Automatisierte Kultivierung von Biomasse

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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