藻類は目立たない存在ながら気候の救世主になる可能性があります。藻類は自然光による光合成に関して非常に効率的で陸上の植物の10倍の二酸化炭素(CO₂)を吸収します。適切なセンサ、制御技術、自動化技術を備えたバイオリアクターでは藻類の効率を陸上の植物の100倍に高めることが可能です。したがって、藻類は気候に中立な循環経済実現に関して大きな可能性を秘めています。研究プロジェクトPhotoBionicCellにおいて、私たちは明日の産業バイオ化のための可能なアプローチを紹介しています。
バイオリアクターを使用することで藻類を自動的に栽培し、その成長を制御することができます。この目的のために藻類の液体は表面コレクターにポンプで送られ、そこで均一な流れで分配され、次に再び栽培設備に戻されます。この循環において、藻類は細胞にある葉緑体で光合成を行い、太陽光、二酸化炭素、水を酸素と化学エネルギー担体または有機物質に変換します。このように、バイオマスは非常に効率的で資源を節約しつつクローズドサイクルで栽培されます。
微生物にとって可能な限り優れた条件を作り出すために、実績のある制御および調整技術と最新の自動化コンポーネントとの相互作用が役立ちます。包括的なガス供給コンセプトにより、周囲の空気から抽出された二酸化炭素の循環するバイオフルードへの均一な分散が保証されます。
バイオテクノロジーにおける大きな課題はバイオマスの量を正確に特定することです。このためにFestoの開発者はスタートアップであるQ.ANTの量子技術センサを採用しました。これにより微生物の成長に関する正確かつリアルタイムの情報が提供されます。藻類はFestoのマイクロフルイディクスによって自動的かつ継続的に供給されます。量子センサは、バイオマスの量を正確に決定できるように、個々の細胞を光学的に検出することができる。さらにこのセンサは細胞の活性も調べます。これによりプロセスにおける事象に早期に対応し、それらを規制するための介入が可能になります。
藻類バイオマスに供給される栄養素に応じて脂肪酸, 着色顔料, 界面活性剤はそれらの代謝プロセスの産物として形成されます。これらは医薬品, 食品, プラスチック, 化粧品, または燃料製造の出発材料として利用されています。石油ベースの製品とは異なり、バイオベースの最終製品は通常、生分解され循環経済の一部として気候に中立でリサイクルされます。
PhotoBionicCellの研究ではFestoの研究者は藍藻シネコシスティスの栽培に焦点を当てました。この藻は着色顔料, オメガ3脂肪酸, ポリヒドロキシ酪酸(PHB)を生成します。ここで得られたPHBは他の物質を加えることにより、3Dプリント用のフィラメントに加工することができます。この最新の製造技術により、複雑な形状の持続可能なプラスチック製コンポーネントやパッケージを短時間で製造できます。例えばPhotoBionicCellにはバイオプラスチック製の固定クリップが取り付けられています。
ラボではこれまで多くの分析が手作業で行われてきました。これには時間がかかるとともに、誤操作につながる可能性があります。このようなラボ用システムを自動化することにより、将来は必要なすべてのデータを直接かつリアルタイムで読み取ることができ、研究者は本来の業務により集中することができます。
PhotoBionicCellは専用に開発されたソフトウェアによって完成されます。ダッシュボードを使用することで複数のフォトバイオリアクターを現在のデータとリアルタイムの記録にマッピングできます。これにより手動でのパラメータ変更とそれに対応する評価を24時間リモートで行うことも可能です。さらにユーザーはいつでもバイオリアクターの変化に対応でき、例えば最適な時間に製品の収穫を開始できます。
デジタル化されたラボは拡張現実アプリケーションによって補完されます。タブレットを使用して現実を拡張し、バイオリアクター内の技術プロセス, プロセスパラメータ, そしてプロセスに関する情報を視覚化できます。
また、開発者は人工知能(AI)の手法を用いてデータを評価します。これによりバイオリアクターを藻類培養の増殖について最適化したり、最小限のエネルギー消費で特定の成長パラメータを維持するために最適化することができます。また、バルブやその他のコンポーネントの耐久性を予測するためにも利用できます。AIを用いて作成されたデジタルツインの活用も考えられます。将来的にはこれらを駆使してバイオリアクターの完全なライフサイクルをシミュレートし、そして仮想的にマッピングすることも可能となります。つまり、予想される多種多様な微生物の細胞増殖は実際のシステムを物理的に構築する前に、非常に正確に推定することができるようになります。
自動化とデジタル化によるラボシステムの最適化に加え、いわゆる人工光合成はバイオマスのさらに効率的な栽培のためのさらなる展望を提供します。FestoはプロジェクトパートナーであるMax-Planck-Institute for Terrestrial Microbiology in Marburgと共同で個々の光合成酵素を改良するための自動計量装置を開発しました。このためには酵素の何千もの変異体をテストする必要があります。開発された計量装置は手動ピペッティングと比較して、はるかに高速かつ正確に作業を行います。さらに装置はわずか数秒で新しい作業に適応します。
しかし、最適化できるのは光合成の個々の要素だけではありません。研究者たちは代謝経路全体をデジタルで最適化することに取り組んでいます。このアプローチは合成生物学と呼ばれます。コンピューターで最適化された代謝経路は合成によって生成された細胞、いわゆる液滴にパッケージ化されます。これらの直径は約90ミクロンで必要となるすべての酵素と生体触媒が含まれています。その結果、生物学的モデルと同様に光エネルギーを用いて二酸化炭素を吸収することができます。
現在まだ開発の途中であっても、自動化と基礎研究の専門知識を結集させればカーボンニュートラルな生産を産業規模で早期に実現できる可能性が見えつつあります。そのため、私たちはバイオ化の分野で研究を行っています。