Kako možemo ukloniti CO2iz atmosfere i pri tome aktivno doprineti zaštiti od klimatskih promena? Kako možemo da smanjimo našu potrošnju materijala, recikliramo više materijala i da istovremeno uključimo alternativne materijale? U kompaniji Festo se već neko vreme bavimo ovim pitanjima i pri tome postavljamo nove temelje: svoje znanje i iskustvo u oblasti tehnologije automatizacije prenosimo na biološke procese.
Ćelija kao fabrika
Žive ćelije su najmanje fabrike na svetu. Ćelije algi pomoću fotosinteze u svojim hloroplastima pretvaraju sunčevu svetlost, ugljen-dioksid i vodu u kiseonik i hemijske energentne, odn. organske materijale. Alge su mali spasioci klime, koje vezuju deset puta više CO2od kopnenih biljaka. Zahvaljujući njihovom automatizovanom gajenju u bioreaktorima, ova vrednost se može desetostruko povećati.
Optimizovani uslovi rasta pomoću automatizacije
Sa našom tehnologijom automatizacije biomasa se u zatvorenom ciklusu može visokoefikasno uzgajati u velikom obimu, čuvajući resurse. Dobijena biomasa se može koristiti u hemijskoj, prehrambenoj i farmaceutskoj industriji. Stoga predstavljamo BionicCellFactory kao alatku za biološku transformaciju ekonomije ka ekološki prihvatljivoj kružnoj ekonomiji.
BionicCellFactory je podeljena na pet modela, u kojima se priroda i tehnologija stapaju na različite načine. Za razliku od hemijskih procesa, nama nisu potrebne visoke temperature, visoki pritisci ili toksične materije.
Pet modula ćelijske fabrike
1. Prikupljanje CO2: Vezivanje CO2 iz vazduha
Alge najbolje rastu pri koncentraciji CO2od oko dva procenta. Međutim, pošto vazduh koji nas okružuje sadrži daleko manje od jednog procenta, modul za prikupljanje CO2obogaćuje alge većom koncentracijom: komprimovani vazduh se uduvava u komoru sa granulatom koji vezuje CO2i iz njega se filtrira potreban gas.
Granulat se sastoji od polimera, koji može da apsorbuje ili oslobađa CO2u zavisnosti od uslova koji vladaju. Kada granulat apsorbuje dovoljnu količinu CO2zagreva se na temperaturu od 90stepeni Celzijusa, kako bi se gas ponovo oslobodio. Koncentrovani CO2se zatim hladi u međurezervoaru i uduvava u bioreaktor preko elementa za unos gasa.
2. Analiza: Nadzor ćelija pomoću kvantnih senzora i veštačke inteligencije
Veliki izazov u bioreaktorima predstavlja određivanje količine biomase. Za tu svrhu u modulu analize koristimo optičku metodu koja se zasniva na mikroskopiji i veštačkoj inteligenciji, kao i na kvantnoj tehnologiji. Digitalni mikroskop neprekidno isporučuje slike čiju analizu vrši veštačka inteligencija. Pomoću slika za podučavanje veštačka inteligencija je naučila da prepoznaje ćelije algi.
Precizna pumpa transportuje ćelije algi iz sistema za uzgajanje za potrebe senzora čestica koji se zasniva na kvantnoj tehnologiji. Pomoću preciznog sistema ventila, one se dovode do rezervoara za mešanje gde se radi optimalnih uslova za analizu razblažuju sa vodom. Takozvani “Pressure-over-liquid” princip omogućava ravnomernu brzinu protoka i odvodi smesu do kvantnog senzora.
Senzor – koji je razvio Start-up Q.ANT – isporučuje ogromnu količinu podataka, koji se mogu sastojati od veličine i broja algi, ali i od stranih tela. Zahvaljujući ovim analizama je moguće unapred reagovati na rezultate obrade i intervenisati regulacijom.
3. Uzgajanje: Kontrolisani rast biomase pomoću automatizacije
Centralni element BionicCellFactory je sistem cevovoda dužine 45 metara preduzeća Algoliner zapremine 80 litara. U ovoj osvetljenog foto deonici ćelije algi koriste svoju fotosintezu pod optimalnim uslovima rasta. Senzori neprekidno mere provodljivost, pH vrednost, koncentraciju kiseonika i CO2kao i temperaturu.
