대기 중 CO2를 어떤 방식으로 제거하고 이를 통해 어떻게 기후 문제를 해결할 수 있습니까? 재료 소비를 줄이고 더 많은 재료를 재활용하는 동시에 대체 원료를 개발하려면 어떻게 해야 할까요? Festo에서는 한동안 이러한 문제를 해결하기 위해 노력해 왔으며 자동화 기술에 대한 노하우를 생물학적 프로세스로 이전하는 새로운 영역을 개척하고 있습니다.
공장으로서의 셀
살아있는 셀은 세상에서 가장 작은 공장입니다. 조류 세포의 엽록체에서는 광합성 작용을 통해 태양광과 이산화탄소, 물이 산소와 화학적 에너지 운반체 내지 재활용이 가능한 유기 소재로 변환됩니다. 조류는 육상 식물에 비해 10배 더 많은 CO2를 결합하므로 작지만 강한 기후 지킴이입니다. 생물 반응기에서 자동화된 배양을 통해 이 값을 10배 증가시킬 수 있습니다.
자동화를 통한 최적화된 성장 조건
당사의 자동화 기술을 통해 바이오매스는 폐쇄 회로에서 매우 효율적이고 자원을 절약하는 방식으로 대규모로 배양할 수 있습니다. 얻은 바이오매스는 화학, 식품 또는 제약 산업에서 사용할 수 있습니다. 이것으로 우리는 BionicCellFactory를 환경 친화적인 순환 경제로의 생물학적 변환을 위한 도구로 제시합니다.
BionicCellFactory는 자연과 기술이 서로 다른 방식으로 병합되는 5개의 모듈로 구분됩니다. 화학 공정과 달리 고온, 고압 및 독소 없이 관리할 수 있습니다.
셀팩토리의 5개 모듈
1. CO2 포집: 공기 중의 CO2 결합
조류는 약 2퍼센트의 CO2 농도에서 가장 잘 자랍니다. 하지만 우리 주변 공기에서 CO2는 1퍼센트보다 현저하게 낮은 농도로 존재하므로 CO2 포집 모듈에서 조류는 이 농도를 증가시킵니다: 여기에서는 CO2를 결합하는 그래뉼이 포함된 챔버에 압축 공기를 불어 넣는 방식으로 압축 공기에서 필요한 가스를 필터링합니다.
이 그래뉼은 폴리머로 이루어지는데 이 폴리머는 주변 조건에 따라 CO2를 수용하거나 배출시킬 수 있습니다.그래뉼에 충분한 양의 CO2를 수용하면 이것은 다시 가스를 방출시키기 위해 90도씨로 가열됩니다.이어서 농축된 CO2는 중간 저장소에서 냉각되고 가스 처리 요소를 통해 생물 반응기로 분사됩니다.
2. 분석: 양자센서와 AI를 이용한 셀 모니터링
생물반응기에서는 바이오매스의 양을 결정하는 것이 큰 도전 과제입니다. 이를 위해 양자 기술뿐 아니라 현미경과 AI 기반의 분석 모듈에서 광학적 방법을 사용합니다. 디지털 현미경은 AI가 평가한 이미지를 지속적으로 제공합니다. 트레이닝 이미지를 통해 인공지능은 조류 세포를 인식하는 방법을 배웠습니다.
양자 기반 입자 센서의 경우 정밀 펌프가 조류 세포를 배양 시스템 밖으로 운반합니다. 정확한 밸브 시스템을 사용하여 최적의 분석 조건을 위해 물로 희석되는 혼합 탱크로 공급됩니다. 이른바 Pressure over Liquid 원리는 균일한 유속을 가능하게 하며 혼합물을 양자 센서로 보냅니다.
스타트업 Q.ANT가 개발한 이 센서는 조류의 크기와 수는 물론 이물질까지 포함할 수 있는 방대한 양의 데이터를 제공합니다. 이러한 분석을 통해 예측을 통해 공정 이벤트에 대응하고 이를 규제하기 위해 개입할 수 있습니다.
