01 02 Carboxysomen Polyhydroxybuttersäure (PHB) Gasblasen DNA Thylakoidmembranen 02: Aufbau der Algenzelle: Gewinnung von PHB für Biokunststoffe PhotoBionicCell Automatisierte Kultivierung von Biomasse Unsere Erde verändert sich in nie dagewesenem Maße. Die Weltbevölkerung wächst, die Folgen des Klimawandels sind spürbar. Wir erhalten uns eine lebenswerte Zukunft nur, wenn Menschheit, Tier- und Pflanzenwelt in einem harmonischen Gleichgewicht leben. Daher betrachten wir bei Festo die Bioökonomie als Wirtschaftssystem der Zukunft. Unser Anspruch ist, einen entscheidenden Beitrag zur Verbesserung der Lebensqualität heutiger und kommender Generationen zu leisten – durch die Kultivierung von Biomasse im großen Stil durch unsere Automatisierungstechnik. Nachhaltigkeit durch Kreislaufwirtschaft Wenn wir es schaffen, in Kreisläufen zu wirtschaften, entstehen Innovationsräume, von denen Mensch und Umwelt zugleich profitieren. Kreislaufwirtschaft bedeutet, bei möglichst geringem Ressourceneinsatz kohlendioxidneutral zu produzieren. Die Idee dahinter ist, lebende Materie als biologische Basis energieeffizient zu kultivieren, sodass sich daraus Rohstoffe gewinnen und zu Produkten weiterverarbeiten lassen. Diese sollen letztlich wieder in den natürlichen Kreislauf zurückgegeben werden. Im Lernunternehmen Festo sehen wir die Biologie seit Jahrzehnten als Inspirationsquelle und Lehrmeister. Im Laufe der Jahre entwickelten unsere Bioniker eine Vielzahl technologischer Innovationen. Das Forschungsprojekt PhotoBionicCell zeigt einen möglichen Ansatz für die industrielle Biologisierung von morgen. Effiziente Photosynthese im Hightech-Bioreaktor Mit dem Bioreaktor lassen sich Algen automatisiert kultivieren und ihr Wachstum kontrollieren. 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. Im Vergleich zu heute verbreiteten Systemen, wie offenen Becken oder Folienbioreaktoren, kann mit PhotoBionicCell mehr als die zehnfache Menge an Biomasse gewonnen werden. 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 unsere 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. Intelligente Steuerungs- und Regelungstechnik 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. Innovative Quantensensor-Technologie 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, vorrausschauend auf Prozessereignisse zu reagieren und regelnd einzugreifen. 01: Automatisierter Bioreaktor: Photosynthese der Algen im geschlossenen Kreislauf 2 Festo SE & Co. KG 3 PhotoBionicCell: Automatisierte Kultivierung von Biomasse
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