PhotoBionicCell

การเพาะปลูกชีวมวลแบบอัตโนมัติ

สาหร่ายเป็นผู้พิทักษ์สภาพอากาศตัวน้อย แม้ขณะที่สังเคราะห์ด้วยแสงตามธรรมชาติ สาหร่ายสามารถสังเคราะห์ด้วยแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพและดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ได้มากกว่าพืชบกถึงสิบเท่า ประสิทธิภาพของสาหร่ายจะเพิ่มขึ้นเป็นร้อยเท่าของพืชบนบกในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่มีเทคโนโลยีเซนเซอร์ที่เหมาะสม เทคโนโลยีการควบคุม และระบบอัตโนมัติ ซึ่งทำให้เห็นถึงศักยภาพที่สำคัญสำหรับเศรษฐกิจหมุนเวียนที่เป็นกลางทางคาร์บอน เราจะแสดงให้เห็นถึงแนวทางที่เป็นไปได้สำหรับการตรวจสอบทางชีวภาพทางอุตสาหกรรมในอนาคตด้วยโครงการวิจัย PhotoBionicCell

สาหร่ายสามารถเพาะปลูกได้อย่างอัตโนมัติและควบคุมการเจริญเติบโตด้วยเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ เมือกของสาหร่ายจะถูกสูบขึ้นไปด้านบนเข้าไปในตัวกักเก็บผิวภายนอกที่จะกระจายในกระแสที่สม่ำเสมอ จากนั้นจะไหลกลับเข้าไปในเครื่องมือเพาะปลูก ในระหว่างการหมุนเวียนนี้ เซลล์สาหร่ายจะเปลี่ยนแสงแดด คาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำด้วยการสังเคราะห์ด้วยแสงไปเป็นออกซิเจนและพาหะพลังงานเคมีหรือวัสดุอินทรีย์แบบรีไซเคิล ซึ่งเป็นวิธีที่ปลูกชีวมวลในวงจรแบบปิดได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงและอนุรักษณ์ทรัพยากร

การสังเคราะห์ด้วยแสงอย่างมีประสิทธิภาพในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่ล้ำเทคโนโลยี

การทำงานร่วมกันของเทคโนโลยีควบคุมและดูแลที่ทดสอบแล้วกับชิ้นส่วนของระบบอัตโนมัติใหม่ที่ล้ำสมัยช่วยในการสร้างสภาวะที่ดีที่สุดให้กับจุลินทรีย์ แนวคิดการพ่นก๊าซในตัวช่วยให้มั่นใจว่าคาร์บอนไดออกไซด์จากอากาศในไบโอจะกระจายไปยังของเหลวที่หมุนเวียนได้อย่างสม่ำเสมอ

ความท้าทายที่สำคัญในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพคือการกำหนดปริมาณชีวมวลอย่างแม่นยำ นักพัฒนาของเราได้ใช้เซนเซอร์เทคโนโลยีควอนตัมของธุรกิจสตาร์ทอัพ Q.ANT เพื่อกำหนดชีวิมวลดังกล่าว ซึ่งจะให้ข้อมูลเกี่ยวกับการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตได้อย่างแม่นยำและเรียลไทม์ สาหร่ายจะถูกสูบเข้าไปโดยอัตโนมัติและอย่างต่อเนื่องโดยใช้ไมโครฟลูอิดิกส์จาก Festo เซนเซอร์ควอนตัมสามารถตรวจจับแต่ละเซลล์ด้วยแสง เพื่อให้สามารถคำนวณปริมาณชีวมวลได้อย่างแม่นยำ นอกจากนี้ เซนเซอร์ยังตรวจสอบเซลล์ต่างๆ เพื่อหาน้ำหล่อเลี้ยง การตอบสนองต่อผลของการประมวลผลล่วงหน้าและควบคุมการประมวลผลเหล่านั้น

วัสดุรีไซเคิลทางชีวภาพสำหรับผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่เป็นกลางทางคาร์บอน