U skladu sa potrebama algi, sistem dodaje hranljive materije, kao što su kalijum, fosfor i azot. Izmenjivač toplote obezbeđuje pravilno kontrolisanje temperature. Regulacija masenog protoka o inovativna tehnologija ventila omogućavaju precizno doziranje vazduha. Preko elementa za ventilaciju se dovodi do 20 litara u minutu. Fini mehurići vazduha obezbeđuju optimalnu razmenu CO2i O2između algi i okruženja.
4. Ubiranje: Ubiranje algi pomoću centrifuge
Modul za ubiranje je interfejs između uzgajanja i enzimske transformacije biološki uzgojenog materijala. Centrifuga obezbeđuje kontinualno ubiranje biomase: pri brzini od 10.000 obrtaja u minuti, ćelije algi se odvajaju od vodene sredine i istiskuju ka obodu; voda se vraća u proces.
Nakon toga se alge pomoću pumpe odvode do sledećeg modula za dalju preradu. Vreme i količina prikupljanja se regulišu tako da vitalnost algi ostaje na optimalnom nivou i da jedostupna odgovarajuća količina biomase za transformaciju u sledećem koraku.
5. Enzimska transformacija: Dobijanje i dalja prerada ćelijskih komponenata
Pet, takozvanih transformativnih kocki sa individualnim zadacima za optimalne uslove za oplemenjivanje algi pomoću enzima. To su biološki katalizatori koji se ciljano dodaju. Na taj način podržavaju postepenu transformaciju, za koju nisu potrebni nikakvi teški metali.
Da bi se na kraju iz prikupljenih algi izdvojili pojedinačni sastojci, takozvane enzimske makaze seku zidove ćelija i tako dospevaju do sastojaka: skroba, proteina, boja i , kao što je u to našem slučaju poželjno, do ulja od algi. Za to gotovo i da nije potrebna nikakva energija, jer se ekološki prihvatljiv proces odvija u umerenim – automatski kontrolisanim – uslovima okruženja od 40 stepeni Celzijusa i pH vrednosti od pet. Dobijeno ulje algi sada se može koristiti kao dodatak ishrani i za proizvodnju kozmetičkih proizvoda, odnosno dalje prerađivati u energente ili bioplastiku. Ostaci algi se mogu koristiti kao hrana ili đubrivo.
Upravljačka arhitektura
Modularna struktura BionicCellFactory se odražava i u upravljačkoj arhitekturi: Svakim modulom se upravlja pomoću CPX-E upravljačke jedinice kompanije Festo. Na ovaj način se pet procesnih koraka mogu pustiti u rad i u kombinaciji, i odvojeno, i jednostavno zameniti u slučaju promena u proizvodnji.
Preko kontrolnih tabli na odgovarajućem panelu za rukovanje stručnjaci mogu vršiti nadzor i izmene pojedinačnih parametara procesnih koraka. Razmena podataka između modula se vrši preko OPC UA i omogućava efikasnu regulaciju celokupnog BionicCellFactory sistema.
Proizvodni sistemi budućnosti
BionicCellFactory kao model fabrike je univerzalni plan za integrisane proizvodne sisteme budućnosti. Pomoću naše tehnologije automatizacije, skaliranje se može vršiti na bilo koju veličinu. Da bi se pokrile buduće potrebe za obnovljivim sirovinama, potrebni su bioreaktori kapaciteta nekoliko hiljada litara. Da bi postrojenja mogla pouzdano da proizvode biomasu željenog reda veličine, neophodna je kompetentnost u automatizaciji procesa.
Mi sa našim kupcima razvijamo pametna rešenja razvodnih ormana za bioreaktore i dalje širimo naš asortiman proizvoda. U upravljanju procesima obezbeđujemo stabilno i precizno upravljanje procesima sa najvišim stepenom produktivnosti. U to se ubrajaju optimizovane strategije unosa gasa i hranjenja, algoritmi za regulaciju, virtuelne senzore za određivanje biomase u realnom vremenu i koncepte sistema proizvodne procese na biološkim osnovama.
Novi profili zanimanja za nove tehnologije
Visokokvalifikovano tehnološko osoblje i biotehnolozi nisu svuda dostupni. U tu svrhu naši stručnjaci kompanije Festo Didactic već analiziraju novu potrebu za znanjem, kako bismo definisali interdisciplinarne veze i uspostavili obuku za inovativna zanimanja, kurseve, kao i dodatne kvalifikacije u oblastima biomehatronike, biointeligencije i održivosti.