Az algák kis klímamentők. Már a szabadban végzett természetes fotoszintézisük során is rendkívül hatékonyak, és tízszer több szén-dioxidot (CO₂) kötnek meg, mint a szárazföldi növények. Megfelelő érzékelőkkel, vezérlési technológiával és automatizálással ellátott bioreaktorokban az algák hatékonysága a szárazföldi növények hatékonyságának százszorosára növelhető. Ezért jelentős potenciállal rendelkeznek az éghajlat-semleges körforgásos gazdaság szempontjából. A PhotoBionicCell kutatási projekttel egy lehetséges megközelítést mutatunk be a holnap ipari biológiájához.
A bioreaktorral az algák automatikusan termeszthetők és növekedésük szabályozható. Ebből a célból az algafolyadékot felfelé pumpálják a nagyfelületű gyűjtőkbe, ahol az egyenletes áramlásban oszlik el, majd visszaáramlik a kultivátorba. E körforgás során az algasejtek kloroplasztiszaikban fotoszintézis segítségével a napfényt, szén-dioxidot és vizet oxigénné és kémiai energiaforrássá, illetve értékes szerves anyagokká alakítják át. Ily módon a biomassza termesztése zárt ciklusban, rendkívül hatékonyan és erőforrás-takarékosan történik.
A mikroorganizmusok lehető legjobb fejlődési feltételeinek megteremtése érdekében a bevált vezérlési és szabályozási technológiát együtt alkalmazzuk a legújabb automatizálási komponensekkel. A holisztikus gázosítási koncepció biztosítja, hogy a levegőből kivont szén-dioxid egyenletesen oszoljon el a keringő biofolyadékban.
A bioreaktorok egyik legnagyobb kihívása a biomassza mennyiségének pontos meghatározása. Ehhez fejlesztőink a Q.ANT nevű start-up cég kvantumtechnológiai érzékelőjére támaszkodnak. Ez pontos és valós idejű információt nyújt a szervezetek növekedéséről. Az algákat a Festo mikrofluidika segítségével automatikusan és folyamatosan adagolják. A mennyiségérzékelő képes optikailag érzékelni az egyes sejteket, így a biomassza mennyisége pontosan meghatározható. Ezenkívül megvizsgálja a sejtek életképességét is. Csak így lehetséges előrelátóan reagálni a folyamatok eseményeire, és szabályozó módon beavatkozni.
Az algabiomassza tápanyagellátásától függően zsírsavak, színpigmentek és felületaktív anyagok képződnek az anyagcsere-folyamatok termékeiként. Ezek nyersanyagként szolgálnak gyógyszerek, élelmiszerek, műanyagok, kozmetikumok vagy üzemanyagok előállításához. A kőolajalapú termékekkel ellentétben a bioalapú végtermékek általában biológiailag lebonthatók, és - az általános körforgásos gazdasággal összhangban - mindig klímasemleges módon újrahasznosíthatók.
A PhotoBionicCell munkája során kutatóink a Synechocystis kék-zöld alga tenyésztésére összpontosítottak. Színpigmenteket, omega-3 zsírsavakat és polihidroxi-vajsavat (PHB) termel. Ez a kivont PHB más anyagok hozzáadásával 3D nyomtatásra alkalmas szálakká alakítható. Ezzel a modern gyártási technológiával rövid időn belül összetett formájú, fenntartható műanyag alkatrészek vagy csomagolások állíthatók elő. A PhotoBionicCell esetében például bizonyos, bioműanyagból készült rögzítőkapcsok kerülnek beépítésre.
A laboratóriumokban eddig sok elemzést kézzel végeztek. Ez körülményes és hibákhoz vezethet. Az ilyen laboratóriumi berendezések automatizálásával a jövőben minden szükséges adat közvetlenül és valós időben leolvasható lenne, és a kutatók jobban tudnának az alapvető feladataikra koncentrálni.
A PhotoBionicCell egy speciálisan erre a célra kifejlesztett szoftverrel egészül ki. Műszerfaluk lehetővé teszi több fotobioreaktor feltérképezését az aktuális adatokkal és élő felvételekkel. Ez azt jelenti, hogy a kézi paramétermódosítások és a megfelelő értékelések éjjel-nappal, akár távolról is elvégezhetők. Ez lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy bármikor reagáljanak a bioreaktorban bekövetkező változásokra, és például az optimális időpontban kezdeményezzék a termék betakarítását.
A digitalizált laboratóriumot egy kiterjesztett valóság alkalmazás egészíti ki. A tableten keresztül a valóság kiterjeszthető a technikai folyamatok, a folyamatparaméterek és a bioreaktoron belüli folyamatokra vonatkozó információk megjelenítésére.
Fejlesztőink mesterséges intelligencia (AI) módszereket is alkalmaznak az adatok értékeléséhez. Ez lehetővé teszi a bioreaktor optimalizálását akár az algakultúrák szaporítására, akár az előre meghatározott növekedési paraméterek fenntartására minimális energiabefektetéssel. A szelepek és más alkatrészek élettartamának előjelzésére is használható. A mesterséges intelligencia segítségével létrehozott digitális ikrek használata is elképzelhető lenne. A jövőben a bioreaktorok teljes életciklusának szimulálására és virtuális feltérképezésére is használhatók lesznek. A legkülönfélébb mikroorganizmusok várható sejtnövekedését is nagy pontossággal meg lehetne becsülni, még a valós rendszer fizikai felépítése előtt.
A laboratóriumi berendezések automatizálás és digitalizálás révén történő optimalizálása mellett az úgynevezett mesterséges fotoszintézis is ígéretes perspektívát kínál a biomassza még hatékonyabb termesztésére. Projektpartnerünkkel, a Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology Marburggal közösen kifejlesztettünk egy automatikus adagolót a fotoszintézis egyes enzimjeinek javítására. Ehhez egy enzim több ezer változatát kell tesztelni. A kézi pipettázáshoz képest a kifejlesztett automata adagoló ezt sokkal gyorsabban és hibamentesen végzi. Ezenkívül az automata pillanatok alatt új feladatokhoz igazítható.
De nem csak a fotoszintézis egyes építőelemei optimalizálhatók. A tudósok teljes anyagcsere-útvonalak digitális optimalizálásán dolgoznak. Ezt a megközelítést szintetikus biológiának nevezik. A számítógépen optimalizált anyagcsere-útvonalat szintetikusan előállított sejtekbe, úgynevezett cseppekbe csomagolják. Ezek átmérője körülbelül 90 mikrométer, és tartalmazzák az összes szükséges enzimet és biokatalizátort. Ez lehetővé teszi számukra, hogy biológiai modelljeikhez hasonlóan fényenergia segítségével szén-dioxidot kössenek meg.
Bár még mindig a fejlesztési folyamat közepén járunk, a jövő lehetőségei már ma is nyilvánvalóak: ha az automatizálás és az alapkutatás terén a szakértelem és az alapkutatás találkozik, akkor gyorsabban haladhatunk az ipari méretű szén-dioxid-semleges termelés felé vezető úton. Ezért kutatunk a biológia területén.