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Nr. 92, 21.10.2017  voriger  Übersicht  weiter  REIHEN  SUCHE 

Digitale Biologie

Einen Motor zu betreiben oder Algen zu züchten, das macht grundsätzlich einen überraschend geringen Unterschied. Jedenfalls aus Sicht der Regelungstechnik.


Pascal Jerono steuert den Flac­hbettreaktor, der am linken Bild­rand reichlich Mikroalgen produ­ziert. Foto: Martin Geist

Viele kleine grüne Bällchen wirbeln durchs Wasser des Flach­bettreaktors im Labor der Regelungstechnik der Technischen Fakultät. Ihr bewegtes Dasein verdanken die Punkte, bei denen es sich um zahllose zusammengeballte Vertreterinnen der Mikroalge Haematococcus pluvialis handelt, der stetig in den Behälter ein­strömenden Luft. Dazu bekommen die Pflanzen reichlich Licht und eine Wassertemperatur mit Wohlfühlfaktor.

All das sieht so aus, als ob es viel besser in einen Versuchsraum der Meeresforschung passen würde. Und tatsächlich ist an diesem Eindruck etwas dran. Ihr Algenprojekt betreiben Professor Thomas Meurer, Dr. Alexander Schaum und Pascal Jerono aus dem Fach­bereich Regelungstechnik innerhalb des Exzellenzclusters »Future Ocean« und arbeiten dabei mit dem Biologen und Algen­experten Professor Rüdiger Schulz zusammen.

In der Sache geht es zunächst einmal darum, die Haematococcus pluvialis zu züchten und sie dann etwa durch vergleichsweise drastische Veränderung von Nährstoff-, Licht- oder Luftzufuhr unter Stress zu setzen. Dann verändert die eigentlich grüne Alge ihre Farbe und wird rot, ganz ähnlich wie das passiert, wenn Menschen sich ärgern. Was den Effekt hervorruft, dass die Pflanze den Farbstoff Astaxanthin produziert, der eine antioxidierende Wirkung entfaltet und in Kapseln verpackt als Nahrungsergänzungsmittel vor Schäden durch UV-Strahlung schützen soll. Beteiligt an dem Projekt sind deshalb auch das in Trappenkamp ansässige Unternehmen Sea und Sun, das dieses Mittel in großem Maßstab herstellen will und ebenso die Schweizer Firma Infors HT, die den Flachbettreaktor gesponsert hat.

Was bei den Algenversuchen am Ende konkret herauskommt, ist für das Trio von der Technischen Fakultät sowohl für ihre theoretischen Arbeiten als auch für die weitere technische Umsetzung von Bedeutung. »Uns geht es dabei besonders um die Prozessführung und die Entwicklung einer Regelungs- und Optimierungsstrategie«, erläutert Professor Meurer, der das Projekt aus übergreifender Perspektive betrachtet. Wie immer, wenn etwas hergestellt werden soll, kommt es darauf an, dabei möglichst wenig Energie und andere Ressourcen in Anspruch zu nehmen.

Rein regelungstechnisch gesehen macht es dabei keinen großen Unterschied, ob es zum Beispiel um einen Gasmotor oder um Algenzucht geht. In beiden Fällen handelt es sich um einen Prozess mit Stellschrauben, deren Handhabung das Ergebnis positiv oder auch negativ beeinflussen kann. »Bei den Algen kann das die Nährstoffzufuhr sein, beim Motor die Ventilstellung«, erklärt Meurer. Zusammen mit seinen beiden Mitarbeitern befasst sich der studierte Verfahrenstechniker genau mit diesen Stellschrauben, im Fachdeutsch auch Eingriffsgrößen genannt.

Allerdings wäre es äußerst zeit- und kostenaufwendig, das Wechselspiel zwischen Luft, Licht, Tempera­tur, Nährstoffgehalt und anderen Faktoren rein durch Versuche aufzuschlüsseln. Die Prozess­füh­rungsstrategie zielt deshalb darauf, möglichst genaue Aussagen auf Grundlage möglichst weniger Daten zu gewinnen. Ein Ansatz, der nicht zufällig in den 1960er Jahren aufkam. Damals standen die ersten einigermaßen leistungsfähigen Computer zur Verfügung, um das Hauptgeschäft bei dieser Methode zu erledigen: das Rechnen.

Heute geht das wesentlich einfacher und billiger, doch im Prinzip wurden und werden laut Meurer nach wie vor die Ergebnisse realer Versuche digitalisiert, um damit ein Modell zu entwerfen, »das der Realität hinreichend gut entspricht«.

Das gute alte Labor ist gleichwohl nicht entbehrlich. Immer wieder machen die Wissenschaftler dort Gegenproben und untersuchen, ob die auf das uralte Prinzip der Differenzialgleichung gestützten Rechenmodelle tatsächlich stimmen. Gerade diese Mischung aus Biologie und Informatik ist dabei für die Beteiligten von beachtlichem Reiz, verrät Pascal Jerono: »Das Interesse an Biologie kam bei mir sehr spät, aber es hat mich erwischt.«

Martin Geist
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