BioTech Automation Automatisierung für die biologische Transformation PhotoBionicCell – Der Photobioreaktor
Prolog Eine neue Dynamik PhotoBionicCell – Der Photobioreaktor Was passiert im PhotoBionicCell? Warum Photosynthese, warum Algen für den Bioreaktor? Welches Know-how steckt im PhotoBionicCell? Lässt sich die natürliche Photosynthese verbessern? Prozessautomation LifeTech Didactic Bio statt Chemie Künstliche Photosynthese Zahlen, Daten, Fakten Epilog Ins ökologische Zeitalter 4 8 10 12 18 22 22 23 23 24 24 28
Herausforderung Klima- und Ressourcenschutz Herausforderung Bevölkerungswachstum und demografischer Wandel Automatisierung Digitalisierung Pneumatik Elektrik Prozess Biologisierung Industrial Intelligence Technologieäquator Nachhaltigkeit Strukturwandel Deglobalisierung Robotik LifeTech Lernen 3 2 Der „Technologieäquator“ von 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 ge- schont und der Ausstoß von Kohlendioxid vermindert werden, lässt sich jedoch nur durch eine ausgewogene und ganzheitliche Kreislaufwirtschaft erreichen. Festo ist auf diesen dynamischen Industriezyklus vorbereitet – mit Technologie, Innovation, Bildung, Wissen und Verantwortung. „Noch ist jene kleinste der Kleinwelten, die intrazellulare Welt, nicht voll erschlossen dem Auge des Menschen.“ Raoul Heinrich Francé
5 4 Die Welt verändert sich in nie dagewesenem Maße. Mehr denn je offenbart die Gegenwart, wie empfindlich das Ökosystem unseres Planeten ist. Die Weltbevölkerung wächst, natürliche Kreisläufe sind durchbrochen und die Folgen des Klimawandels spürbar. In keinem Zeitalter der Erdgeschichte hat der Mensch einen größeren Einfluss auf unseren Planeten genommen. Dennoch möchte die Weltgemeinschaft, dass jeder Einzelne heute und in Zukunft in einer gesunden Umwelt mit intakter Flora und Fauna leben kann. Eine lebenswerte Zukunft lässt sich nur erreichen, wenn Menschheit, Tier- und Pflanzenwelt in einem harmonischen Gleichgewicht leben – und zwar so, wie es uns die Natur seit Jahrmillionen der Evolution lehrt. Dies darf keine unerreichbare Utopie sein, es muss vielmehr das Ziel einer verantwortungsbewussten Daseinsvorsorge sein. Der Anspruch von Festo ist es, einen entscheidenden Beitrag zur Verbesserung der Lebensqualität heutiger und kommender Generationen rund um den Erdball zu leisten. Innovative Technologien und das fortwährende Lernen von der Natur werden dafür wortwörtlich überlebenswichtig sein. Spielen Ökologie, Ökonomie und gesellschaftliche Verantwortung intelligent zusammen, wird eine nachhaltige Zukunft möglich, in der die Ressourcen der Erde geschont und der Ausstoß von Kohlendioxid vermindert werden. Vo- raussetzung ist, dass wir uns am Vorbild der Natur orientieren. Sie hält einen biologischen Wissensschatz bereit, der bis heute nur zu einem winzigen Teil entdeckt ist. Das Lernunternehmen Festo betrachtet die Biologie seit über 30 Jahren als Inspirationsquell und Lehrmeister. Im Laufe der Jahre kreierten und entwickelten die Bioniker eine Vielzahl technologischer Innovationen. Bionisches Denken schafft zudem eine neuartige Methodenkompetenz, durch die ungeahnte Lösungsräume entstehen. Der ewige Kreislauf des Lebens – fast jeder kennt dieses geflügelte Wort. Auch der Blutkreislauf des eigenen Körpers oder irdische Wasserkreisläufe sind uns geläufig. Lässt sich dieses beeindruckende, von der Natur erschaffene Prinzip in unser weltweites Wirtschaftssystem übertragen? Die Antwort ist ein klares Ja. Wenn wir es schaffen, unsere gegenwärtige Ökonomie in eine ausgewogene Kreislaufwirtschaft zu transformieren, entstehen Innovationsräume, von denen Mensch und Umwelt zugleich profitieren. „Alles verwandelt sich, nichts geht unter“, schrieb der römische Dichter Ovid in seinen Metamorphosen vermutlich kurz nach Beginn unserer Zeitrechnung. Kreislaufwirtschaft bedeutet auch, bei möglichst geringem Ressourceneinsatz kohlendioxidneutral zu produzieren: ein dynamischer Industriezyklus, der ganzheitlich und ausgewogen angelegt ist. Die Idee dahinter ist, organische Materie als biologische Basis energieeffizient zu kultivieren, sodass sich daraus Rohstoffe gewinnen und zu Produkten weiterverarbeiten lassen. Diese sollen letztlich in den natürlichen Kreislauf zurückgegeben werden können – und sich in Anlehnung an die vorsokratische Vier-Elemente-Lehre quasi in Wasser, Erde, Luft und Energie „umwandeln“. In heutigen Worten: Die Produktion der Zukunft soll so organisiert werden, dass die eingesetzten Rohstoffe vom Design bis zur Rückführung in die Einzelkomponente innerhalb geschlossener Kreisläufe vollständig verwertet werden. 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 bzw. 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. Lebende Zellen werden im Photobioreaktor also zur Fabrik der Zukunft. „Eine vortrefflich handsame Definition der Zelle bietet sich dadurch dar: Sie ist die technische Form des Lebens.“ Dies sagte der Botaniker, Mikrobiologe und Naturphilosoph Raoul Heinrich Francé (1874 – 1943), der das sogenannte Edaphon entdeckte, die Gesamtheit der im Boden lebenden Mikroorganismen. Als Wegbereiter der modernen Biotechnologie beschrieb er die Pflanzenwelt als Erfinder fast aller technischen Entwicklungen und verwies auf die photosynthetischen Fähigkeiten der Pflanzenzelle. Heute sind wir in der Lage, dieses Potenzial zu heben, indem biologische und physikalische Welten in produktiven Verfahren miteinander verschmelzen. 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 wir uns permanent weiterentwickeln wollen. Prolog Eine neue Dynamik Im Gleichgewicht Nachhaltig in die Zukunft Denken in Kreisläufen Wasser, Erde, Luft und Energie Bioreaktor namens PhotoBionicCell Zellen als Fabrik der Zukunft In großem Maßstab
7 6 Weltweiter Kohlendioxidumsatz – Rund 20 Milliarden Tonnen Kohlendioxid werden im natürlichen Kreislauf der Erde umgewandelt. – Zusätzliche 36 Milliarden Tonnen Kohlendioxid werden – durch den Menschen ver- ursacht – jährlich aus fossilen Brennstoffen freigesetzt. Wie viel Kohlendioxid wird pro Jahr gebunden? – Ein Quadratmeter Wald fixiert ein bis zwei Kilogramm Kohlendioxid. 1 – Ein Quadratmeter Mais fixiert ein bis drei Kilogramm Kohlendioxid. – Ein Quadratmeter Algen ohne Automatisierungstechnik fixiert rund zehn Kilogramm Kohlendioxid. – Ein Quadratmeter Algen im Photobioreaktor von Festo fixiert über 100 Kilogramm Kohlendioxid. 2 Wie viel Biomasse wird gewonnen? – Ein Hektar Wald produziert rund zwölf Tonnen Biomasse pro Jahr. 1 – Ein Hektar Mais produziert rund neun Tonnen Biomasse pro Jahr. – Ein Hektar Algen im Photobio- reaktor von Festo könnte rechnerisch rund 70 Tonnen Biomasse pro Jahr liefern. 2 Wie viel Wasser wird benötigt? – Ein Kilogramm Holz benötigt rund 1.800 Liter Wasser. 1 – Ein Kilogramm Mais benötigt rund 900 Liter Wasser. – Ein Kilogramm Algen im Kreis- laufsystem eines Photo- bioreaktors benötigt rund zehn Liter Wasser. 1 regionale Unterschiede 2 umgerechneter Äquivalenzwert
