玉米變衣服的秘密
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生物制造
明亮的商場(chǎng)櫥窗里，精美的服飾排排林立。然而，駐足選購(gòu)的人們可能從未想過(guò)，這些透氣、吸濕、耐磨的衣物原料竟然可能來(lái)自于新疆廣袤土地上生長(zhǎng)的金黃玉米！
除服裝之外，牙刷、汽車、電腦和手機(jī)等很多日常物品的制造都會(huì)用到一種名為聚酰胺的化學(xué)材料。
過(guò)去，聚酰胺只能通過(guò)化石原料合成。然而卻有這樣一家企業(yè)，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(zhì)中豐富的糖類分解、轉(zhuǎn)化、重組，生成戊二胺并與二元酸組合，再經(jīng)過(guò)進(jìn)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(chǎn)業(yè)有限公司（凱賽）。
凱賽董事長(zhǎng)兼執(zhí)行官劉修才表示：“傳統(tǒng)的石油化工工藝不但面臨著資源枯竭的危機(jī)，生產(chǎn)過(guò)程中還會(huì)釋放大量的二氧化碳，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。和化學(xué)法相比，生物制造具有原材料可再生、反應(yīng)條件溫和、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)勢(shì)?！?/p>
20年的持續(xù)創(chuàng)新使凱賽已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)鏈二元酸、生物丁醇、生物基戊二胺、生物基聚酰胺等多項(xiàng)新產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)，但它前進(jìn)的腳步從未停止。為了進(jìn)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(lǐng)域的數(shù)字化生產(chǎn)基地。
實(shí)現(xiàn)跨越
既然生物制造具有全方位的優(yōu)勢(shì)，那為何在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里卻都是石油化工一枝獨(dú)秀呢？這是因?yàn)樯矬w太過(guò)復(fù)雜多樣。這就像一把雙刃劍——它們既能生成化學(xué)法無(wú)法合成的特種化學(xué)材料，且性能優(yōu)越，但同時(shí)又會(huì)產(chǎn)生多種多樣的代謝物，導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物的收率太低。
以生產(chǎn)戊二胺的過(guò)程為例，當(dāng)“喂給”微生物足夠的“食物”后，除了能生成戊二胺，還會(huì)代謝出各種副產(chǎn)物，各種物質(zhì)燉成一鍋“大雜燴”，無(wú)法滿足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)戊二胺濃度和產(chǎn)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(huì)毒害生產(chǎn)出來(lái)的細(xì)胞，從而進(jìn)一步抑制了反應(yīng)的進(jìn)行。各種復(fù)雜因素的疊加，導(dǎo)致生產(chǎn)者必須將效率大幅提高，才能讓生物法生產(chǎn)出的產(chǎn)品與化學(xué)法生產(chǎn)的同類產(chǎn)品一較高下，否則生物制造的成本會(huì)一直居高不下。
生物體本身奧妙無(wú)窮，人們很難完全掌握從玉米變成聚酰胺過(guò)程中所有復(fù)雜精妙的轉(zhuǎn)化細(xì)節(jié)。但如果能從實(shí)驗(yàn)、篩選、試錯(cuò)過(guò)程中積累更多的數(shù)據(jù)，那么人們就可以從中找出不同菌種、不同反應(yīng)條件和目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)出率之間的關(guān)系，從而提高生物反應(yīng)的效率，實(shí)現(xiàn)根本性跨越。
