Hoe kunnen we CO2aan de atmosfeer halen en daarbij actief bijdragen aan klimaatbescherming? Hoe kunnen we ons materiaalverbruik verminderen, meer materialen recycleren en tegelijkertijd alternatieve grondstoffen ontwikkelen? Bij Festo houden we ons al geruime tijd met deze vragen bezig en slaan we een nieuwe weg in: we brengen onze expertise op het gebied van automatiseringstechniek over op biologische processen.
De cel als fabriek
Levende cellen zijn de kleinste fabrieken ter wereld. De algencellen zetten zonlicht, kooldioxide en water in hun chloroplasten om in zuurstof en chemische energiedragers of organische materaielen. Algen zijn kleine klimaatredders, want ze binden tien keer meer CO2dan landplanten. Door hun geautomatiseerde teelt in bioreactoren kan deze waarde met een factor tien worden verhoogd.
Geoptimaliseerde groeiomstandigheden door automatisering
Met onze automatiseringstechniek kan biomassa op zeer efficiënte, grondstofbesparende wijze en op grote schaal in een gesloten cyclus worden geteeld. De verkregen biomassa kan worden gebruikt in de chemische, voedings- of farmaceutische industrie. Wij presenteren de BionicCellFactory dus als een instrument voor de biologische transformatie naar een milieuvriendelijke circulaire economie.
De BionicCellFactory is verdeeld in vijf modules waarin natuur en techniek op verschillende manieren samensmelten. In tegenstelling tot chemische processen hebben wij geen hoge temperaturen, hoge druk en giftige stoffen nodig.
De vijf modules van de celfabriek
1. CO2-collection: CO2 binden uit de lucht
Algen groeien het best bij een CO2-concentratie van ongeveer twee procent. Aangezien onze omgevingslucht echter veel minder dan één procent bevat, verrijkt de CO2-collection-module de algen met een hogere concentratie: het filtert het benodigde gas uit perslucht doordat het in een kamer met CO2-bindgranulaat wordt ingeblazen.
De korrels bestaan uit een polymeer dat, afhankelijk van de heersende omstandigheden, CO2kan opnemen of ook overdragen. Als het granulaat voldoende CO2heeft geabsorbeerd, wordt het verwarmd tot een temperatuur van 90 graden Celsius om het gas weer vrij te geven. De geconcentreerde CO2wordt ten slotte gekoeld in een tussenliggende opslagtank en via een ontgassingselement in de bioreactor geblazen.
2. Analysis: monitoring van cellen met behulp van kwantumsensortechnologie
Een grote uitdaging bij bioreactoren is het nauwkeurig bepalen van de hoeveelheid biomassa. Hiervoor gebruiken wij een optische methode op basis van microscopie en KI in de analysemodule, alsmede kwantumtechnologie. De digitale microscoop levert continu beelden die door de KI worden geëvalueerd. Door middel van trainingsbeelden heeft ze geleerd de algencellen te herkennen.
Voor de kwantumgebaseerde deeltjessensor transporteert een precisiepomp de algencellen uit het kweeksysteem. Met behulp van een nauwkeurig ventielsysteem worden ze naar een mengtank gevoerd, waar ze met water worden verdund voor optimale analyseomstandigheden. Het zogenaamde pressure-over-liquid principe maakt een gelijkmatige stroomsnelheid mogelijk en leidt het mengsel naar de kwantumsensor.
De sensor - ontwikkeld door de start-up Q.ANT - levert enorme hoeveelheden gegevens, die kunnen bestaan uit de grootte en het aantal algen, maar ook uit vreemde lichamen. Deze analyses maken het mogelijk om toekomstgericht te reageren op procesgebeurtenissen en regulerend in te grijpen.
3. Cultivation: gecontoleerde groei van biomassa door automatisering
Het hart van de BionicCellFactory is een 45 meter lang buizensysteem van het bedrijf Algoliner met een capaciteit van 80 liter. In deze transparante, verlichte fotosectie voeren de algencellen hun fotosynthese uit onder optimale groeiomstandigheden. Sensoren meten continu de geleidbaarheid, pH-waarde, zuurstof en CO2-concentratie en de temperatuur.