01 – CO2 wird gebunden 02 – Biomasse entsteht 03 – Biologische Wertstoffe werden entwickelt 04 – Nachhaltige Verpackungen, Kosmetika oder Medikamente werden produziert 9 8 Der Hightech-Bioreaktor von Festo ist ein im Sinne der Kreislaufwirtschaft optimiertes und automatisiertes System, das Algen rund um die Uhr kultivieren und deren Wachstum kontrollieren kann. Mittels Photosynthese wandeln die Algenzellen in ihren Chloroplasten Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser in Sauerstoff und chemische Energieträger bzw. organische Wertstoffe um. Technische Innovationen sorgen dafür, dass die Algen für ihre Vermehrung stets die geeigneten Lebensbedingungen vorfinden. Dabei sind sie in der Lage, wertvolle Grundstoffe für industrielle Wertschöpfungsprozesse herzustellen. Je nach Nährstoffen, die der Algenbiomasse zugeführt werden, bilden sich – als Abfallprodukte ihrer Stoffwechselvorgänge – etwa Fettsäuren, Farbpigmente und Tenside. Sie dienen als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Medikamenten, Lebensmitteln, Kunststoffen, Kosmetika oder Kraftstoffen. Diese bio- basierten Endprodukte können in einer ganzheitlichen Kreislaufwirtschaft schließlich biologisch abgebaut und klimaneutral rückgeführt werden. Denn das für die Photosynthese der Algen benötigte Kohlendioxid stammt aus der Umgebungsluft. Die Kultivierung der Biomasse erfolgt dank neuester Technologien, Expertise und Komponenten von Festo ressourcenschonend und energieeffizient. Der automatisierte Prozess findet in einem geschlossenen Kreislauf statt. Das Knowhow dieses biologischen Verfahrens lässt sich auch für die Züchtung anderer Mikroorganismen anwenden: Bestimmte Bakterien, Pilze oder andere Zellen können weitere wichtige Grundstoffe ersetzen, für die bislang noch auf die fossile Ressource Erdöl zurückgegriffen wird. 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. PhotoBionicCell – Der Photobioreaktor Was passiert im PhotoBionicCell? Ziel ist die Verwirklichung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft, in der die eingesetzten Rohstoffe vom Design bis zur Rückführung in die Einzelkomponente vollständig verwertet werden. Festo möchte einen Beitrag zur Verbesserung der Lebensqualität heutiger und künftiger Generationen leisten.
11 10 Das Licht der Sonne ist die Kraftquelle der Photosynthese. Aus ihren Strahlen gewinnen die Chloroplasten der Pflanzenzellen tagsüber Energie, die sie in chemischer Form zwischenspeichern. Anschließend werden dort mithilfe von Wasser und Kohlendioxid aus der Atmosphäre energiereiche Zuckermoleküle gebildet. Bei diesem Stoffwechselprozess entweicht Sauerstoff in die Umgebung; das für Mensch und Tier lebenswichtige Gas ist ein Abfallprodukt der Photosynthese. Kurz: Sonnenlicht wird durch Photosynthese in Biomasse umgesetzt. Dank dieser Leistungen der Pflanzenwelt können wir Sauerstoff atmen und Nahrung aufnehmen. Es lohnt sich, beim Thema Photosynthese einen speziellen Blick auf Algen zu werfen, von denen manche pflanzlich und manche bakteriell sind. Vor rund 2,5 Milliarden Jahren entstanden im Urozean mikroskopisch kleine, einzellige Cyanobakterien, die als Vorfahren der Pflanzen zum ersten Mal den Prozess der Photosynthese betrieben. Solche Mikroalgen setzen Kohlendioxid aus der Umgebungsluft effizienter als Pflanzen um: Während ein Quadratmeter Wald jährlich etwa ein Kilogramm Kohlendioxid bindet, fixiert ein optimierter Bio- reaktor mit einer äquivalenten Menge Algen als Biomasse rund 100 Kilogramm des Treibhausgases. Die automatisierte Kultivierung der Bakterienkulturen kann dabei 365 Tage im Jahr erfolgen, sie ist weder saison- noch tageszeitabhängig. Ein weiteres Plus: Die Algenzucht im Bioreaktor stellt keine Konkurrenz zur Ernährungs- und Lebensmittelindustrie dar. Außerdem sind Algenzellen in der Lage, eine Vielfalt an Ausgangsstoffen für die Bioproduktion unterschiedlichster Industriebranchen zu erzeugen. Damit haben sie das Potenzial, mittel- und langfristig erdölbasierte Produktionsketten abzulösen und einen entscheidenden Beitrag zur ökonomischen Klimaneutralität zu leisten. Rund 20 Milliarden Tonnen Kohlendioxid werden im natürlichen Kreislauf der Erde immer wieder umgewandelt. Jahr für Jahr werden jedoch zusätzliche 36 Milliarden Tonnen des klimaschädlichen Gases aus fossilen Brennstoffen, wie Erdöl, Braun- und Steinkohle, durch den Menschen freigesetzt – eine Menge, die deutlich reduziert werden kann. Das Prinzip des Photobioreaktors von Festo basiert auf folgenden Grundüberlegungen: Wie lässt sich biologische Materie mit so wenig Wasser-, Energie-, Strom- und Gasverbrauch wie möglich kultivieren? Wie kann das klimaneutral gelingen? Welche Stoffe können in welcher Form aus der Biomasse gewonnen werden, die dann wiederum als hochwertiges Ausgangsmaterial für weitere Verwendungen zur Verfügung stehen? All dies wird im PhotoBionicCell durch die automatisierte Kultivierung verschiedener Algenarten möglich: Das für die Photosynthese der Algenzellen benötigte Kohlendioxid entnimmt er vor allem der Umgebungsluft, ebenso das tagsüber frei verfügbare Sonnenlicht. Dank seines Kreislaufsystems verbraucht er extrem wenig Wasser und nimmt nur geringen Raum ein. Das intelligente Zusammenspiel innovativer Technologien sorgt für eine kontinuierliche Überwachung und optimale Versorgung der Algen, sodass sie sehr effizient eine Reihe wertvoller Grundstoffe produzieren können. PhotoBionicCell – Der Photobioreaktor Warum Photosynthese, warum Algen für den Bioreaktor? Kein Leben ohne Photosynthese Algen sind effiziente Tausendsassas Kreislaufwirtschaften im PhotoBionicCell
