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    3. 解決方案

      解決方案

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      玉米變衣服的秘密

      發布時間:2021-03-13 瀏覽:1218次 
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      生物制造

      明亮的商場櫥窗里,精美的服飾排排林立。然而,駐足選購的人們可能從未想過,這些透氣、吸濕、耐磨的衣物原料竟然可能來自于新疆廣袤土地上生長的金黃玉米!

      除服裝之外,牙刷、汽車、電腦和手機等很多日常物品的制造都會用到一種名為聚酰胺的化學材料。

      過去,聚酰胺只能通過化石原料合成。然而卻有這樣一家企業,能夠利用微生物中的天然催化劑——生物酶,把玉米等可再生生物質中豐富的糖類分解、轉化、重組,生成戊二胺并與二元酸組合,再經過進一步聚合“變”成生物基聚酰胺。它就是誕生于1997年的凱賽生物產業有限公司(凱賽)。

      凱賽董事長兼執行官劉修才表示:“傳統的石油化工工藝不但面臨著資源枯竭的危機,生產過程中還會釋放大量的二氧化碳,造成嚴重的環境污染。和化學法相比,生物制造具有原材料可再生、反應條件溫和、綠色環保等諸多優勢?!?/p>

      20年的持續創新使凱賽已經實現了長鏈二元酸、生物丁醇、生物基戊二胺、生物基聚酰胺等多項新產品的大規模生產,但它前進的腳步從未停止。為了進一步提高生物制造的效率,凱賽與西門子在新疆烏蘇攜手打造了生物制造領域的數字化生產基地。


      實現跨越

      既然生物制造具有全方位的優勢,那為何在過去很長一段時間里卻都是石油化工一枝獨秀呢?這是因為生物體太過復雜多樣。這就像一把雙刃劍——它們既能生成化學法無法合成的特種化學材料,且性能優越,但同時又會產生多種多樣的代謝物,導致目標產物的收率太低。

      以生產戊二胺的過程為例,當“喂給”微生物足夠的“食物”后,除了能生成戊二胺,還會代謝出各種副產物,各種物質燉成一鍋“大雜燴”,無法滿足工業生產對戊二胺濃度和產量的要求。更糟糕的是,戊二胺的作用是加速生物體的腐爛,反而會毒害生產出來的細胞,從而進一步抑制了反應的進行。各種復雜因素的疊加,導致生產者必須將效率大幅提高,才能讓生物法生產出的產品與化學法生產的同類產品一較高下,否則生物制造的成本會一直居高不下。

      生物體本身奧妙無窮,人們很難完全掌握從玉米變成聚酰胺過程中所有復雜精妙的轉化細節。但如果能從實驗、篩選、試錯過程中積累更多的數據,那么人們就可以從中找出不同菌種、不同反應條件和目標產物產出率之間的關系,從而提高生物反應的效率,實現根本性跨越。

      “從大數據中發現相關性并找出指導生產的規律,這正是數字化技術的強項。這也是我們要在新疆烏蘇建設數字化生產基地的原因?!眲⑿薏耪f道,“我們在生物制造領域具有豐富的經驗,但是要想實現數字化,就得和西門子這樣的企業合作。通過軟硬件的控制把整條生產鏈集成起來,自動收集、處理、分析數據,再將分析結果反饋于生產,進而提高生物制造的效率。我要的是脫胎換骨的制造力?!?/p>

      這對西門子來說同樣是不小的挑戰。西門子過程工業與驅動集團流程工業行業總監徐一濱表示:“生物制造的生產過程反應復雜、連續性強,流程規范和保密性要求高。生產過程同時伴隨著物理和化學變化,任何一個系統出現問題都會對生產造成影響?!?/p>

      經過不懈努力,西門子終成為凱賽烏蘇生產基地全生命周期數字化解決方案合作伙伴。投產后,烏蘇基地預期能實現年產10萬噸生物基聚酰胺、5萬噸生物基戊二胺和3萬噸長鏈二元酸。


      研發提升

      凱賽研發副總裁周豪宏的日常工作就像一個“微生物整形師”,把從大自然中找到的微生物改造成符合生產要求的反應器。

      可是這樣就能高枕無憂了嗎?答案是否定的。就算是具有相同基因的雙胞胎,在完全不同的生長環境下相貌也會存在較大差異。所以,為了激發出微生物的潛能,從實驗室到工廠,研發人員需要對菌種和發酵條件進行三步篩選:首先是在平板中進行小試,然后將合適的菌種轉移到搖瓶中進一步繁殖放大,還得在小型發酵罐中再進行試驗。

      大多數情況下,實驗室里的小試結果可能很好,可是一旦進入生產可能就不及格了。研究人員一年試驗50多萬個樣品,可能只有1個符合工業化生產的要求。為了尋找究竟是哪些關鍵因素影響到了這其中的變化,他們就必須不停重復篩選過程。