“從大數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)相關(guān)性并找出指導(dǎo)生產(chǎn)的規(guī)律，這正是數(shù)字化技術(shù)的強(qiáng)項(xiàng)。這也是我們要在新疆烏蘇建設(shè)數(shù)字化生產(chǎn)基地的原因。”劉修才說(shuō)道，“我們?cè)谏镏圃祛I(lǐng)域具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是要想實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，就得和西門子這樣的企業(yè)合作。通過(guò)軟硬件的控制把整條生產(chǎn)鏈集成起來(lái)，自動(dòng)收集、處理、分析數(shù)據(jù)，再將分析結(jié)果反饋于生產(chǎn)，進(jìn)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(duì)西門子來(lái)說(shuō)同樣是不小的挑戰(zhàn)。西門子過(guò)程工業(yè)與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)流程工業(yè)行業(yè)總監(jiān)徐一濱表示：“生物制造的生產(chǎn)過(guò)程反應(yīng)復(fù)雜、連續(xù)性強(qiáng)，流程規(guī)范和保密性要求高。生產(chǎn)過(guò)程同時(shí)伴隨著物理和化學(xué)變化，任何一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成影響?！?/p>
經(jīng)過(guò)不懈努力，西門子終成為凱賽烏蘇生產(chǎn)基地全生命周期數(shù)字化解決方案合作伙伴。投產(chǎn)后，烏蘇基地預(yù)期能實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)10萬(wàn)噸生物基聚酰胺、5萬(wàn)噸生物基戊二胺和3萬(wàn)噸長(zhǎng)鏈二元酸。
研發(fā)提升
凱賽研發(fā)副總裁周豪宏的日常工作就像一個(gè)“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(chǎn)要求的反應(yīng)器。
可是這樣就能高枕無(wú)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(zhǎng)環(huán)境下相貌也會(huì)存在較大差異。所以，為了激發(fā)出微生物的潛能，從實(shí)驗(yàn)室到工廠，研發(fā)人員需要對(duì)菌種和發(fā)酵條件進(jìn)行三步篩選：首先是在平板中進(jìn)行小試，然后將合適的菌種轉(zhuǎn)移到搖瓶中進(jìn)一步繁殖放大，還得在小型發(fā)酵罐中再進(jìn)行試驗(yàn)。
大多數(shù)情況下，實(shí)驗(yàn)室里的小試結(jié)果可能很好，可是一旦進(jìn)入生產(chǎn)可能就不及格了。研究人員一年試驗(yàn)50多萬(wàn)個(gè)樣品，可能只有1個(gè)符合工業(yè)化生產(chǎn)的要求。為了尋找究竟是哪些關(guān)鍵因素影響到了這其中的變化，他們就必須不停重復(fù)篩選過(guò)程。
因此，凱賽選擇了西門子SIPAT軟件。SIPAT通過(guò)數(shù)字化分析，將幫助研究人員直接找到某些重要參數(shù)和產(chǎn)率之間的關(guān)聯(lián)性，從而簡(jiǎn)化中間繁雜的篩選工作。 “這對(duì)研發(fā)效率提高預(yù)計(jì)有很大的幫助?！?周豪宏表示。
保證反應(yīng)無(wú)中斷
如果說(shuō)每個(gè)微生物都是一個(gè)微型反應(yīng)器，那么工廠就是匯聚了無(wú)數(shù)個(gè)微型反應(yīng)器用來(lái)規(guī)?；a(chǎn)的大型發(fā)生裝置。與諸如生產(chǎn)汽車、電子設(shè)備等離散工業(yè)不同，生物制造的反應(yīng)一旦開(kāi)始，就無(wú)法中斷，這就要求工廠的底層自動(dòng)化系統(tǒng)必須做到無(wú)縫集成，而西門子的DCS控制系統(tǒng)Simatic PCS 7則為過(guò)程工業(yè)的連續(xù)性生產(chǎn)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(hù)管理智能化等特點(diǎn)。從控制上來(lái)說(shuō)，這就好比原來(lái)系統(tǒng)里的各個(gè)設(shè)備是群龍無(wú)首的小兵，現(xiàn)在把小兵們編成小隊(duì)，每個(gè)小隊(duì)有個(gè)小隊(duì)長(zhǎng)，所有的小隊(duì)又要選出一個(gè)總指揮官。等打仗的時(shí)候，小兵聽(tīng)小隊(duì)長(zhǎng)命令，小隊(duì)長(zhǎng)聽(tīng)總指揮的命令，工程師只需把命令告訴總指揮，大家行動(dòng)起來(lái)整齊劃一。