13 12 Im Körper des Bioreaktors PhotoBionicCell von Festo ist Leben. Mikroorganismen produzieren in höchster Effizienz die gewünschte Biomasse. Damit dies im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft geschieht, ist der Bioreaktor mit einer Reihe zukunftsfähiger Technologien und technischer Finessen ausge- stattet. Die Methodik, wie die Spezialisten das System mit lebenden Zellen automatisieren, ist innovativ und industriell einsetzbar. In vielen gegenwärtigen Reaktoren wird das Wachstum der Mikroorganismen noch durch aufwändiges und fehleranfälliges Probenziehen per Hand bestimmt. Die intelligente Kombination von Sensorik, Software, Komponenten und Technologien gewährleistet im neuen Photobioreaktor eine automatisierte 24-Stunden-Überwachung und -Steuerung für eine maximale Produktausbeute. Die Entwicklungen rund um den Hightech-Bioreaktor erfolgen im interdisziplinären Team, wobei auf Wissen aus der Bionik, Biologie, Automatisierungs- und Verfahrenstechnik zurückgegriffen wird. Seit Jahrzehnten orientiert sich Festo als offenes Lernunternehmen am Vorbild der Natur und hat bereits eine Vielzahl bionischer Projekte, Produkte und Future Concepts auf den Weg gebracht. Auch der PhotoBionicCell mit seinen biologischen Kulturen steht für innovative Lernwege: Die Experten gewinnen mehr und mehr Erkennt- nisse, wie sich Mikroorganismen energieeffizient und ressourcenschonend auf kompaktem Raum züchten lassen. Ihr Ziel ist die Realisierung dezentral einsetzbarer Bioproduktionsstätten, die in großem Maßstab Biomasse kultivieren. Die Zelle selbst wird sozusagen zur Fabrik der Zukunft. In unterschiedlichsten Grüntönen leuchten die Algenkulturen im Inneren des PhotoBionicCell. Eine stabile Leichtbaustruktur trägt seinen Körper aus Acrylglas; er hat ein Fassungsvermögen von 15 Litern. Darüber schwebt wie ein atmendes Segel eine weitere Leichtbaustruktur: Flächenkollektoren, die über transparente Röhren für den Licht-, Wärme- und Stoffaustausch mit der Umgebung sorgen. Viele der zum Bioreaktor gehörigen Strukturen sind im 3D-Verfahren gedruckt, für die auf wiederverwertbare Biomaterialien zurückgegriffen werden kann. Das System ist zudem mit Einzelkomponenten bestückt, die aufeinander abgestimmt zusammenarbeiten – Miniaturpumpen, Ventile, Filter, Sensoren, Controller und viele mehr. Sowohl in der Struktur als auch im Sockel des Exponats befindet sich die Automatisierung mit ihrer Elektrik und Elektronik. Im PhotoBionicCell findet eine Kreislaufbewegung statt. Die grüne Algen- flüssigkeit wird nach oben in die Flächenkollektoren gepumpt, wo sie sich in gleichmäßiger Strömung verteilt und schließlich wieder herabfällt. Bei dieser Zirkulation werden die natürlich vorhandenen Ressourcen Sonnenlicht und Kohlendioxid aus der Umgebung aufgenommen, während Sauerstoff in die Luft entweicht. Die große Oberfläche der Kollektoren dient zugleich der Regulierung des Wärmehaushalts. Sensoren detektieren die relevanten Messwerte, etwa Füllstand, Lichtmenge, pH-Wert, Temperatur und Kohlendioxidgehalt. So „weiß“ der Photobioreaktor, ob das Kohlendioxid der Luft für seine Algenkultur genügt oder aus einer Gaskartusche zudosiert werden muss. Reicht das Tageslicht nicht mehr aus, kommen spezielle UV-Lampen zum Einsatz. PhotoBionicCell – Der Photobioreaktor Welches Know-how steckt im PhotoBionicCell? Mikroorganismen als Fabriken Grün und transparent Dynamisches Innen- und Außenleben
15 14 Algenwachstum Tag und Nacht 3D-Druck mit Biomasse Atmung unter Kontrolle Intelligente Sensortechnologien Quantensensoren für optimierte Auflösung Softsensorik kombiniert Daten Die Bakterienkulturen können dank Automatisierung rund um die Uhr bei optimalen Bedingungen wachsen. Die kontinuierliche Erhebung und Überwachung der Messdaten sichert dabei nicht nur die Qualität des Algenwachstums selbst, sondern auch der von ihnen unter Nährstoffzugabe produzierten Grundstoffe. Besonders intensiv haben sich die Experten von Festo mit der pflanzlichen Chlorella-Alge und der Blaualge Synechocystis, einer Cyanobakterienart, befasst. Chlorella wird als Nahrungsergänzungsmittel oder zur Herstellung von Kosmetika verwendet; Synechocystis produziert darüber hinaus Farbpigmente, Omega-3-Fettsäuren und PHB-Kügelchen (Polyhydroxybuttersäure) für Biokunststoffe. Die Ausbeute dieser Algenarten im automatisierten PhotoBionicCell von Festo steigt im Vergleich zu heute verbreiteten Systemen, die als offene Becken oder Folienbioreaktoren angelegt sind, etwa um den Faktor zehn. Die PHB-Kügelchen aus dem PhotoBionicCell lassen sich durch 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 – und Verbindungselemente für den Photobioreaktor von Festo. Die 3D-gedruckten Elemente sind recycelfähig und umweltgerecht abbaubar, es ist ein geschlossener Kreislauf. Selbst die Verbrennung von Kunststoffflaschen auf PHB-Basis setzt nicht mehr Kohlendioxid frei, als zuvor aus der Umgebungsluft gebunden wurde. Für die Herstellung von Biokunststoffen werden keine fossilen Ressourcen benötigt. Photobioreaktoren sollen künftig in großen Mengen und bester Qualität Bio- masse liefern, und zwar verteilt auf allen Kontinenten. Ihr Ressourcenverbrauch soll so gering wie möglich, die Kohlendioxidbindung aus der Umgebungsluft hingegen maximal sein. Eine komplexe Aufgabe, bei der vieles gleichzeitig optimiert werden muss. Die Experten bewältigen dies mit langjähriger Kompetenz in Steuerungs- und Regelungstechnik, mit neuesten Komponenten aus Mikrofluidik und LifeTech und – nicht zuletzt – mit Expertise in künstlicher Intelligenz. Das Reaktorsystem PhotoBionicCell muss seine Bakterienkulturen automatisch gut versorgen können. Wesentlich ist ein fehlerfrei funktionierender Atmungskreislauf, denn Algen sind lebende Organismen mit permanentem Stoffwechsel. Mit einer ganzheitlichen Begasungsstrategie sorgen die Entwickler für eine gleichmäßige Verteilung des aus der Luft entnommenen Kohlendioxids in der zirkulierenden Bioflüssigkeit. Ein innovatives und materialtechnisch optimiertes Keramikelement von Festo sorgt mit seinen winzigen Poren bereits für den Eintrag des Gases in Form feinperliger Bläschen. Um die bestmöglichen Wachstums- und Lebensbedingungen für die Mikroorganismen einstellen zu können, müssen Sensoren permanent und vor allem in Echtzeit die richtigen Informationen liefern. Nur dann wird es möglich, unmittelbar auf Prozessereignisse zu reagieren und regelnd einzugreifen. In Kombination mit klassischer Sensorik sorgen innovative Technologien, die die Experten von Festo beim PhotoBionicCell einsetzen, buchstäblich für Quantensprünge in der Automatisierung. Ein neuartiger Sensor, der auf Quantentechnologie basiert, gibt präzise Auskunft