藻类是气候的小救星。即使在自然状态下，它们也是非常有效的光合作用者，吸收的二氧化碳(CO₂)是陆地植物的十倍。在配备适当的传感器、控制技术和自动化的生物反应器中，藻类的效率可以提高到陆地植物的百倍。这表明它们具有发展气候中性循环经济的巨大潜力。通过光仿生细胞研究项目，我们正在展示一种未来工业生物化的潜在方法。
该生物反应器可实现藻类的自动培养和生长控制。藻类液体被向上泵入表面收集器，在那里它以均匀的流量分布，然后流回耕种器。在循环过程中，藻类细胞通过叶绿体中的光合作用，将阳光、二氧化碳和水转化为氧气和化学能载体或有机可循环材料。这就是如何在一个封闭的循环中培育生物质，这是高效率和节约资源的。
高科技生物反应器高效光合作用
经过试验和测试的开闭环控制系统与最先进的自动化组件相结合，为微生物提供了最好的条件。集成的气体概念确保空气中的二氧化碳均匀分布到循环生物液中。
生物反应器面临的一个主要挑战是如何精确地确定生物质的体积。我们的开发人员正在使用由初创公司q.t ant提供的量子技术传感器来做到这一点。它能实时返回生物体生长的准确信息。使用微流体，藻类自动连续地被泵送通过Festo的传感器。量子传感器可以光学地检测单个细胞，从而精确地测定生物总量。此外，它还检查细胞的活力。只有这样，才能提前对过程事件做出反应并对其进行调节。
生物可回收材料，气候中性的最终产品
根据供给藻类生物量的营养物质，代谢过程中形成的产物是脂肪酸、色素和表面活性剂。它们可以作为生产药品、食品、塑料、化妆品或燃料的起始原料。与基于石油的产品不同，基于生物的最终产品通常可以被生物降解，并且与整体循环经济保持一致，在气候中性的过程中回收。
我们的研究人员在光仿生细胞的工作中也专注于培养蓝绿藻。它们产生色素、ω -3脂肪酸和多羟基丁酸酯(PHB)。通过添加其他物质，得到的PHB可以加工成用于3D打印的灯丝。利用这种现代生产技术，可以在短时间内制造出复杂形式的可持续塑料部件或包装。例如，在PhotoBionicCell中安装了由生物塑料制成的特定紧固夹。
数字化实验室的软件解决方案
到目前为止，许多实验室分析都是人工完成的。这是缓慢的，并可能导致错误。未来这种实验室系统的自动化将能够直接实时读取所有所需的数据，研究人员可以更好地专注于他们的核心任务。
PhotoBionicCell将使用内部开发的软件完成。仪表板允许多个光生物反应器显示当前的数据情况和实时图像。参数的更改和相应的评估可以全天候和远程进行。因此，用户可以在任何时候对生物反应器的变化做出反应，例如，在最佳时间开始收获产品。
数字化实验室将通过增强现实应用程序得到增强。平板电脑可以用来增强现实和可视化的技术过程，工艺参数和关于生物反应器内部过程的信息。
人工智能和数字双胞胎
我们的开发人员还使用人工智能(AI)来评估数据。这使得生物反应器可以优化藻类培养物的繁殖或以最小的能量输入保持指定的生长参数。它还可以用于预测阀门和其他部件的使用寿命。利用人工智能创造的数字双胞胎也将成为可能。它们可以在未来用于模拟生物反应器的完整生命周期和显示虚拟图像。不同微生物的预期细胞生长也可以在实际系统建立之前非常准确地估计出来。
自动点胶为基础
除了利用自动化和数字化优化实验室设施外，所谓的人工光合作用为更有效地培育生物质提供了另一个有希望的前景。与马尔堡马克斯普朗克陆地微生物研究所合作，我们开发了一种自动分配器，以改善光合作用的单个酶。这需要测试一种酶的数千种变体。与手动移液相比，新的自动分配器工作得更快，消除了错误。此外，自动机器可以在几秒钟内适应新的任务。
最高效率的合成生物学
然而，可优化的不仅仅是光合作用的各个组成部分。科学家们正在研究完整代谢路径的数字化优化。这种方法被称为合成生物学。在计算机上优化的代谢路径被包装在合成制造的细胞中，称为液滴。它们的直径约为90微米，含有所有所需的酶和生物催化剂。这使他们能够像他们的生物模型一样，利用光能吸收二氧化碳。
尽管我们仍处于发展进程的中间阶段，但未来的潜力今天已经变得清晰起来。如果自动化和基础研究的专业知识结合起来，实现工业规模碳中和生产的道路将会更快地实现。这就是为什么我们正在进行生物化领域的研究。
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