Alge su mali spasioci klime. One su već izuzetno efikasne tokom svoje prirodne fotosinteze na otvorenom i vezuju deset puta više ugljen-dioksida (CO₂) nego kopnene biljke. U bioreaktorima sa odgovarajućim senzorima, tehnologijom upravljanja i automatizacijom, efikasnost algi se može povećati do sto puta u odnosu na kopnene biljke. Stoga imaju značajan potencijal za klimatski neutralnu cirkularnu ekonomiju. Istraživačkim projektom PhotoBionicCell pokazujemo mogući pristup industrijskoj bilogizaciji sutrašnjice.
Uz bioreaktor, alge se mogu automatski kultivisati i njihov rast kontrolisati. U tu svrhu, tečnost algi se pumpa u površinske kolektore, gde se ravnomerno raspoređuje, a zatim se vraća u kultivator. Tokom ove cirkulacije, ćelije algi koriste fotosintezu u svojim hloroplastima za pretvaranje sunčeve svetlosti, ugljen-dioksida i vode u kiseonik i hemijske nosioce energije ili organske materijale. Na ovaj način, biomasa se uzgaja u zatvorenom ciklusu na visoko efikasan način i tako da štedi resurse.
Da bi se stvorili najbolji mogući uslovi za mikroorganizme, u obzir dolazi interakcija proverene tehnologije upravljanja i regulacije sa najnovijim komponentama automatizacije. Sveobuhvatni koncept gasiranja obezbeđuje ravnomernu distribuciju ugljen-dioksida izdvojenog iz vazduha u bio-tečnosti koja cirkuliše.
Veliki izazov u bioreaktorima je precizno određivanje količine biomase. Naši programeri se ovde oslanjaju na senzor kvantne tehnologije iz start-up-a Q.ANT. Ovo pruža precizne informacije o rastu organizama u realnom vremenu. Alge se u njemu hrane automatski i kontinuirano koristeći mikrofluidiku iz kompanije Festo. Kvantni senzor je u stanju da optički detektuje pojedinačne ćelije tako da se količina biomase može precizno odrediti. Pored toga, on proverava vitalnost ćelija. Tek tada je moguće prediktivno reagovati na rezultate obrade i intervenisati regulacijom.
U zavisnosti od hranljivih materija koje se unose u biomasu algi, kao produkti njihovih metaboličkih procesa formiraju se masne kiseline, pigmenti boje i surfaktanti. Oni služe kao polazni materijal za proizvodnju lekova, hrane, plastike, kozmetike ili goriva. Za razliku od proizvoda na bazi nafte, krajnji proizvodi na bio-bazi se obično mogu biološki razgraditi i – u duhu ukupne cirkularne ekonomije – uvek vratiti na klimatski neutralan način.
Za rad na PhotoBionicCell-u, naši istraživači su se fokusirali na kultivaciju plavo-zelene alge Synechocystis. Proizvodi pigmente u boji, omega-3 masne kiseline i polihidroksibutirnu kiselinu (PHB). Ovako dobijeni PHB se može preraditi u filament za 3D štampanje dodavanjem drugih supstanci. Sa ovom savremenom proizvodnom tehnologijom, složeni oblici održivih plastičnih komponenti ili ambalaže mogu se proizvesti za kratko vreme. U PhotoBionicCell-u, na primer, ugrađene su određene kopče za pričvršćivanje napravljene od bioplastike.
Do sada su mnoge analize rađene ručno u laboratorijama. Ovo oduzima mnogo vremena i može dovesti do grešaka. Automatizacijom ovakvih laboratorijskih sistema, svi potrebni podaci ubuduće se mogu čitati direktno i u realnom vremenu, a istraživači mogu bolje da se koncentrišu na svoje osnovne zadatke.
PhotoBionicCell se upotpunjuje posebno razvijenim softverom. Vaša kontrolna tabla omogućava mapiranje nekoliko foto-bioreaktora sa aktuelnim podacima i snimcima uživo. Na ovaj način, ručne promene parametara i odgovarajuće evaluacije se takođe mogu neprekidno vršiti daljinski putem. Ovo omogućava korisnicima da reaguju na promene u bioreaktoru u bilo kom trenutku i, na primer, započnu žetvu proizvoda u optimalno vreme.
Digitalizovana laboratorija je dopunjena primenom proširene realnosti. Realnost se može proširiti korišćenjem tableta za vizuelizaciju tehničkih procesa, parametara procesa i informacija o procesima unutar bioreaktora.
Naši programeri takođe koriste metode veštačke inteligencije (AI) za procenu podataka. Na ovaj način, bioreaktor se može optimizovati za razmnožavanje kultura algi ili za održavanje određenih parametara rasta uz minimalnu potrošnju energije. Takođe se može koristiti za predviđanje trajnosti ventila i drugih komponenti. Korišćenje digitalnih blizanaca kreiranih uz pomoć veštačke inteligencije takođe bi bilo zamislivo. U budućnosti bi se mogli koristiti za simulaciju i virtuelno mapiranje kompletnih životnih ciklusa bioreaktora. Očekivani rast ćelija širokog spektra mikroorganizama tada bi se mogao proceniti sa velikom tačnošću, čak i pre fizičke konstrukcije realnog sistema.
Pored optimizacije laboratorijskih sistema kroz automatizaciju i digitalizaciju, takozvana veštačka fotosinteza nudi još jednu perspektivu koja obećava za još efikasniju kultivaciju biomase. Sa našim partnerom na projektu Max Plank Institutom za zemaljsku mikrobiologiju Marburg, razvili smo dozator za poboljšanje pojedinačnih fotosintetičkih enzima. Za ovo se moraju testirati hiljade varijanti enzima. Razvijena mašina za doziranje to radi mnogo brže i bez grešaka u poređenju sa ručnim pipetiranjem. Pored toga, mašina se može prilagoditi novim zadacima za nekoliko sekundi.
Međutim, ne mogu se optimizovati samo pojedinačne komponente fotosinteze. Naučnici rade na digitalnoj optimizaciji čitavih metaboličkih puteva. Ovaj pristup se naziva sintetička biologija. Kompjuterski optimizovan metabolički put je upakovan u sintetički proizvedene ćelije, takozvane kapljice. One imaju prečnik od oko 90 mikrometara i sadrže sve potrebne enzime i biokatalizatore. Kao rezultat toga, one su u stanju da, kao i njihovi biološki uzori, fiksiraju ugljen-dioksid koristeći svetlosnu energiju.
Čak i ako smo još usred razvojnog procesa, već postoje znaci budućeg potencijala: ako se spoje stručnost u automatizaciji i osnovna istraživanja, put ka CO2-neutralnoj proizvodnji u industrijskom obimu može se utabati još brže. Zbog toga sprovodimo istraživanja u oblasti biologizacije.