über das Wachstum der Bakterienkultur. Die Algen werden ihm dafür automatisiert und kontinuierlich in mikrofluidischer Verdünnung zugeleitet. Der Quantensensor ist in der Lage, per Laserstrahl einzelne Zellen zu detektieren, sodass die Summe der Biomasse im PhotoBionicCell bestimmt werden kann. Zusätzlich untersucht er die Zellen auf ihren Gesundheitszustand hin. Im Vergleich zu bisherigen Sensoren liefert er viermal so viele Messwerte. Für die Zukunft erwarten Fachleute sogar noch mehr: Die neuen Quantensensoren eröffnen eine ungeahnte Dimension von räumlicher Auflösung und Empfindlichkeit. Eine weitere Option ist es, statt Quantentechnologie den intelligenten Softsensor von Festo zu nutzen. Es handelt sich um eine Art virtuellen Sensors, der auf der speicherprogrammierbaren Steuerung im Schaltschrank implementiert ist. Darin fusionieren alle Informationen aus und um den Bioreaktor sowie die Datenströme der klassischen Sensoren – Temperatur, Nährstoffzufuhr, Kohlendioxidgehalt, Druck, Reaktorfüllstand und pH-Wert. Algorithmen verarbeiten die empfangenen Signale und berechnen augenblicklich die fehlenden Größen, etwa die Summe der Mikroalgen oder der von ihnen produzierten Grundstoffe. Auf dieser Basis werden die Aktoren aktiviert und somit das ge- samte System geregelt. Die Einbindung von Softsensorik ermöglicht es, von vorhandenen Messsignalen auf schwierig messbare Zustände im Prozess zu schließen. Dank automatisierter und energetisch optimierter Bioreaktoren, wie dem PhotoBionicCell von Festo, lässt sich die Effizienz von Algen um den Faktor zehn steigern. Algen sind bereits von Natur aus effizient und binden bei der Produktion von Biomasse zehnmal mehr Kohlendioxid als Landpflanzen.
17 16 Nichts geht ohne Digitalisierung: Digitale Zwillinge sind wesentliche Wegbereiter einer biologisch inspirierten Kreislaufwirtschaft. Mit ihrer Hilfe können künftig komplette Lebenszyklen von Bioreaktoren simuliert und virtuell ab- gebildet werden. Auch das zu erwartende Zellwachstum unterschiedlicher Mikroorganismen lässt sich dann bereits vor dem physischen Aufbau eines realen Systems mit großer Genauigkeit abschätzen. So schaffen digitale Zwillinge zu einem frühen Zeitpunkt Transparenz. Im Sinne einer zukunftsfähigen und agilen Entwicklung beschleunigen sie die professionelle Konzeption hocheffizienter und automatisierter Bioreaktoren. Mit Methoden der augmentierten Realität lässt sich die reale Welt zielgenau erweitern. Mitarbeiter, Kunden, Partner oder Messebesucher von Festo können die Innovationen rund um den PhotoBionicCell mit Blick auf dessen physischen Aufbau auch virtuell erleben. Richtet man etwa ein Tablet auf das reale Exponat, werden technische Abläufe, Prozessparameter und Informationen in Form von Videos, Textbausteinen oder Grafiken eingeblendet. Nach persönlicher Interessenlage können Nutzer in neue Biowelten eintauchen und Wissenswertes dazulernen: Was bedeutet Photosynthese, wie laufen die Prozesse im Inneren des PhotoBionicCell genau ab? Welche Technik wird dafür eingesetzt, welche Produkte von Festo sind verbaut? Und wie funktionieren Inbetriebnahme und Fernwartung des Photobioreaktors? Digitale Zwillinge für frühzeitige Transparenz Auf Wunsch die Realität erweitern Blick auf die Außenwelt Optimierbar mit künstlicher Intelligenz Intuitive Mensch-Maschine- Schnittstelle Ganzheitliches Vorgehen bedeutet auch, bei aller Konzentration auf das Innenleben des PhotoBionicCell dessen Umgebung wahrzunehmen. Mit einer speziellen multisensorischen Vorrichtung zeichnen die Spezialisten von Festo unterschiedliche Umweltparameter auf, um daraus Rückschlüsse auf das Algenwachstum zu ziehen. Wie viel Sonnenlicht gab es in einem bestimmten Zeitraum, aus welcher Richtung kam die Einstrahlung? Welche Außentemperaturen und welche Luftfeuchtigkeit herrschten? Besonders relevant ist in diesem Zusammenhang das Wissen um die exakte Kohlendioxidkonzentration der Außenluft. In diesem Zusammenhang wurde zudem eine ausgeklügelte Methode entwickelt, das Kohlendioxid bereits anzureichern, bevor es über die Flächenkollektoren in den Bioreaktor gelangt. Denn für ein optimales Wachstum benötigen die Mikroalgen eine Kohlendioxidkonzentration von drei bis fünf Volumenprozent, der natürliche Anteil in der Umgebungsluft liegt etwa um den Faktor 100 niedriger. Maximale Effizienz und optimale Prozessstabilität im 24-Stunden-Betrieb bei Überwachung aller relevanten Parameter des PhotoBionicCell – so lautet das erklärte Ziel von Festo. Zur Auswertung der generierten Datenmengen setzen die Experten auch Methoden der künstlichen Intelligenz ein. Damit kann der Bioreaktor entweder auf die Vermehrung der Algenkulturen optimiert werden oder darauf, vorgegebene Wachstumsparameter bei minimalem Energieeinsatz zu erhalten. Dazu kommt die vorausschauende Betriebsüberwachung: Mit künstlicher Intelligenz kann die Haltbarkeit von Ventilen oder anderen Komponenten prognostiziert werden. Um einen drohenden Produktionsausfall zu vermeiden, optimiert sich das System auf Basis dieser Daten selbst – es drosselt die Produktionsgeschwindigkeit, weist auf notwendige Wartungsarbeiten hin oder leitet weitere zielführende Maßnahmen ein. Weil Bioreaktoren hochkomplexe Systeme sind, hängt ihre künftige Verbreitung auch von praktischen Überlegungen ab: Lassen sie sich einfach in Betrieb nehmen und bedienen? Können sie ortsunabhängig gesteuert und gewartet werden? Kann gewährleistet werden, dass bei Personalwechsel kein Knowhow-Verlust entsteht? Für eine intuitive Mensch-Maschine-Schnittstelle sorgen die IT-Spezialisten mit einer intelligenten Software, deren grafische Benutzeroberfläche eine einfache Orientierung bietet. Sämtliche Bioreaktoren von Festo sind dabei mit aktueller Datenlage und Live-Aufnahme abgebildet. Rund um die Uhr können Nutzer auch per Mobiltelefon und Tablet manuelle Parameteränderungen vornehmen bzw. Auswertungen rund um das Biomasse- wachstum visualisieren. Wird einem Bioreaktor vor Ort eine Probe der Kultur entnommen, werden die zu diesem Zeitpunkt ermittelten Sensordaten angezeigt. Die Software ist jederzeit um neue Features erweiterbar, Updates erfolgen automatisch. Eine Vielzahl modernster Technologien spielt zusammen, um das Gesamtsystem des Bioreaktors PhotoBionicCell zu optimieren. Die Spezialisten von Festo setzen auf innovative Sensorik, Steuerungs- und Regelungstechnik, Digitalisierung sowie künstliche Intelligenz.
