Frau steuert Bioreaktor von Festo per Pad

Optimale Prozessstabilität: 24-Stunden-Betrieb bei Überwachung aller relevanten Parameter mehrerer Photobioreaktoren. (Bild: Festo)

In keinem Zeitalter der Erdgeschichte hat der Mensch größeren Einfluss auf das Ökosystem unseres Planeten genommen. Eine nachhaltige Zukunft, in der die Ressourcen der Erde geschont und der Ausstoß von Kohlendioxid vermindert werden, lässt sich jedoch nur durch eine ausgewogene und ganzheitliche Kreislaufwirtschaft erreichen.
Aus Sicht von Festo sind organische Zellen die Fabriken der Zukunft – sie bergen enormes Potenzial. Deren marktfähige Kultivierung in großem Maßstab wird ein wesentlicher Baustein sein, um dem Klimawandel wirksam zu begegnen. In künftigen Produktionswelten einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft, die nach dem Vorbild der Natur gestaltet ist, verschmelzen daher biologische und technische Prozesse miteinander.

Flächenkollektoren des Festo-Bioreaktors
Segelförmige Flächenkollektoren zur optimierten Lichtaufnahme und zur Regulierung des Wärmehaushalts. (Bild: Festo)

Kunststoff ohne Erdöl

Ein Beispiel industrieller Biologisierung ist der neue Photobioreaktor namens PhotoBionicCell. Mit Expertise, Know-how und Komponenten von Festo lassen sich Biomassen verschiedener Algenarten im geschlossenen Kreislauf kultivieren: hocheffizient, ressourcenschonend, automatisiert. Die pflanzlichen Algenzellen setzen bei ihrer Photosynthese Tageslicht und Kohlendioxid aus der Umgebungsluft in chemische Energieträger beziehungsweise organische Wertstoffe um. Die so entstandenen Stoffe lassen sich dann als Ausgangsmaterial für Pharmazeutika, Verpackungen, Nahrungsmittel, Kraftstoffe oder Kosmetika verwenden und schließlich klimaneutral rückführen. Denn anders als bei Produkten, die auf Erdölbasis hergestellt sind, geben diese nur das Kohlendioxid frei, das zuvor aus der Luft entnommen und im Bioreaktor gebunden wurde. Unverzichtbare Begleiter der biologischen Transformation sind die Digitalisierung, künstliche Intelligenz und Quantensensorik. Mithilfe dieser Methoden lassen sich die Daten aus Bioreaktoren innerhalb kürzester Zeit optimieren. Erst wenn die automatisierte Kultivierung von Biomassen zuverlässig, kostengünstig und qualitativ einwandfrei abläuft, wird deren Bioproduktion in großem Stil marktfähig und kann die erwünschten Umwelteffekte erzielen. Als offenes Lernunternehmen mit Bionikexpertise ist Festo in der Lage, diese Komplexitäten zu beherrschen und Bewegung in neue Formen industrieller Produktionen zu bringen. Ziel des Unternehmens ist es, die Produktivität seiner weltweiten Kunden und Partner auch im zukunftsweisenden Feld der Biologisierung zu steigern. Es ist eine neue Dynamik im Gang, auf die Festo mit Technologie, Innovation, Bildung, Wissen und Verantwortung vorbereitet ist und mit der das Unternehmen sich permanent weiterentwickeln will.

Warum Algen?

Algen sind kleine Klimaretter. Bereits bei ihrer natürlichen Photosynthese im Freien sind sie äußerst effizient und binden zehnmal mehr Kohlendioxid (CO₂) als Landpflanzen. In Bioreaktoren mit entsprechender Sensorik, Regelungstechnik und Automatisierung kann die Effizienz der Algen auf das Hundertfache von Landpflanzen gesteigert werden. Dazu wird die Algenflüssigkeit nach oben in die Flächenkollektoren gepumpt, wo sie sich in gleichmäßiger Strömung verteilt und anschließend wieder in den Kultivator zurückfließt. Während dieser Zirkulation wandeln die Algenzellen mittels Photosynthese in ihren Chloroplasten Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser in Sauerstoff und chemische Energieträger bzw. organische Wertstoffe um. So wird die Biomasse im geschlossenen Kreislauf hocheffizient und ressourcenschonend gezüchtet.

