Tảo là loài bảo vệ khí hậu nhỏ. Chúng đã cực kỳ hiệu quả trong quá trình quang hợp tự nhiên ở ngoài trời và liên kết lượng carbon dioxide (CO₂) nhiều hơn mười lần so với thực vật trên cạn. Trong các lò phản ứng sinh học với các cảm biến, tự động hóa công nghiệp và tự động hóa thích hợp, hiệu quả của tảo có thể tăng lên hàng trăm lần so với các thực vật trên cạn. Do đó, chúng có tiềm năng đáng kể cho một nền kinh tế vòng tròn trung hòa với khí hậu. Với dự án nghiên cứu PhotoBionicCell, chúng tôi chỉ ra một cách tiếp cận khả thi cho quá trình sinh học công nghiệp trong tương lai.
Với lò phản ứng sinh học, tảo có thể được nuôi trồng tự động và sự phát triển của chúng được kiểm soát. Với mục đích này, chất lỏng tảo được bơm lên các bộ thu gom bề mặt, nơi nó được phân phối theo dòng chảy đều và sau đó chảy trở lại máy nuôi trồng. Trong quá trình tuần hoàn này, các tế bào tảo sử dụng quá trình quang hợp trong lục lạp của chúng để chuyển đổi ánh sáng mặt trời, carbon dioxide và nước thành oxy và chất mang năng lượng hóa học hoặc các vật liệu tái chế hữu cơ. Bằng cách này, sinh khối được nuôi trồng theo chu trình khép kín theo cách thức tiết kiệm tài nguyên và hiệu quả cao.
Để tạo điều kiện tốt nhất có thể cho các vi sinh vật, sự tương tác của công nghệ điều khiển và tự động hóa công nghiệp đã được chứng minh với các thành phần tự động hóa mới nhất được đưa vào hoạt động. Một khái niệm khí tổng thể đảm bảo sự phân bố đồng đều của carbon dioxide chiết xuất từ không khí trong chất lỏng sinh học tuần hoàn.
Một thách thức lớn trong lò phản ứng sinh học là xác định chính xác lượng sinh khối. Để làm được điều này, các nhà phát triển của chúng tôi dựa vào cảm biến công nghệ lượng tử từ công ty khởi nghiệp Q.ANT. Điều này cung cấp thông tin chính xác và thời gian thực về sự phát triển của các sinh vật. Tảo được cho ăn tự động và liên tục bằng cách sử dụng vi chất lỏng của Festo. Cảm biến lượng tử có thể phát hiện quang học các tế bào riêng lẻ để có thể xác định chính xác lượng sinh khối. Ngoài ra, nó còn kiểm tra sức sống của các tế bào. Chỉ khi đó, mới có thể phản ứng chủ động vào các sự kiện quy trình và can thiệp để điều chỉnh chúng.
Tùy thuộc vào các chất dinh dưỡng được cung cấp cho sinh khối tảo, các axit béo, sắc tố màu và chất hoạt động bề mặt được hình thành như là sản phẩm của quá trình trao đổi chất của chúng. Đây là nguyên liệu ban đầu để sản xuất thuốc, thực phẩm, chất dẻo, mỹ phẩm hoặc nhiên liệu. Không giống như các sản phẩm dựa trên dầu mỏ, các sản phẩm cuối cùng dựa trên sinh học thường có thể được phân hủy sinh học và - theo tinh thần của một nền kinh tế vòng tròn tổng thể - luôn được hoàn trả theo cách trung hòa với khí hậu.
Đối với nghiên cứu về PhotoBionicCell, các nhà nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào việc nuôi cấy tảo xanh lam Synechocystis. Nó tạo ra sắc tố màu, axit béo omega-3 và axit polyhydroxybutyric (PHB). PHB thu được này có thể được xử lý thành sợi để in 3D bằng cách thêm các chất khác. Với công nghệ sản xuất hiện đại này, các thành phần nhựa hoặc đóng gói bền vững có hình dạng phức tạp có thể được sản xuất trong thời gian ngắn. Ví dụ, trong PhotoBionicCell, một số kẹp chặt nhất định làm bằng nhựa sinh học được cài đặt.
