Como podemos extrair CO2da atmosfera e contribuir ativamente para a proteção climática? Como podemos reduzir o nosso consumo de materiais, reciclar mais e, ao mesmo tempo, desenvolver matérias-primas alternativas? Na Festo, há já bastante tempo que nos ocupamos com estas questões e estamos a abrir novos caminhos: estamos a transferir os nossos conhecimentos em tecnologia de automação para processos biológicos.
A célula como fábrica
As células vivas são as fábricas mais pequenas do mundo. Através da fotossíntese, as células das algas convertem, nos cloroplastos, a luz solar, o dióxido de carbono e a água em oxigénio e portadores de energia química ou materiais orgânicos de valor. As algas são pequenas salvadoras do clima, uma vez que absorvem dez vezes mais CO2do que as plantas terrestres. Por meio do seu cultivo automatizado em biorreatores, este valor pode multiplicar-se por dez.
Condições de crescimento otimizadas graças à automação
Com a nossa tecnologia de automação, a biomassa pode ser cultivada num circuito fechado de forma muito eficiente, poupando recursos e em grande escala. A biomassa obtida pode ser utilizada na indústria química, alimentar ou farmacêutica. É desta forma que apresentamos a BionicCellFactory, uma ferramenta para a transformação biológica em direção a uma economia circular ecológica.
A BionicCellFactory está dividida em cinco módulos nos quais a natureza e a tecnologia se fundem de diferentes formas. Ao contrário dos processos químicos, não precisamos de altas temperaturas, altas pressões ou substâncias tóxicas.
Os cinco módulos da fábrica de células
1. Absorção de CO2: captação de CO2 do ar
As algas crescem melhor com uma concentração de CO2de cerca de dois por cento. No entanto, como o nosso ar ambiente contém muito menos de um por cento, o módulo de absorção de CO2enriquece as algas com uma concentração superior: filtra o gás necessário do ar comprimido colocando-o numa câmara com um granulado que absorve o CO2.
O granulado é constituído por um polímero que, em função das condições predominantes, absorve CO2ou, inclusive, pode cedê-lo. Assim que o granulado tiver absorvido suficiente CO2, é aquecido a uma temperatura de 90 graus centígrados para libertar novamente o gás. O CO2concentrado arrefece finalmente num tanque de armazenamento intermédio e é colocado no biorreator através de um elemento de gaseificação.
2. Análise: monitorização das células com a ajuda de sensores quânticos e IA
Um dos principais desafios dos biorreatores consiste em determinar a quantidade de biomassa. Para isso, no módulo de análise utilizamos um método ótico baseado na microscopia e na IA, bem como a tecnologia quântica. O microscópio digital fornece continuamente imagens que são avaliadas pela IA. Por meio de imagens de treino, aprendeu a reconhecer as células de algas.
No caso do sensor de partículas baseado na tecnologia quântica, uma bomba de precisão transporta as células de algas para fora do sistema de cultivo. Através de um preciso sistema de válvulas, introduzem-se num tanque de mistura onde se diluem com água para obter condições de análise ótimas. O denominado princípio de pressão sobre o líquido permite alcançar uma velocidade de fluxo uniforme e conduz a mistura para o sensor quântico.
O sensor, desenvolvido pela start-up Q.ANT, proporciona enormes quantidades de dados, que podem consistir no tamanho e no número de algas, mas também de corpos estranhos. Estas análises permitem reagir com previsão diante dos acontecimentos do processo e intervir na regulação.
3. Cultivo: crescimento controlado da biomassa através da automação
O coração da BionicCellFactory é um sistema de tubos de 45 metros de comprimento da empresa Algoliner com uma capacidade de 80 litros. Nesta secção transparente e iluminada, as células das algas realizam a sua fotossíntese em condições de crescimento ótimas. Os sensores medem continuamente a condutividade, o pH, o oxigénio, a concentração de CO2e a temperatura.
