Водорості рятують клімат. Вони вже надзвичайно ефективні під час свого природного фотосинтезу на відкритому повітрі і поглинають в десять разів більше вуглекислого газу (CO₂), ніж наземні рослини. У біореакторах з відповідними давачами, технологією керування та автоматикою ефективність водоростей може бути в сто разів вищою, ніж наземних рослин. Тому вони мають значний потенціал для кліматично нейтральної циркулярної економіки. З дослідницьким проектом PhotoBionicCell ми показуємо можливий підхід до промислової біологізації завтрашнього дня.
За допомогою біореактора водорості можна культивувати автоматично та контролювати їх ріст. Для цього рідина з водоростей закачується в поверхневі колектори, де рівномірно розподіляється, а потім повертається в культиватор. Під час цієї циркуляції клітини водоростей використовують фотосинтез у своїх хлоропластах для перетворення сонячного світла, вуглекислого газу та води в кисень та хімічні носії енергії або органічні матеріали. Таким чином біомаса культивується в замкнутому циклі високоефективним і ресурсозберігаючим способом.
Для створення найкращих умов для мікроорганізмів застосовується взаємодія перевірених технологій контролю та регулювання з найновішими компонентами автоматизації. Цілісна концепція газоутворення забезпечує рівномірний розподіл вуглекислого газу, вилученого з повітря, в циркулюючій біорідині.
Головною проблемою в біореакторах є точне визначення кількості біомаси. Для цього наші розробники покладаються на давач квантової технології від стартапа Q.ANT. Він дозволяє отримати точну інформацію в режимі реального часу про зростання організмів. Водорості подаються до нього автоматично та безперервно за допомогою мікрофлюїдів. Квантовий давач здатний оптично виявляти окремі клітини, щоб можна було точно визначити кількість біомаси. Крім того, він досліджує клітини на їх життєздатність. В такий спосіб можна проактивно реагувати на процеси обробки та втручатися, щоб регулювати їх.
Залежно від поживних речовин, які надходять до біомаси водоростей, утворюються жирні кислоти, кольорові пігменти та поверхнево-активні речовини як продукти їх метаболічних процесів. Вони служать вихідним матеріалом для виробництва ліків, харчових продуктів, пластмас, косметики або палива. На відміну від продуктів на основі нафти, кінцеві продукти на біологічній основі зазвичай піддаються біологічному розкладанню і — в дусі загальної циркулярної економіки — завжди повертаються в кліматично нейтральний спосіб.
Для роботи над PhotoBionicCell наші дослідники зосередилися на культивуванні синьо-зеленої водорості Synechocystis. Вона виробляє кольорові пігменти, омега-3 жирні кислоти та полігідроксимасляну кислоту (PHB). Цю отриману PHB можна переробити на нитку для 3D-друку шляхом додавання інших речовин. Завдяки цій сучасній технології виробництва складні форми з екологічно чистих пластикових компонентів або упаковки можуть бути виготовлені за короткий час. У PhotoBionicCell, наприклад, встановлені кріпильні затискачі з біопластика.
До цього часу багато аналізів проводилися в лабораторіях вручну. Це займає багато часу і може призвести до помилок. Завдяки автоматизації таких лабораторних систем, усі необхідні дані можна буде зчитувати безпосередньо та в реальному часі в майбутньому, а дослідники зможуть краще зосередитися на своїх основних завданнях.
PhotoBionicCell комплектується спеціально розробленим програмним забезпеченням. Іннформаційна панель дає змогу відображати кілька фотобіореакторів із поточними даними та записами в реальному часі. Таким чином, ручна зміна параметрів і відповідні спостереження можуть здійснюватися цілодобово в дистанційному режимі. Це дозволяє користувачам реагувати на зміни в біореакторі в будь-який момент і, наприклад, ініціювати збір продукту в оптимальний час.
Цифрова лабораторія доповнена додатком доповненої реальності. Реальність можна розширити за допомогою планшета для візуалізації технічних процесів, їх параметрів та інформації про процеси всередині біореактора.
Наші розробники також використовують методи штучного інтелекту (ШІ) для оцінки даних. Таким чином біореактор може бути оптимізований для розмноження культур водоростей або для підтримки заданих параметрів росту з мінімальними витратами енергії. Його також можна використовувати для прогнозування довговічності розподільників та інших компонентів. Також можна використовувати цифрові двійники, створені за допомогою ШІ. У майбутньому вони можуть бути використані для моделювання та віртуального відображення повних життєвих циклів біореакторів. Очікуваний ріст клітин широкого спектру мікроорганізмів можна було б оцінити з великою точністю ще до фізичної побудови реальної системи.
На додаток до оптимізації лабораторних систем шляхом автоматизації та цифровізації, так званий штучний фотосинтез пропонує ще одну перспективу для підвищення ефективності вирощування біомаси. Разом із нашим партнером проекту Інститутом наземної мікробіології Макса Планка з Марбурга, ми розробили дозатор для покращення окремих фотосинтетичних ферментів. Для цього необхідно перевірити тисячі варіантів ферменту. Розроблена дозаторна машина робить це набагато швидше та без помилок у порівнянні з ручним піпетуванням. Крім того, машину можна за лічені секунди адаптувати до нових завдань.
Але не лише окремі будівельні блоки фотосинтезу можна оптимізувати. Вчені працюють над цифровою оптимізацією всіх метаболічних шляхів. Цей підхід називається синтетичною біологією. Оптимізований для комп’ютера метаболічний шлях упакований у синтетично вироблені клітини, так звані краплі. Вони мають діаметр близько 90 мікрометрів і містять усі необхідні ферменти та біокаталізатори. В результаті вони здатні, як і їхні біологічні зразки для наслідування, абсорбувати вуглекислий газ за допомогою світлової енергії.
Навіть якщо ми все ще знаходимося в середині процесу розробки, вже є ознаки майбутнього потенціалу: якщо знання в галузі автоматизації та фундаментальні дослідження об’єднаються, шлях до виробництва з нейтральним вмістом вуглекислого газу в промислових масштабах може бути прокладений швидше. Тому ми проводимо дослідження в галузі біологізації.