PhotoBionicCell Automatisierte Kultivierung von Biomasse Softwarelösungen für ein digitalisiertes Labor In Laboren werden bisher viele Analysen von Hand gemacht. Das ist aufwändig 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 las- sen sich rund um die Uhr auch aus der Ferne manuelle Parameter- änderungen 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-RealityAnwendung. Per Tablet lässt sich die Realität erweitern, um technische Abläufe, Prozessparameter und Informationen zu Prozessen im Inneren des Bioreaktors zu visualisieren. Künstliche Intelligenz und digitale Zwillinge Zur Auswertung der Daten setzen unsere Entwickler auch Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) ein. Damit kann der Bioreaktor entweder auf die Vermehrung der Algenkulturen optimiert werden oder darauf, vorgegebene Wachstumsparameter bei minimalem Energieeinsatz zu erhalten. Außerdem könnte die Haltbarkeit von Ventilen und anderen Komponenten damit prognostiziert werden. Denkbar wäre auch der Einsatz von digitalen Zwillingen, die mit Hilfe von KI erstellt werden. Mit ihnen könnten künftig komplette Lebenszyklen von Bioreaktoren simuliert und virtuell abgebildet werden. Auch das zu erwartende Zellwachstum unterschiedlichster Mikroorganismen ließe sich dann bereits vor dem physischen Aufbau eines realen Systems mit großer Genauigkeit abschätzen. Weitere Optimierung durch künstliche Photosynthese 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. Automatisiertes Dispensieren als Basis Mit unserem Projektpartner Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie Marburg haben wir 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 arbeiteten daran, ganze Stoffwechselwege digital zu optimieren. Dieser Ansatz nennt sich synthetische Biologie. Ein am Computer optimierter Stoffwechselweg wird in synthetisch hergestellte Zellen verpackt, so genannte Droplets. Diese haben einen Durchmesser von rund 90 Mikrometern und enthalten alle notwendigen Enzyme und Biokatalysatoren. Dadurch sind sie in der Lage, wie ihre biologischen Vorbilder, das Kohlendioxid mittels Lichtenergie zu fixieren. Grundlagenforschung trifft Automation Auch wenn wir uns noch mitten im Entwicklungsprozess befinden, deutet sich bereits heute das Potenzial für die Zukunft an: Treffen Expertise in Automation und Grundlagenforschung zusammen, lässt sich der Weg zur kohlendioxidneutralen Produktion im industriellen Maßstab schneller beschreiten. Nachhaltig in die Zukunft 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. 01 05 01: Automatisierter Bioreaktor: bestmögliche Bedingungen für das Wachstum der Algen 02: Optimale Prozessstabilität: permanente Überwachung mehrerer Bioreaktoren von überall aus 03: Künstliche Photosynthese: Kultivierung der Droplets in einem zweiten Bioreaktor 04: Eigens entwickelter Dispensierautomat: tausendfache Tests zur Verbesserung der Enzyme 04 03 02 05: Industrielle Skalierung: Lösung für eine klimaneutrale Kreislaufwirtschaft von morgen 6 Festo SE & Co. KG 7 PhotoBionicCell: Automatisierte Kultivierung von Biomasse
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