Ako môžeme znížiť v atmosfére CO 2a tým aktívne prispievať k ochrane klímy? Ako môžeme znížiť spotrebu materiálu, recyklovať viac materiálov a zároveň vyvinúť alternatívne suroviny? Vo Festo sa týmito otázkami zaoberáme už nejaký čas a ideme na novú úroveň: naše know-how v automatizačnej technike prenášame do biologických procesov.
Bunka ako továreň
Živé bunky sú najmenšie továrne na svete. Prostredníctvom fotosyntézy premieňajú bunky rias slnečné svetlo, oxid uhličitý a vodu na kyslík a chemické nosiče energie alebo organické cenné látky vo svojich chloroplastoch. Riasy sú malými záchrancami klímy, pretože viažu desaťkrát viac CO2ako suchozemské rastliny. Prostredníctvom ich automatizovanej kultivácie v bioreaktoroch možno túto hodnotu zvýšiť desaťnásobne.
Optimalizované rastové podmienky prostredníctvom automatizácie
S našou automatizačnou technológiou možno biomasu pestovať v uzavretom okruhu vysoko efektívnym spôsobom šetriacim zdroje a vo veľkom meradle. Získanú biomasu je možné využiť v chemickom, potravinárskom či farmaceutickom priemysle. Týmto predstavujeme BionicCellFactory ako nástroj biologickej transformácie smerom k obehovému hospodárstvu šetrnému k životnému prostrediu.
BionicCellFactory je rozdelená do piatich modulov, v ktorých sa príroda a technológia spájajú rôznymi spôsobmi. Na rozdiel od chemických procesov sa zaobídeme bez vysokých teplôt, vysokého tlaku a toxínov.
Päť modulov bunkovej továrne
1. Zber CO2: Viazanie CO2 zo vzduchu
Riasy rastú najlepšie s CO2- Koncentrácia okolo dvoch percent. Keďže však náš okolitý vzduch obsahuje oveľa menej ako jedno percento, CO sa obohacuje2- Modul zberu rias s vyššou koncentráciou: Filtruje potrebný plyn zo stlačeného vzduchu umiestnením do komory s CO2-Viažuci granulát sa vstrekuje.
Granulát pozostáva z polyméru, ktorý v závislosti od prevládajúcich podmienok CO2môže vziať alebo dať. Keď granulát absorbuje dostatočné množstvo CO2zahreje sa na teplotu 90 stupňov Celzia, aby sa plyn opäť uvoľnil. Koncentrovaný CO2sa nakoniec ochladí v zásobníku a cez splyňovací prvok sa vháňa do bioreaktora.
2. Analýza: Monitorovanie buniek pomocou kvantových senzorov a AI
Hlavnou výzvou pri bioreaktoroch je určiť množstvo biomasy. Na tento účel používame optickú metódu v module analýzy, ktorá je založená na mikroskopii a AI, ako aj na kvantovej technológii. Digitálny mikroskop nepretržite poskytuje obrázky, ktoré vyhodnocuje AI. Prostredníctvom tréningových obrázkov sa naučila rozpoznávať bunky rias.
Pre kvantový senzor častíc presná pumpa transportuje bunky rias von z kultivačného systému. Pomocou presného ventilového systému sa privádzajú do zmiešavacej nádrže, kde sa riedia vodou pre optimálne podmienky analýzy. Takzvaný princíp pretlaku nad kvapalinou umožňuje rovnomerný prietok a nasmeruje zmes ku kvantovému senzoru.
Senzor – vyvinutý start-upom Q.ANT – dodáva obrovské množstvo dát, ktoré môžu pozostávať z veľkosti a počtu rias, ale aj cudzích teliesok. Tieto analýzy umožňujú predvídavo reagovať na procesné udalosti a zasahovať do ich regulácie.
3. Pestovanie: Riadený rast biomasy prostredníctvom automatizácie
Srdcom BionicCellFactory je 45 metrov dlhý trubkový systém od Algoliner s objemom 80 litrov. V tejto priehľadnej, osvetlenej fotogalérii bunky rias vykonávajú svoju fotosyntézu za optimálnych rastových podmienok. Senzory nepretržite merajú vodivosť, pH, kyslík a CO2-koncentráciu a teplotu.
V závislosti od potrieb rias systém dodáva živiny ako draslík, fosfor a dusík. Výmenník tepla zabezpečuje správnu teplotu. Regulácia hmotnostného prietoku a inovatívna technológia piezo ventilov umožňujú presné dávkovanie vzduchu. Cez prevzdušňovací prvok sa dodáva až 20 litrov za minútu. Výsledné jemné vzduchové bublinky zabezpečujú optimálnu výmenu CO2a O2medzi riasami a prostredím.
