsou dodávány do biomasy řas, vznikají jako produkty jejich metabolických procesů mastné kyseliny, barevné pigmenty a povrchově aktivní látky. Slouží jako výchozí materiál pro výrobu léků, potravin, plastů, kosmetiky nebo pohonných hmot. Na rozdíl od výrobků z ropy lze konečné výrobky na biologické bázi obvykle biologicky rozložit a – v duchu celkového oběhového hospodářství – recyklovat klimaticky neutrálním způsobem.
Pro práci na PhotoBionicCell se naši výzkumníci zaměřili na kultivaci modrozelené řasy Synechocystis. Tvoří barevné pigmenty, omega-3 mastné kyseliny a kyselinu polyhydroxymáselnou (PHB). Takto získanou PHB lze přidáním dalších látek zpracovat na filamenty pro 3D tisk. Touto moderní výrobní technologií lze v krátké době vyrobit složité tvary udržitelných plastových komponentů nebo obalů. V PhotoBionicCell jsou například instalovány určité upevňovací spony vyrobené z bioplastu.
V laboratořích se mnohé analyzovalo ručně. Práce je časově náročná a může vést k chybám. Automatizací takových laboratorních zařízení lze v budoucnu číst všechna potřebná data přímo a okamžitě a výzkumníci se mohou lépe soustředit na své hlavní úkoly.
PhotoBionicCell je doplněn speciálně vyvinutým softwarem. Váš dashboard umožňuje sledovat několik fotobioreaktorů s aktuálními daty a živými nahrávkami. Ručně lze na dálku 24 hodiny denně měnit parametry a vyhodnocovat. Můžete kdykoliv reagovat na změny v bioreaktoru a například zahájit sklizeň produktu v optimálním čase.
Digitalizovaná laboratoř je doplněna o aplikaci pro rozšířenou realitu. Realitu lze rozšířit pomocí tabletu pro vizualizaci technických procesů, procesních parametrů a informací o procesech uvnitř bioreaktoru.
Naši vývojáři využívají k vyhodnocování dat také metody umělé inteligence (AI). Bioreaktor lze optimalizovat buď pro množení kultur řas, nebo pro udržení specifikovaných růstových parametrů s minimální spotřebou energie. Lze také použit k předpovědi životnosti ventilů a dalších součástí. Lze využít i digitální dvojčata vytvořená pomocí AI. V budoucnu by mohly sloužit k simulaci a virtuálnímu mapování kompletních životních cyklů bioreaktorů. Očekávaný buněčný růst nejrůznějších mikroorganismů by pak mohl být odhadnut s velkou přesností ještě před fyzickou konstrukcí reálného systému.
Tzv. umělá fotosyntéza nabízí, kromě optimalizace laboratorních zařízení prostřednictvím automatizace a digitalizace, ještě další slibnou perspektivu pro efektivnější pěstování biomasy. S projektovým partnerem Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology Marburg jsme vyvinuli dávkovací automat pro zlepšení jednotlivých fotosyntetických enzymů. Musí se testovat tisíce variant enzymu. Vyvinutý dávkovací automat pracuje ve srovnání s ruční pipetací mnohem rychleji a bez chyb. Automat lze navíc během několika sekund přizpůsobit novým úkolům.
Optimalizovat lze ale nejen jednotlivé stavební kameny fotosyntézy. Vědci pracují na digitální optimalizaci celých metabolických přeměn. Tento přístup se nazývá syntetická biologie. Počítačově optimalizovaná metabolická přeměna je zabalena do synteticky vyrobených buněk, takzvaných kapiček. Mají průměr kolem 90 mikrometrů a obsahují všechny potřebné enzymy a biokatalyzátory. Jsou schopny – stejně jako jejich biologické vzory – fixovat oxid uhličitý pomocí světelné energie.
I když jsme stále uprostřed vývojového procesu, již nyní existují náznaky budoucího potenciálu: pokud se spojí odborné znalosti z oblastí automatizace a základního výzkumu, cesta k uhlíkově neutrální výrobě v průmyslovém měřítku může být vydlážděna rychleji. Proto zkoumáme v oblasti biologizace.