BionicCellFactory

Nuôi trồng sinh khối ở quy mô công nghiệp

Bảo vệ khí hậu và tài nguyên là hai trong số những thách thức lớn của thời đại chúng ta. Mọi thứ chúng ta đang làm ra từ dầu thô với lượng khí thải CO2 khổng lồ cũng có thể sản xuất được một cách bền vững từ tảo. Với BionicCellFactory, Festo cho thấy một quy trình sinh học tổng thể - từ quá trình nuôi trồng tảo được tối ưu hóa với giám sát, phân tích thường xuyên việc thu hoạch cho đến quá trình xử lý và tinh chế tiếp các thành phần khác nhau.

Làm thế nào để loại bỏ CO2khỏi khí quyển và qua đó tích cực góp phần bảo vệ khí hậu? Làm thế nào để giảm tiêu thụ vật liệu, tái chế nhiều vật liệu hơn và đồng thời phát triển nguyên liệu thay thế? Tại Festo, đã từ lâu chúng tôi tìm cách giải quyết những câu hỏi này và đang thực hiện cách thức mới: chuyển bí quyết công nghệ tự động hóa sang các quy trình sinh học.

Tế bào như một nhà máy

Các tế bào sống là những nhà máy nhỏ nhất thế giới. Nhờ quá trình quang hợp, tế bào tảo sử dụng quá trình quang hợp trong lục lạp của chúng để chuyển đổi ánh sáng mặt trời, carbon dioxide và nước thành oxy và chất mang năng lượng hóa học hoặc các vật liệu tái chế hữu cơ. Tảo là "vị cứu tinh" nhỏ bé cho khí hậu vì chúng hấp thụ lượng CO2gấp mười lần so với các loài thực vật trên cạn. Thông qua quá trình nuôi trồng tự động trong các lò phản ứng sinh học, giá trị này còn có thể tăng lên gấp 10 lần nữa.

Điều kiện tăng trưởng được tối ưu hóa nhờ tự động hóa

Với công nghệ tự động hóa của chúng tôi, sinh khối được nuôi trồng theo chu trình khép kín theo cách tiết kiệm tài nguyên, hiệu quả cao và trên quy mô lớn. Sinh khối thu được có thể sử dụng trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm hoặc dược phẩm. Chúng tôi giới thiệu BionicCellFactory như một công cụ chuyển đổi sinh học của nền kinh tế để chuyển sang nền kinh tế tuần hoàn thân thiện với môi trường

BionicCellFactory được chia thành năm mô đun, trong đó đó tự nhiên và công nghệ hợp nhất theo những cách khác nhau. Trái ngược với các quy trình hóa học, chúng tôi quản lý mà không cần nhiệt độ cao, áp suất cao và chất độc hại.

Năm mô đun của nhà máy sản xuất tế bào

1. Thu gom CO2: hấp thụ CO2 từ không khí

Thu gom CO2: hấp thụ CO2 từ không khí

Tảo phát triển tốt nhất với nồng độ CO2khoảng hai phần trăm. Tuy nhiên, vì không khí xung quanh của chúng ta chứa ít hơn một phần trăm, nên mô đun thu thập CO2sẽ bổ sung nồng độ cao hơn cho tảo. Mô đun này sẽ lọc lấy khí cần thiết từ khí nén bằng cách thổi khí vào buồng cócáchạt hấp thụ CO2.

Hạt này bao gồm một loại polymerthể lấy hoặc cho CO2 tùy vào điều kiện hiện tại. Khi hạt đã lấy đủ CO2, nó được nung nóng đến 90 độ C để giải phóng khí một lần nữa. CO2 đậm đặcsẽđược làm lạnh trong một bộ trung gian và thổi vào lò phản ứng sinh học nhờ bộ phận sục khí.

