藻類是小型的氣候保護者。即使在自然狀態下，它們也是極其高效的光合作用者，吸收的二氧化碳 (CO₂) 是陸地植物的十倍。在配備了適當感測器、控制技術和自動化的生物反應器中，藻類的效率可以提高到陸地植物的一百倍。這表明它們在發展氣候中和的循環經濟方面有著巨大的潛力。透過 PhotoBionicCell 研究專案，我們展示了未來工業生物化的潛在方法。
藻類可以自動培養，並透過生物反應器控制其生長。藻類液體被向上泵入表面收集器，在表面收集器中以均勻的流動分布，然後流回培養器。在這個循環過程中，藻類細胞透過葉綠體中的光合作用，將陽光、二氧化碳和水轉化為氧氣和化學能載體或有機可回收材料。這就是如何在一個封閉循環中培養生物質，這種方法非常高效，並且可節約資源。
成熟的開迴路和閉迴路控制系統與最先進的自動化元件相結合，為微生物提供了最佳條件。整合的充氣理念，確保空氣中的二氧化碳均勻分布到循環的生物流體中。
生物反應器面臨的一個主要挑戰是如何精確確定生物質的體積。我們的開發人員正在使用新創公司 Q.ANT 提供的量子技術感測器來實現這一點。它即時返回關於生物體生長的準確資訊。藉由微流體技術，藻類可自動連續地泵經 Festo 感測器。量子感測器能夠以光學方式檢測單個細胞，以便可以精確地確定生物量。此外，它還檢查細胞的活力。只有這樣，才有可能提前回應過程事件並對其進行調節。
根據供給藻類生物質的營養物，代謝過程中形成的產物有脂肪酸、色素和表面活性劑。它們可用作生產藥物、食品、塑膠、化妝品或燃料的原料。與石油產品不同，基於生物的最終產品通常可以被生物降解，並且為了與整體循環經濟保持一致，可以在氣候中和過程中回收。
在開發 PhotoBionicCell 的過程中，我們的研究人員還專注於培養藍綠藻。產物有彩色顏料、omega-3 脂肪酸和聚羥基丁酸酯 (PHB)。透過添加其他物質，生成的 PHB 可以加工成用於 3D 列印的纖維。利用這種現代生產技術，可以在短時間內製造出複雜形狀的永續塑膠元件或包裝。例如，安裝在 PhotoBionicCell 中、由生物塑膠製成的特定緊固夾。
到目前為止，許多實驗室分析都是人工完成的。這個過程很慢，並且會發生錯誤。未來這種實驗室系統的自動化，將能夠直接和即時讀取所有必要資料，以便研究人員更確實專注於他們的核心任務。
PhotoBionicCell 將使用內部開發的軟體完成。儀表板將顯示多個光生物反應器的當前資料情況和即時影像。參數的改變和相應的評估可以全天候遠端進行。因此，使用者可以隨時回應生物反應器中的變化，例如，在最佳時間開始採集產品。
透過擴增實境應用，進一步提高實驗室的數位化程度。平板電腦可用於擴增實境，並使生物反應器內部的技術過程、過程參數和過程資訊可視化。
我們的開發人員也在使用人工智慧 (AI) 來評估資料。因此，生物反應器可針對藻類培養物的繁殖進行優化、或以最小的能量輸入維持特定的生長參數。它還可以用來預測閥和其他元件的使用壽命，也可以使用藉由 AI 創造的數位孿生。未來數位孿生可以用來模擬生物反應器的完整生命週期，並顯示虛擬影像。在對實際系統進行物理設定之前，也可以非常精確地估計不同微生物的預期細胞生長。
除了使用自動化和數位化優化實驗室設施，所謂的人工光合作用為更有效地培養生物質開闢了另一個光明前景。我們與馬爾堡馬克斯普朗克地球微生物研究院合作，開發了一種自動滴定器，用於改善光合作用的單個酶。期間需要測試一種酶的數千種變體。與手動移液相比，新型自動移液滴定器工作速度更快，並且不會發生錯誤。此外，這種自動移液滴定器可以在幾秒鐘內適應新的任務。
然而，可以得到優化的不僅僅是光合作用的各個組成部分。科學家們正在研究完整代謝路徑的數位優化。這種方法被稱為合成生物學。在電腦上優化的代謝路徑被用於合成製造的細胞中，稱為液滴。它們的直徑約為 90 微米，含有所有必需的酶和生物催化劑。因此，它們將能夠與其生物模型一樣，利用光能吸收二氧化碳。
雖然此技術仍處於開發階段，但未來的潛力目前已經清晰可見。如果結合自動化和基礎研究方面的專業知識，我們將能夠更快實現工業碳中和生產。這就是我們在生物領域進行研究的初衷。