Alge su mali spasioci klime. Već i u svojem prirodnom stanju iznimno su učinkovite u fotosintezi i apsorbiraju deset puta više ugljikova dioksida (CO₂) od kopnenih biljaka. U bioreaktorima opremljenima odgovarajućim senzorima, upravljačkom tehnologijom i automatizacijom učinkovitost algi može se povećati do stotinu puta u odnosu prema kopnenim biljkama. To pokazuje da imaju velik potencijal za klimatski neutralno kružno gospodarstvo. Istraživačkim projektom PhotoBionicCell demonstriramo potencijalni pristup industrijskoj biologizaciji u budućnosti.
S pomoću bioreaktora moguće je automatski uzgajati alge i kontrolirati njihov rast. Tekućina algi pumpa se prema gore u površinske kolektore gdje se ravnomjerno raspoređuje i zatim teče natrag u kultivator. Tijekom ove cirkulacije stanice algi fotosintezom u svojim kloroplastima pretvaraju sunčevu svjetlost, ugljikov dioksid i vodu u kisik i kemijske izvore energije ili vrijedne organske tvari koji se mogu reciklirati. Tako se biomasa uzgaja u zatvorenom ciklusu, što je vrlo učinkovito i štedi resurse.
Kombinacija provjerene tehnologije upravljanja i regulacije s najsuvremenijim komponentama automatizacije osigurava najbolje moguće uvjete za mikroorganizme. Holistički koncept fumigacije osigurava ravnomjernu raspodjelu ugljikova dioksida ekstrahiranog iz zraka u cirkulirajućem biogorivu.
Kad je riječ o bioreaktorima, veliki izazov je precizno odrediti količinu biomase. Naši programeri za to upotrebljavaju senzor kvantne tehnologije koji je isporučilo mlado poduzeće Q.ANT. Senzor daje točne informacije o rastu organizama u stvarnom vremenu. Alge se automatski i kontinuirano dovode s pomoću Festove mikrofluidike. Kvantni senzor može optički detektirati pojedinačne stanice tako da se količina biomase može precizno odrediti. Osim toga, on ispituje vitalnost stanica. Tek tada je moguće unaprijed reagirati na procesiranje događaja i regulirati ih.
Ovisno o hranjivim tvarima koje se dovode biomasi algi, kao produkti njihovih metaboličkih procesa nastaju masne kiseline, pigmenti boje i surfaktanti. Oni služe kao polazni materijal za proizvodnju lijekova, hrane, plastike, kozmetike ili goriva. Za razliku od proizvoda na bazi nafte, krajnji proizvodi na biološkoj osnovi obično se mogu biorazgraditi i, u skladu s cjelokupnim kružnim gospodarstvom, reciklirati u klimatski neutralnom procesu.
Za rad na PhotoBionicCellu naši su se istraživači usredotočili na uzgoj modrozelene alge Synechocystis. Proizvodi pigmente u boji, omega-3 masne kiseline i polihidroksibutirat (PHB). Dodavanjem drugih tvari dobiveni PHB može se preraditi u filament za 3D ispis. Uz ovu modernu proizvodnu tehnologiju, složeni oblici održivih plastičnih komponenti ili ambalaže mogu se proizvesti u kratkom vremenu. Na primjer, u PhotoBionicCell ugrađene su posebne kopče za pričvršćivanje izrađene od bioplastike.
Do sada su se mnoge analize u laboratorijima provodile ručno. To je dugotrajno i može rezultirati greškama. Zahvaljujući automatizaciji takvih laboratorijskih sustava u budućnosti će biti moguće tražene podatke očitavati izravno i u stvarnom vremenu, a istraživači će se moći bolje koncentrirati na svoje temeljne zadatke.
PhotoBionicCell upotpunjen je posebno razvijenim softverom. Vaša kontrolna ploča omogućuje prikaz nekoliko fotobioreaktora s trenutačnim podacima i snimkama uživo. Na taj se način ručne promjene parametara i odgovarajuće evaluacije mogu provoditi i daljinski 24 sata dnevno. To korisnicima omogućuje da u bilo kojem trenutku reagiraju na promjene u bioreaktoru i, na primjer, započnu skupljanje proizvoda u optimalno vrijeme.
Digitalizirani laboratorij nadopunjen je aplikacijom proširene stvarnosti. Tablet se može koristiti za proširenje stvarnosti i vizualizaciju tehničkih procesa, parametara procesa i informacija o procesima unutar bioreaktora.
Naši programeri za procjenu podataka koriste se metodom umjetne inteligencije (AI). To omogućuje optimizaciju bioreaktora za razmnožavanje kultura algi ili održavanje specificiranih parametara rasta uz minimalan unos energije. Može se koristiti i za predviđanje trajnosti ventila i drugih komponenti. Bila bi zamisliva i uporaba digitalnih blizanaca stvorenih uz pomoć umjetne inteligencije. U budućnosti bi se mogli koristiti za simulaciju kompletnog životnog ciklusa bioreaktora i za prikazivanje virtualnih slika. Očekivani rast stanica širokog spektra mikroorganizama mogao bi se procijeniti s velikom točnošću, čak i prije fizičkog postavljanja stvarnog sustava.
Uz optimizaciju laboratorijskih sustava automatizacijom i digitalizacijom, tzv. umjetna fotosinteza nudi još jednu obećavajuću perspektivu za još učinkovitiji uzgoj biomase. S partnerom na projektu Institutom Max Planck za kopnenu mikrobiologiju Marburg razvili smo dozator za poboljšanje pojedinačnih fotosintetskih enzima. Za to je potrebno testirati tisuće varijanti enzima. U usporedbi s ručnim pipetiranjem, novi automatski dozator radi puno brže i eliminira greške. Osim toga, stroj se može prilagoditi novim zadacima u nekoliko sekundi.
Ali moguće je optimizirati i više od samo pojedinačnih gradivnih blokova fotosinteze. Znanstvenici rade na digitalnoj optimizaciji cijelih metaboličkih putova. Taj pristup nazivamo sintetičkom biologijom. Računalno optimiziran metabolički put zapakiran je u sintetički proizvedene stanice, takozvane kapljice. Promjera su oko 90 mikrometara i sadrže sve potrebne enzime i biokatalizatore. To im omogućuje, kao i njihovim biološkim modelima, da apsorbiraju ugljikov dioksid rabeći svjetlosnu energiju.
Iako smo još usred razvojnog procesa, potencijal za budućnost jasan je već danas. Ako se spoje stručnost u području automatizacije i temeljna istraživanja, bit će moguće puno brže utrti put prema ugljično neutralnoj proizvodnji u industrijskim razmjerima. Stoga provodimo istraživanja u području biologizacije.