藻类是小型气候拯救者。即使在自然状态下，它们也是极其高效的光合作用者，吸收的二氧化碳 (CO₂) 是陆地植物的十倍。在配备了适当传感器、控制技术和自动化的生物反应器中，藻类的效率可以提高到陆地植物的一百倍。这表明它们在发展气候中立的循环经济方面有着巨大的潜力。PhotoBionicCell 研究项目就是我们展示未来工业生物化的潜在方法。
藻类可以自动培养，其生长可以用生物反应器进行控制。藻类液体被向上泵入表面收集器，在表面收集器中以均匀的流体分布，然后流回培养器。在这个循环过程中，藻类细胞通过叶绿体中的光合作用，将阳光、二氧化碳和水转化为氧气和化学能载体或有机可回收材料。这就是如何在一个封闭的循环中培养生物质，这种方法非常高效，并且可节约资源。
成熟的开环和闭环控制系统与最先进的自动化元件相结合，为微生物提供了最佳条件。集成的充气理念确保空气中的二氧化碳均匀分布到循环的生物流体中。
生物反应器面临的一个主要挑战是如何精确确定生物质的体积。我们的开发人员正在使用初创公司 Q.ANT 提供的量子技术传感器来实现这一点。它实时返回关于生物体生长的准确信息。借助微流体技术，藻类可连续自动泵经 Festo 传感器。量子传感器能够以光学方式检测单个细胞，以便可以精确地确定生物量。此外，它还检查细胞的活力。只有这样，才有可能提前响应过程事件并对其进行调节。
取决于供给藻类生物质的营养物，代谢过程中形成的产物有脂肪酸、色素和表面活性剂。它们可用作生产药物、食品、塑料、化妆品或燃料的原材料。与石油产品不同，基于生物的最终产品通常可以被生物降解，并且为了与整体循环经济保持一致，可以使用气候中和流程进行回收。
在开发 PhotoBionicCell 的过程中，我们的研究人员也专注于培养蓝绿藻。产物有彩色颜料、ω-3 脂肪酸和聚羟基丁酸酯 (PHB)。通过添加其他物质，生成的 PHB 可以加工成用于 3D 打印的细丝。利用这种现代生产技术，可以在短时间内制造出复杂形状的可持续塑料元件或包装。例如，安装在 PhotoBionicCell 中的特定紧固夹是由生物塑料制成。
迄今为止，许多实验室分析都是人工完成的。这个过程很慢，并且会出错。未来这种实验室系统将实现自动化，能够直接和实时读取所有必要数据，以便研究人员更好地专注于他们的核心任务。
PhotoBionicCell 将通过使用内部开发的软件来完成。多个光生物反应器配备仪表板，用于显示当前数据情况和实时图像。参数的改变和相应的评估可以全天候远程进行。因此，用户可以随时响应生物反应器中的变化，例如，在最佳时间开始采集产品。
通过增强现实应用进一步提高实验室的数字化水平。平板电脑可用于增强现实，并使生物反应器内部的技术过程、过程参数和过程信息可视化。
我们的开发人员也在使用人工智能 (AI) 来评估数据。因此，生物反应器可针对藻类培养物的繁殖进行优化或以最小的能量输入维持特定的生长参数。它还可以用来预测阀等元件的使用寿命。也可以使用借助 AI 创造的数字孪生。未来数字孪生可以用来模拟生物反应器的完整生命周期，并显示虚拟图像。在对实际系统进行物理设置之前，也可以非常精确地估计不同微生物的预期细胞生长。
除了利用自动化和数字化优化实验室设施，所谓的人工光合作用为更有效地培养生物质开辟了另一个光明前景。我们与马尔堡马克斯·普朗克地球微生物研究所合作，开发了一种自动滴定器，用于改善光合作用的单个酶。期间需要测试一种酶的数千种变体。与手动移液相比，新型自动移液滴定器工作速度更快，并且不会出错。此外，这种自动移液滴定器可以在几秒钟内适应新的任务。
然而，可以得到优化的不仅仅是光合作用的单个构件。科学家们正在研究完整代谢路径的数字优化。这种方法被称为合成生物学。在计算机上优化的代谢路径被用于合成制造的细胞中，称为液滴。它们的直径约为 90 微米，含有所有必需的酶和生物催化剂。因此，它们将能够与其生物模型一样，利用光能吸收二氧化碳。
尽管该技术仍处于开发阶段，但未来的潜力目前已经清晰可见。如果结合自动化和基础研究方面的专业知识，我们将能够更快实现工业碳中和生产。这就是我们在生物领域开展研究的初衷。