Cho đến nay, nhiều phân tích đã được thực hiện bằng tay trong các phòng thí nghiệm. Việc này tốn nhiều thời gian và có thể dẫn đến sai sót. Bằng cách tự động hóa các hệ thống phòng thí nghiệm như vậy, tất cả dữ liệu cần thiết có thể được đọc trực tiếp và theo thời gian thực trong tương lai và các nhà nghiên cứu có thể tập trung tốt hơn vào các nhiệm vụ cốt lõi của họ.
PhotoBionicCell được hoàn thiện bằng phần mềm được phát triển riêng. Trang tổng quan của bạn giúp bạn có thể lập bản đồ một số lò phản ứng quang học với dữ liệu hiện tại và các bản ghi trực tiếp. Bằng cách này, các thay đổi thông số thủ công và các đánh giá tương ứng cũng có thể được thực hiện từ xa suốt ngày đêm. Điều này cho phép người dùng phản ứng với những thay đổi trong lò phản ứng sinh học bất cứ lúc nào và, ví dụ, bắt đầu thu hoạch sản phẩm vào thời điểm tối ưu.
Phòng thí nghiệm số hóa được bổ sung bằng ứng dụng thực tế tăng cường. Thực tế có thể được mở rộng bằng cách sử dụng máy tính bảng để hình dung các quy trình kỹ thuật, thông số quy trình và thông tin về các quy trình bên trong lò phản ứng sinh học.
Các nhà phát triển của chúng tôi cũng sử dụng các phương pháp trí tuệ nhân tạo (AI) để đánh giá dữ liệu. Bằng cách này, lò phản ứng sinh học có thể được tối ưu hóa để nhân giống tảo hoặc để duy trì các thông số tăng trưởng cụ thể với mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu. Nó cũng có thể được sử dụng để dự đoán độ bền của van và các bộ phận khác. Có thể hình dung việc sử dụng các cặp song sinh kỹ thuật số được tạo ra với sự trợ giúp của AI. Trong tương lai, chúng có thể được sử dụng để mô phỏng và lập bản đồ hầu hết các vòng đời hoàn chỉnh của các lò phản ứng sinh học. Sau đó, sự phát triển tế bào dự kiến của nhiều loại vi sinh vật sau đó có thể được ước tính với độ chính xác cao ngay cả trước khi xây dựng vật lý của một hệ thống thực.
Ngoài việc tối ưu hóa các hệ thống phòng thí nghiệm thông qua tự động hóa và số hóa, cái gọi là quang hợp nhân tạo cung cấp một viễn cảnh đầy hứa hẹn khác để nuôi cấy sinh khối hiệu quả hơn nữa. Với đối tác dự án của chúng tôi là Viện vi sinh vật trên cạn Max Planck ở Marburg, chúng tôi đã phát triển một thiết bị phân phối để cải thiện các enzym quang hợp riêng lẻ. Hàng ngàn biến thể của một loại enzyme phải được thử nghiệm cho điều này. Máy phân phối được phát triển thực hiện điều này nhanh hơn và không bị lỗi nhiều so với cách dùng pipet thủ công. Ngoài ra, máy có thể thích ứng với các nhiệm vụ mới trong vài giây.
Nhưng không chỉ có các khối xây dựng riêng lẻ của quá trình quang hợp mới có thể được tối ưu hóa. Các nhà khoa học đang nghiên cứu tối ưu hóa kỹ thuật số toàn bộ các con đường trao đổi chất. Cách tiếp cận này được gọi là sinh học tổng hợp. Một con đường trao đổi chất được máy tính tối ưu hóa được đóng gói trong các tế bào được sản xuất tổng hợp, được gọi là các giọt. Chúng có đường kính khoảng 90 micromet và chứa tất cả các enzym và chất xúc tác sinh học cần thiết. Kết quả là chúng có thể, giống như các mô hình sinh học của chúng, có thể cố định carbon dioxide bằng cách sử dụng năng lượng ánh sáng.
Ngay cả khi chúng ta vẫn đang trong quá trình phát triển, đã có những dấu hiệu cho thấy tiềm năng trong tương lai: nếu chuyên môn về tự động hóa và nghiên cứu cơ bản kết hợp với nhau, con đường dẫn đến sản xuất trung hòa carbon dioxide ở quy mô công nghiệp có thể được mở ra nhanh hơn. Vì vậy, chúng tôi tiến hành nghiên cứu trong lĩnh vực sinh học.