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西门子助力凯赛构建生物制造行业数字化工厂

   日期:2018-09-29     来源:界面新闻    浏览:206    评论:0    
核心提示:克服重重困难后,西门子最终为凯赛乌苏工厂提供了全生命周期的完整数字化企业解决方案,这也是西门子数字化技术在过程工业的应用典范。投产后,乌苏工厂预期能实现年产10万吨生物基聚酰胺、5万吨生物基戊二胺和3万吨长链二元酸。
       发酵研发实验室
      明亮的商场橱窗里,精美的服饰排排林立。然而,驻足选购的人们可能从未想过,这些透气、吸湿、耐磨的衣物原料竟然可能来自于新疆广袤土地上生长的金黄玉米!除了服装,人们清洁时用到的牙刷,上班路上乘坐的汽车,工作时使用的电脑和手机等很多日常物品的制造都会用到一种名为聚酰胺的化学材料。

过去,聚酰胺只能通过煤炭、石油等化石原料合成。然而却有这样一家企业,能够利用微生物中的天然催化剂——生物酶,把玉米等农产品中丰富的糖类分解、转化、重组,生成戊二胺、二元酸等小分子化学单体,再经过进一步聚合“变”成生物基聚酰胺,它就是诞生于1997年的上海凯赛生物技术股份有限公司(凯赛)。

凯赛董事长兼首席执行官刘修才认为:“传统的石油化工工艺不但面临着资源枯竭的危机,生产过程中还会释放大量的二氧化碳,造成严重的环境污染。和化学法相比,生物制造具有原材料可再生,反应条件温和,绿色环保等诸多优势。”

20年的持续创新使凯赛已经实现了长链二元酸、生物丁醇、生物基戊二胺、生物基聚酰胺等多项革命性产品的大规模产业化生产,但它前进的脚步从未停止。为了进一步提高生物制造的效率,凯赛与西门子合作建设了位于中国新疆乌苏的生物制造领域世界级数字化工厂。

100万倍的跨越

既然生物制造具有全方位的优势,那为何在过去很长一段时间里却都是石油化学工业“一枝独秀”呢?这是因为生物体太过复杂多样的缘故。这就像一柄双刃剑——它们既能生成化学法无法合成的特种化学材料,且性能优越;但同时又会产生多种多样的代谢物,导致目标产物的收率太低。

以生产戊二胺的过程为例,当“喂给”微生物足够的“食物”后,除了能生成戊二胺,还会代谢出各种副产物,各种物质炖成一锅“大杂烩”,无法满足工业生产对戊二胺浓度和产量的要求。更糟糕的是,戊二胺的作用是加速生物体的腐败,反而会毒害生产出来的细胞,从而进一步抑制了反应的进行。各种复杂因素的叠加,导致生产者必须将效率提高100万倍,才能让生物法生产出的产品与它化学法生产的同类产品一较高下,否则生物制造的成本会一直居高不下。

生物体本身奥妙无穷,人们很难完全掌握从玉米变成聚酰胺过程中所有复杂精妙的转化细节。但如果能从不断的实验、筛选、试错过程中积累更多的数据,那么人们就可以从中找出不同菌种、不同反应条件和最后目标产物产出率之间的关系,从而提高生物反应的效率,实现100万倍的跨越。

“从大数据中发现相关性并找出指导生产的规律,这正是数字化技术的强项。这也是我们为什么要在新疆乌苏建设数字化工厂的原因。”刘修才说道,“我们在生物制造领域具有丰富的经验,但是要想实现数字化,就得和西门子这样的领先企业合作。通过软硬件的控制把整条生产链关联起来,自动收集、处理、分析数据,再将分析结果反馈于生产,进而提高生物制造的效率。”

在生物制造领域构建数字化工厂对西门子来说同样是一项不小的挑战。西门子过程工业与驱动集团流程工业行业总监徐一滨表示:“生物制造的生产过程反应复杂、连续性强,流程规范和保密性要求高。生产过程同时伴随着物理和化学变化,任何一个系统出现问题都会对最终产物造成影响。”

克服重重困难后,西门子最终为凯赛乌苏工厂提供了全生命周期的完整数字化企业解决方案,这也是西门子数字化技术在过程工业的应用典范。投产后,乌苏工厂预期能实现年产10万吨生物基聚酰胺、5万吨生物基戊二胺和3万吨长链二元酸。

即将投产的凯赛乌苏智能工厂
即将投产的凯赛乌苏智能工厂 图片来源:西门子

从1到1000

数字化为凯赛带来的变革从研发阶段就开始了。凯赛负责研发部门的副总裁周豪宏对此深有体会。他的日常工作就像一个“微生物整形师”,把从大自然中找到的微生物改造成符合生产要求的反应器。

可是这样就能高枕无忧了吗?答案是否定的。就算是具有相同基因的双胞胎,在完全不同的生长环境下相貌也会存在较大差异。所以,为了激发出微生物的最大潜能,从实验室到工厂,研发人员需要对菌种和发酵条件进行三步筛选:首先是在平板中进行小试,然后将合适的菌种转移到摇瓶中进一步繁殖放大,最后还得在小型发酵罐中再进行试验。

大多数情况下,实验室里的小试结果可能很优秀,可是一旦进入生产就不及格了。研究人员一年试验了50多万个样品,最后可能只有1个符合工业化生产的要求。为了寻找究竟是哪些关键因素影响到了这其中的变化,他们就必须不停重复筛选过程。

