Okrem odevov výroba mnohých vecí, ktoré každodenne používame vrátane zubných kefiek, automobilov, počítačov a mobilných telefónov, vyžaduje chemický materiál nazývaný polyamid. V minulosti bolo možné polyamid syntetizovať iba s použitím surových fosílnych materiálov. Teraz však existuje spoločnosť, ktorá je schopná vyrábať pentándiamín a binárnu kyselinu rozkladom, premenou a rekombináciou bohatých sacharidov nachádzajúcich sa v kukurici a inej obnoviteľnej biomase. Monoméry môžu byť premenené na polyamid na biologickej báze ďalšou polymerizáciou. Touto spoločnosťou je Cathay Industrial Biotech Ltd. (Cathay) založená v roku 1997. Cathay, ktorá nezaspala na vavrínoch, hľadala ďalšie vylepšenia a posunula biovýrobu na novú úroveň. V spolupráci so spoločnosťou Siemens vybudovali prvotriednu digitálnu biovýrobnú prevádzku vo Wusu, Xinjiang v Číne.
Konvenčný petrochemický priemysel čelí nielen rizikám vyčerpania zdrojov, ale aj problémom s emisiami oxidu uhličitého počas výroby, čo má za následok vážne znečistenie životného prostredia. V porovnaní s chemickými procesmi má biovýroba mnoho výhod vrátane znovupoužiteľných surovín, miernych reakčných procesov a šetrnosti k životnému prostrediu.
Liu Xiucai,
predseda predstavenstva a generálny riaditeľ spoločnosti Cathay
Obrovský skok vpred
Prečo mohol petrochemický priemysel tak dlho prosperovať, keď biovýroba ponúka toľko výhod? Je to preto, že organizmy používané v biovýrobe sú príliš zložité a premenlivé. Je to ako dvojsečná zbraň – tento proces môže produkovať špeciálne chemické materiály s vynikajúcimi vlastnosťami, ktoré sa nedajú syntetizovať chemickými metódami, ale zároveň môžu vytvárať rôzne druhy metabolitov. To by mohlo výrazne znížiť výťažok cieľových produktov.
Bioprocesy sú mimoriadne „záhadné“. Pre ľudí je ťažké úplne zvládnuť všetky zložité a jemné detaily premeny kukurice na polyamid. No s dostatočnými údajmi nazhromaždenými z experimentov, skríningu a pokusov môžu ľudia identifikovať vzťah medzi rôznymi kmeňmi, reakčnými podmienkami a konečným výťažkom cieľových produktov, čím sa výrazne zvýši účinnosť biologickej reakcie.
„Vďaka rozsiahlym údajom môžeme zistiť relevantnosť a zákony riadenia výroby. To je dôvod, prečo sme vybudovali digitálny výrobný závod vo Wusu, Xinjiang,“ povedal Liu Xiucai, predseda predstavenstva a generálny riaditeľ spoločnosti Cathay. „Máme bohaté skúsenosti s biovýrobou. No len vďaka partnerstvu s poprednými spoločnosťami, ako je Siemens, sme mohli dosiahnuť digitalizáciu. Efektívnosť biovýroby sa zvyšuje integráciou celého výrobného reťazca vrátane hardvéru a softvéru na riadenie, automatickým zberom, spracovaním a analýzou údajov a následným dodávaním výsledkov analýzy späť do výroby. Čo chcem, je nanovo vyvinutá produktivita.“
Vybudovanie digitálneho biozávodu bolo pre Siemens veľkou výzvou. „Proces biovýroby sa vyznačuje zložitými reakciami, vysokou kontinuitou a prísne stanovenými požiadavkami na štandardizáciu procesov a dôvernosť. Počas procesu dochádza aj k fyzikálnym a chemickým zmenám. Akékoľvek chyby v systéme môžu mať vplyv na konečné produkty,“ povedal Xu Yibin, riaditeľ procesného priemyslu, divízia procesného priemyslu a pohonov spoločnosti Siemens. Siemens sa nakoniec stal partnerom, ktorý poskytne výrobnému závodu Cathay Wusu kompletné digitálne riešenia pokrývajúce celý životný cyklus procesu. Očakáva sa, že po uvedení do prevádzky závod Wusu vyprodukuje každý rok 100 000 ton polyamidu na biologickej báze, 50 000 ton 1,5-pentándiamínu na biologickej báze a 30 000 ton dikarboxylovej kyseliny s dlhým reťazcom.
