Як ми можемо зменшити в атмосфері CO2і тим самим активно сприяти захисту клімату? Як ми можемо зменшити споживання матеріалів, переробити більше матеріалів і в той же час розробити альтернативну сировину? У Festo ми вже деякий час займаємося цими питаннями та відкриваємо нові шляхи: ми переносимо наше ноу-хау в технологіях автоматизації на біологічні процеси.
Клітина як фабрика
Живі клітини є найменшими у світі фабриками. Клітини водоростей використовують фотосинтез для перетворення сонячного світла, вуглекислого газу та води на кисень і носії хімічної енергії або органічні матеріали у своїх хлоропластах. Водорості — захисники клімату, оскільки вони виробляють у десять разів більше CO2,ніж наземні рослини. Завдяки їх автоматизованому вирощуванню в біореакторах це значення можна збільшити в десять разів.
Оптимізовані умови росту завдяки автоматизації
Завдяки нашій технології автоматизації біомасу можна вирощувати в замкнутому циклі високоефективним, ресурсозберігаючим способом і у великих масштабах. Отриману біомасу можна використовувати в хімічній, харчовій або фармацевтичній промисловості. Цим ми представляємо BionicCellFactory як інструмент для біологічної трансформації до екологічно чистої циклічної економіки.
BionicCellFactory розділений на п'ять модулів, у яких природа й технології по-різному зливаються. На відміну від хімічних процесів, ми обходимося без високих температур, високого тиску та токсинів.
П'ять модулів клітинної фабрики
1. Збір CO2: зв’язування CO2 з повітря
Водорості найкраще ростуть з CO2-концентрацією близько двох відсотків. Однак, оскільки наше навколишнє повітря містить набагато менше одного відсотка CO2- Модуль збору водоростей з більшою концентрацією: він фільтрує необхідний газ зі стисненого повітря, поміщаючи його в камеру з CO2- Вводиться зв'язуючий гранулят.
Гранулят складається з полімеру, який залежно від актуального рівня CO2може його відбирати або додавати. Якщо гранулят має достатньо CO2, він нагрівається до температури 90 градусів Цельсія, щоб знову вивільнити газ. Концентрований CO2охолоджується в проміжному сховищі та нагнітається в біореактор через газовий елемент.
2. Аналіз: Моніторинг клітин за допомогою квантових давачів та ШІ
Основною проблемою в біореакторах є визначення кількості біомаси. Для цього ми використовуємо оптичний метод у модулі аналізу, який базується на мікроскопії та ШІ, а також на квантових технологіях. Цифровий мікроскоп безперервно надає зображення, які оцінюються штучним інтелектом. За допомогою тренувальних зображень система навчилася розпізнавати клітини водоростей.
Точний насос транспортує клітини водоростей із системи культивування на підставі даних, отриманих від квантового давача. За допомогою системи клапанів вони подаються в змішувальний резервуар, де розбавляються водою для оптимальних умов аналізу. Так званий принцип тиску над рідиною забезпечує рівномірний потік і направляє суміш до квантового давача.
Давач, розроблений стартапом Q.ANT, надає величезну кількість даних, які можуть включати розмір і кількість водоростей, а також сторонніх тіл. Цей аналіз дає змогу завчасно реагувати на події процесу та втручатися для здійснення відоповідних регулювань.
3. Вирощування: контрольований ріст біомаси за допомогою автоматизації
Серцем BionicCellFactory є трубна система Algoliner довжиною 45 метрів і об’ємом 80 літрів. У цій прозорій освітленій фотогалереї клітини водоростей здійснюють фотосинтез в оптимальних умовах росту. Давачі безперервно вимірюють провідність, pH, кисень і CO2-концентрацію та температуру.
Залежно від потреб водоростей, система постачає такі поживні речовини, як калій, фосфор і азот. Теплообмінник забезпечує потрібну температуру. Контроль потоку та інноваційна технологія п’єзоклапанів дозволяють точно дозувати повітря. Через елемент аерації подається до 20 літрів на хвилину. Отримані дрібні бульбашки повітря забезпечують оптимальний обмін CO2та O2між водоростями та навколишнім середовищем.
4. Збирайте врожай: збирайте водорості за допомогою центрифуги
Модуль збору врожаю є інтерфейсом між культивуванням і ферментативною трансформацією біологічно вирощеного матеріалу. Центрифуга забезпечує безперервний збір біомаси: зі швидкістю 10 000 обертів на хвилину клітини водоростей відокремлюються від водного середовища та відсуваються до краю; вода повертається в процес.
Далі водорості транспортуються до наступного модуля для подальшої обробки за допомогою насоса. Час і кількість врожаю регулюються таким чином, щоб життєздатність водоростей залишалася на оптимальному рівні, а потрібна кількість біомаси була доступна для перетворення на наступному етапі.
5. Ферментативна трансформація: екстракція та подальша обробка клітинних компонентів
П'ять так званих трансформаційних кубів з індивідуальними параметрами створюють оптимальні умови для обробки водоростей ферментами. Вони є біологічними каталізаторами, які подаються цілеспрямовано. Таким чином вони підтримують поступову трансформацію, для якої не потрібні важкі метали.
Щоб остаточно витягти окремі компоненти із зібраних водоростей, так звані ферментні ножиці розрізають стінки клітин і таким чином дістаються до інгредієнтів: крохмалю, білків, барвників і необхідної водоростевої олії. Для цього майже не потрібна енергія, тому що екологічно чистий процес відбувається в м’яких автоматично контрольованих умовах навколишнього середовища: температура 40 градусів за Цельсієм, значення pH дорівнює 5. Отриману олію з водоростей тепер можна використовувати як дієтичну добавку та для виробництва косметики або далі переробляти на джерела енергії чи біопластик. Залишки водоростей можна використовувати як корм для тварин або як добриво.
Архітектура керування
Модульна конструкція BionicCellFactory відображається в архітектурі керування: кожним модулем керує контролер Festo CPX-E. Таким чином, п’ять етапів процесу можуть бути запущені як у поєднанні, так і окремо та легко замінені у разі зміни виробництва.
Фахівці можуть контролювати та змінювати окремі параметри етапів виробничого процесу на відповідних панелях керування. Обмін даними між модулями відбувається через OPC UA і дозволяє ефективно контролювати всю BionicCellFactory.
Виробничі системи майбутнього
BionicCellFactory є універсальною моделлю інтегрованих виробничих систем майбутнього. За допомогою наших технологій автоматизації систему можна масштабувати до будь-якого розміру. Для задоволення майбутнього попиту на відновлювану сировину, потрібні біореактори об’ємом кілька тисяч літрів. Щоб заводи могли надійно виробляти бажану кількість біомаси, потрібні знання в автоматизації виробничого процесу.
Разом з нашими клієнтами ми розробляємо рішення для інтелектуальних шаф керування для біореакторів і продовжуємо розширювати наше портфоліо. Ми забезпечуємо стабільне та точне керування виробничими процесами з максимальною продуктивністю. До них входять оптимізовані стратегії газоутворення та живлення, алгоритми керування, програмні давачі для визначення біомаси в режимі реального часу та системні концепції виробничих процесів на основі біопродуктів.
Нові професійні сфери для нових технологій
Не скрізь є висококваліфікований технічний персонал і біотехнологи. З цією метою наші експерти з Festo Didactic вже аналізують нову потребу в знаннях, щоб визначити міждисциплінарні зв’язки та запровадити інноваційні навчальні програми, та укрси з підвищення кваліфікації у сферах біомехатроніки, біоінтелекту та сталого розвитку.