Jak můžeme snížit množství CO2v atmosféře a tím aktivně přispívat k ochraně klimatu? Jak můžeme snížit spotřebu materiálu, recyklovat více materiálů a zároveň vyvinout alternativní suroviny? Ve Festo se těmito otázkami zabýváme již nějakou dobu a přicházíme s novými poznatky: naše know-how v automatizační technice přenášíme do biologických procesů.
Buňka jako továrna
Živé buňky jsou nejmenší továrny na světě. Pomocí fotosyntézy přeměňují buňky řas ve svých chloroplastech sluneční světlo, oxid uhličitý a vodu na kyslík a chemické zdroje energie např. organické látky. Řasy jsou malé šetřiče klimatu, protože váží desetkrát více CO2než suchozemské rostliny. Prostřednictvím jejich automatizované kultivace v bioreaktorech lze tuto hodnotu ještě zvýšit až desetinásobně.
Optimalizované podmínky růstu díky automatizaci
S naší automatizační technologií lze biomasu kultivovat v uzavřeném okruhu vysoce účinným způsobem šetřícím zdroje a ve velkém měřítku. Získanou biomasu lze využít v chemickém, potravinářském nebo farmaceutickém průmyslu. Tímto představujeme BionicCellFactory jako nástroj pro biologickou transformaci směrem k oběhovému hospodářství šetrnému k životnímu prostředí.
BionicCellFactory je rozdělena do pěti modulů, ve kterých se příroda a technologie různými způsoby prolínají. Na rozdíl od chemických procesů se obejdeme bez vysokých teplot, vysokých tlaků a jedů.
Pět modulů buněčné továrny
1. Sběr CO2: vázání CO2 ze vzduchu
Řasy nejlépe rostou při koncentraci CO2kolem dvou procent. Protože však náš okolní vzduch obsahuje mnohem méně než jedno procento, sběrný modul CO2obohacuje řasy na vyšší koncentraci: Filtruje požadovaný plyn ze stlačeného vzduchu, který se fouká do komory s granulátem vázajícím CO2.
Granulát se skládá z polymeru, který v závislosti na panujících podmínkách může CO2pojímat nebo uvolňovat. Jakmile granulát pojme dostatek CO2, zahřeje se na teplotu 90 stupňů Celsia, aby se plyn opět uvolnil. Koncentrovaný CO2se nakonec ochladí v dočasné komoře a vhání do bioreaktoru přes fumigační prvek.
2. Analýza: sledování buněk pomocí kvantových senzorů a AI
Velkou výzvou v bioreaktorech je stanovení množství biomasy. K tomu využíváme v modulu analýzy optickou metodu, která využívá mikroskopii, AI a také kvantovou technologii. Digitální mikroskop nepřetržitě poskytuje snímky, které jsou vyhodnocovány pomocí umělé inteligence. Prostřednictvím cvičných obrázků se umělá inteligence naučila rozpoznávat buňky řas.
Pro kvantový částicový senzor se používá přesné čerpadlo, které dopravuje buňky řas z kultivačního systému. Pomocí přesného ventilového systému se buňky řas plní do směšovací nádrže, kde se ředí vodou pro optimální podmínky analýzy. Princip tzv. pressure-over-liquid umožňuje rovnoměrnou rychlost proudění a přivádí směs do kvantového senzoru.
Senzor – vyvinutý start-upem Q.ANT – dodává obrovské množství dat, která se mohou skládat z velikosti a počtu řas, ale i dalších údajů. Tyto analýzy umožňují předvídavě reagovat na procesní události a zasahovat do jejich regulace.
3. Pěstování: řízený růst biomasy pomocí automatizace
Srdcem BionicCellFactory je 45 metrů dlouhý trubkový systém od Algoliner o objemu 80 litrů. V této průhledné, osvětlené cestě probíhá za optimálních růstových podmínek v buňkách řas fotosyntéza. Senzory nepřetržitě měří vodivost, hodnotu pH, koncentraci kyslíku i CO2a teplotu.