Posilnenie výskumu a vývoja
Pre Howarda Choua, vedúceho výskumu a vývoja v Cathay, ako „plastického chirurga pre mikroorganizmy“ je úlohou zmeniť mikroorganizmy nachádzajúce sa v prírode na reaktory spĺňajúce výrobné požiadavky. Skončila sa práca Chouovho tímu vytvorením „reaktorov na mikroorganizmy“? Vôbec nie. Dokonca aj dvojčatá s identickými génmi môžu vyzerať úplne inak, ak vyrastajú v oddelených prostrediach. Aby sa naplno uplatnil potenciál mikroorganizmov, od laboratória až po výrobný závod, pracovníci výskumu a vývoja potrebovali skrínovať kmene a podmienky fermentácie v troch krokoch: najprv vykonať malé experimenty v Petriho miskách, potom vložiť vhodné kmene do miešacích fliaš na ďalšiu reprodukciu a vo väčšom meradle a nakoniec uskutočniť experimenty v malých fermentačných nádržiach. Vo väčšine prípadov sa sľubné výsledky laboratórnych testov môžu v reálnej výrobe ukázať ako nepoužiteľné. Výskumníci ročne otestujú viac ako 500 000 vzoriek, no možno len jedna z nich bude spĺňať požiadavky priemyselnej výroby. Aby identifikovali kľúčové faktory ovplyvňujúce zmeny, musia opakovať skríningové procesy znova a znova.
V dôsledku toho si Cathay vybral systém SIPAT od spoločnosti Siemens. Aplikácia SIPAT by mohla pomôcť výskumníkom priamo identifikovať vzťahy medzi niektorými dôležitými parametrami a konečným výnosom prostredníctvom digitálnej analýzy, ktorá znižuje počet potrebných procesov. „Pre efektivitu výskumu a vývoja to bude pozoruhodná podpora,“ povedal H. Chou.
Zabezpečenie neprerušovanej reakcie
Ak je každý mikroorganizmus mikroreaktorom, celá prevádzka je veľký generátor, ktorý spája množstvo mikroreaktorov na hromadnú výrobu. Na rozdiel od diskrétne pracujúcich priemyselných odvetví, ako je automobilový priemysel či výroba elektroniky, biovýroba nemôže byť po spustení prerušená, čo vyžaduje bezproblémovú integráciu základného automatizačného systému prevádzky. Tieto podmienky splnil riadiaci systém DCS Simatic PCS 7 od spoločnosti Siemens, ktorý zabezpečuje nepretržitú výrobu v spojite pracujúcom spracovateľskom priemysle.
PCS 7 sa vyznačuje decentralizovaným riadením, centralizovanou správou, jednoduchou inštaláciou, nízkymi prevádzkovými nákladmi a inteligentnou údržbou a správou. Z pohľadu ovládania sú jednotlivé zariadenia v systéme ako skupina vojakov bez vodcu. Teraz každú skupinu vedie vodca, ktorý prijíma rozkazy od hlavného veliteľa. Technikom stačí poslať rozkaz hlavnému veliteľovi a všetci budú konať v dokonalom súzvuku.
Okrem toho môže byť PCS 7 úplne prepojený s digitálnym systémom správy technických prostriedkov závodu COMOS spoločnosti Siemens. COMOS vytvára jednotné digitálne modely pre technické prostriedky prevádzky vrátane procesov, elektrických systémov, nástrojov, automatického riadenia, potrubí, aby vytvoril „digitálne dvojča“ prevádzky počas celého životného cyklu. To znamená, že informácie týkajúce sa základných zariadení vo fáze inžinieringu môžu byť uložené v zjednotenom úložisku, ktoré by sa dalo riadne uchovať a v budúcnosti by bolo ľahko prístupné.
„Siemens COMOS by nám mohol pomôcť uložiť výsledky návrhu prevádzky do databázy. Očakávame, že tieto informácie použijeme na návrh ďalšej prevádzky,“ povedal Zang Huiqing, viceprezident Cathay zodpovedný za právne záležitosti a správu duševného vlastníctva.
