Algele sunt mici salvatori ai climei. Deja prin fotosinteza lor naturala in aer liber, sunt extrem de eficiente si fixeaza de zece ori mai mult dioxid de carbon (CO₂) decat plantele terestre. In bioreactoare cu senzori, tehnologie de control si automatizare adecvata, eficienta algelor poate fi crescuta de o suta de ori fata de cea a plantelor terestre. Prin urmare, acestea au un potential considerabil pentru o economie circulara neutra din punct de vedere climatic. Prin proiectul de cercetare PhotoBionicCell, prezentam o posibila abordare pentru biologizarea industriala de maine.
Cu ajutorul bioreactorului, algele pot fi cultivate in mod automat si cresterea lor poate fi controlata. In acest scop, lichidul algelor este pompat in sus in colectoarele de suprafata, unde este distribuit intr-un flux uniform si apoi se intoarce in cultivator. In timpul acestei circulatii, celulele algelor folosesc fotosinteza in cloroplastele lor pentru a transforma lumina solara, dioxidul de carbon si apa in oxigen si surse de energie chimica sau in materiale organice reciclabile. Astfel, biomasa este cultivata intr-un ciclu inchis, intr-un mod foarte eficient si care economiseste resurse.
Pentru a crea cele mai bune conditii posibile pentru microorganisme, intra in joc interactiunea dintre tehnologia consacrata de control si reglare si cele mai recente componente de automatizare. Un concept holistic de gazare asigura conditiile ca dioxidul de carbon extras din aer sa fie distribuit uniform in biofluidul circulant.
O provocare majora in cazul bioreactoarelor este determinarea exacta a cantitatii de biomasa. Pentru aceasta, dezvoltatorii nostri se bazeaza pe un senzor de tehnologie cuantica de la start-up-ul Q.ANT. Acest lucru ofera informatii precise si in timp real despre cresterea organismelor. Algele sunt alimentate in mod automat si continuu cu ajutorul microfluidelor de la Festo. Senzorul cuantic este capabil sa detecteze optic celulele individuale, astfel incat cantitatea de biomasa poate fi determinata cu precizie. Aditional, acesta examineaza celulele pentru a verifica vitalitatea lor. Numai atunci este posibil sa reactionam la evenimentele de proces cu previziune si sa intervenim prin actiuni de reglaj.
In functie de nutrientii furnizati biomasei de alge, se formeaza acizi grasi, pigmenti coloranti si agenti tensioactivi ca produse ale proceselor metabolice. Acestea servesc ca materii prime pentru productia de medicamente, alimente, materiale plastice, cosmetice sau combustibili. Spre deosebire de produsele pe baza de petrol, produsele finale pe baza biologica pot fi, de obicei, biodegradate si - in conformitate cu o economie circulara globala - reciclate intotdeauna intr-un mod neutru din punct de vedere climatic.
In cadrul proiectului PhotoBionicCell, cercetatorii nostri s-au concentrat pe cultivarea algei verzi-albastre Synechocystis. Produce pigmenti coloranti, acizi grasi omega-3 si acid polihidroxibutiric (PHB). Acest PHB extras poate fi transformat intr-un filament pentru imprimarea 3D prin adaugarea altor substante. Cu ajutorul acestei tehnologii moderne de productie, pot fi produse intr-un timp scurt forme complexe de componente sau ambalaje durabile din plastic. In cazul PhotoBionicCell, de exemplu, sunt instalate anumite cleme de fixare realizate din bioplastic.
In laboratoare, multe analize au fost efectuate manual pana in prezent. Acest lucru necesita mult timp si poate duce la erori. Prin automatizarea acestor instalatii de laborator, toate datele necesare ar putea fi citite direct si in timp real in viitor, iar cercetatorii s-ar putea concentra mai bine asupra sarcinilor lor principale.
PhotoBionicCell este completat de un software special dezvoltat. Tabloul de bord permite cartografierea mai multor fotobioreactoare cu date actuale si inregistrari in direct. Acest lucru inseamna ca modificarile manuale ale parametrilor si evaluarile corespunzatoare pot fi efectuate non-stop, chiar si de la distanta. Acest lucru le permite utilizatorilor sa reactioneze in orice moment la schimbarile din bioreactor si, de exemplu, sa initieze recoltarea produsului la momentul optim.
Laboratorul digitalizat este completat de o aplicatie de realitate augmentata. Prin intermediul tabletei, realitatea poate fi extinsa pentru a vizualiza procesele tehnice, parametrii de proces si informatiile despre procesele din interiorul bioreactorului.
De asemenea, dezvoltatorii nostri folosesc metode de inteligenta artificiala (IA) pentru a evalua datele. Acest lucru permite ca bioreactorul sa fie optimizat fie pentru inmultirea culturilor de alge, fie pentru mentinerea unor parametri de crestere predefiniti cu un consum minim de energie. De asemenea, ar putea fi utilizata pentru a prezice durabilitatea supapelor si a altor componente. De asemenea, ar fi de imaginat utilizarea gemenilor digitali creati cu ajutorul inteligentei artificiale. in viitor, acestea ar putea fi utilizate pentru a simula si cartografia virtuala a ciclurilor de viata complete ale bioreactoarelor. Cresterea celulara preconizata a unei mari varietati de microorganisme ar putea fi astfel estimata cu mare precizie chiar inainte de construirea fizica a unui sistem real.
Pe langa optimizarea instalatiilor de laborator prin automatizare si digitalizare, asa-numita fotosinteza artificiala ofera o alta perspectiva promitatoare pentru o cultivare si mai eficienta a biomasei. Impreuna cu partenerul nostru de proiect, Institutul Max Planck de Microbiologie Terestra din Marburg, am dezvoltat un distribuitor automat pentru a imbunatati enzimele individuale ale fotosintezei. Pentru aceasta, trebuie testate mii de variante ale unei enzime. In comparatie cu pipetarea manuala, distribuitorul automat dezvoltat face acest lucru mult mai rapid si fara erori. In plus, sistemul automat poate fi adaptat la noi sarcini in cateva secunde.
Dar nu numai elementele constitutive individuale ale fotosintezei pot fi optimizate. Oamenii de stiinta lucreaza la optimizarea digitala a unor intregi cai metabolice. Aceasta abordare se numeste biologie sintetica. Un traseu metabolic optimizat pe calculator este invelit in celule produse sintetic, asa-numitele droplet-uri. Acestea au un diametru de aproximativ 90 de micrometri si contin toate enzimele si biocatalizatorii necesari. Acest lucru le permite sa fixeze dioxidul de carbon prin intermediul energiei luminoase, la fel ca modelele lor biologice.
Chiar daca ne aflam inca la mijlocul procesului de dezvoltare, potentialul viitorului este deja evident astazi: daca expertiza in domeniul automatizarii si cercetarea de baza se reunesc, calea catre o productie neutra din punct de vedere al dioxidului de carbon la scara industriala poate fi parcursa mai rapid. Acesta este motivul pentru care facem cercetari in domeniul biologizarii.