3. 배양: 자동화를 통한 바이오매스의 성장 제어
BionicCellFactory의 핵심은 80리터 용량의 Algoliner의 45m 길이 튜브 시스템입니다. 이 투명한 조명 사진 갤러리에서 조류 세포는 최적의 성장 조건에서 광합성을 수행합니다. 센서는 전도도, pH 값, 산소 및 CO2농도 그리고 온도를 지속적으로 측정합니다.
조류의 필요에 따라 시스템은 칼륨, 인, 질소와 같은 영양분을 공급합니다. 열 교환기는 적절한 온도를 보장합니다. 질량 유량 제어 및 혁신적인 피에조 밸브 기술을 통해 공기를 정확하게 측정할 수 있습니다. 에어레이션 요소를 통해 분당 최대 20리터가 공급됩니다. 생성된 미세 기포는 조류와 환경 사이에서 최적의 CO2및 O2교환을 보장합니다.
4. Harvest: 원심분리기를 이용한 조류 수확
Harvest 모듈은 생물학적으로 성장한 물질의 배양과 효소 변환 사이의 인터페이스입니다. 원심분리기는 바이오매스가 지속적으로 수확되도록 합니다. 분당 10,000회전수로 조류 세포가 물 환경에서 분리되어 가장자리로 밀려납니다. 물은 프로세스로 반환됩니다.
조류는 최종적으로 펌프를 통한 추가 처리를 위해 다음 모듈로 이송됩니다. 수확 시간 및 수확 양은 조류의 활력이 최적 수준으로 유지되고 적절한 양의 바이오매스가 다음 단계의 변형에 사용할 수 있도록 조절됩니다.
5. Enzymatic Transformation: 세포 성분의 추출 및 추가 처리
개별 작업이 포함된 5개의 소위 Transformation Cube는 효소에 의한 조류 처리를 위한 최적의 조건을 만듭니다. 이들은 표적화된 방식으로 공급되는 생물학적 촉매입니다. 이러한 방식으로 그들은 중금속이 필요하지 않은 점진적 변형을 지원합니다.
최종적으로 수확된 조류에서 개별 성분을 추출하기 위해 소위 효소 가위는 세포벽을 절개하여 우리가 원하는 전분, 단백질, 염료 및 조류 오일과 같은 성분에 도달합니다. 환경 친화적인 프로세스가 섭씨 40도의 주변 조건과 pH 값 5의 온화하고 자동으로 제어되는 환경에서 실행되기 때문에 에너지가 거의 필요하지 않습니다. 얻은 조류 오일은 이제 식품 보충제 및 화장품 생산에 사용하거나 에너지원 또는 바이오플라스틱으로 추가 가공할 수 있습니다. 조류 잔해는 동물 사료나 비료로 사용할 수 있습니다.
Control architecture
The modular design of the BionicCellFactory is also reflected in the control architecture: each module is regulated by a controller CPX-E from Festo. This means that the five process steps can be commissioned either together or separately and can easily be exchanged if there are any production modifications.
Experts can use the dashboards on the corresponding control panel to monitor and change individual parameters of the process steps. Data is exchanged between the modules via OPC UA and enables the entire BionicCellFactory to be regulated efficiently.
Production systems of the future
The BionicCellFactory as a model factory is the universal blueprint for complete production systems of the future. It can be scaled to any size with the help of our automation technology. To meet future demand for renewable raw materials, bioreactors with a capacity of several thousand litres are needed. Expertise in process automation is necessary to ensure that the systems can reliably produce the required amounts of biomass.
We develop intelligent control cabinet concepts for bioreactors with our customers and are continuing to expand our portfolio. The process systems enables us to ensure stable and precise process control with maximum productivity. This includes optimised aeration and feeding strategies, control algorithms, soft sensors for calculating the biomass in real time and system concepts for bio-based production processes.
New specialist fields for new technologies
Highly qualified technical staff and biotechnologists are not easy to find everywhere. Our experts at Festo Didactic are already analysing the need for new knowledge in order to define interdisciplinary networks and to establish innovative training professions, courses of study and additional qualifications in the fields of biomechatronics, biointelligence and sustainability.