Stabilná a efektívna výroba
Okrem toho systém Simatic IT od spoločnosti Siemens pomôže zabezpečiť stabilnú a efektívnu výrobu vo výrobnej prevádzke Cathay vo Wusu. Tento systém bude každý deň odosielať operátorom elektronické pracovné príkazy, vyhodnocovať kvalitu práce a presne ju evidovať. Výroba nemôže pokračovať na ďalej, ak nebola pridaná nejaká ingrediencia alebo ak fermentácia semien nebola dokončená. Mnohé kroky vo výrobe budú navyše nahradené automatizačnými programami, čím sa znížia prevádzkové náklady a chybovosť.
Spätná väzba digitálneho systému v reálnom čase tiež priamo prispieva k zvýšeniu efektívnosti. „Počas výrobného procesu vykonávame mnoho krokov vzorkovania a testovania. Výsledky testov treba vrátiť do výroby, aby sa upravili parametre procesu. Znie to jednoducho. No keďže je prevádzka vzdialená niekoľko kilometrov od miesta testovania, stráca sa niekoľko hodín tam a späť, čo má vplyv na efektivitu výroby. Pomocou digitálneho systému možno výsledky testov nahrať do Simatic IT Unilab, ktoré sa potom načítajú späť do systému na realizáciu riadenia v reálnom čase. To by mohlo pomôcť zlepšiť efektivitu výroby,“ vysvetľuje Li Naiqiang, viceprezident Cathay zodpovedný za technológiu.
Vzhľadom na svoju osobitosť je biovýrobný priemysel z hľadiska dôvernosti surovín, receptúr a podmienok spracovania veľmi prísny. V minulosti si toto dôležité poznanie uchovávali vo svojich hlavách skúsení operátori. Digitálne technológie teraz pomáhajú spoločnosti Cathay ukladať parametre procesu v Simatic IT. Tento systém dokáže riadiť výrobu automatickým priraďovaním receptúry k surovinám.
Integrovaná prevádzka a údržba
Správa a údržba zariadení väčšinou nie je jednoduchá práca a vyžaduje zadávanie informácií z tisícok strojov. Kombinácia COMOS a PCS 7 od spoločnosti Siemens pomôže výrobnému závodu vo Wusu riadiť prepojenie inžinieringu, prevádzky a údržby. COMOS dokáže nielen automaticky vypracovať plány údržby na základe stavu zariadenia, ale tiež umožňuje jednoduché získanie informácií o akomkoľvek zariadení z prevádzky.
V prípade poruchy PCS 7 okamžite vyšle alarm, ktorý aktivuje COMOS, aby vygeneroval a odoslal príkaz na opravu zodpovedným osobám. Potom operátor vykoná servisný zásah na zariadení podľa vopred stanovených postupov. Keď je porucha odstránená, automaticky sa vygeneruje elektronický záznam, vďaka ktorému ho možno sledovať a vyhľadávať, čo poskytuje referenciu pre budúcu údržbu a zlepšenie efektívnosti.
V minulosti bolo možné takéto funkcie dosiahnuť iba pomocou manuálneho zisťovania a plánovania. Automatické spúšťanie, údržba a nahrávanie vyžadujú dátové prepojenie medzi týmito dvoma systémami. Po realizácii dátovej prepojenosti možno naplno využiť hodnotu obsiahnutú v dátach, čo výrazne zefektívňuje riadenie a údržbu a zabezpečuje spoľahlivú a neprerušovanú prevádzku.
COMOS tiež poskytuje dátové rozhrania s platformou prevádzkovej inteligencie XHQ od spoločnosti Siemens, ktorá integruje zobrazovanie informácií, analýzu sledovateľnosti a predikciu trendov. Prostredníctvom platformy sa manažérsky tím môže dozvedieť informácie o konkrétnom stave prevádzkových technických prostriedkov a porovnať ho s historickými údajmi. Táto hĺbková znalosť prevádzkového stavu závodu by mohla výrazne uľahčiť budúce rozhodovanie.
„Chcel som prostredníctvom úspechu Cathay demonštrovať tri body: po prvé, biotechnológia dokáže vyrobiť lepšie materiály; po druhé, pri biovýrobe sú nižšie výrobné náklady ako v petrochemickom priemysle; po tretie, biovýroba by mohla realizovať masovú výrobu,“ uviedol Liu Xiucai, predseda predstavenstva a generálny riaditeľ spoločnosti Cathay.
Zdroj: Turning corn into the clothes. Siemens, prípadová štúdia. [online]. Október 2019.
-tog-