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.
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