Riasy sú malí šetriči klímy. Už pri svojej prirodzenej fotosyntéze vonku sú mimoriadne účinné a viažu desaťkrát viac oxidu uhličitého (CO₂) ako suchozemské rastliny. V bioreaktoroch s príslušnými senzormi, riadiacou technikou a automatizáciou možno účinnosť rias zvýšiť až stonásobne oproti suchozemským rastlinám. Majú preto značný potenciál pre klimaticky neutrálne obehové hospodárstvo. S výskumným projektom PhotoBionicCell ukazujeme možný prístup k priemyselnej biologizácii zajtrajška.
Pomocou bioreaktora je možné riasy kultivovať automaticky a kontrolovať ich rast. Na tento účel sa kvapalina z rias prečerpáva do povrchových kolektorov, kde sa rovnomerne rozdeľuje a následne prúdi späť do kultivátora. Počas tejto cirkulácie bunky rias využívajú fotosyntézu vo svojich chloroplastoch na premenu slnečného žiarenia, oxidu uhličitého a vody na kyslík a chemické nosiče energie alebo organické materiály. Týmto spôsobom sa biomasa pestuje v uzavretom cykle vysoko efektívnym a zdrojovo úsporným spôsobom.
Pre vytvorenie čo najlepších podmienok pre mikroorganizmy prichádza do úvahy interakcia osvedčenej riadiacej a regulačnej techniky s najnovšími automatizačnými komponentmi. Holistický koncept plynovania zaisťuje rovnomernú distribúciu oxidu uhličitého extrahovaného zo vzduchu v cirkulujúcej biokvapaline.
Hlavnou výzvou v bioreaktoroch je presné určenie množstva biomasy. Na to sa naši vývojári spoliehajú na senzor kvantovej technológie od start-upu Q.ANT. To poskytuje presné informácie o raste organizmov v reálnom čase. Riasy sú do nej privádzané automaticky a nepretržite pomocou mikrofluidiky od Festo. Kvantový senzor je schopný opticky detegovať jednotlivé bunky tak, aby bolo možné presne určiť množstvo biomasy. Okrem toho skúma bunky na ich vitalitu. Len tak je možné proaktívne reagovať na procesné udalosti a zasahovať do ich regulácie.
V závislosti od živín, ktoré sú dodávané do biomasy rias, vznikajú ako produkty ich metabolických procesov mastné kyseliny, farebné pigmenty a povrchovo aktívne látky. Tie slúžia ako východiskový materiál na výrobu liekov, potravín, plastov, kozmetiky či palív. Na rozdiel od produktov na báze ropy sa biologické konečné produkty môžu zvyčajne biologicky rozložiť a – v duchu celkového obehového hospodárstva – recyklovať klimaticky neutrálnym spôsobom.
Pri práci na PhotoBionicCell sa naši výskumníci zamerali na pestovanie modrozelenej riasy Synechocystis. Produkuje farebné pigmenty, omega-3 mastné kyseliny a kyselinu polyhydroxymaslovú (PHB). Takto získaný PHB je možné spracovať na filament pre 3D tlač pridaním ďalších látok. Pomocou tejto modernej výrobnej technológie je možné v krátkom čase vyrobiť zložité tvary trvalo udržateľných plastových komponentov alebo obalov. Vo PhotoBionicCell sú napríklad nainštalované určité upevňovacie spony vyrobené z bioplastu.
Doteraz sa mnohé analýzy vykonávali ručne v laboratóriách. Je to časovo náročné a môže to viesť k chybám. Automatizáciou takýchto laboratórnych systémov možno v budúcnosti čítať všetky potrebné údaje priamo a v reálnom čase a výskumníci sa môžu lepšie sústrediť na svoje kľúčové úlohy.
PhotoBionicCell je doplnený o špeciálne vyvinutý softvér. Váš prístrojový panel umožňuje zmapovať niekoľko fotobioreaktorov s aktuálnymi údajmi a živými záznamami. Manuálne zmeny parametrov a príslušné vyhodnocovanie je tak možné vykonávať nepretržite aj na diaľku. Používatelia tak môžu kedykoľvek reagovať na zmeny v bioreaktore a napríklad začať zber produktu v optimálnom čase.
Digitalizované laboratórium je doplnené o aplikáciu rozšírenej reality. Realitu je možné rozšíriť pomocou tabletu na vizualizáciu technických procesov, procesných parametrov a informácií o procesoch vo vnútri bioreaktora.
Naši vývojári používajú na vyhodnotenie údajov aj metódy umelej inteligencie (AI). Týmto spôsobom možno bioreaktor optimalizovať buď na rozmnožovanie kultúr rias, alebo na udržanie špecifikovaných rastových parametrov s minimálnou spotrebou energie. Dalo by sa tiež použiť na predpovedanie životnosti ventilov a iných komponentov. Do úvahy by prichádzalo aj využitie digitálnych dvojčiat vytvorených pomocou AI. V budúcnosti by mohli slúžiť na simuláciu a virtuálne mapovanie kompletných životných cyklov bioreaktorov. Očakávaný rast buniek širokej škály mikroorganizmov by sa potom dal odhadnúť s veľkou presnosťou ešte pred fyzickou konštrukciou skutočného systému.
Okrem optimalizácie laboratórnych systémov prostredníctvom automatizácie a digitalizácie ponúka takzvaná umelá fotosyntéza ďalšiu perspektívnu perspektívu pre ešte efektívnejšie pestovanie biomasy. S naším projektovým partnerom Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology Marburg sme vyvinuli dávkovač na zlepšenie jednotlivých fotosyntetických enzýmov. Na to je potrebné testovať tisíce variantov enzýmu. Vyvinutý dávkovací stroj to robí oveľa rýchlejšie a bezchybne v porovnaní s ručným pipetovaním. Okrem toho je možné stroj prispôsobiť novým úlohám v priebehu niekoľkých sekúnd.
Ale nie sú to len jednotlivé stavebné bloky fotosyntézy, ktoré možno optimalizovať. Vedci pracujú na digitálnej optimalizácii celých metabolických dráh. Tento prístup sa nazýva syntetická biológia. Počítačovo optimalizovaná metabolická dráha je zabalená do synteticky vyrobených buniek, takzvaných kvapôčok. Tie majú priemer okolo 90 mikrometrov a obsahujú všetky potrebné enzýmy a biokatalyzátory. Výsledkom je, že sú schopné – podobne ako ich biologické vzory – fixovať oxid uhličitý pomocou svetelnej energie.
Aj keď sme stále uprostred vývojového procesu, už teraz existujú náznaky budúceho potenciálu: ak sa spoja odborné znalosti v oblasti automatizácie a základného výskumu, cesta k produkcii neutrálnej z hľadiska oxidu uhličitého v priemyselnom meradle môže byť vydláždená rýchlejšie. Preto robíme výskum v oblasti biologizácie.