Как можем да извлечем CO2и при това активно да допринасяме за опазването на климата? Как можем да намалим потреблението на материали, да рециклираме повече материали и в същото време да разработим алтернативни суровини? Във Festo се занимаваме с тези въпроси от известно време и сега правим нова крачка: прехвърляме нашия опит в технологиите за автоматизация към биологичните процеси.
Клетката като фабрика
Живите клетки са най-малките фабрики в света. С помощта на фотосинтеза клетките на водораслите преобразуват в своите хлоропласти слънчевата светлина, въглеродния диоксид и водата в кислород и химически източници на енергия или органични ценни вторични суровини. Водораслите са малки спасители на климата, тъй като те свързват десет пъти повече CO2от сухоземните растения. Посредством автоматизираното им култивиране в биореактори тази стойност може да се увеличи десетократно.
Оптимизирани условия за отглеждане посредством автоматизация
С нашата технологии за автоматизация биомасата може да се отглежда в затворен цикъл по високо ефективен, спестяващ ресурси начин и в голям мащаб. Получената биомаса може да се използва в химическата, хранително-вкусовата или фармацевтичната промишленост. По този начин представяме BionicCellFactory като инструмент за биологична трансформация към екологосъобразна кръгова икономика.
BionicCellFactory е разделена на пет модула, в които природата и технологията се сливат по различни начини. За разлика от химичните процеси, при нас не са необходими високи температури, високо налягане и токсини.
Петте модула на фабриката за клетки
1. Събиране на CO2: свързване на CO2 от въздуха
Водораслите растат най-добре при концентрация на CO2от около два процента. Тъй като обаче в околния въздух се съдържат доста по-малко от един процент, CO2,модулът за събиране обогатява водораслите с по-висока концентрация: Той филтрира необходимия газ от сгъстения въздух, като го вдухва в камера с CO2свързващ гранулат.
Гранулатът се състои от полимер, който в зависимост от преобладаващите условия може да поеме CO2или пък може да го отдаде. Ако гранулатът е поел достатъчно количество CO2,той се нагрява до температура 90 градуса по Целзий, за да освободи отново газа. Концентрираният CO2накрая се охлажда в междинен резервоар и се вдухва в биореактора посредством аериращ елемент.
2. Анализ: Наблюдение на клетките с помощта на квантови сензори и изкуствен интелект
Голямо предизвикателство при биореакторите е определянето на количеството биомаса. За тази цел в модула за анализ използваме оптичен метод, базиран на микроскопия и изкуствен интелект, както и квантова технология. Дигиталният микроскоп непрекъснато предоставя изображения, които се оценяват от изкуствения интелект. Посредством обучителни изображения тя се е научила да разпознава клетките на водораслите.
За квантово базирания сензор за частици една прецизна помпа транспортира клетките на водораслите от системата за култивиране. С помощта на прецизна система от разпределители те се подават към резервоар за смесване, където се разреждат с вода за оптимални условия на анализ. Така нареченият принцип "налягане над течност" позволява равномерна скорост на протичане и насочва сместа към квантовия сензор.
Сензорът, разработен от стартъпа Q.ANT, предоставя огромни количества данни, които могат да се състоят от размера и броя на водораслите, но също и от чужди тела. Тези анализи позволяват да се реагира на събитията в процеса с поглед към бъдещето и да се намесва по регулиращ начин.
3. Култивиране: Контролиран растеж на биомаса посредством автоматизация
Сърцето на BionicCellFactory е 45-метрова тръбна система на компанията Algoliner с капацитет 80 литра. В тази прозрачна, осветена фотосекция клетките на водораслите извършват фотосинтеза при оптимални условия на растеж. Сензорите измерват непрекъснато проводимостта, стойността на pH, концентрацията на кислорода и на CO2както и на температурата.
В зависимост от нуждите на водораслите системата добавя хранителни вещества като калий, фосфор и азот. Един топлообменник осигурява правилната температура. Регулирането на масовия поток и иновативната технология на пиезо разпределители позволяват прецизно дозиране на въздуха. До 20 литра в минута се подават с помощта на аериращ елемент. Получените фини въздушни мехурчета осигуряват оптимален обмен на CO2и O2между водораслите и околната среда.
