Kako lahko dodamo CO2in pri tem dejavno prispevamo k varstvu podnebja? Kako lahko zmanjšamo porabo materialov, recikliramo več materialov in hkrati razvijamo alternativne surovine? V podjetju Festo se s temi vprašanji ukvarjamo že nekaj časa in zdaj postavljamo nove temelje: svoje strokovno znanje s področja tehnologije avtomatizacije prenašamo na biološke procese.
Celica kot tovarna
Žive celice so najmanjše tovarne na svetu. S pomočjo fotosinteze celice alg v svojih kloroplastih pretvarjajo sončno svetlobo, ogljikov dioksid in vodo v kisik ter kemične vire energije ali organske sekundarne surovine. Alge so majhni reševalci podnebja, saj vežejo desetkrat več CO2kot kopenske rastline. Z njihovim avtomatiziranim gojenjem v bioreaktorjih se lahko ta vrednost poveča za desetkrat.
Optimizirani pogoji gojenja z avtomatizacijo
Z našo tehnologijo avtomatizacije je mogoče biomaso v zaprtem ciklu pridelovati zelo učinkovito, varčno z viri in v velikem obsegu. Pridobljena biomasa se lahko uporablja v kemični, živilski ali farmacevtski industriji. Tako predstavljamo BionicCellFactory kot orodje za biološko preobrazbo v okolju prijazno krožno gospodarstvo.
BionicCellFactory je razdeljena na pet modulov, v katerih se narava in tehnologija združujeta na različne načine. V nasprotju s kemičnimi postopki ne potrebujemo visokih temperatur, visokih tlakov in strupenih snovi.
Pet modulov celične tovarne
1. Zbiranje CO2: vezava CO2 iz zraka
Alge najbolje rastejo pri vsebnosti CO2- Koncentracija približno dva odstotka. Toda v našem zraku je veliko manj kot en odstotek CO2Zbirni modul algam zagotavlja višjo koncentracijo: filtrira zahtevani plin iz stisnjenega zraka tako, da ga vpihuje v komoro z granulami, ki vežejo CO2.
Granulat je sestavljen iz polimera, ki lahko absorbira ali sprošča CO2, odvisno od prevladujočih pogojev. Ko granulat absorbira dovolj CO2, se segreje na temperaturo 90 stopinj Celzija, da ponovno sprosti plin. Končno se koncentrirani CO2ohladi v vmesnem hranilniku in prek plinskega elementa vpihne v bioreaktor.
2. Analiza: Spremljanje celic s pomočjo kvantnih senzorjev in umetne inteligence
Velik izziv pri bioreaktorjih je natančna določitev količine biomase. Pri tem uporabljamo optično metodo, ki temelji na mikroskopiji, umetno inteligenco v analitičnem modulu in kvantno tehnologijo. Digitalni mikroskop neprekinjeno pošilja slike, ki jih oceni umetna inteligenca. S pomočjo učnih slik se je naučila prepoznavati celice alg.
Pri senzorju delcev, ki temelji na kvantni osnovi, celice alg iz sistema za gojenje prenaša natančna črpalka. Z natančnim sistemom ventilov se dovajajo v posodo za mešanje, kjer se razredčijo z vodo za optimalne pogoje analize. Tako imenovano načelo tlaka nad tekočino omogoča enakomerno hitrost pretoka in mešanico usmerja v kvantni senzor.
Senzor, ki ga je razvilo zagonsko podjetje Q.ANT, zagotavlja ogromne količine podatkov, ki lahko vključujejo velikost in število alg ter tudi tujkov. Te analize omogočajo, da se na procesne dogodke odzovemo na način, ki je usmerjen v prihodnost, in posredujemo na način, ki ureja.
3. Gojenje: nadzorovana rast biomase z avtomatizacijo
Srce BionicCellFactory je 45 metrov dolg cevni sistem podjetja Algoliner s prostornino 80 litrov. V tem prosojnem, osvetljenem fotografskem delu celice alg izvajajo fotosintezo v optimalnih pogojih rasti. Senzorji neprekinjeno merijo prevodnost, pH-vrednost, koncentracijo kisika in CO2ter temperaturo.