19 In Bioreaktoren, die mit Algenzellen als Miniaturfabriken arbeiten, steckt erhebliches Potenzial für eine klimaneutrale Kreislaufwirtschaft. Die im Wasser lebenden Algen sind bereits bei ihrer natürlichen Photosynthese im Freien äußerst effizient: Sie binden zehnmal mehr Kohlendioxid als Landpflanzen. Dieser Wert lässt sich um mindestens einen weiteren Faktor zehn steigern, wenn Algenkulturen wie bei Festo automatisiert in energetisch optimierten Bioreaktoren wachsen. Eine vielversprechende Perspektive, Kohlendioxid noch stärker zu fixieren, bietet die sogenannte künstliche Photosynthese. Im Forschungsstatus befinden sich gegenwärtig technische Ansätze auf Halbleiterbasis, aber auch die Idee, den natürlichen Prozess mithilfe synthetischer Biologie, bei der am Computer völlig neue Stoffwechselwege entwickelt werden, zu optimieren. Wissenschaft, Industrie und Politik verbinden damit hohe Erwartungen. Eingesetzt in flexiblen und dezentralen Anlagen rund um den Globus kann die künstliche Photosynthese einen nachhaltigen Beitrag in der Energie- und Rohstoffversorgung der Zukunft leisten. Für Bioreaktoren rechnen die Spezialisten von Festo daher mit erheblichen Effizienzsteigerungen. Wissenschaftler arbeiten daran, den natürlichen Photosyntheseapparat auf zellulärer Ebene mithilfe sogenannter Droplets, den künstlichen Chloroplasten, zu optimieren. Die Droplets haben einen Durchmesser von rund 90 Mikrometern und werden auf synthetischem Weg hergestellt; sie enthalten Bestandteile pflanzlicher Organismen, Enzyme und Biokatalysatoren. Als Miniaturreaktionsgefäße sind sie wie ihre biologischen Vorbilder in der Lage, Kohlendioxid mittels Lichtenergie zu binden und umzuwandeln. Verglichen mit der natürlichen Photosynthese laufen deren Prozesse um den Faktor 20 effizienter ab – eine ideale Voraussetzung für die Anwendung im automatisierten PhotoBionicCell von Festo. Tatsächlich gibt es eine Vielzahl an Möglichkeiten, die Droplets auszustatten; die Wissenschaft sucht gegenwärtig nach den besten Bauteilkombinationen. Allerdings kann allein ein bestimmtes Enzym in vielen verschiedenen Varianten eingesetzt werden, dazu kommen die jeweiligen Varianten der anderen Bausteine. Um genau hier die wissenschaftliche Arbeit zu erleichtern und zu beschleunigen, ist Know-how in Automatisierung, Liquid Handling, Digitalisierung und künstlicher Intelligenz gefragt. Denn die Menge der durchzutestenden Kombinationen liegt im Millionenbereich und ist schlichtweg zu groß für händisches Dispensieren, Pipettieren und Analysieren. Natürlich und künstlich Droplets als künstliche Chloroplasten Grundlagenforschung trifft Automation 18 PhotoBionicCell – Der Photobioreaktor Lässt sich die natürliche Photosynthese verbessern?
21 20 Forschungsziel ist, schnellstmöglich die besten Ergebnisse für den künstlichen Photosyntheseprozess zu gewinnen. In den Laboren muss dafür sicher und zuverlässig mit kleinsten Volumina umgegangen werden. Intelligente Systeme und Komponenten aus dem Bereich LifeTech sind in der Lage, dem Menschen repetitive, zeitaufwändige und fehleranfällige Aufgaben abzunehmen. So testet ein innovativer Dispensierroboter von Festo Varianten eines für die künstliche Photosynthese benötigten Enzyms aus, das schließlich in die Droplets eingebaut werden soll. Der Dispensierkopf befüllt die Mikrotiterplatten nach Vorgaben der Wissenschaftler schnell und präzise mit kleinsten Tröpfchen der gewünschten Flüssigkeiten. Die Durchführung der einzelnen Experimente wird durch diesen Assistenten automatisiert. Damit sich Forscher auf ihre Kernaufgaben konzentrieren können, müssen die automatisierten Anlagen in Laboratorien auch einfach und intuitiv bedienbar sein. Dies stellt ein wesentliches Aufgabenfeld der Digitalisierung dar. So sorgt eine speziell entwickelte Software von Festo mit grafischer Benutzeroberfläche dafür, dass die Mikrotiterplatten abgebildet werden und Nutzer per Klick auswählen können, welche der Schächtchen mit welcher Menge und Art der Flüssigkeit befüllt werden sollen. Durch Methoden der künstlichen Intelligenz lassen sich automatische Analysen und Auswertungen künftig weiterhin zielgerichtet unterstützen – etwa durch die Berechnung von Optima, das Durchführen von Zufallstests oder die Bestimmung von Clustern, die unter eine besondere wissenschaftliche Lupe genommen werden sollen. Fragen der effizienten Gestaltung von Anlagen und Systemen werden mit Blick auf die drohenden Klimaveränderungen immer dringlicher. So erproben die Wissenschaftler die Wirksamkeit und Fortschritte der künstlichen Photosyntheseprozesse parallel in einem Algenbioreaktor: Mit einem Fassungsvermögen von eineinhalb Litern handelt es sich um eine kleinere Version des zuvor beschriebenen PhotoBionicCell von Festo. Selbstverständlich verfügt er über dieselben innovativen Eigenschaften, etwa bei Methoden der Regelung und Steuerung, der Sensorik und der Begasungsstrategie. Das System ist dennoch speziell auf das Anforderungsprofil der Forschungsarbeit zugeschnitten und konzentriert sich darauf, die künstlich hergestellten Zellen zu kultivieren. Automatisches Dispensieren Das digitalisierte Labor Ein Bioreaktor für die Forschung Der Forschungsbioreaktor bietet ideale Voraussetzungen für die wissenschaftlich notwendigen Droplet-Experimente – und damit zur Erforschung und Nutzung der künstlichen Photosynthese. Die Experten von Festo sind in der Lage, mit innovativen Technologien „lebende“ Prozesse zu automatisieren. Auch wenn sich die interdisziplinär agierenden Spezialisten noch mitten im Entwicklungsprozess befinden, zeichnet sich bereits heute die Zukunftswirklichkeit ab: Treffen Expertise in Automation und Grundlagenforschung synergetisch zusammen, lässt sich der Weg zur kohlendioxidneutralen Produktion im großindustriellen Maßstab schneller beschreiten. Eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft lässt sich nur dann realisieren, wenn die Menschheit diese als gemeinsames Ziel vor Augen hat. Theoretisches Wissen, praktisches Know-how und die interdisziplinäre Verknüpfung von beidem ist dafür in unterschiedlichsten Bereichen und Branchen gefragt. Ob Schaltschranklösungen für Bioreaktoren, Innovationen in Laborautomation und Medizintechnik, neue Ausbildungsberufe und Studiengänge oder weltweite Kooperationen in Forschung und Entwicklung – kein einziger Aspekt ist im Zeitalter der biologischen Transformation verzichtbar. Gemeinsam mehr erreichen Die künstliche Photosynthese verspricht erhebliche Effizienzsteigerungen für Bioreaktoren: Synthetisch hergestellte Droplets übernehmen dabei die Rolle natürlicher Chloroplasten. Um deren Aufbau schnellstmöglich zu optimieren, kooperieren Wissenschaftler mit den Experten von Festo.