Effiziente Photosynthese

Quanten­sensor
Quanten­sensor: Optische Echtzeitbestimmung der Biomasse. (Bild: Festo)

Um die bestmöglichen Bedingungen für die Mikroorganismen zu schaffen, kommt das Zusammenspiel von bewährter Steuerungs- und Regelungstechnik mit neuesten Automatisierungskomponenten zum Tragen. Ein ganzheitliches Begasungskonzept sorgt für die gleichmäßige Verteilung des aus der Luft entnommenen Kohlendioxids in der zirkulierenden Bioflüssigkeit.
Eine große Herausforderung bei Bioreaktoren ist, die Menge der Biomasse genau zu bestimmen. Hierfür setzen unsere Entwickler auf einen Quantentechnologie-Sensor des Start-ups Q.ANT. Dieser gibt präzise und in Echtzeit Auskunft über das Wachstum der Organismen. Die Algen werden ihm dafür automatisiert und kontinuierlich mittels Mikrofluidik von Festo zugeleitet. Der Quantensensor ist in der Lage, optisch einzelne Zellen zu detektieren, sodass die Menge der Biomasse exakt ermittelt werden kann. Zusätzlich untersucht er die Zellen auf ihre Vitalität. Erst dadurch ist es möglich, vorausschauend auf Prozessereignisse zu reagieren und regelnd einzugreifen.

Integrierte Festo-Komponenten:

  • Automatisierungssystem CPX-E
  • 2 Proportional-Durchflussregelventile VEMD2
  • 3 Motorcontroller CMMT-ST
  • Bus Interface CPX-AP-I-EC-M12
  • 3 Digitale Ein-/AusgangsmoduleCPX-AP-I-4DI4DO-M12-5P
  • 6 Mediengetrennte Magnetventile VYKB
  • Elektrik-Terminal CPX
  • 14 Sensoren im Kultivator
  • 6 Kapazitive Sensoren für Füllstand der Kollektoren
  • 2 Kapazitive Sensoren für Füllstand im Kultivator
  • 2 Durchflusssensoren
  • je einen Sensor für Temperatur, pH-Wert und CO2-Gehalt
  • Quantensensor
  • Multisensor für Kollektoren
  • 11 Pumpen

Biologische Wertstoffe für klimaneutrale Endprodukte

Abhängig von den Nährstoffen, die der Algenbiomasse zugeführt werden, bilden sich als Produkte ihrer Stoffwechselvorgänge Fettsäuren, Farbpigmente und Tenside. Diese dienen als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Medikamenten, Lebensmitteln, Kunststoffen, Kosmetika oder Kraftstoffen. Anders als Produkte auf Erdölbasis können die biobasierten Endprodukte meist biologisch abgebaut und – ganz im Sinne einer gesamthaften Kreislaufwirtschaft – immer klimaneutral rückgeführt werden.
Für die Arbeiten zu PhotoBionicCell haben sich Festos Forscher auf die Kultivierung der Blaualge Synechocystis fokussiert. Sie produziert Farbpigmente, Omega-3-Fettsäuren und Polyhydroxybuttersäure (PHB). Dieses gewonnene PHB lässt sich durch den Zusatz weiterer Stoffe zu einem Filament für den 3D-Druck verarbeiten. Mit dieser modernen Produktionstechnologie können in kurzer Zeit komplexe Formen nachhaltiger Kunststoffkomponenten oder Verpackungen hergestellt werden. Bei PhotoBionicCell sind beispielsweise bestimmte Befestigungsklammern aus dem Biokunststoff verbaut.

