Algler küçük iklim koruyucularıdır. Açık havada doğal fotosentezleri sırasında zaten son derece verimlidirler ve kara bitkilerinden on kat daha fazla karbondioksit (CO₂) bağlarlar. Uygun sensörlere, kontrol teknolojisine ve otomasyona sahip biyoreaktörlerde, alglerin verimliliği, kara bitkilerinin yüz katına çıkarılabilir. Bu nedenle, iklim açısından nötr bir döngüsel ekonomi için önemli bir potansiyele sahiptirler. PhotoBionicCell araştırma projesi ile yarının endüstriyel biyolojikleşmesi için olası bir yaklaşımı gösteriyoruz.
Biyoreaktör ile algler otomatik olarak yetiştirilebilir ve büyümeleri kontrol edilebilir. Bu amaçla, yosun sıvısı, eşit bir akışta dağıtıldığı yüzey toplayıcılarına pompalanır ve ardından kültivatöre geri akar. Bu sirkülasyon sırasında alg hücreleri, güneş ışığını, karbondioksiti ve suyu oksijen ve kimyasal enerji taşıyıcılarına veya organik maddelere dönüştürmek için kloroplastlarında fotosentez kullanır. Bu şekilde, biyokütle, yüksek verimli ve kaynak tasarrufu sağlayan bir şekilde kapalı bir döngü içinde yetiştirilmektedir.
Mikroorganizmalar için mümkün olan en iyi koşulları yaratmak için, kanıtlanmış kontrol ve düzenleme teknolojisinin en son otomasyon bileşenleri ile etkileşimi devreye giriyor. Bütünsel bir gazlama konsepti, havadan çıkarılan karbondioksitin dolaşımdaki biyo-sıvı içinde eşit dağılımını sağlar.
Biyoreaktörlerdeki en büyük zorluk, biyokütle miktarını kesin olarak belirlemektir. Bunun için geliştiricilerimiz, Q.ANT başlangıcından bir kuantum teknolojisi sensörüne güveniyor. Bu, organizmaların büyümesi hakkında kesin ve gerçek zamanlı bilgi sağlar. Algler, Festo'nun mikroakışkanları kullanılarak otomatik ve sürekli olarak beslenir. Kuantum sensörü, biyokütle miktarının kesin olarak belirlenebilmesi için tek tek hücreleri optik olarak algılayabilir. Ayrıca hücreleri canlılık açısından inceler. Ancak o zaman olaylara proaktif bir şekilde tepki vermek ve onları düzenlemek için müdahale etmek mümkündür.
Alg biyokütlesine sağlanan besinlere bağlı olarak, metabolik süreçlerin ürünleri olarak yağ asitleri, renk pigmentleri ve yüzey aktif maddeler oluşur. Bunlar, ilaç, gıda, plastik, kozmetik veya yakıt üretimi için başlangıç malzemesi olarak hizmet eder. Petrol bazlı ürünlerin aksine, biyolojik bazlı nihai ürünler genellikle biyolojik olarak parçalanabilir ve genel bir döngüsel ekonomi ruhu içinde her zaman iklim açısından nötr bir şekilde iade edilebilir.
PhotoBionicCell üzerindeki çalışma için, araştırmacılarımız mavi-yeşil alg Synechocystis'in yetiştirilmesine odaklandı. Renk pigmentleri, omega 3 yağ asitleri ve polihidroksibütirik asit (PHB) üretir. Elde edilen bu PHB, başka maddeler eklenerek 3D baskı için bir filamente işlenebilir. Bu modern üretim teknolojisi ile, sürdürülebilir plastik bileşenlerin veya ambalajların karmaşık şekilleri kısa sürede üretilebilir. Örneğin PhotoBionicCell'de biyoplastikten yapılmış bazı sabitleme klipsleri takılır.
Bugüne kadar laboratuvarlarda birçok analiz elle yapılmıştır. Bu zaman alıcıdır ve hatalara yol açabilir. Bu tür laboratuvar sistemlerini otomatikleştirerek, gerekli tüm veriler gelecekte doğrudan ve gerçek zamanlı olarak okunabilir ve araştırmacılar temel görevlerine daha iyi konsantre olabilir.
PhotoBionicCell, özel olarak geliştirilmiş bir yazılımla tamamlanır. Gösterge tablonuz, birkaç fotobiyoreaktörü güncel veriler ve canlı kayıtlarla eşleştirmeyi mümkün kılar. Bu sayede manuel parametre değişiklikleri ve ilgili değerlendirmeler de günün her saati uzaktan gerçekleştirilebilir. Bu, kullanıcıların biyoreaktördeki değişikliklere istedikleri zaman tepki vermelerini ve örneğin ürün hasadını en uygun zamanda başlatmasını sağlar.
Sayısallaştırılmış laboratuvar, artırılmış gerçeklik uygulamasıyla desteklenir. Teknik süreçleri, süreç parametrelerini ve biyoreaktör içindeki süreçlerle ilgili bilgileri görselleştirmek için bir tablet kullanılarak gerçeklik genişletilebilir.
Geliştiricilerimiz, verileri değerlendirmek için yapay zeka (AI) yöntemlerini de kullanır. Bu şekilde biyoreaktör, alg kültürlerinin yayılması için optimize edilebilir veya minimum enerji tüketimi ile belirtilen büyüme parametrelerini sürdürebilir. Valflerin ve diğer bileşenlerin dayanıklılığını tahmin etmek için de kullanılabilir. AI yardımıyla oluşturulan dijital ikizlerin kullanımı da düşünülebilir. Gelecekte, biyoreaktörlerin tüm yaşam döngülerini simüle etmek ve sanal olarak haritalamak için kullanılabilirler. Çok çeşitli mikroorganizmaların beklenen hücre büyümesi, gerçek bir sistemin fiziksel inşasından önce bile büyük bir doğrulukla tahmin edilebilir.
Otomasyon ve sayısallaştırma yoluyla laboratuvar sistemlerinin optimizasyonuna ek olarak, sözde yapay fotosentez, daha da verimli biyokütle ekimi için umut verici başka bir bakış açısı sunuyor. Proje ortağımız Max Planck Karasal Mikrobiyoloji Marburg Enstitüsü ile bireysel fotosentetik enzimleri geliştirmek için bir dispenser geliştirdik. Bunun için bir enzimin binlerce çeşidinin test edilmesi gerekir. Gelişmiş dağıtma makinesi bunu manuel pipetlemeye kıyasla çok daha hızlı ve hatasız yapıyor. Ayrıca makine yeni görevlere saniyeler içinde adapte edilebilir.
Ancak optimize edilebilecek tek tek fotosentez yapı taşları değildir. Bilim adamları, tüm metabolik yolları dijital olarak optimize etmek üzerinde çalışıyorlar. Bu yaklaşıma sentetik biyoloji denir. Bilgisayarla optimize edilmiş bir metabolik yol, damlacıklar olarak adlandırılan sentetik olarak üretilmiş hücrelerde paketlenir. Bunlar yaklaşık 90 mikrometre çapındadır ve gerekli tüm enzimleri ve biyokatalizörleri içerir. Sonuç olarak, biyolojik rol modelleri gibi, ışık enerjisi kullanarak karbondioksiti sabitleyebilirler.
Hala geliştirme sürecinin ortasında olsak bile, gelecekteki potansiyelin işaretleri şimdiden mevcut: otomasyondaki uzmanlık ve temel araştırmalar bir araya gelirse, endüstriyel ölçekte karbondioksit nötr üretime giden yol daha hızlı döşenebilir. Bu nedenle biyoloji alanında araştırmalar yapıyoruz.