In der künftigen Kreislaufwirtschaft werden Bioreaktoren eine wesentliche Rolle spielen – unabhängig davon, welche Art von Mikroorganismen sie kultivieren. Damit die Anlagen zuverlässig die gewünschten Größenordnungen von Biomasse produzieren können, ist Expertise in Prozessautomation gefragt. Festo versorgt Kunden und Partner mit intelligenten Schaltschranklösungen für Bioreaktoren. Der gesamte Schaltschrank besteht aus einem zentralen Element, in dem sich das Prozessleitsystem befindet, sowie kleineren Sensorik- und Aktorikeinheiten, die in der Anlage dezentral verteilt sind. Dabei verarbeiten I/O-Systeme die elektrischen Signale, Ventilinseln steuern die pneumatischen Antriebe. Die Kommunikation erfolgt per Feldbustechnologie. Was in der biologischen Produktion derzeit noch einen Nischenmarkt darstellt, wird sich in den kommenden Jahren in großem Maßstab weiterentwickeln. Dank innovativer Prozessautomation lassen sich Anlagen aus einzelnen Produktionsmodulen aufbauen; darüber hinaus können sie einfach in Betrieb genommen und aus der Ferne gewartet werden. Automatisierte Bioreaktoren haben das Potenzial, rund um den Erdball Grundstoffe für industrielle Wertschöpfungsprozesse herzustellen – ressourcen- schonend und energieeffizient. Prozessautomation Schaltschränke für Bioreaktoren 23 22 Ob in der Wissenschaft, im Pharmawesen oder in der Medizin: Die LifeTech-Spezialisten von Festo automatisieren die Arbeit im Labor. Durch intelligente Lösungen nehmen sie dem Menschen zeitintensive und fehlerträchtige Aufgaben ab, etwa händisches Dispensieren, Pipettieren und Analysieren. Der Bereich LifeTech entwickelt hocheffiziente und miniaturisierte Systeme, die die gesamte Wirkkette im Labor zuverlässig und sicher abdecken. So lassen sich innerhalb kürzester Zeit unterschiedlichste Proben und Gefäße handhaben sowie kleinste Volumina von Flüssigkeiten pipettieren und dosieren – bei automatisierter Steuerung sämtlicher Vorgänge. Die innovativen Komponenten finden sich auch in sogenannten „Point-of-Care“- Systemen für flexible und ortsunabhängige Probenanalysen. Im stark wachsenden Feld der Medizintechnik können insbesondere die Piezoventile und Massenstromregler von Festo ihre Vorteile ausspielen: Sie gewährleisten einen sicheren Betrieb sensibler chirurgischer Geräte, anästhetischer Gasmischer oder tragbarer Beatmungsgeräte. Darüber hinaus lässt sich die innovative Piezotechnologie für pneumatisch unterstützte medizinische Matratzen einsetzen, was für Erleichterung bei Patienten und Pflegepersonal zugleich sorgt. Sie stellen die wichtigste Funktion von Wasch- und Reinigungsmitteln, Kosmetika und Pflanzenschutz sicher: Tenside lösen und binden Fette. Bislang werden diese Substanzen in chemischen Verfahren aus fossilen Rohstoffen synthetisiert. Nachhaltiger im Sinne des Klima- und Umweltschutzes ist jedoch deren bio- technologische Herstellung auf Basis organischer Grundstoffe. Diesem vielversprechenden Zukunftsfeld widmen sich renommierte Unternehmen und Forschungseinrichtungen in der strategischen „Innovationsallianz Biotenside“. Zu den Kooperationspartnern der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Allianz zählt Festo. In speziellen Forschungs- reaktoren züchten die Automatisierungsspezialisten Bakterien, die mit pflanzlichen Ölen oder Zucker aus Reststoffen gefüttert werden. Die Mikroorganismen benötigen zudem Sauerstoff und Nährstoffe, damit sie sich vermehren und auf biologischem Weg Tenside produzieren. Für die geeigneten Lebensbedingungen der Organismen sorgt eine innovative Automatisierungslösung: Mithilfe der Soft- sensorik von Festo lässt sich auf Basis verfügbarer Messdaten – etwa Nährstoff- und Luftzufuhr, Temperatur, Druck, pH-Wert, Füllstand, Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalt – die Summe der Biomasse ermitteln. Der virtuelle Sensor ist auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung implementiert. Über Regel- algorithmen sichert die Automatisierungstechnik die optimale Versorgung der Bakterien und damit die Gewinnung des gewünschten Biotensids. Bio statt Chemie Innovationsallianz Biotenside LifeTech Laborautomation und Medizintechnik Wenn Biologie und Physik in Produktionswelten verschmelzen und organische Zellen zu Fabriken der Zukunft werden sollen, sind Know-how und Expertise gefragt. Aber woher kommt dieses Wissen, was muss dafür gelernt werden? Als Lernunternehmen ist Festo durch die jahrzehntelange Auseinandersetzung mit bionischen Inhalten und Fragestellungen bestens gewappnet. Allerdings muss die Dynamik, die die industrielle Biologisierung im Sinne einer ganzheitlichen Kreislaufwirtschaft mit sich bringt, von derselben Dynamik beim Thema Lernen und Bildung begleitet werden. Die Spezialisten von Festo Didactic arbeiten gegenwärtig mit Hochdruck an dieser Synchronisierung. Es gilt, den neuen Wissensbedarf zu analysieren, interdisziplinäre Verknüpfungen zu definieren sowie innovative Ausbildungsberufe und Studiengänge zu etablieren. Biomechatronik, Bioinformatik, Bioengineering, Biokybernetik und Nachhaltigkeitsmanagement? Der Paradigmenwechsel betrifft zukunftsweisende Geschäftsfelder und berufliche Anforderungen gleichermaßen. Deshalb stellt Festo in weltumspannendem Engagement bereits jetzt die Weichen für die biologische Transformation der Ökonomie. Nur mit Bildung lassen sich die global anstehenden Herausforderungen des 21. Jahrhunderts verantwortungsvoll bewältigen. Didactic Mit Bildung in die Zukunft