Sebastian Schrof und Dr. Oliver Jung
Sebastian Schrof, links, Leiter des Projektes Bio­reaktor und Dr. Oliver Jung mit dem Bioreaktor. (Bild: Sonderleittner)

Softwarelösungen für ein digitalisiertes Labor

In Laboren werden bisher viele Analysen von Hand gemacht. Das ist aufwendig und kann zu Fehlern führen. Durch die Automatisierung solcher Laboranlagen ließen sich zukünftig alle notwendigen Daten direkt und in Echtzeit ablesen und die Forscher könnten sich besser auf ihre Kernaufgaben konzentrieren.
PhotoBionicCell wird von einer eigens entwickelten Software komplettiert. Ihr Dashboard ermöglicht es, mehrere Photobioreaktoren mit aktueller Datenlage und Live-Aufnahmen abzubilden. So lassen sich rund um die Uhr auch aus der Ferne manuelle Parameteränderungen und die entsprechenden Auswertungen vornehmen. Dadurch können die Nutzer jederzeit auf Veränderungen im Bioreaktor reagieren und beispielsweise die Produkternte zum optimalen Zeitpunkt einleiten. Ergänzt wird das digitalisierte Labor durch eine Augmented-Reality-Anwendung. Per Tablet lässt sich die Realität erweitern, um technische Abläufe, Prozessparameter und Informationen zu Prozessen im Inneren des Bio­reaktors zu visualisieren.

Automatisiertes Dispensieren als Basis

Neben der Optimierung der Laboranlagen durch Automatisierung und Digitalisierung bietet die so genannte künstliche Photosynthese eine weitere, vielversprechende Perspektive für eine noch effizientere Kultivierung von Biomasse. Mit dem Projektpartner Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie Marburg hat Festo einen Dispensierautomaten entwickelt, um einzelne Enzyme der Photosynthese zu verbessern. Dafür müssen tausende Varianten eines Enzyms getestet werden. Der entwickelte Dispensierautomat erledigt dies verglichen mit dem händischen Pipettieren deutlich schneller und fehlerfrei. Zudem ist der Automat in Sekunden an neue Aufgaben anpassbar.


Synthetische Biologie für maximale Effizienz

Aber nicht nur einzelne Bausteine der Photosynthese lassen sich optimieren. Die Wissenschaftler arbeiten daran, ganze Stoffwechselwege digital zu optimieren. Dieser Ansatz nennt sich synthetische Biologie. Ein am Computer optimierter Stoffwechselweg wird in synthetisch hergestellte Zellen verpackt, sogenannte Droplets. Diese haben einen Durchmesser von rund 90 µm und enthalten alle notwendigen Enzyme und Biokatalysatoren. Dadurch sind sie in der Lage, wie ihre biologischen Vorbilder, das Kohlendioxid mittels Lichtenergie zu fixieren.

Nachhaltig in die Zukunft

Damit sich zukünftig die gewünschten Mengen an Biomasse bei kontrolliertem Zellwachstum kultivieren lassen, müssten Systeme wie PhotoBionicCell in großem Maßstab skaliert werden. Wenn chemische Prozesse durch biologische Prozesse ersetzt werden, braucht es keine hohen Temperaturen, keine aggressiven Chemikalien und keine fossilen Rohstoffe mehr. Die Produktion wird energieeffizient und nachhaltig werden – wovon Mensch und Umwelt zugleich profitieren. Für diesen Wandel hin zu einer klimaneutralen Kreislaufwirtschaft leisten wir mit innovativen Technologien und dem fortwährenden Lernen von der Natur einen maßgeblichen Beitrag.

Quelle: Festo

Warum wir Alternativen in der Plastikproduktion brauchen

Plastikmüll im Meer
Laut BUND ist die Verschmutzung von Böden und Binnengewässern je nach Umgebung zwischen vier- und 23-mal so hoch wie in den Meeren. (Bild: panaramka-adobe.stock.com)

Sein größter Vorzug ist gleichzeitig sein größtes Problem: Wird Kunststoff so produziert, dass er extrem widerstandsfähig ist, ist er auch fast nicht abbaubar. Je nach Materialart können mehrere hundert Jahre vergehen, bis sich Plastik zersetzt. Als Alternative zum Rohöl als Basis für Kunststoffe werden bereits heute nachwachsende Rohstoffe verwendet. Die Produkte aus den betreffenden Materialien werden in der Landwirtschaft und im Gartenbau sowie als Sammelbeutel für Bioabfälle eingesetzt. Zusätzlich ist ein wachsender Einsatz im Verpackungs- und Bedarfsgegenständesektor zu beobachten.