凯赛在选用了SIPAT软件之后,情况大为改观。SIPAT的应用可以通过数字化分析,帮助研究人员直接找到某些重要参数和最后产率之间的关联性,从而省去了中间繁杂的筛选工作,将三步筛选变成了一步。

现在,虽然凯赛一年只做1万个样品,但其中符合工业化生产要求的可能增至1000个。这对整个行业来说都是翻天覆地的变革。

保证反应无中断

如果说每个微生物都是一个微型反应器,那么工厂就是汇聚了无数个微型反应器用来规模化生产的大型发生装置。与诸如生产汽车、电子设备的离散工业不同,生物制造的反应一旦开始,就无法中断,这就要求工厂的底层自动化系统必须做到无缝集成,而西门子的DCS控制系统Simatic PCS 7则为过程工业的连续性生产提供了保障。

PCS 7具有分散控制、集中管理、安装方便、成本低以及维护管理智能化等特点。从控制上来说,这就好比原来系统里的各个设备是群龙无首的小兵,现在要把小兵们编成小队,每个小队有个小头目,所有的小队又要选出一个总指挥官。等打仗的时候,小兵听小头目命令,小头目听总指挥的命令,工程师只需把命令告诉总指挥,大家行动起来整齐划一。

此外,PCS 7还能和西门子工厂资产数字化管理系统Comos高度集成。Comos可以为包含工艺、电气、仪表、自控、管道等专业信息在内的工厂资产建立统一的数字化模型,形成工厂的“数字化双胞胎”,并贯穿工厂的全生命周期。这意味着工程阶段所有底层设备的信息都可以被存入一个统一的“档案库”里,既能被妥善保存,又方便下次取用。

“西门子的Comos可以帮助我们把工厂设计方案打包成数据库的形式,因而可以很容易地应用到下一个工厂的设计中。”凯赛知识管理副总裁臧慧卿说道。

稳定高效的生产

工程竣工之后,工厂能否稳定高效地生产是重中之重。西门子工厂智能运营管理系统Simatic IT为凯赛解决了这一难题提供了帮助。

在乌苏工厂里,一方面,系统会像位严格的“老师”那样每日按照生产计划为操作工人下发电子工作指令,工作质量也会被准确评估并记录在案。若是配料不完备或是种子培养没有完成,生产都无法进入下一阶段。另一方面,因为很多工序被自动化程序所替代,这也就相应减少了对人员配置的需求。这不仅节省了大量的运营成本,更重要的是降低了出错率。

数字化系统的实时反馈还直接提升了效率。凯赛生物研发技术副总裁李乃强形象地说道:“过去我们在生产过程中有许多取样检测的步骤,检测完成之后需要把结果反馈到生产中以调整工艺参数。听上去很简单,但很可能车间距离检测点之间有两公里,几个来回之后数小时就浪费了,对生产效率的影响不可小觑。现在有了数字化系统,检测结果上传至Simatic IT Unilab,再进一步反馈到系统中进行实时控制。整个过程瞬间完成,生产效率随之提高。”

此外,由于行业特殊性,生物制造对原料配方和工艺条件的保密性要求很严。过去,这些重要知识被一些熟练的操作工所掌握。如今,数字化技术帮助凯赛将工艺参数储存于Simatic IT系统之中,系统根据原料自动匹配配方进行生产,使得那些即使没有很强专业背景的人也能进行相关操作。

一体化运维

在凯赛原有的工厂里,设备的管理和维护并不轻松事。上千台设备的信息录入工作就是一项浩大繁杂的工程;工厂管理人员也很难制定出周全的设备维修计划,结果只能是坏了再修,耽误生产。

如今,Comos和PCS 7的结合使得乌苏工厂实现了工程和运维的一体化。因为所有设备相关信息,如设计信息、施工信息、电气信息、控制回路等事先储存在Comos系统中,所以Comos不但能根据设备的运行状态自动制定维护计划,还使得工厂中任何一台设备的相关数据都能够被及时查找。

一旦出现故障,PCS 7立即发出报警信号,触发Comos生成维修工单并下发至相关人员,然后操作员按照预设流程进行维护。故障修复后还会自动生成电子存档,做到记录可追溯,问题可查询,为今后的维护工作提供依据,保证效率。

过去这样的功能实现只能通过人工发现和调度才能完成。而完成这样自动触发、自动管理和记录功能的前提是两个系统的数据互联互通。一旦实现数据的互联互通之后,数据中隐含的价值被真正挖掘并释放出来,大大提高运行管理和维护人员的工作效率,确保系统可靠连续地运行。

Comos还和西门子智能运营平台XHQ之间存在数据接口。XHQ系统集信息展示、溯源分析、趋势预测等功能为一体,管理层可以通过该平台了解到工厂资产的具体状况,并与历史数据进行对比以深层次挖掘工厂的运营状态,从而起到辅助决策的作用。

刘修才感慨地说:“我想通过凯赛的发展来证明三件事:一是生物技术能够制造功能更好的材料;二是生物制造有机会比现在的石油化工成本更低;三是生物制造可以在一条生产线上实现规模化。”

换言之,凯赛的高度从来不只局限于生物制造领域的同行,还有与石油化学工业领域同行们“试比高”的决心,而数字化技术赋予了凯赛与之媲美的实力。在业内首个也是复杂程度最高的数字化工厂的建设中,凯赛和西门子因相似的理念而结合,由此开创了生物制造领域的数字化之先河!

 
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