Thu gom CO2: hấp thụ CO2 từ không khí

2. Phân tích: Giám sát tế bào bằng cảm biến lượng tử và trí tuệ nhân tạo

Phân tích: Giám sát tế bào bằng cảm biến lượng tử và trí tuệ nhân tạo

Một thách thức lớn với lò phản ứng sinh học là xác định lượng sinh khối. Để làm được điều này, chúng tôi sử dụng phương pháp quang học trong mô đun phân tích. Phương pháp này dựa trên kính hiển vi và trí tuệ nhân tạo cũng như công nghệ lượng tử. Kính hiển vi kỹ thuật số liên tục cung cấp hình ảnh được trí tuệ nhân tạo đánh giá. Thông qua các hình ảnh trong quá trình đào tạo, trí tuệ nhân tạo đã học cách nhận biết tế bào tảo.

Đối với cảm biến dạng hạt dựa trên lượng tử, một máy bơm chính xác sẽ vận chuyển các tế bào tảo ra khỏi hệ thống nuôi trồng. Nhờ hệ thống van chính xác, tế bào tảo được đưa vào bình trộn và làm loãng với nước để có điều kiện phân tích tối ưu. Nguyên tắc có tên áp suất trên chất lỏng cho phép tốc độ dòng chảy đồng đều và dẫn dắt hỗn hợp đến cảm biến lượng tử.

Cảm biến - do công ty khởi nghiệp Q.ANT phát triển - cung cấp lượng dữ liệu khổng lồ bao gồm kích thước, số lượng tảo cũng như các vật thể lạ. Nhờ phân tích này mới có phản ứng mang tính dự đoán trước các sự kiện quy trình đang diễn ra và can thiệp để điều chỉnh chúng.

Phân tích: Giám sát tế bào bằng cảm biến lượng tử và trí tuệ nhân tạo

3. Nuôi trồng: Tăng trưởng sinh khối có kiểm soát thông qua tự động hóa

Nuôi trồng: Tăng trưởng sinh khối có kiểm soát thông qua tự động hóa

Trung tâm của BionicCellFactory là một hệ thống ống dài 45 mét của công ty Algoliner với dung tích 80 lít. Trong bộ sưu tập ảnh trong suốt và được chiếu sáng này, các tế bào tảo thực hiện quá trình quang hợp ở điều kiện sinh trưởng tối ưu. Cảm biến liên tục đo độ dẫn, giá trị pH, nồng độ oxy và CO2cũng như nhiệt độ.

Tùy thuộc vào nhu cầu của tảo, hệ thống sẽ cung cấp dưỡng chất như kali, phốt pho và nitơ. Một bộ trao đổi nhiệt sẽ đảm bảo nhiệt độ thích hợp. Khả năng điều chỉnh lưu lượng khối và công nghệ van Piezo cho phép đo không khí một cách chính xác. Bộ phận sục khí cung cấp tối đa đến 20 lít mỗi phút. Các bong bóng khí mịn được tạo ra nhằm đảm bảo sự trao đổi CO2và O2tối ưu giữa tảo và môi trường.

Nuôi trồng: Tăng trưởng sinh khối có kiểm soát thông qua tự động hóa

4. Thu hoạch: Thu hoạch tảo bằng máy ly tâm

Thu hoạch: Thu hoạch tảo bằng máy ly tâm

Mô đun thu hoạch là điểm tiếp xúc giữa quá trình nuôi trồng và quá trình chuyển đổi enzym của vật liệu được trồng sinh học. Máy ly tâm giúp đảm bảo sinh khối được thu hoạch liên tục: với tốc độ 10.000 vòng quay mỗi phút, các tế bào tảo được tách ra khỏi môi trường nước và đẩy ra mép; nước được đưa trở lại quy trình.

Cuối cùng, một máy bơm chuyển tảo đến mô đun tiếp theo để xử lý thêm. Thời gian và số lượng thu hoạch được điều chỉnh sao cho khả năng sống của tảo duy trì ở mức tối ưu và lượng sinh khối phù hợp có sẵn cho quá trình chuyển đổi ở bước tiếp theo.