Afhankelijk van de behoeften van de algen voegt het systeem voedingsstoffen toe zoals kalium, fosfor en stikstof. Een warmtewisselaar zorgt voor de juiste temperatuur. De massastroomregeling en de innovatieve piëzoventieltechnologie maken een nauwkeurige dosering van de lucht mogelijk. Tot 20 liter per minuut wordt geleverd via een beluchtingselement. De resulterende fijne luchtbellen zorgen voor een optimale uitwisseling van CO2en O2tussen algen en het milieu.
4. Harvest: Oogsten van de algen door middel van een centrifuge
De harvest-module is de interface tussen kweek en enzymatische transformatie van het biologisch geteelde materiaal. Een centrifuge zorgt voor de continue oogst van de biomassa: met een snelheid van 10.000 omwentelingen per minuut worden de algencellen gescheiden van hun waterige omgeving en naar de rand gedrukt; het water wordt teruggevoerd in het proces.
Via een pomp worden de algen tenslotte overgebracht naar de volgende module voor verdere verwerking. Het tijdstip en de hoeveelheid van de oogst worden zo geregeld dat de vitaliteit van de algen optimaal blijft en de juiste hoeveelheid biomassa beschikbaar is voor de transformatie in de volgende stap.
5. Enzymatic transformation: extractie en verdere verwerking van celbestanddelen
Vijf zogenaamde transformation-cubes met individuele taken creëren optimale omstandigheden voor de veredeling van de algen door enzymen. Het zijn biologische katalysatoren die gericht worden gevoed. Op die manier ondersteunen ze de geleidelijke transformatie, waarvoor geen zware metalen nodig zijn.
Om uiteindelijk afzonderlijke bestanddelen uit de geoogste algen te halen, knipt een zogenaamde enzymschaar de celwanden open en krijgt zo toegang tot de ingrediënten: zetmeel, eiwitten, kleurstoffen en de in ons geval gewenste algenolie. Hiervoor is nauwelijks energie nodig, want het milieuvriendelijke proces verloopt bij milde - automatisch geregelde - omgevingsomstandigheden van 40 graden Celsius en een pH-waarde van vijf. De verkregen algenolie kan nu worden gebruikt als voedingssupplementen en voor de productie van cosmetica of worden verwerkt tot energiebronnen of bioplastics. De algenresten kunnen worden gebruikt als voer of meststof.
Besturingsarchitectuur
Het modulaire ontwerp van de BionicCellFactory wordt ook weerspiegeld in de besturingsarchitectuur: elke module wordt aangestuurd door een CPX-E besturing van Festo. Dit betekent dat de vijf processtappen zowel gecombineerd als afzonderlijk kunnen worden gebruikt en gemakkelijk kunnen worden uitgewisseld bij productieveranderingen.
Via dashboards op het desbetreffende bedieningspaneel kunnen de deskundigen individuele parameters van de processtappen bewaken en wijzigen. De gegevensuitwisseling tussen de modules vindt plaats via OPC UA en maakt een efficiënte besturing van de gehele BionicCellFactory mogelijk.
Productiesystemen van de toekomst
De BionicCellFactory als modelfabriek is de universele blauwdruk voor holistische productiesystemen van de toekomst. Met behulp van onze automatiseringstechniek kan het tot elke grootte worden geschaald. Om aan de toekomstige vraag naar hernieuwbare grondstoffen te voldoen, zijn bioreactoren met een capaciteit van enkele duizenden liters nodig. Om ervoor te zorgen dat de installaties op betrouwbare wijze de gewenste hoeveelheden biomassa kunnen produceren, is expertise in procesautomation vereist.
Wij ontwikkelen samen met onze klanten intelligente schakelkastoplossingen voor bioreactoren en blijven ons portfolio uitbreiden. Bij de procescontrole zorgen wij voor een stabiele en nauwkeurige procescontrole met een maximale productiviteit. Deze omvatten geoptimaliseerde vergassings- en voedingsstrategieën, regelalgoritmen, zachte sensoren voor de bepaling van biomassa in real time en systeemconcepten voor productieprocessen op biobasis.
Nieuwe beroepen voor nieuwe technologieën
Hooggekwalificeerd technisch personeel en biotechnologen zijn niet overal beschikbaar. Daartoe analyseren onze experts van Festo Didactic nu al de nieuwe kennisvereisten om interdisciplinaire verbanden te definiëren en innovatieve opleidingsberoepen, opleidingen en aanvullende kwalificaties op het gebied van biomechatronica, bio-intelligentie en duurzaamheid te creëren.