Como podemos remover o CO2da atmosfera e, ao mesmo tempo, contribuir ativamente para a proteção climática? Como podemos reduzir nosso consumo de material, reciclar mais materiais e simultaneamente desenvolver matérias-primas alternativas? Na Festo, lidamos com essas questões há algum tempo e percorremos novos caminhos: transferindo nossa experiência em tecnologia de automação para processos biológicos.
A célula como fábrica
Células vivas são as menores fábricas do mundo. Em seus cloroplastos, as células das algas convertem, por fotossíntese, luz solar, dióxido de carbono e água em oxigênio e fontes de energia química ou matérias orgânicas. As algas são pequenas protetoras do clima, pois absorvem dez vezes mais CO2que as plantas terrestres. Por meio da cultivação automatizada em biorreatores, esse valor pode ser aumentado novamente em dez vezes.
Condições de crescimento otimizadas pela automação
Com nossa tecnologia de automação, a biomassa pode ser cultivada em circuito fechado de forma altamente eficiente, com economia de recursos e em grande escala. A biomassa obtida pode ser utilizada nas indústrias química, alimentícia ou farmacêutica. Assim, apresentamos a BionicCellFactory como uma ferramenta para a transformação biológica rumo a uma economia circular que não compromete o meio ambiente.
A BionicCellFactory está dividida em cinco módulos nos quais natureza e técnica se fundem de diferentes maneiras. Ao contrário dos processos químicos, não precisamos de altas temperaturas, altas pressões e toxinas.
Os cinco módulos da fábrica celular
1. Coleta de CO2: absorção do CO2 do ar
As algas crescem melhor em uma concentração de CO2de cerca de dois por cento. Mas como nosso ar ambiente contém muito menos que um por cento, o módulo de coleta de CO2supre as algas com uma concentração maior ao filtrar o gás necessário do ar comprimido, que é injetado no interior de uma câmara contendo um granulado que absorve o CO2.
O granulado consiste em um polímero capaz de capturar e também liberar CO2dependendo das condições existentes. Após absorver CO2suficiente, o granulado é aquecido a uma temperatura de 90 graus Celsius para liberar o gás novamente. O CO2concentrado é finalmente resfriado em um tanque de armazenamento intermediário e injetado no interior do biorreator por meio de um elemento de gaseificação.
2. Análise: monitoramento das células com ajuda de sensores quânticos e IA
Um dos principais desafios dos biorreatores é determinar a quantidade de biomassa. Para isso, utilizamos, no módulo de análise, um método óptico baseado em microscopia, IA e tecnologia quântica. O microscópio digital fornece continuamente imagens que são avaliadas pela IA. Por meio de imagens de treinamento, ela aprendeu a reconhecer as células de algas.
Para o sensor de partículas de base quântica, uma bomba de precisão transporta as células de algas originadas do sistema de cultivo. Com a ajuda de um sistema de válvulas preciso, elas são conduzidas a um tanque de mistura onde são diluídas com água para obter condições ideais de análise. O chamado princípio de pressão sobre o líquido permite uma velocidade de fluxo uniforme e direciona a mistura para o sensor quântico.
O sensor - desenvolvido pela empresa start-up Q.ANT - fornece enormes quantidades de dados sobre o tamanho e a quantidade de algas, mas também sobre corpos estranhos. Tais análises permitem reagir antecipadamente aos eventos do processo e intervir de forma reguladora.
3. Cultivo: crescimento controlado da biomassa pela automação
O coração da BionicCellFactory é um sistema de tubos de 45 metros de comprimento da empresa Algoliner com uma capacidade de 80 litros. Nesse trajeto transparente e iluminado, as células de algas realizam a fotossíntese sob condições de crescimento ideais. Sensores medem continuamente a condutividade, o valor de pH, o oxigênio, a concentração de CO2e a temperatura.