กรดไขมัน เม็ดสี และสารลดแรงตึงผิวเกิดเป็นผลิตภัณฑ์ของกระบวนการเผาผลาญ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสารอาหารที่ป้อนชีวมวลของสาหร่าย สิ่งต่างๆ เหล่านี้ทำหน้าที่เป็นวัสดุตั้งต้นสำหรับการผลิตยา อาหาร พลาสติก เครื่องสำอาง หรือเชื้อเพลิง ผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่ใช้ชีวภาพส่วนใหญ่จะสามารถย่อยลายได้ทางชีวภาพ และเพื่อให้สอดคล้องกับเศรษฐกิจแบบหมุนเวียนโดยรวม ก็จะกลับคืนในลักษณะที่เป็นกลางต่อคาร์บอนเสมอ ซึ่งแตกตต่างจากผลิตภัณฑ์ที่ใช้น้ำมันดิบ

นักวิจัยของเราได้มุ่งเน้นในด้านการเพาะปลูกสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินหรือซินเนโคซิสติสเพื่อการทำงานของ PhotoBionicCell ซึ่งจะผลิตเม็ดสี กรดไขมันโอเมก้า 3 และกรดบิวทีริกพอลิไฮดรอกซี (PHB) กรดบิวทีริกพอลิไฮดรอกซีที่สกัดมานี้สามารถนำไปแปรรูปเป็นเส้นใยละเอียดสำหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติโดยการเพิ่มสารอื่นๆ เข้าไป เทคโนโลยีการผลิตที่ทันสมัยนี้สามารถผลิตรูปทรงที่ซับซ้อนของชิ้นส่วนพลาสติกหรือบรรจุภัณฑ์ที่ยั่งยืนในเวลาอันสั้น ตัวอย่างเช่น การติดตั้งคลิปยึดเฉพาะที่ทำจากพลาสติกชีวภาพใน PhotoBionicCell

โซลูชันซอฟต์แวร์สำหรับห้องปฏิบัติการดิจิทัล

การวิเคราะห์มากมายในห้องปฏิบัติการได้ดำเนินด้วยตนเองมาจนถึงปัจจุบัน ซึ่งใช้เวลามากและอาจนำไปสู่ข้อผิดพลาดได้ ระบบอัตโนมัติของระบบห้องปฏิบัติการดังกล่าวในอนาคตจะทำให้อ่านข้อมูลที่จำเป็นทั้งหมดได้โดยตรงและแบบเรียลไทม์ และนักวิจัยสามารถมุ่งความสนใจในการการทำงานหลักของพวกเขาให้ดีขึ้นได้

ซอฟต์แวร์ที่พัฒนาขึ้นเป็นพิเศษทำให้ PhotoBionicCell สมบูรณ์ แดชบอร์ดของคุณจะช่วยให้สามารถแสดงเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพหลายเครื่องได้มากยิ่งขึ้นพร้อมกับข้อมูลที่เป็นปัจจุบันและการบันทึกสด การเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์แบบแมนนวลและการประเมินที่เกี่ยวข้องจึงสามารถทำได้จากระยะไกลได้ตลอดเวลา ดังนั้น ผู้ใช้สามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพได้ตลอดเวลา และเริ่มเก็บเกี่ยวผลผลิตในเวลาที่เหมาะสม

ห้องปฏิบัติการดิจิทัลเสริมโดยการเสริมด้วยการใช้งานแบบเสมือน ภาพเสมือสามารถขยายได้ผ่านแท็บเล็ตเพื่อแสดงภาพกระบวนการทางเทคนิค พารามิเตอร์กระบวนการ และข้อมูลเกี่ยวกับกระบวนการที่อยู่ด้านในของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ

ปัญญาประดิษฐ์และ Digital Twins

นักพัฒนาของเรายังใช้วิธีของปัญญาประดิษฐ์ (AI) เพื่อประเมินข้อมูลต่างๆ ซึ่งช่วยเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพในการปรับให้เหมาะสมกับการขยายพันธุ์ของการเพาะปลูกสาหร่ายหรือเพื่อคงพารามิเตอร์การเจริญเติบโตที่กำหนดไว้โดยพลังงานน้อยที่สุด นอกจากนี้ยังสามารถคาดการณ์อายุใช้งานของวาล์วและชิ้นส่วนอื่นๆ ได้อีกด้วย การใช้ Digital Twins ที่สร้างขึ้นโดยใช้ AI ก็เป็นไปได้เช่นกัน Digital Twins สามารถใช้ในอนาคตเพื่อจำลองและแสดงภาพวัฏจักรชีวิตที่สมบูรณ์ของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ รวมไปถึงการเจริญเติบโตของเซลล์ที่คาดหวังของจุลินทรีย์หลากหลายชนิดจึงสามารถประเมินได้อย่างแม่นยำมาก แม้ก่อนการสร้างทางกายภาพของระบบจริง

การจ่ายอัตโนมัติเป็นพื้นฐาน

นอกเหนือจากการปรับสิ่งอำนวยความสะดวกในห้องปฏิบัติการด้วยระบบอัตโนมัติและการเปลี่ยนผ่านทางดิจิทัลแล้ว การสังเคราะห์ด้วยแสงที่เรียกกันว่าแบบเทียมยังให้มุมมองที่มีแนวโน้มดีอีกประการหนึ่งสำหรับการเพาะปลูกชีวมวลอย่างมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น เราได้พัฒนาเครื่องจ่ายอัตโนมัติร่วมกับผู้ร่วมโครงการ Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology ที่มาร์บวร์กของเราเพื่อปรับปรุงเอนไซม์ของการสังเคราะห์ด้วยแสง รูปแบบของเอนไซม์หลายพันธุ์ชนิดจึงต้องทำการทดสอบ เครื่องจ่ายอัตโนมัติที่พัฒนาขึ้นทำได้เร็วกว่าอย่างมากและไร้ที่ติเมื่อเทียบกับการดูดด้วยตนเอง นอกจากนี้ เครื่องอัตโนมัติสามารถปรับให้เข้ากับงานใหม่ได้ภายในไม่กี่วินาที

ชีววิทยาสังเคราะห์เพื่อประสิทธิภาพสูงสุด

อย่างไรก็ตาม โครงสร้างแต่ละส่วนของการสังเคราะห์ด้วยแสดงที่สามารถปรับให้เหมาะสมได้เท่านั้น นักวิทยาศาสตร์กำลังดำเนินการเกี่ยวกับเพิ่มประสิทธิภาพดิจิทัลของวิถีเมแทบอลิซึมแบบทั้งหมด วิธีการนี้เรียกว่าชีววิทยาสังเคราะห์ วิถีเมแทบอลิซึมที่ปรับให้เหมาะสมด้วยคอมพิวเตอร์จะถูกบรรจุอยู่ในเซลล์ที่ทำการสังเคราะห์ขึ้น หรือเรียกว่าเชื้อ เซลล์เหล่านี้มีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 90 ไมโครเมตรและมีเอนไซม์และตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพที่จำเป็นทั้งหมด ทั้งสองซึ่งในที่นี้เป็นต้นแบบทางชีวภาพจะช่วยจับคาร์บอนไดออกไซด์โดยใช้พลังงานแสง

แม้ว่าเราจะยังอยู่ในระหว่างกระบวนการพัฒนา แต่ศักยภาพในอนาคตก็เริ่มเผยให้เห็นชัดขึ้นแล้วในปัจจุบัน: หากความเชี่ยวชาญด้านระบบอัตโนมัติและการวิจัยขั้นพื้นฐานมารวมกัน เส้นทางสู่การผลิตที่เป็นกลางทางคาร์บอนในระดับอุตสาหกรรก็จะบรรลุได้เร็วยิ่งขึ้น ดังนั้นเราจึงทำการวิจัยในด้านการตรวจสอบทางชีวภาพ