Op de Hannover Messe presenteerde Festo een uniek product, de PhotoBionicCell. Deze bioreactor maakt fotosynthese van algen efficiënt en op grote schaal mogelijk. Met dit onderzoeksproject demonstreert Festo een mogelijke aanpak voor de industriële ‘biologisering’ van morgen.
Algen zijn kleine klimaatredders. Zelfs tijdens hun natuurlijke fotosynthese in de openlucht zijn ze uiterst efficiënt en binden ze tien keer meer kooldioxide (CO₂) dan landplanten. In bioreactoren met de juiste sensoren, regeltechniek en automatisering kan het rendement van algen worden opgevoerd tot het honderdvoudige van dat van landplanten. Zij hebben dus een aanzienlijk potentieel voor een klimaatneutrale circulaire economie.
Economisch systeem van de toekomst
Festo ziet de bio-economie als het economisch systeem van de toekomst. “Het is onze ambitie om een beslissende bijdrage te leveren aan de verbetering van de levenskwaliteit van de huidige en toekomstige generaties – door op grote schaal biomassa te telen met behulp van onze automatiseringstechnologie,” verklaart Dr Elias Knubben, Vice President Corporate Research and Innovation.
Biologie als inspiratiebron
Het bionicateam kijkt nu ook nauwkeuriger naar fotosynthese. Het PhotoBionicCell-project is een voorbeeld van industriële biologisering. Met de innovatieve fotobioreactor kunnen algen automatisch worden gekweekt en kan hun groei worden gecontroleerd. Algencellen gebruiken fotosynthese om zonlicht, kooldioxide (CO₂) en water in hun chloroplasten om te zetten in zuurstof en chemische energiebronnen of organische waardevolle stoffen.
Op die manier wordt biomassa in een gesloten cyclus op een zeer efficiënte en hulpbronbesparende manier geteeld. Met automatiseringstechnologie van Festo kunnen algen honderd keer meer kooldioxide binden dan landplanten zoals bomen of maïs, onder meer door optimale vergassing en menging.
Biologisch recyclebare materialen
Als producten van hun stofwisselingsprocessen produceren algen vetzuren, kleurpigmenten en oppervlakte-actieve stoffen. Deze dienen als grondstoffen voor de productie van geneesmiddelen, voedingsmiddelen, kunststoffen of cosmetica. In tegenstelling tot op aardolie gebaseerde producten kunnen de biogebaseerde eindproducten meestal biologisch worden afgebroken en – in overeenstemming met een algemene circulaire economie – altijd op een klimaatneutrale manier worden gerecycleerd.
Voor de productie van een shampooflesje is bijvoorbeeld ongeveer één liter aardolie nodig. Als de shampoofles na gebruik wordt verbrand, komt er nog eens drie kilogram CO₂ vrij en heeft de fles dus een negatieve CO₂-balans. Als in plaats daarvan bioplastic op basis van algen wordt gebruikt, wordt drie kilogram CO₂ gebonden, die weer vrijkomt wanneer de fles wordt weggegooid. De cyclus is dus in evenwicht.
Efficiënte fotosynthese
Voor het werk aan PhotoBionicCell hebben de onderzoekers van het Bionic Learning Network zich geconcentreerd op het kweken van de blauwalg Synechocystis. Het produceert kleurpigmenten, omega-3 vetzuren en polyhydroxyboterzuur (PHB). Deze geëxtraheerde PHB kan worden verwerkt door er andere stoffen aan toe te voegen, onder meer door 3D-printing.
Een grote uitdaging bij bioreactoren is het nauwkeurig bepalen van de hoeveelheid biomassa. Hiervoor vertrouwt Festo op een kwantumtechnologiesensor van de start-up Q.ANT. Dit levert nauwkeurige informatie op over de groei van de organismen in real time. De algen worden automatisch en continu toegevoerd via speciale microfluïdische componenten van Festo, zoals pompen voor een nauwkeurige regeling van de kleinste hoeveelheden vloeistof.
De kwantumsensor is in staat afzonderlijke cellen optisch te analyseren, zodat de hoeveelheid biomassa nauwkeurig kan worden bepaald. Bovendien maakt het gebruik van kunstmatige intelligentie (AI) om de cellen op hun vitaliteit te onderzoeken. Alleen dan is het mogelijk om met vooruitziende blik op procesgebeurtenissen te reageren en regulerend in te grijpen.
Gedigitaliseerd laboratorium
Tot nu toe werden veel analyses in laboratoria met de hand uitgevoerd. Dit is tijdrovend en kan tot fouten leiden. Door de automatisering van de laboratoriumapparatuur kunnen in de toekomst alle nodige gegevens rechtstreeks en in real time worden afgelezen.
Daarom hebben de onderzoekers hun eigen software ontwikkeld voor PhotoBionicCell. Het dashboard toont verschillende fotobioreactoren met actuele gegevens en live-opnamen. Hierdoor kunnen handmatige parameterwijzigingen en de bijbehorende evaluaties de klok rond worden uitgevoerd, zelfs op afstand. Gebruikers kunnen op elk moment reageren op veranderingen in de bioreactor en bijvoorbeeld de productoogst op het optimale tijdstip starten.
Kunstmatige intelligentie voor verdere optimalisatie
Onze ontwikkelaars gebruiken ook AI-methoden om de gegevens te evalueren. Hierdoor kan de bioreactor worden geoptimaliseerd, hetzij voor de vermeerdering van de algenculturen, hetzij voor de handhaving van vooraf bepaalde groeiparameters met een minimale energie-input.