W bioreaktorze można automatycznie hodować algi i kontrolować ich wzrost. W tym celu ciecz z alg jest pompowana w górę do kolektorów powierzchniowych, gdzie jest rozprowadzana w równomiernym strumieniu, a następnie spływa z powrotem do kultywatora. Podczas tego obiegu komórki alg wykorzystują fotosyntezę w swoich chloroplastach do przekształcania światła słonecznego, dwutlenku węgla i wody w tlen i chemiczne źródła energii lub cenne substancje organiczne. W ten sposób biomasa jest uprawiana w cyklu zamkniętym, w sposób wysoce wydajny i oszczędzający zasoby.
Aby stworzyć mikroorganizmom jak najlepsze warunki, konieczne jest połączenie sprawdzonej technologii sterowania i regulacji z najnowszymi komponentami automatyki. Całościowa koncepcja gazowania gwarantuje, że dwutlenek węgla pobrany z powietrza jest równomiernie rozprowadzany w krążącym płynie biologicznym.
Głównym wyzwaniem w przypadku bioreaktorów jest dokładne określenie ilości biomasy. W tym celu nasi programiści korzystają z czujnika technologii kwantowej startupu Q.ANT. Zapewnia on precyzyjne informacje w czasie rzeczywistym na temat wzrostu organizmów. Dzięki zastosowaniu komponentów mikroprzepływowych Festo, algi są podawane do czujnika w sposób automatyczny i ciągły. Czujnik kwantowy jest w stanie optycznie wykryć poszczególne komórki, dzięki czemu można precyzyjnie określić ilość biomasy. Ponadto bada komórki pod kątem ich żywotności. Tylko wtedy możliwa jest wcześniejsza reakcja na zdarzenia procesowe i ich regulacja.
W zależności od składników odżywczych podawanych do biomasy alg, produktami powstającymi w ramach procesów metabolicznych są kwasy tłuszczowe, barwniki i substancje powierzchniowo czynne. Służą one jako surowce do produkcji leków, żywności, tworzyw sztucznych, kosmetyków i paliw. W przeciwieństwie do produktów ropopochodnych, produkty końcowe pochodzenia biologicznego zwykle ulegają biodegradacji i - zgodnie z zasadami gospodarki cyrkulacyjnej - są zawsze poddawane recyklingowi w sposób neutralny dla klimatu.
W pracach nad PhotoBionicCell nasi badacze skupili się na hodowli sinicy Synechocystis. Produkują pigmenty barwiące, kwasy tłuszczowe omega-3 i polihydroksymaślan (PHB). Wyekstrahowany PHB można przetworzyć na filament do druku 3D poprzez dodanie innych substancji. Dzięki tej nowoczesnej technologii produkcji można w krótkim czasie wytwarzać skomplikowane kształty trwałych elementów z tworzyw sztucznych lub opakowań. Na przykład w PhotoBionicCell montowane są specjalne klipsy mocujące wykonane z bioplastiku.
W laboratoriach do tej pory wiele analiz wykonywano ręcznie. Jest to czasochłonne i może prowadzić do błędów. Automatyzacja takich systemów laboratoryjnych w przyszłości umożliwi bezpośredni odczyt wszystkich wymaganych danych w czasie rzeczywistym, a naukowcy będą mogli lepiej skoncentrować się na swoich podstawowych zadaniach.
Uzupełnieniem PhotoBionicCell jest specjalnie opracowane oprogramowanie. Dashboard umożliwia mapowanie wielu fotobioreaktorów i wyświetlanie bieżących danych oraz obrazów na żywo. Oznacza to, że ręczne zmiany parametrów i odpowiadające im oceny mogą być dokonywane przez całą dobę, nawet zdalnie. Dzięki temu użytkownicy mogą w każdej chwili reagować na zmiany zachodzące w bioreaktorze i na przykład rozpocząć zbiór produktu w optymalnym momencie.
Cyfrowe laboratorium jest uzupełnione o aplikację rzeczywistości rozszerzonej. Tablet można zastosować do rzeczywistości rozszerzonej i wizualizacji procesów technicznych, parametrów procesu i informacji o procesach wewnątrz bioreaktora.
Nasi programiści wykorzystują również metody sztucznej inteligencji (AI) do oceny danych. Dzięki temu bioreaktor można zoptymalizować pod kątem rozmnażania kultur alg lub utrzymywania wstępnie zdefiniowanych parametrów wzrostu przy minimalnym nakładzie energii. Można ją również wykorzystać do przewidywania trwałości zaworów i innych elementów. Możliwe byłoby również wykorzystanie cyfrowych bliźniaków stworzonych przy pomocy sztucznej inteligencji. W przyszłości będzie można je wykorzystać do symulacji i wirtualnego odwzorowania pełnego cyklu życia bioreaktorów. Można wtedy z dużą dokładnością oszacować spodziewany wzrost komórek wielu różnych mikroorganizmów, jeszcze przed fizycznym skonstruowaniem rzeczywistego systemu.
Oprócz optymalizacji urządzeń laboratoryjnych poprzez automatyzację i cyfryzację, tak zwana sztuczna fotosynteza oferuje kolejną obiecującą perspektywę dla jeszcze bardziej wydajnej uprawy biomasy. Wraz z naszym partnerem projektu, Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology Marburg, opracowaliśmy automatyczny dozownik do ulepszania poszczególnych enzymów fotosyntezy. W tym celu należy przebadać tysiące wariantów danego enzymu. W porównaniu z pipetowaniem ręcznym, opracowany automatyczny dozownik wykonuje tę czynność znacznie szybciej i w sposób bezbłędny. Ponadto automat można w kilka sekund przystosować do nowych zadań.
Jednak nie tylko poszczególne elementy składowe fotosyntezy mogą zostać zoptymalizowane. Naukowcy pracują nad cyfrową optymalizacją kompletnych ścieżek metabolicznych. Takie podejście nazywa się biologią syntetyczną. Zoptymalizowana na komputerze ścieżka metaboliczna jest umieszczana w syntetycznie wyprodukowanych komórkach, tzw. kropelkach. Mają one średnicę około 90 mikrometrów i zawierają wszystkie niezbędne enzymy i biokatalizatory. Dzięki temu mogą one wiązać dwutlenek węgla za pomocą energii świetlnej, podobnie jak ich biologiczne modele.
Mimo że nadal znajdujemy się w połowie procesu rozwoju, już dziś widać potencjał przyszłości: jeśli połączy się wiedzę z zakresu automatyki i badań, można szybciej przejść do produkcji neutralnej pod względem emisji dwutlenku węgla na skalę przemysłową. Dlatego też prowadzimy badania w zakresie biologizacji.
Wspólnie z instytutami, uczelniami oraz partnerami badamy zasady biologiczne, aby opracowywać innowacyjne idee i rozwiązania na potrzeby naszego kluczowego obszaru działalności – techniki automatyzacji oraz edukacji technicznej. Dowiedz się więcej o Bionic Learning Network lub odkryj inne ciekawe tematy dotyczące Festo na naszym blogu.