Industrie 4.0 Techniken für die Anwendungen in zukünftigen Algenfarmen
Die Mikroalgenbiotechnologie ist eine stark wachsende Zukunftstechnologie, die bisher jedoch nur einen Bruchteil der vorhandenen Kapazitäten ausschöpft. Die Mehrzahl der kommerziellen Applikationen in der Mikroalgenkultivierung wird gegenwärtig in offenen Kultivierungssystemen mit minimaler Prozesssteuerung durchgeführt. Aufgrund zunehmend nachgefragter hochwertiger Algeninhaltsstoffe besonders für den Nahrungsmittel- und pharmazeutischen Bereich resultiert ein Anspruch auf reproduzierbare und steuerbare Produktionsverfahren in geschlossenen Photobioreaktoren, die in den letzten Jahren stetig weiterentwickelt wurden und auch für kommerzielle Anwendungen an Bedeutung gewinnen. Um wirtschaftlich Mikroalgenbiomasse für eine stoffliche und energetische Verwertung zu produzieren, sind stabile und kontrollierbare Produktionsprozesse notwendig. Gegenwärtig können die für großtechnische Prozesse erforderliche Prozessüberwachung und -steuerung/monitoring nur teilweise realisiert werden. So können grundlegende Prozessparameter wie Temperatur und Lichtverteilung nur unzureichend kontrolliert und gesteuert werden, Systeme für die online Bestimmung und das Monitoring von intrazellulären Wertstoffen sind für die Algenbiotechnologie bisher nicht verfügbar.
Schwerpunkt und Zielsetzung des Forschungsprojektes ist die Einrichtung und Nutzbarmachung von Schnittstellen und Technologien des Internet of Things (IoT) für die Steuerung und das Monitoring grundlegender Prozessparameter für die industrielle Biomasseproduktion aus Algen.
Im Fokus des Vorhabens stehen neben der Schaffung grundlegender Prozessteuerungs-technologien auch die Entwicklung neuer Systeme zur Bestimmung maximaler Produkt-ausbeuten von Algeninhaltsstoffen im Hinblick auf die Weiterentwicklung energieeffizienter Aufarbeitungstechnologien im Down Streaming Processing der Algenbiotechnologie sowie die Entwicklung spezifischer Monitoring-Systeme eines algenbiotechnologischen Gesamtprozesses unter Anwendung des Internet of Things (IoT).
Durch den Einsatz Internet-basierter Technologien können somit Verfahren und Prozesse konzipiert werden, die durch Kosten- und Energieminimierung die Konkurrenzfähigkeit der Algenbiotechnologie für die Bereiche vegane Lebensmittel, Phytopharmaka, Cosmeceuticals sowie PUFA- und Protein-angereicherte Food-Additive-/Futtermittel erhöhen.
Motivation
Mikroalgen gelten als attraktive Rohstoffquelle, da sie mit Hilfe von Sonnenlicht als Energiequelle und umweltschädlichem CO2 als C-Quelle ihre gesamte Biomasse effizienter als Landpflanzen und ohne Beanspruchung von Ackerbauflächen aufbauen. Basierend auf dem Tannenbaum (TBR)-Photobioreaktor der Firma GICON GmbH wurde 2013 eine Algenpilotanlage im Biosolarzentrum der Hochschule Anhalt (HSA) errichtet, die ganzjährig Mikroalgenbiomasse produzieren kann. Im Fokus stehen die Entwicklung neuer Systeme zur Bestimmung maximaler Produktausbeuten und energieeffiziente Aufarbeitungstechnologien.
Gemeinsam mit der HSA (Fachbereich 6: Elektrotechnik, Maschinenbau und Wirtschaftswissenschaften), der AG Algenbiotechnologie um Frau Prof. Griehl, will die axxeo GmbH IoT- und Industrie 4.0-Schnittstellen sowie prädikative Steuerungsalgorithmen, die für dezentrale Energiesysteme wie z.B. Windkraftanlagen von der axxeo bereits entwickelt und erprobt worden sind, in algenbiotechnologische Verfahrensprozesse überführen und entsprechend der spezifischen Anforderungen für Photobioreaktorsysteme in der Algenbiotechologie adaptieren.
Nach einer exemplarischen Realisierung beim Aufbau der Anlagensteuerung eines Durchflusszellen-Fluorimeters und entsprechendem Online-Monitoring sollen die gewonnenen Erkenntnisse in Form von Standardschnittstellen auf andere Analysesysteme übertragen werden. Hierbei spielt auch die Anwendung in industrieller Umgebung eine zentrale Rolle in Bezug auf Verfügbarkeit und Robustheit der verwendeten Techniken, so dass auch weitere Hersteller von individuellen Messsystemen für die Biowissenschaften und Biotechnologie-prozesse von dieser Entwicklung profitieren.
Neben den technologischen Herausforderungen spielen Aspekte wie z.B. Vermarktungsfähigkeit und geringe Kosten der Realisierung eine entscheidende Rolle. Die axxeo hat bereits in der Vergangenheit für verschiedene industrielle Partner individuelle Mess- und Steuerungslösungen erfolgreich und kostengünstig erarbeitet und vermarktet.
Zielsetzung
Die Vernetzung mit Partnern aus der regionalen Industrie (Lebensmittel-, Pharma-,..) und Wissenschaft (Fraunhofer-Institute Halle und Leuna, Kunststoffzentrum Merseburg, Food-Zentrum Köthen u.a.) hat zum Ziel, Industrie 4.0-Technologien, also das Internet of Things (IoT), in die Algenproduktion einzuführen und innovative Aufarbeitungstechnologien zu implementieren und damit das Biosolarzentrum der HSA zum mitteldeutsche Kompetenzzentrum für die industrielle Algenproduktion zu entwickeln. Damit wird die regionale mittelständische Biotechnologiebranche wettbewerbsfähig und somit folgt die Etablierung eines regionalen Innovationsforums Biosolartechnologie zur Identifikation neuer, kommerziell verwertbarer Algenprodukte für Wachstumsmärkte, Marktanalysen und Abschätzung von Marktpotenzialen.
Dieses Forschungsprojekt ist ein Teilvorhaben des Projektes FORZA – Forschungs- und Technologietransfer für das Leben im digitalen Zeitalter und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Kennzeichen 03IHS047G gefördert.
Ein Poster zum Projekt kann hier heruntergeladen werden.