25 24 Rund 50 Wissenschaftler um den Biologen und Chemiker Prof. Dr. Tobias Erb befassen sich am Marburger Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie mit der sogenannten künst- lichen Photosynthese. Ihr erklärtes Ziel ist es, künstliche Zellen zu erschaffen, die das Treibhausgas Kohlendioxid mittels Lichtenergie binden und umwandeln – und zwar effizienter als die Natur. Die synthetisch hergestellten Chloroplasten – sogenannte Droplets von 90 Mikrometern Durchmesser – könnten künftig in automatisierten Bioreaktoren eingesetzt werden und einen nachhaltigen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Damit dies schnellstmöglich in industriellem Maßstab gelingt, kooperiert das Forscherteam im interdisziplinären Austausch mit den Automatisierungsspezialisten von Festo. Für die Droplet-Experimente nutzen die Forscher einen speziellen Bioreaktor von Festo, der auf ihre wissenschaftlichen Anforderungen ausgelegt ist. Außerdem werden sie durch intelligente LifeTech-Systeme und -Komponenten unterstützt. So übernimmt ein innovativer Dispensierroboter zeitintensive Laboraufgaben, die zur Optimierung der künstlichen Zellen notwendig sind. Von dieser synergetischen Arbeitsform profitieren nicht nur Automation und Grundlagenforschung, sondern vor allem Gesellschaft und Umwelt. Künstliche Photosynthese Kooperation mit Max-Planck-Forscherteam Zahlen, Daten, Fakten Technische Informationen Bioreaktor PhotoBionicCell – Gesamthöhe: 3,0 m – Flächenkollektoren: 5,0 m2 – Kollektorenradius: 1,6 – 2,7 m – Kultivator Höhe: 57,0 cm Durchmesser: 25,0 cm Fassungsvermögen: 15,0 l – Schichtdicke Algen: 5,5 cm – Materialien der Leichtbaustrukturen Bioreaktor: Acrylglas Verbindungsklammern: Polyhydroxybuttersäure (PHB) Knotenpunkte: QuickGen 500 (3D-Druckmaterial) Verbindungsstangen: Acrylglas (glasperlengestrahlt) Verteilerelemente: e-Clear (3D-Druckmaterial) – Sensoren im Bioreaktor: 14 – Multisensor außerhalb des Bioreaktors: 1 (5 Parameter) – Quantensensor: 1 – Parameter in Überwachung: 9 – Pumpen: 12 Forschungsbioreaktor – Gesamthöhe: 35,0 cm – Durchmesser: 13,5 cm – Fassungsvermögen: 2,0 l – Kultivierungsvermögen: 1,5 l – Schichtdicke Algen: 0,37 cm – Sensoren im Bioreaktor: 13 – Parameter in Überwachung: 9 – Pumpen: 7 Bedienoberfläche – Festo Web Essentials zur Generierung der Weboberfläche – Datenspeicherung alle 30 s – Bidirektionale Kommunikation (zwischen Edge-Devices und User-Interface) – Kommunikationsprotokolle: OPC-UA und MQTT Dispensierroboter – Befüllzeit 96-Mikrotiterplatte: 60 s – Volumina: 5 µl – 1 ml – Wiederholgenauigkeit: +/- 1% – Ventile: 8 VYKA (einzeln ansteuerbar) – Intuitives Bedienkonzept – Webbasiertes Interface
27 26 Wissenswertes zur künstlichen Photosynthese – Im Vergleich zur natürlichen Photosynthese laufen die Prozesse der künstlichen um den Faktor 20 effizienter ab. – Künstliche Droplets haben einen Durchmesser von rund 90 Mikrometern. – Es handelt sich um synthetisch hergestellte Wasser-in-Öl- Tröpfchen, die Bestandteile pflanzlicher Organismen, Enzyme und Biokatalysatoren enthalten. Algen statt Erdöl? – Etwa ein Viertel des weltweiten Erdölverbrauchs wird für die Produktion von Wertstoffen ein- gesetzt. – Rund 90 Prozent aller in Deutsch- land hergestellten chemischen Produkte basieren derzeit auf dem Rohstoff Erdöl. – Zur Herstellung einer einzigen Flasche Shampoo wird über ein Liter Erdöl benötigt, wobei rund drei Kilogramm Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt werden. – Plastikverpackungen, Kunststoffe, Waschmittel, Medikamente oder Kosmetika könnten statt auf Erdölbasis aus kohlendioxid- neutralem PHB hergestellt werden, das Algen in weltweiten Photobio- reaktoren produzieren. Allgemeines zu Photobioreaktoren – Photobioreaktoren sind rund dreimal effizienter als heutige Photovoltaikanlagen. – Weltweit gibt es rund 7.000 Algenproduktionsstätten, die pro Jahr etwa 25.000 Tonnen Algen gewinnen. – Algen können mit Reststoffen aus der Landwirtschafts- und Lebensmittelproduktion versorgt werden. – Voraussetzung für einen verstärkten Einsatz von Photo- bioreaktoren rund um den Erdball ist eine effektive, automatisierte und energie- effiziente Begasung der Anlagen. – Die Biologisierung im Sinne der Kreislaufwirtschaft bereitet den globalen Wachstumsmarkt für Photobioreaktoren.