4. Zber: Zber rias pomocou odstredivky
Modul zberu predstavuje rozhranie medzi kultiváciou a enzymatickou transformáciou biologicky pestovaného materiálu. Centrifúga zaisťuje nepretržitý zber biomasy: pri rýchlosti 10 000 otáčok za minútu sa bunky rias oddelia od ich vodného prostredia a vytlačia sa na okraj; voda sa vracia do procesu.
Pomocou čerpadla sa riasy nakoniec prenesú do ďalšieho modulu na ďalšie spracovanie. Načasovanie a množstvo zberu sa reguluje tak, aby vitalita rias zostala na optimálnej úrovni a aby bolo k dispozícii primerané množstvo biomasy na transformáciu v ďalšom kroku.
5. Enzymatická transformácia: Extrakcia a ďalšie spracovanie bunkových zložiek
Päť takzvaných transformačných kociek s jednotlivými úlohami vytvára optimálne podmienky pre spracovanie rias enzýmami. Sú to biologické katalyzátory, ktoré sú dodávané cielene. Podporujú tak postupnú premenu, na ktorú nie sú potrebné žiadne ťažké kovy.
Aby sa z nazbieraných rias nakoniec extrahovali jednotlivé zložky, takzvané enzýmové nožnice rozrežú bunkové steny a dostanú sa tak k zložkám: škrobu, proteínom, farbivám a riasovému oleju, ktorý sme chceli. Na to nie je potrebná takmer žiadna energia, pretože ekologický proces prebieha v miernych – automaticky riadených – okolitých podmienkach 40 stupňov Celzia a hodnote pH päť. Získaný olej z rias je dnes možné použiť ako doplnok stravy a na výrobu kozmetiky alebo ďalej spracovať na energetické zdroje či bioplasty. Zvyšky rias môžu byť použité ako krmivo pre zvieratá alebo hnojivo.
architektúra riadenia
Modulárna štruktúra BionicCellFactory sa odráža aj v architektúre riadenia: každý modul je riadený ovládačom Festo CPX-E. Týmto spôsobom je možné uviesť do prevádzky päť krokov procesu kombinovane aj oddelene a jednoducho ich vymeniť v prípade zmien vo výrobe.
Odborníci môžu sledovať a meniť jednotlivé parametre procesných krokov prostredníctvom dashboardov na príslušnom ovládacom paneli. Výmena dát medzi modulmi prebieha cez OPC UA a umožňuje efektívne riadenie celej BionicCellFactory.
Výrobné systémy budúcnosti
BionicCellFactory ako modelová továreň je univerzálnym plánom pre holistické výrobné systémy budúcnosti. Pomocou našej automatizačnej technológie ho možno zmenšiť na ľubovoľnú veľkosť. Na pokrytie budúceho dopytu po obnoviteľných surovinách sú potrebné bioreaktory s kapacitou niekoľko tisíc litrov. Aby zariadenia mohli spoľahlivo produkovať požadované množstvá biomasy, sú potrebné odborné znalosti v oblasti automatizácie procesov.
Spolu s našimi zákazníkmi vyvíjame riešenia inteligentných riadiacich skríň pre bioreaktory a naďalej rozširujeme naše portfólio. Pri riadení procesov zabezpečujeme stabilné a presné riadenie procesov s maximálnou produktivitou. Patria sem optimalizované stratégie plynovania a privádzania, riadiace algoritmy, mäkké senzory na určovanie biomasy v reálnom čase a systémové koncepcie pre biologické výrobné procesy.
Nové profesijné oblasti pre nové technológie
Nie všade je k dispozícii vysokokvalifikovaný technický personál a biotechnológovia. Na tento účel už naši experti z Festo Didactic analyzujú novú potrebu vedomostí, aby definovali interdisciplinárne prepojenia a vytvorili inovatívne učňovské, študijné a doplnkové kvalifikácie v oblasti biomechatroniky, biointeligencie a udržateľnosti.
Tento projekt je súčasťou Bionic Learning Network – kde sa príroda stretáva s technikou.
Spolu s inštitútmi, vysokými školami a partnermi skúmame biologické princípy s cieľom vyvíjať inovatívne nápady a riešenia pre našu hlavnú činnosť v oblasti automatizačnej techniky a technického vzdelávania. Získajte viac informácií o Bionic Learning Network alebo objavte ďalšie zaujímavé témy týkajúce sa spoločnosti Festo v našom blogu.