In de natuur zijn algen al extreem efficiënt in fotosynthese en absorberen ze tien keer meer CO2 dan bomen en planten op land. In een bioreactor komt daar nog eens een factor tien bovenop. Festo heeft zo’n reactor gebouwd.
De wereld verandert razendsnel; de bevolking groeit hard en de gevolgen van klimaatverandering zijn overal zichtbaar. Een leefbare toekomst is alleen mogelijk als mensen in harmonie leven met alle flora en fauna. Dat vindt ook automatiseringsspecialist Festo. Het Duitse bedrijf heeft zich daarom een ambitieus doel gesteld. ”We willen een significante bijdrage leveren aan het verbeteren van de levensstandaard, nu en in de toekomst, via het op grote schaal cultiveren van biomassa met onze technologie,” aldus Elias Knubben, baas van Festo’s onderzoeks- en innovatietak.
Dat de leverancier van pneumatische en elektrische aandrijvingen zich laat inspireren door de natuur, is niet nieuw. Het Bionics-team van Festo ontwikkelt al jaren robots en technologie die zijn gebaseerd op de dieren. Vogels, spinnen, kangoeroes, vissen, vlinders, kwallen; ze stonden allemaal model voor coole innovaties. Steeds meer zoeken de Duitse onderzoekers naar toepassingen die ook echt relevant zijn voor de industrie. Zo ontwierpen ze al eens grijpers geïnspireerd op een olifantenslurf en een kameleontong.
Na anderhalf jaar onderzoek en ontwikkeling komt Festo dit jaar met de PhotoBionicCell, een bioreactor waarin algen onder ideale condities kunnen groeien en ze zonlicht, water en CO2 uit de lucht omzetten in zuurstof, chemische energiedragers en waardevolle organische materialen. Algen zijn zeer efficiënt in dat fotosyntheseproces. Een vierkante meter bos verwerkt per jaar een à twee kilogram CO2. Eenzelfde oppervlakte aan algen bindt ongeveer tien kilogram van dat broeikasgas. De perfecte condities in Festo’s bioreactor zorgen ervoor dat de algen zelfs honderd kilogram CO2 uit de lucht halen. Dat scheelt dus een factor honderd.
Een bijkomend voordeel is dat de PhotoBionicCell interessante ‘afvalproducten’ oplevert. Afhankelijk van de algen die je kiest en de voedingsstoffen die je ze geeft, ontstaan bouwstoffen voor de voedingsindustrie zoals omega-3-vetzuren, kleurstoffen voor in cosmetica en kleine bolletjes PHB-bioplastic. Dat PHB kan onder meer worden gebruikt in een 3D-printer waardoor de geprinte producten volledig recyclebaar en afbreekbaar zijn. Zelfs als je PHB-flessen zou verbranden, komt er niet meer CO2 vrij als de bioreactor daarvoor heeft opgenomen.
Realtime monitoren
De crux van de PhotoBionicCell is de perfecte controle van de omgevingscondities in de reactor. Dat is waar Festo-technologie om de hoek komt kijken. Het systeem is uitgerust met verschillende componenten die gecoördineerd samenwerken, onder meer kleine pompjes, kleppen, filters, sensoren en controllers. Om de algen de best mogelijke leefomgeving te geven, leunt de bioreactor op een scala aan sensoren die continu en realtime input geven over onder meer de temperatuur, de pH-waarde, de druk, de CO2-concentratie en de resterende hoeveelheid voedingsmateriaal. “Alleen omdat we die zaken realtime in de gaten houden, kunnen we het proces goed reguleren,” legt Knubben uit.
Festo gebruikt ook een innovatieve sensor op basis van kwantumtechnologie van de Duitse start-up Q.ANT. Daarmee krijgt het precieze informatie over de groei van de algen. De optische sensor is in staat om de cellen, die veel voorzichtig in de bioreactor worden gepompt, individueel te tellen. En het vertelt wat de gezondheid van die cellen is. Zo weet de PhotoBionicCell precies wat hem te doen staat.
Industrialisatie
Hoewel de bioreactor nu nog een demo-opstelling is, kijkt Festo al naar de toekomst. “Uiteindelijk moet zo’n systeem natuurlijk volcontinu draaien,” zegt Knubben. “Dus we hebben een stabiel proces nodig waarbij we mikken op de maximale efficiëntie.” Op alle sensordata laat Festo daarom artificial intelligence-algoritmes los. “Dat stelt de bioreactor in staat om te optimaliseren voor ideale groei, of juist te kiezen om bepaalde groeiparameters vast te houden met minimaal energieverbruik.” Ook doet de software voorspellingen over wanneer onderdelen aan vervanging toe zijn.
Als specialist in aandrijvingen heeft Festo niet de ambitie om van zijn bioreactoren zelf een commercieel succes te maken. “We willen slechts laten zien wat er nu al mogelijk is,” zegt Knubben. “En dat wij de technologie in huis hebben om een bioreactor te realiseren.” Festo roept industriële partijen op om met de technologie aan de slag te gaan. “Volledige industrialisatie van het principe zal nog wel even duren, maar we zijn al dichterbij dan je misschien denkt.”