Em função das necessidades das algas, o sistema adiciona nutrientes como potássio, fósforo e nitrogénio. Um permutador de calor proporciona a temperatura adequada. A regulação do caudal mássico e a inovadora tecnologia das válvulas piezoelétricas permitem uma distribuição precisa do ar. São fornecidos até 20 litros por minuto através de um elemento de aeração. As finas bolhas de ar resultantes garantem uma troca ótima de CO2e O2entre as algas e o ambiente.
4. Colheita: colheita das algas por meio de uma centrifugadora
O módulo de colheita é a interface entre o cultivo e a transformação enzimática do material cultivado biologicamente. Uma centrifugadora garante a colheita contínua da biomassa: a uma velocidade de rotação de 10.000 rotações por minuto, as células das algas separam-se do seu ambiente aquoso e pressionam-se contra a margem; a água é devolvida ao processo.
Através de uma bomba, as algas são finalmente transferidas para o módulo seguinte para posterior processamento. O instante e a quantidade de colheita são regulados para que a vitalidade das algas se mantenha no nível ótimo e se disponha da quantidade adequada da biomassa para a transformação no passo seguinte.
5. Transformação enzimática: extração e processamento posterior dos componentes celulares
Cinco recipientes de transformação, cada um com a sua própria tarefa, criam as condições ótimas para a refinaria das algas por meio de enzimas. São catalisadores biológicos que se alimentam de maneira específica. Desta forma, favorecem a transformação gradual que não requer metais pesados.
Para extrair finalmente os componentes individuais das algas colhidas, as chamadas tesouras enzimáticas abrem as paredes celulares para aceder aos componentes: amido, proteínas, corantes e o óleo de algas que queríamos no nosso caso. Para tal, é preciso muito pouca energia, uma vez que o processo, ecológico, funciona em condições ambientais suaves, controladas automaticamente, de 40 graus centígrados e com um pH de cinco. O óleo de algas obtido pode ser utilizado agora como suplemento dietético e para a produção de cosméticos ou transformar-se numa fonte de energia ou em bioplásticos. Os restos das algas podem ser utilizados como ração ou fertilizante.
Arquitetura do sistema de controlo
A estrutura modular da BionicCellFactory reflete-se também na arquitetura de controlo: cada módulo é controlado por um controlador CPX-E da Festo. Isto significa que as cinco fases do processo podem funcionar tanto combinadas como em separado e podem ser substituídas facilmente em caso de mudanças na produção.
Através de painéis de controlo, os especialistas podem monitorizar e alterar os parâmetros individuais das fases do processo. O intercâmbio de dados entre os módulos realiza-se através do protocolo OPC UA e permite um controlo eficiente de toda a BionicCellFactory.
Sistemas de produção do futuro
A BionicCellFactory é uma fábrica-modelo universal dos sistemas de produção globais do futuro. Com a ajuda da nossa tecnologia de automação, pode ser dimensionada para qualquer tamanho. Para atender a futura demanda de matérias-primas renováveis, são necessários biorreatores com uma capacidade de vários milhares de litros. Para garantir que as instalações possam produzir de forma segura as quantidades de biomassa desejadas, são necessários conhecimentos especializados em automação de processos.
Desenvolvemos soluções de quadros de comando inteligentes para biorreatores com os nossos clientes e continuamos a ampliar a nossa gama de produtos. No controlo de processos, garantimos um controlo estável e preciso do processo com a máxima produtividade. Entre elas incluem-se estratégias otimizadas de gaseificação e alimentação, algoritmos de controlo, sensores virtuais para a determinação de biomassa em tempo real e conceitos de sistemas para processos de produção biológicos.
Novas áreas profissionais para as novas tecnologias
A equipa técnica altamente qualificada e os biotecnólogos não estão disponíveis em todos os lugares. Para isso, os nossos especialistas da Festo Didactic já estão a analisar as novas necessidades em matéria de conhecimentos com a finalidade de definir relações interdisciplinares e estabelecer profissões de formação, licenciaturas e qualificações adicionais inovadoras nos campos da biomecatrónica, biointeligência e sustentabilidade.