Dependendo das necessidades das algas, o sistema adiciona nutrientes como potássio, fósforo e nitrogênio. Um permutador de calor garante a temperatura correta. O controle de fluxo de massa e a inovadora tecnologia de válvula piezoelétrica permitem uma dosagem precisa do ar. Até 20 litros por minuto são fornecidos por um elemento de aeração. As bolhas de ar finas resultantes garantem a troca ideal de CO2e O2entre as algas e o meio ambiente.
4. Colheita: colheita das algas por meio de uma centrífuga
O módulo Colheita é a interface entre a cultivação e a transformação enzimática do material biologicamente cultivado. Uma centrífuga assegura a colheita contínua da biomassa: a uma velocidade de 10.000 rotações por minuto, as células de algas são separadas de seu ambiente aquoso e empurradas para a borda; a água é retornada ao processo.
Por meio de uma bomba, as algas são finalmente transferidas para o módulo seguinte para processamento posterior. O momento e a quantidade da colheita são regulados de modo que a vitalidade das algas permaneça no nível ideal e a quantidade apropriada de biomassa esteja disponível para a transformação na próxima etapa.
5. Transformação enzimática: extração e processamento posterior de componentes celulares
Cinco "cubos de transformação" com funções individuais criam condições ideais para o refinamento das algas pelas enzimas. Trata-se de catalisadores biológicos que são alimentados de forma direcionada. Desta forma, auxiliam a transformação gradual sem a necessidade de metais pesados.
A fim de finalmente extrair componentes individuais das algas colhidas, as chamadas tesouras enzimáticas cortam as paredes da célula para acessar seu conteúdo: amido, proteínas, corantes e o óleo de algas, pretendido em nosso caso. Quase não é necessária energia para isso, pois o processo ecológico funciona em condições ambientais amenas, automaticamente controladas, de 40 graus Celsius e um valor de pH igual a cinco. O óleo de algas obtido pode agora ser utilizado como suplemento alimentar e para a produção de cosméticos ou processado em fontes de energia ou bioplásticos. Os restos de algas podem ser utilizados como ração ou fertilizante.
Arquitetura de controle
A estrutura modular da BionicCellFactory também se reflete na arquitetura de controle: cada módulo é controlado por um controlador CPX-E da Festo. Isso significa que as cinco etapas do processo podem ser operadas tanto em combinação quanto separadamente e podem ser facilmente trocadas no caso de mudanças na produção.
Por dashboards no respectivo painel de controle, os especialistas podem monitorar e alterar parâmetros individuais das etapas do processo. A troca de dados entre os módulos ocorre via OPC UA e permite o controle eficiente de toda a BionicCellFactory.
Sistemas de produção do futuro
A BionicCellFactory como fábrica-modelo é o plano universal para sistemas de produção holísticos do futuro. Com a ajuda de nossa tecnologia de automação, ela pode ser dimensionada para qualquer tamanho. Para atender à demanda futura de matérias-primas renováveis, são necessários biorreatores com capacidade de vários milhares de litros. Para garantir que as plantas possam produzir de forma confiável os tamanhos de biomassa desejados, é preciso ter expertise em automação de processos.
Junto com nossos clientes, desenvolvemos soluções inteligentes de quadros de comando para biorreatores e continuamos a expandir nosso portfólio. No controle de processos, asseguramos a execução estável e precisa dos processos com máxima produtividade. Para isso, oferecemos estratégias otimizadas de gaseificação e alimentação, algoritmos de controle, sensores suaves para determinação da biomassa em tempo real e conceitos de sistema para processos de produção baseados em biomassa.
Novos campos ocupacionais para novas tecnologias
Pessoal técnico altamente qualificado e biotecnólogos não estão disponíveis em qualquer lugar. Para esse fim, nossos especialistas da Festo Didactic já estão analisando as novas exigências de conhecimento, a fim de definir vínculos interdisciplinares e estabelecer profissões técnicas inovadoras, cursos de graduação e qualificações adicionais nas áreas de biomecatrônica, biointeligência e sustentabilidade.