29 28 „Der Mensch kann sich der Naturkräfte noch in ganz anderem Maße bemächtigen, wie er es bisher getan hat“, wusste der Naturphilosoph Raoul Heinrich Francé (1874 – 1943). „Wenn er nur alle die Prinzipien anwendet, die der Organismus in seinem Betriebe zur Anwendung gebracht hat, hat er allein auf Jahrhunderte hinaus Beschäftigung für alle seine Kapitalien, Kräfte und Talente.“ Von der Natur gibt es unendlich viel zu lernen: Sie hält auch das notwendige Wissen bereit, wie wir unsere gegenwärtige Ökonomie in eine ausgewogene Kreislaufwirtschaft transformieren können. Lernen ist eine Leitidee von Festo. Von der Natur und für die Natur. Festo betrachtet die Bioökonomie als Wirtschaftssystem der Zukunft. Dabei geht es um einen grundlegenden Wandel, der das gesellschaftliche Wertesystem und die Wahrnehmung der Menschen verändert. Der Verzicht des Einzelnen allein wird jedoch nicht genügen, um dem globalen Klimawandel nachhaltig die Stirn zu bieten. Wir brauchen intelligentere Materialflüsse und einen effizienten Umgang mit Ressourcen entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Wie die Industriegesellschaft im 19. Jahrhundert die Agrargesellschaft ablöste, so folgt nun das ökologische Zeitalter. Mit einem veränderten Verantwortungsbewusstsein werden unsere Beziehungen zu Natur und Technologie neu gestaltet. Pflanzen sind kreative Meister der Anpassung, als Pioniere erobern sie seit jeher neue Gefilde. Durch ihre Photosynthese schaffen sie Lebensräume für Mensch und Tier und sorgen für die Biodiversität auf der Erde. Derzeit befassen sich die Spezialisten von Festo mit Algenzellen, die als Vorfahren der Landpflanzen seit rund 2,5 Milliarden Jahren Photosynthese betreiben. Deren automatisierte Kultivierung in modernen Photobioreaktoren soll einen entscheidenden Beitrag zum Klimaschutz leisten. Sobald auch die sogenannte künstliche Photosynthese Einzug hält, lässt sich die Effizienz der Photobioreaktoren weiterhin steigern. In den Laboren der Grundlagenforschung arbeiten Wissenschaftler derzeit mit Methoden der synthetischen Biologie daran, die natürliche Photosynthese zu verbessern. Unterstützt werden sie dabei durch Know-how in Automatisierungstechnik und Komponenten von Festo. Die natürliche Evolution inspiriert Festo zur technologischen Evolution. In dieser Hinsicht birgt die Welt der Pflanzen, die rund 99,9 Prozent der globalen Biomasse bildet, enormes Potenzial; Mensch und Tier machen weniger als ein Tausendstel aus. Die grünen Lebewesen besitzen weder Nerven noch Gehirn, reagieren jedoch auf Schall, Berührungen und Geruchsstoffe – und kommunizieren erfolgreich miteinander. Dieser besonderen Art der Bio- kommunikation spüren die Bioniker nach. Kooperative Roboter etwa könnten künftig mit innovativer Sensorik ausgestattet werden, sodass sie nicht nur sehen und hören, sondern auch riechen, schmecken und tasten können. Als weltweit agierendes Familien- und Lernunternehmen ist Festo in der Lage, intelligente Produkte, Lösungen und Anwendungen für eine nachhaltige Zukunft zu erschließen. Für dieses große Markenversprechen setzen die Experten in ihrem Berufsalltag auf fünf Dimensionen: Technologie, Innovation, Bildung, Wissen und Verantwortung. Damit soll die Produktivität ihrer Kunden und Partner gesteigert und die zunehmend digitalisierten Arbeitswelten mithilfe einer intuitiven Mensch-Technik-Beziehung humanisiert werden. Das Ziel einer wertschöpfenden Kreislaufwirtschaft ist ein gesunder Mensch in einer ebenso gesunden Umwelt. Sobald Innovationen marktfähig sind, leisten sie einen entscheidenden Beitrag zur Ressourcenschonung. Der automatisierte Bioreaktor PhotoBionicCell von Festo muss dafür auf Größenordnungen von mehreren tausend Litern skaliert werden, damit sich künftig die gewünschten Mengen Biomasse bei kontrolliertem Zellwachstum generieren lassen. Dann sind chemische Verfahren auf Erdölbasis, wie sie in heutigen Großanlagen der Chemie- und Pharmaindustrie stattfinden, durch biologische ersetzbar. Auch Industriezweige, die Kosmetika, Pharmazeutika, Fette, Tenside, Proteine oder Textilien in kleineren Volumina herstellen, werden von Bioreaktoren profitieren. Durch den Einsatz künstlicher Intelligenz finden sie schneller zu optimalen Rezepturen und damit zum sogenannten „Golden Batch“, dem angestrebten Optimum ihrer umweltgerechten Produktion. Neben der Skalierung nach oben nimmt Festo auch die kleinsten Welten in den Blick. Ob Mikrofluidik im Bioreaktor, Dispensieren im digitalisierten und vernetzten Forschungslabor oder die kontinuierliche Qualitätsprüfung produzierter Chargen: Überall sind Expertise, Systeme und Komponenten gefragt, um geringe Flüssigkeitsmengen innerhalb kürzester Zeit mit höchster Genauigkeit automatisiert zu handhaben. Für die personalisierte Medizin entwickeln die Experten von LifeTech miniaturisierte Labore für ortsunabhängige und nach Bedarf einsetzbare Probenanalysen. Darüber hinaus sollen Krankenhäuser künftig in die Lage versetzt werden, mithilfe von Bioreaktoren die benötigten Medikamente für ihre Patienten in den entsprechenden Kleinstmengen lokal produzieren zu können. Eine biologische und flexible Chargenproduktion, die nicht nur in industrialisierten Gegenden, sondern auf allen Kontinenten verfügbar ist, bedarf zu- sätzlicher Eigenschaften. Die Anlagen müssen modular aufgebaut, einfach in Betrieb zu nehmen und aus der Ferne zu warten sein. Die Spezialisten von Festo sorgen unter anderem mit digitalen Zwillingen für frühzeitige Transparenz im gesamten Bioprozess und arbeiten an übergreifenden Standards. Die einzelnen Produktionsmodule der Anlagen sollen sich vor Ort problemlos verbinden, austauschen und nach Bedarf erweitern lassen – und zwar unabhängig vom jeweiligen Hersteller. Epilog Ins ökologische Zeitalter Wirtschaft, Ökologie und Verantwortung Inspiriert von Pionieren Mit Sinn und Verstand Die Marke Festo Bioreaktoren für die Industrie Expertise im Großen und Kleinen Digital, modular, standardisiert
31 30 Lernen für den Paradigmenwechsel Vom Atom zur Zelle Die Entwicklungen rund um den Photobioreaktor stellen für Festo einen kontinuierlichen und vielfältigen Lernprozess dar. Bionisches Denken und Handeln bilden die Grundlage, denn seit Jahrzehnten orientiert sich das Unternehmen am Erfolgsgeheimnis der Natur: Es nennt sich Autopoiese und bedeutet, sich selbst auf Basis der eigenen Elemente zu erschaffen, zu erhalten und zu wandeln. Eine Algenzelle etwa ist ein autopoietisches System, das sich im Wechselspiel auf- und abbauender Reaktionsketten selbst erneuert. Im übertragenen Sinn zeigt dies die unbedingte Notwendigkeit eines wertschätzenden Menschenbildes und einer tiefen Verankerung der Lernkultur. Für die biologische Transformation der Ökonomie muss Festo selbst autopoietisch agieren. Gegenwärtig arbeiten die Didaktiker daran, den notwendigen ökologischen Wandel in der Industrie mit der Ausbildung zu synchronisieren. Moleküle, Zellen und Organismen werden im 21. Jahrhundert die wichtigsten Protagonisten einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft. Mit der Biologie als neuen Treiber der industriellen Wertschöpfung vermindert sich die Abhängigkeit von fossilen Ressourcen. Die Freisetzung von klimaschädigendem Treibhausgas wird nicht nur vermieden, atmosphärisches Kohlendioxid kann sogar aktiv gebunden werden. Voraussetzung für die Kultivierung lebender Zellen bilden innovative Technologien in digitalen Produktionswelten mit intelligenter Prozessautomation, künstlicher Intelligenz und leistungsstarker Sensorik. Festo ist in der Lage, die Symbiose physikalischer und biologischer Prozesse zu gestalten. Neue Wege entstehen, wenn wir sie beschreiten.
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