Sistem glede na potrebe alg dodaja hranila, kot so kalij, fosfor in dušik. Toplotni izmenjevalnik zagotavlja ustrezno temperaturo. Regulacija masnega pretoka in inovativna tehnologija piezo ventilov omogočata natančno doziranje zraka. Prek prezračevalnega elementa se dovede do 20 litrov na minuto. Nastali fini zračni mehurčki zagotavljajo optimalno izmenjavo CO2in O2med algami in okoljem.
4. Nabiranje: Nabiranje alg s pomočjo centrifuge
Modul nabiranja je vmesnik med gojenjem in encimsko transformacijo biološko pridelanega materiala. Centrifuga zagotavlja neprekinjeno zbiranje biomase: s hitrostjo 10.000 vrtljajev na minuto se celice alg ločijo od njihovega vodnega okolja in potisnejo na rob; voda se vrne v proces.
S pomočjo črpalke se alge končno prenesejo v naslednji modul za nadaljnjo obdelavo. Čas in količina pobiranja sta urejena tako, da vitalnost alg ostane na optimalni ravni in je na voljo ustrezna količina biomase za preoblikovanje v naslednjem koraku.
5. Encimska transformacija: pridobivanje in nadaljnja obdelava celičnih sestavin
Pet tako imenovanih transformacijskih kock s posameznimi nalogami ustvarja optimalne pogoje za prečiščevanje alg z encimi. Gre za biološke katalizatorje, ki se hranijo ciljno. Na ta način podpirajo postopno preobrazbo, za katero niso potrebne težke kovine.
Da bi iz nabranih alg končno pridobili posamezne sestavine, tako imenovane encimske škarje razrežejo celične stene in tako pridejo do sestavin: škroba, beljakovin, barvil in olja iz alg, ki smo ga želeli v našem primeru. Za to ni potrebna skoraj nobena energija, saj okolju prijazen postopek poteka pri blagih – samodejno nadzorovanih – okoljskih pogojih 40 stopinj Celzija in pH-vrednosti pet. Pridobljeno olje iz alg se zdaj lahko uporablja kot prehransko dopolnilo in za proizvodnjo kozmetike ali pa se predela v vire energije ali bioplastiko. Ostanki alg se lahko uporabijo kot krma ali gnojilo.
Arhitektura krmiljenja
Modularna zasnova BionicCellFactory se odraža tudi v arhitekturi krmiljenja: vsak modul nadzoruje krmilnik CPX-E podjetja Festo. To pomeni, da lahko pet procesnih korakov deluje tako v kombinaciji kot ločeno in da jih je v primeru sprememb v proizvodnji mogoče preprosto zamenjati.
Strokovnjaki lahko prek nadzornih plošč na ustrezni nadzorni plošči spremljajo in spreminjajo posamezne parametre procesnih korakov. Izmenjava podatkov med moduli poteka prek protokola OPC UA in omogoča učinkovit nadzor celotne tovarne BionicCellFactory.
Proizvodni sistemi prihodnosti
BionicCellFactory kot model tovarne je univerzalni model za celovite proizvodne sisteme prihodnosti. S pomočjo naše tehnologije za avtomatizacijo ga je mogoče razširiti na poljubno velikost. Za zadovoljitev prihodnjega povpraševanja po obnovljivih surovinah so potrebni bioreaktorji z zmogljivostjo več tisoč litrov. Da bi zagotovili zanesljivo proizvodnjo želenih velikosti biomase, je potrebno strokovno znanje na področju avtomatizacije procesov.
Skupaj s strankami razvijamo inteligentne rešitve nadzornih omaric za bioreaktorje in še naprej širimo svojo ponudbo. Pri krmiljenju procesov zagotavljamo stabilen in natančen nadzor procesov z največjo produktivnostjo. Med njimi so optimizirane strategije uplinjanja in hranjenja, nadzorni algoritmi, mehki senzorji za določanje biomase v realnem času in sistemski koncepti za proizvodne procese na biološki osnovi.
Nova poklicna področja za nove tehnologije
Visoko usposobljeno tehnično osebje in biotehnologi niso na voljo povsod. Zato naši strokovnjaki v podjetju Festo Didactic že analizirajo nove zahteve po znanju, da bi opredelili interdisciplinarne povezave in vzpostavili inovativne izobraževalne poklice, študijske programe in dodatne kvalifikacije na področjih biomehatronike, biointeligence in trajnosti.