Thu hoạch: Thu hoạch tảo bằng máy ly tâm

5. Chuyển đổi enzym: Chiết xuất và tiếp tục xử lý các thành phần tế bào

Chuyển đổi enzym: Chiết xuất và tiếp tục xử lý các thành phần tế bào

Năm khối chuyển đổi với các nhiệm vụ riêng lẻ tạo điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý tảo bằng enzym. Đây là những chất xúc tác sinh học được cung cấp một cách có mục đích. Bằng cách này, chúng hỗ trợ quá trình chuyển đổi dần dần mà không có kim loại nặng.

Để chiết xuất được các thành phần riêng lẻ từ tảo đã thu hoạch, kéo enzym sẽ cắt mở các thành tế bào và nhờ đó lấy được các thành phần: tinh bột, protein, sắc tố và dầu tảo mà chúng ta muốn. Hầu như không cần đến năng lượng để làm việc này, vì quy trình thân thiện với môi trường chạy trong điều kiện môi trường ôn hòa – được điều chỉnh tự động – ở nhiệt độ 40 độ C và giá trị pH 5. Dầu tảo thu được có thể được sử dụng làm chế phẩm bổ sung dinh dưỡng và sản xuất mỹ phẩm hoặc chế biến tiếp thành chất tải năng lượng hay nhựa sinh học. Phần còn lại của tảo được dùng làm thức ăn gia súc hoặc phân bón.

Chuyển đổi enzym: Chiết xuất và tiếp tục xử lý các thành phần tế bào

Cấu trúc điều khiển

Thiết kế theo mô đun của BionicCellFactory cũng được phản ánh trong cấu trúc điều khiển: mỗi mô đun được điều khiển bởi một bộ điều khiển CPX-E của Festo. Bằng cách này, năm bước quy trình có thể được đưa vào hoạt động cùng nhau hoặc riêng biệt, đồng thời dễ dàng trao đổi trong trường hợp quá trình sản xuất có thay đổi.

Chuyên gia có thể theo dõi và thay đổi các thông số riêng lẻ của các bước quy trình thông qua bảng dụng cụ trên bảng điều khiển tương ứng. Việc trao đổi dữ liệu giữa các mô đun diễn ra thông qua OPC UA và cho phép kiểm soát hiệu quả toàn bộ BionicCellFactory.

Hệ thống sản xuất của tương lai

BionicCellFactory, với vai trò nhà máy kiểu mẫu, là thiết kế chung cho các hệ thống sản xuất toàn diện trong tương lai. Nhờ công nghệ tự động hóa của chúng tôi, BionicCellFactory có thể được thu nhỏ theo bất kỳ kích thước nào. Để đáp ứng nhu cầu về nguyên liệu tái tạo trong tương lai, cần có các lò phản ứng sinh học có dung tích vài nghìn lít. Chuyên môn về tự động hóa quy trình là điều cần thiết để các nhà máy có thể tạo ra lượng sinh khối mong muốn một cách chính xác.

Cùng với khách hàng, chúng tôi phát triển các giải pháp tủ điều khiển thông minh cho lò phản ứng sinh học và tiếp tục mở rộng danh mục của mình. Trong việc kiểm soát quy trình, chúng tôi đảm bảo quản lý quy trình ổn định và chính xác với năng suất tối đa. Điều đó bao gồm các chiến lược sục khí và cấp liệu được tối ưu hóa, thuật toán điều khiển, cảm biến mềm để xác định sinh khối trong thời gian thực và giải pháp hệ thống cho quy trình sản xuất dựa trên sinh học.

Lĩnh vực chuyên môn mới cho công nghệ mới

Không phải nơi nào cũng có sẵn nhân viên kỹ thuật và nhà công nghệ sinh học trình độ cao. Với mục đích này, các chuyên gia của chúng tôi từ Festo Didactic đã phân tích nhu cầu mới về kiến thức để xác định các mối liên kết liên ngành và thiết lập các chương trình học nghề đổi mới, các khóa học và trình độ bổ sung trong lĩnh vực cơ điện tử, trí tuệ sinh học và tính bền vững.