4. Събиране на реколтата: Събиране на водораслите с помощта на центрофуга
Модулът за събиране на реколтата е връзката между култивирането и ензимната трансформация на биологично отгледания материал. Центрофугата осигурява непрекъснато събиране на биомасата: при скорост от 10 000 оборота в минута клетките на водораслите се отделят от водната среда и се притискат към ръба; водата се връща в процеса.
С помощта на помпа водораслите се прехвърлят в следващия модул за по-нататъшна обработка. Времето и количеството на събиране на реколтата се регулират така, че жизнеността на водораслите да остане на оптимално ниво и да е налично подходящо количество биомаса за трансформация на следващия етап.
5. Ензимна трансформация: Извличане и по-нататъшна обработка на клетъчни компоненти
Петте т.нар. кубчета за трансформация с индивидуални задачи създават оптимални условия за пречистване на водораслите с помощта на ензими. Те са биологични катализатори, които се подават целенасочено. По този начин те подпомагат постепенната трансформация, за която не са необходими тежки метали.
За да се извлекат накрая отделните компоненти от събраните водорасли, т.нар. ензимни ножици разрязват клетъчните стени и по този начин получават достъп до съставките: скорбяла, протеини, багрила както и маслото от водорасли, което в нашия случай искаме. За целта не е необходима почти никаква енергия, тъй като екологичният процес протича при леки – автоматично контролирани – условия на околната среда от 40 градуса по Целзий и стойност на pH от пет. Полученото масло от водорасли вече може да се използва като хранителна добавка и за производство на козметика или да се преработва в енергийни източници или био пластмаси. Остатъците от водораслите могат да се използват като фураж или тор.
Архитектура за управление
Модулната конструкция на BionicCellFactory е отразена и в архитектурата за управление: Всеки модул се управлява от управление CPX-E на Festo. Това означава, че петте етапа на процеса могат да се използват както в комбинация, така и поотделно, и могат лесно да се сменят в случай на промени в производството.
Посредством таблата за управление на съответния контролен панел експертите могат да наблюдават и променят отделните параметри на етапите на процеса. Обменът на данни между модулите се осъществява посредством OPC UA и позволява ефективно регулиране на цялата BionicCellFactory.
Производствени системи на бъдещето
BionicCellFactory като моделна фабрика е универсална готова схема за цялостни производствени системи на бъдещето. С помощта на нашите технологии за автоматизация тя може да бъде увеличена до всякакъв размер. За да се отговори на бъдещото търсене на възобновяеми суровини, са необходими биореактори с капацитет от няколко хиляди литра. За да се гарантира, че инсталациите могат надеждно да произвеждат желаните размери биомаса, са необходими експертни познания в областта на автоматизацията на процесите.
Съвместно с нашите клиенти разработваме интелигентни решения за контролни табла на биореактори и продължаваме да разширяваме портфолиото си. При управлението на процесите осигуряваме стабилен и прецизен контрол на процесите с максимална производителност. Те включват оптимизирани стратегии за аериране и хранене, алгоритми за управление, меки сензори за определяне на биомасата в реално време и системни концепции за производствени процеси на биологична основа.
Нови професионални области за новите технологии
Не навсякъде има висококвалифициран технически персонал и биотехнолози. За тази цел нашите експерти от Festo Didactic вече анализират новата нужда от знания, за да определят интердисциплинарните връзки и да създадат иновативни професии за обучение, курсове за придобиване на степен и допълнителни квалификации в областта на биомехатрониката, биоинтелигентността и устойчивостта.
Този проект е част от Bionic Learning Network – където природата среща технологиите.
Заедно с институти, университети и партньори ние изследваме биологични принципи, за да разработваме иновативни идеи и решения за нашата основна дейност в областта на автоматизационната техника и техническото образование. Научете повече за Bionic Learning Network или открийте други интересни теми, свързани с Festo, в нашия блог.