如何才能清除大氣中的二氧化碳，並積極為保護氣候貢獻一己之力？有哪些方法可降低物料消耗、加強回收利用，同時發掘替代性原物料？這兩個問題正是 Festo 長久以來的研究方向，同時我們也在將自動化技術領域的專有技術轉應用到生物製程中，以開發新的解決方案。
細胞就是一座工廠
活細胞是世界上最小的工廠。藻類細胞透過葉綠體中的光合作用，將陽光、二氧化碳和水轉化為氧氣和化學能源或有機可回收物。藻類是小型的氣候保護者，吸收的二氧化碳 (CO₂)二氧化碳 (CO₂)是陸地植物的十倍。如果在生物反應器中進行自動化培養，藻類吸收二氧化碳的效率可提高到陸地植物的一百倍。
透過自動化技術改善生長環境
利用我們的自動化技術，能夠高效、節約資源且大規模地在封閉循環中培養生物質。由此產生的生物質可用於化學、食品或製藥行業。在此背景下，我們開發出 BionicCellFactory，幫助人們以友善環境的循環經濟為目標進行生物轉型。
BionicCellFactory 分成五個模組，各自以不同的方式將大自然和技術結合在一起。不同於化學製程，這些流程無需高溫高壓，也不會產生有毒物質。
細胞工廠的五個模組
1. 收集二氧化碳：吸收空氣中的二氧化碳
藻類在二氧化碳濃度為 2% 左右時生長得最好。但是，由於環境空氣中的二氧化碳含量遠低於 1%，因此二氧化碳收集模組會提高二氧化碳的濃度來促進藻類生長，它將壓縮後的空氣吸入含有二氧化碳吸收顆粒的腔室，它將壓縮後的空氣吸入含有二氧化碳吸收顆粒的腔室再從中過濾出所需的氣體。
二氧化碳吸收顆粒是由一種聚合物組成，這種聚合物可根據當時的條件這種聚合物可根據當時的條件吸收或釋放二氧化碳。一旦顆粒吸收了，足夠的二氧化碳，就會加熱到攝氏 90 度，然後再次釋放氣體。最後，在臨時儲存罐中對濃縮後的二氧化碳進行冷卻，並透過排氣元件將其吹入生物反應器中。
2. 分析：透過量子感測器和人工智慧監控細胞
生物反應器面臨的一個主要挑戰是如何精確確定生物質的體積。為了解決這個問題，我們在分析模組中使用了一種以顯微鏡、人工智慧及量子技術為基礎的光學方法。數位顯微鏡負責不斷提供影像，然後交由人工智慧系統進行評估。透過訓練影像，這套系統已經學會了識別藻類細胞。
然後用一台精密泵將藻類細胞從培養系統中輸送出來，供採用量子技術的粒子感測器進行檢測。這些藻類細胞經由精確的閥門系統送入混合罐，然後用水稀釋，以獲得最佳的分析條件。根據液體壓力原理能夠實現均勻的流速，並將混合物導向量子感測器。
該量子感測器由新創公司 Q.ANT 開發，可提供大量資料，其中包括藻類的大小和數量，以及異物相關資料。透過這些分析，我們可提前回應過程事件並對其進行調節。
3. 培養：透過自動化技術讓生物質在受控情況下生長
BionicCellFactory 的核心零件，是 Algoliner 公司生產的一套長 45 公尺、容量 80 公升的管道系統。在這個透明的光道中，藻類細胞可在最佳生長條件下進行光合作用。系統中的感測器負責持續測量電導率、pH 值、氧氣和二氧化碳濃度及濕度。
根據藻類的需要，系統還會添加鉀、磷和氮等營養物質。此外，系統還裝有熱交換器，用於維持合適的溫度。而質量流量控制和創新的壓電閥技術裝置，則負責精確地計量空氣。透過通氣元件，每分鐘可送入多達 20 公升空氣。由此產生的細小氣泡可確保藻類與環境之間充分進行二氧化碳和氧氣交換。
4. 收穫：藉由離心機收割藻類
收穫模組是培養與生長生物質的酶轉化之間的介面。該模組配有一個離心機，負責連續收割生物質。它以每分鐘 10,000 轉的速度將藻類細胞與含水環境分離，並將其推到邊緣，以及將水送回培養過程中。
最後透過泵將藻類送至下一個模組進一步加工。收穫的時間和數量依照下述原則進行控制：讓藻類的活力保持在最佳水準，並且有適當數量的生物質可用於下一步的轉化。
5. 酶轉化：提取和進一步加工細胞成分
酶轉化模組有五個負責完成不同任務的轉化倉，能夠在透過生物催化劑（也就是酶）提取藻類的過程中創造最佳條件。設備會目標式地供應酶， 然後利用酶進行逐步轉化，此時無需任何重金屬。
為了最終能從收穫的藻類中提取各種成分，會透過酶切刀來切開細胞壁，從而獲得下列物質：澱粉、蛋白質、著色劑，以及我們需要的藻油。這個過程幾乎不會消耗任何能源，因為整個過程很環保，是在溫和、自動控制的環境條件下（溫度為攝氏 40 度，pH 值為 5）進行。後續可以將獲得的藻油用作營養補充劑、用於生產化妝品、或是進一步加工成能源或生物塑膠。藻類殘餘物可用作動物飼料或肥料。
控制架構
BionicCellFactory 的控制架構同樣採用了模組化結構，也就是透過 Festo 開發的 CPX-E 控制器來控制每個模組。因此，這五個製程步驟既可以相互組合，也可以單獨進行，並且能夠在生產發生變化時輕鬆進行更換。
專家可以利用對應的控制面板上的儀表板監控和變更製程步驟的各個參數。模組之間的資料交換是透過 OPC UA 協議進行，並且可有效控制整個 BionicCellFactory。
未來的生產系統
作為樣機設備，BionicCellFactory 為未來的整體性生產系統樹立了通用範例。客戶可藉由我們的自動化技術任意調整該設備的模組。未來，隨著人們對可再生原物料的需求不斷增加，容量為數千公升的生物反應器也將應運而生。因此，為了確保設備能夠可靠地生產所需規模的生物質，營運方需要具備過程自動化方面的專業知識。
我們將與客戶一起開發適用生物反應器的智慧控制櫃解決方案，並持續擴大我們的產品組合。在過程控制過程中，我們可實現穩定、精確的過程管理，並盡可能提高生產力。我們的優勢包括經過優化的排氣和進料策略、控制演算法、用於即時測定生物質體積的軟感測器，以及用於生物基生產過程的系統方案。
面對未來技術的新職業方向
合適的高素質技術人員和生物技術專家並非隨處可見。因此，Festo Didactic 的專家會分析客戶對相關知識的新需求，確定不同學科之間的關聯，並在生物機電一體化、生物智慧和可持續性領域，設立新的培訓方向、課程大綱和附加資格培育方案。