V závislosti na potřebách řas systém dodává živiny, jako je draslík, fosfor a dusík. Tepelný výměník zajišťuje správnou teplotu. Regulace hmotnostního průtoku a inovativní technologie piezoventilů umožňují přesné dávkování vzduchu. Ventilační prvek zajišťuje až 20 litrů vzduchu za minutu. Vzniklé jemné vzduchové bublinky slouží k optimální výměně CO2a O2mezi řasami a okolím.
4. Sklizeň: sklizeň řas pomocí odstředivky
Sklizňový modul je rozhraním mezi pěstováním a enzymatickou transformací biologicky pěstovaného materiálu. Odstředivka zajišťuje nepřetržitou sklizeň biomasy: při rychlosti 10 000 otáček za minutu se buňky řas oddělují od svého vodního prostředí a vytlačují na okraj; voda se vrací do procesu.
Čerpadlem se řasy dopravují do dalšího modulu k dalšímu zpracování. Doba a množství sklizně se regulují tak, aby vitalita řas zůstala na optimální úrovni a aby množství biomasy bylo správné pro transformaci v dalším kroku.
5. Enzymatická transformace: extrakce a další zpracování buněčných složek
Pět tzv. transformačních kostek s individuálními úkoly vytváří optimální podmínky pro enzymatické zušlechtění řas. Jsou to biologické katalyzátory, které jsou cíleně dodávány. Podporují tak postupnou přeměnu, ke které nejsou potřeba těžké kovy.
Abychom ze sklizených řas nakonec extrahovali jednotlivé složky, tzv. enzymové nůžky prostřihnou buněčné stěny a dostanou se tak k ingrediencím: škrobu, proteinům, barvivům a oleji z řas, který jsme v tomto případě chtěli. K tomu není potřeba téměř žádná energie, protože proces šetrný k životnímu prostředí probíhá v mírných – automaticky řízených – okolních podmínkách 40 stupňů Celsia a hodnotě pH pět. Získaný olej z řas lze nyní využít jako doplněk stravy a pro výrobu kosmetiky nebo dále zpracovat na energetické zdroje či bioplasty. Zbytky řas lze použít jako krmivo pro zvířata nebo hnojivo.
Architektura řízení
Modulární struktura BionicCellFactory se odráží také v architektuře řízení: každý modul je řízen řídicím systémem Festo CPX-E. Tímto způsobem lze pět procesních kroků uvést do provozu v kombinaci či samostatně a snadno je vyměnit v případě změn ve výrobě.
Odborníci mohou sledovat a měnit jednotlivé parametry procesních kroků prostřednictvím dashboardů na příslušném ovládacím panelu. Výměna dat mezi moduly probíhá přes OPC UA a umožňuje efektivní řízení celé BionicCellFactory.
Výrobní systémy budoucnosti
BionicCellFactory jako modelová továrna je univerzálním plánem pro ucelené výrobní systémy budoucnosti. S pomocí naší automatizační technologie lze tyto systémy odstupňovat do jakékoliv velikosti. Pro pokrytí budoucí poptávky po obnovitelných surovinách jsou potřeba bioreaktory s kapacitou několika tisíc litrů. Aby zařízení mohla spolehlivě tvořit požadované množství biomasy, jsou nutné odborné znalosti z oblasti automatizace procesní techniky.
Společně s našimi zákazníky vyvíjíme řešení inteligentních rozvaděčů pro bioreaktory a nadále rozšiřujeme naše portfolio. V řízení se staráme o stabilní a přesné řízení procesů s maximální produktivitou. Patří mezi ně optimalizované strategie fumigace a krmení, řídicí algoritmy, měkké senzory pro určování biomasy v reálném čase a systémové koncepce pro biologické výrobní procesy.
Nové profesní obory pro nové technologie
Ne všude jsou vysoce kvalifikovaní techničtí pracovníci a biotechnologové. Proto naši odborníci z Festo Didactic analyzují novou potřebu znalostí, aby mohli definovat mezioborové vazby a zavést inovativní učňovské obory, studijní kurzy a další kvalifikace v oblastech biomechatroniky, biointeligence a udržitelnosti.