Bio-Kunststoff = abbaubar?

Das mit den sogenannten „Bio“-Kunststoffen verbundene Versprechen lautet: Anders als konventionelles Plastik bauen sie sich schneller ab. Um das zu prüfen hat das Umweltbundesamt ein Gutachten in Auftrag gegeben, in welchem Materialien, Produkte und Standards der biologischen Abbaubarkeit beschrieben und die Verwertung betreffender Abfälle in fünf Mitgliedsstaaten der EU vergleichend dargestellt wurden. Das Fazit aus diesem Gutachten lautet, dass auch biologisch abbaubare Materialien in der Umwelt mehrere Monate und teilweise sogar einige Jahre beständig sein können.


Bioplastik aus Mais und Zuckerrohr

Biobasierte Kunststoffe werden heutzutage hauptsächlich als PET und PE im Verpackungsbereich eingesetzt. Deren biogene Ausgangsmaterialien werden aus Zuckerrohr gewonnen, das überwiegend aus Brasilien stammt. Die Pflanze wird unter erheblichem Pestizideinsatz in Monokulturen angebaut. Einige der dort verwendeten Pestizide dürfen in der EU nicht eingesetzt werden, um die Gesundheit von Menschen und Tieren, hier besonders Bienen, vor ihrem Gift zu schützen. Der globale Preisdruck und die Marktkonzentration in Brasilien haben zudem zu Niedriglöhnen geführt und fördern die Armut in den Anbauregionen. Andere landwirtschaftlich erzeugte Rohstoffe für „Bio“-Kunststoffe wie Mais oder Kartoffeln sind ebenfalls Produkte einer stark industrialisierten Landwirtschaft. Diese Rohstoffe werden zu chemischen Grundstoffen verarbeitet, die dann in die Produktion herkömmlicher Kunststoffe eingespeist werden. Je nach Endprodukt liegt der Anteil erneuerbarer Rohstoffe zwischen 20 und 100 Prozent. Der Rest besteht aus fossilen und zunehmend auch aus recycelten Materialien. Im Jahr 2017 betrug die Produktionskapazität für biobasierte Kunststoffe weltweit etwa ein Prozent der Gesamtproduktion von Kunststoffen. Dafür werden derzeit nur 0,02 Prozent der globalen Landwirtschaftsfläche genutzt. Auf den ersten Blick mag es deshalb unproblematisch scheinen, in der Plastikproduktion fossile Rohstoffe durch Agrarerzeugnisse zu ersetzen. Dieser Anteil soll in den nächsten Jahren jedoch steigen, mit hohen Wachstumsraten. Betrachtet man die Prognosen für die Entwicklung der Kunststoffproduktion einerseits und die Auslastung der derzeit bewirtschafteten Agrarflächen andererseits, wird schnell klar: Der Druck auf die weltweiten Ackerflächen würde sich weiter erhöhen. Schon heute führt dieser Druck in einzelnen Regionen zu Wasserknappheit, Artensterben, Wüstenbildung und zum Verlust natürlicher Lebensräume. Die Ausweitung des Anbaus von Agrarrohstoffen scheint daher keine Option für umweltverträgliches Plastik zu sein. Aber: Ginge die Plastikproduktion ungebremst weiter, würden allein Kunststoffe bis 2050 rund 56 Gigatonnen CO2-Emissionen erzeugt haben. Projekte wie der Festo-Bioreaktor können hier in jedem Fall einen Beitrag leisten, den CO2-Ausstoss zu reduzieren und Kunststoff ohne größeren Flächenverbrauch zu produzieren.

Sie möchten gerne weiterlesen?

Registrieren Sie sich jetzt kostenlos:

Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.

Mit der Registrierung akzeptiere ich die Nutzungsbedingungen der Portale im Industrie-Medien-Netzwerks. Die Datenschutzerklärung habe ich zur Kenntnis genommen.

Sie sind bereits registriert?