      因此,凱賽選擇了西門子SIPAT軟件。SIPAT通過數字化分析,將幫助研究人員直接找到某些重要參數和產率之間的關聯性,從而簡化中間繁雜的篩選工作。 “這對研發效率提高預計有很大的幫助?!?周豪宏表示。


      保證反應無中斷

      如果說每個微生物都是一個微型反應器,那么工廠就是匯聚了無數個微型反應器用來規?;a的大型發生裝置。與諸如生產汽車、電子設備等離散工業不同,生物制造的反應一旦開始,就無法中斷,這就要求工廠的底層自動化系統必須做到無縫集成,而西門子的DCS控制系統Simatic PCS 7則為過程工業的連續性生產提供了保障。

      PCS 7具有分散控制、集中管理、安裝方便、成本低以及維護管理智能化等特點。從控制上來說,這就好比原來系統里的各個設備是群龍無首的小兵,現在把小兵們編成小隊,每個小隊有個小隊長,所有的小隊又要選出一個總指揮官。等打仗的時候,小兵聽小隊長命令,小隊長聽總指揮的命令,工程師只需把命令告訴總指揮,大家行動起來整齊劃一。

      此外,PCS 7還能和西門子工廠資產數字化管理系統COMOS高度集成。COMOS可以為包含工藝、電氣、儀表、自控、管道等業信息在內的工廠資產建立統一的數字化模型,形成工廠的“數字化雙胞胎”,并貫穿工廠的全生命周期。這意味著工程階段所有底層設備的信息都可以被存入一個統一的“檔案庫”里,既能妥善保存,又方便下次取用。

      “我們期待使用西門子的COMOS系統可以幫助我們把在一個成熟工廠中積累的經驗方便地應用到下一個工廠的設計中?!眲P賽知識管理副總裁臧慧卿說道。


      穩定高效的生產

      此外,西門子工廠智能運營管理系統Simatic IT將在凱賽烏蘇生產基地竣工后,為其穩定、高效生產提供保障。

      Simatic IT系統就像嚴格的“老師”,將會每日按照生產計劃給工人下發電子工作指令,他們的工作質量會被準確評估并記錄在案。若是配料不完備或是種子培養沒有完成,生產都無法進入下一階段。同時,生產中的很多工序都將被自動化程序所替代。這對運營成本和出錯率的降低都將起到積極的效應。

      數字化系統的實時反饋還直接提升了效率。凱賽技術副總裁李乃強形象地說道:“我們在生產過程中有許多取樣檢測的步驟,檢測完成之后需要把結果反饋到生產中以調整工藝參數。這聽上去很簡單,但很可能車間距離檢測點之間有好幾公里,幾個來回之后數小時就浪費了,對生產效率的影響不可小覷。數字化系統可以將檢測結果上傳至Simatic IT Unilab,再進一步反饋到系統中進行實時控制,可以幫助提高生產效率?!?/p>

      此外,由于行業特殊性,生物制造對原料配方和工藝條件的保密性要求很嚴。過去,這些重要知識被一些熟練的操作工所掌握。如今,數字化技術幫助凱賽將工藝參數存儲于Simatic IT系統之中,系統將會根據原料自動匹配配方進行生產。


      一體化運維

      生產基地的設備管理和維護從來都不是一件輕松的工作。上千臺設備的信息錄入十分繁雜。

      西門子COMOS和PCS 7的結合將幫助凱賽烏蘇生產基地實現工程和運維的一體化。COMOS不但能根據設備的運行狀態自動制定維護計劃,還使得工廠中任何一臺設備的相關數據都能夠被及時查找。

      一旦出現設備故障,PCS 7立即發出報警信號,觸發COMOS生成維修工單并下發至相關人員,然后操作員按照預設流程進行維護。故障修復后還會自動生成電子存檔,做到記錄可追溯,問題可查詢,為今后的維護工作提供依據,保證效率。

      過去這樣的功能實現只能通過人工發現和調度才能完成。而完成這樣自動觸發、自動管理和記錄功能的前提是兩個系統的數據互聯互通。一旦實現數據的互聯互通之后,數據中隱含的價值被真正挖掘并釋放出來,大大提高運行管理和維護人員的工作效率,確保系統可靠連續地運行。

      COMOS還和西門子智能運營平臺XHQ之間存在數據接口。XHQ系統集信息展示、溯源分析、趨勢預測等功能為一體,管理層可以通過該平臺了解到工廠資產的具體狀況,并與歷史數據進行對比,以深層次挖掘工廠的運營狀態,從而起到輔助決策的作用。

      劉修才感慨地說:“我想通過凱賽的發展來證明三件事:一是生物技術能夠制造功能更好的材料;二是生物制造有機會比現在的石油化工成本更低;三是生物制造可以在一條生產線上實現規?;??!?/p>


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