怎样才能清除大气中的二氧化碳，2并积极为保护气候贡献自身力量？有哪些方法可以降低材料消耗、加大回收利用力度，同时发掘替代性原材料？这两个问题，正是 Festo 长久以来的研究方向，同时我们也在将自动化技术领域的专有技术转用到生物工艺中，以开发新的解决方案。
细胞就是一座工厂
活细胞是世界上最小的工厂。利用光合作用，水藻细胞在叶绿体中将阳光、二氧化碳和水转化为氧气和化学能源或有机可回收物。藻类是小型气候改善系统，因为它们吸收的二氧化碳是陆地植物的十倍。如果在生物反应器中进行自动化培养，藻类的吸收的二氧化碳效率可以提高到陆地植物的一百倍。
通过自动化技术改善生长环境
利用我们的自动化技术，能够高效、节约资源且大规模地在封闭循环中培养生物质。由此产生的生物质可用于化学、食品或制药行业。在此背景下，我们开发出 BionicCellFactory，帮助人们向环境友好型循环经济进行生物转型。
BionicCellFactory 划分为五个模块，它们以不同的方式将大自然和技术结合在一起。不同于化学工艺，这些流程无需高温高压，也不会产生有毒物质。
细胞工厂的五个模块
1. 收集二氧化碳：从空气中吸收二氧化碳
藻类在二氧化碳浓度为 2%左右时生长得最好。但是，由于环境空气中的二氧化碳含量远低于 1%，因此二氧化碳收集模块会提高二氧化碳的浓度来促进藻类生长,它将压缩后的空气吸入含有二氧化碳吸收颗粒的腔室，从而从中过滤出所需的气体。
二氧化碳吸收颗粒由一种聚合物组成，这种聚合物可根据当时的条件吸收或释放二氧化碳。一旦颗粒吸收了足够的二氧化碳，就会被加热到 90 摄氏度，从而再次释放气体。最后，在临时储存罐中对浓缩后的二氧化碳进行冷却，并通过放气元件将其吹入生物反应器中。
2. 分析：通过量子传感器和人工智能监控细胞
如何精确确定生物质的体积，生物反应器所面临的一大挑战。为了解决这个问题，我们在分析模块中使用了一种基于显微镜、人工智能以及量子技术的光学方法。数字显微镜可不断提供图像，然后交由人工智能系统进行评估。通过训练图像，该系统已经学会了识别藻类细胞。
然后，一台精密泵将藻类细胞从培养系统中输送出来，供基于量子的粒子传感器进行检测。这些藻类细胞经由精确的阀门系统被送入混合罐，然后用水进行稀释，以获得最佳的分析条件。根据帕斯卡定律能够实现均匀的流速，并将混合物导向量子传感器。
该量子传感器由初创公司 Q.ANT 开发，它可提供大量数据，其中包括藻类的大小和数量，以及异物相关数据。通过这些分析，我们可提前对工艺事件作出反应，并通过调节进行干预。
3. 培养：通过自动化技术使生物质受控地生长
BionicCellFactory 的核心部件，是 Algoliner 公司生产的一个长 45 米、容量为 80 升的管道系统。在这个透明的光道中，藻类细胞在最佳生长条件下进行光合作用。系统中的传感器负责持续测量电导率、pH 值、氧气和二氧化碳浓度以及温度。
根据藻类的需要，系统还会添加钾、磷和氮等营养物质。此外，系统还装有热交换器，用于维持合适的温度。而质量流量控制器和创新的压电阀技术装置则负责精确地计量空气。通过通气元件，每分钟可送入多达 20 升空气。由此产生的细小气泡可确保藻类与环境之间充分进行二氧化碳和氧气交换。
4. 收获：借助离心机收割藻类
收获模块是培养与所生长的生物质的酶转化之间的接口。该模块配有一个离心机，负责连续收割生物质。它以每分钟 10,000 转的速度，将藻类细胞与含水环境分离，并将其推到边缘，水则被送回培养过程中。
最后通过泵将藻类送至下一个模块，进行进一步加工。收获的时间和数量按照下述原则来控制，即：让藻类的活力保持在最佳水平，并且有适当数量的生物质可用于下一步的转化。
5. 酶转化：提取和进一步加工细胞成分
酶转化模块具有五个负责完成不同任务的转化仓，从而为通过生物催化剂——酶来提取藻类创造了最佳条件。设备会针对性地供应酶， 然后利用酶进行逐步转化，此时无需任何重金属。
为了最终从所收获的藻类中提取各个成分，会通过酶切刀来切开细胞壁，从而获得下列物质：淀粉、蛋白质、着色剂以及我们所需要的藻油。这期间几乎不消耗任何能源，因为整个过程很环保，是在温和、自动受控的环境条件下（温度为 40 摄氏度，PH 值为 5）进行的。之后可以将获得的藻油用作营养补充剂、用于生产化妆品，或者进一步加工成能源载体或生物塑料。藻类残余物可以用作动物饲料或肥料。
控制架构
BionicCellFactory 的控制架构同样采用了模块化结构，即通过 Festo 开发的 CPX-E 控制器对每个模块进行控制。因此，这五个工艺步骤既可以相互组合，也可以单独进行，并且在生产发生变化时可以轻松进行更换。
专家可以利用相应控制面板上的仪表板，监控和更改工艺步骤的各个参数。模块之间的数据交换通过 OPC UA 协议进行，并且可实现对整个 BionicCellFactory 的有效控制。
未来的生产系统
作为一个样机设备，BionicCellFactory 为未来的整体性生产系统树立了通用范例。借助我们的自动化技术，客户可以任意调整该设备的规模。将来，随着人们对可再生原材料的需求不断增加，容量为几千升的生物反应器将应运而生。因此，为了确保设备能够可靠地生产所需规模的生物质，运营方需要具备过程自动化方面的专业知识。
我们将与客户一起，为生物反应器开发智能控制柜解决方案，并继续扩大我们的产品组合。在过程控制过程中，我们可实现稳定、精确的过程管理，并最大程度提高生产力。我们的优势包括经过优化的放气和送料策略、控制算法、用于实时测定生物质体积的软传感器以及用于生物基生产过程的系统方案。
面向未来技术的新职业方向
合适的高素质技术人员和生物技术专家并非随处可见。因此，Festo Didactic 的专家会分析客户对相关知识的新需求，确定不同学科之间的关联，并在生物机电一体化、生物智能和可持续性领域，设立新的培训方向、课程大纲和附加资质培养方案。