此外，PCS 7還能和西門子工廠資產(chǎn)數(shù)字化管理系統(tǒng)COMOS高度集成。COMOS可以為包含工藝、電氣、儀表、自控、管道等業(yè)信息在內(nèi)的工廠資產(chǎn)建立統(tǒng)一的數(shù)字化模型，形成工廠的“數(shù)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(shè)備的信息都可以被存入一個(gè)統(tǒng)一的“檔案庫(kù)”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(tǒng)可以幫助我們把在一個(gè)成熟工廠中積累的經(jīng)驗(yàn)方便地應(yīng)用到下一個(gè)工廠的設(shè)計(jì)中。”凱賽知識(shí)管理副總裁臧慧卿說(shuō)道。
穩(wěn)定高效的生產(chǎn)
此外，西門子工廠智能運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)Simatic IT將在凱賽烏蘇生產(chǎn)基地竣工后，為其穩(wěn)定、高效生產(chǎn)提供保障。
Simatic IT系統(tǒng)就像嚴(yán)格的“老師”，將會(huì)每日按照生產(chǎn)計(jì)劃給工人下發(fā)電子工作指令，他們的工作質(zhì)量會(huì)被準(zhǔn)確評(píng)估并記錄在案。若是配料不完備或是種子培養(yǎng)沒(méi)有完成，生產(chǎn)都無(wú)法進(jìn)入下一階段。同時(shí)，生產(chǎn)中的很多工序都將被自動(dòng)化程序所替代。這對(duì)運(yùn)營(yíng)成本和出錯(cuò)率的降低都將起到積極的效應(yīng)。
數(shù)字化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反饋還直接提升了效率。凱賽技術(shù)副總裁李乃強(qiáng)形象地說(shuō)道：“我們?cè)谏a(chǎn)過(guò)程中有許多取樣檢測(cè)的步驟，檢測(cè)完成之后需要把結(jié)果反饋到生產(chǎn)中以調(diào)整工藝參數(shù)。這聽(tīng)上去很簡(jiǎn)單，但很可能車間距離檢測(cè)點(diǎn)之間有好幾公里，幾個(gè)來(lái)回之后數(shù)小時(shí)就浪費(fèi)了，對(duì)生產(chǎn)效率的影響不可小覷。數(shù)字化系統(tǒng)可以將檢測(cè)結(jié)果上傳至Simatic IT Unilab，再進(jìn)一步反饋到系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，可以幫助提高生產(chǎn)效率?！?/p>
此外，由于行業(yè)特殊性，生物制造對(duì)原料配方和工藝條件的保密性要求很嚴(yán)。過(guò)去，這些重要知識(shí)被一些熟練的操作工所掌握。如今，數(shù)字化技術(shù)幫助凱賽將工藝參數(shù)存儲(chǔ)于Simatic IT系統(tǒng)之中，系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)原料自動(dòng)匹配配方進(jìn)行生產(chǎn)。
一體化運(yùn)維
生產(chǎn)基地的設(shè)備管理和維護(hù)從來(lái)都不是一件輕松的工作。上千臺(tái)設(shè)備的信息錄入十分繁雜。
西門子COMOS和PCS 7的結(jié)合將幫助凱賽烏蘇生產(chǎn)基地實(shí)現(xiàn)工程和運(yùn)維的一體化。COMOS不但能根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)制定維護(hù)計(jì)劃，還使得工廠中任何一臺(tái)設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)都能夠被及時(shí)查找。
一旦出現(xiàn)設(shè)備故障，PCS 7立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，觸發(fā)COMOS生成維修工單并下發(fā)至相關(guān)人員，然后操作員按照預(yù)設(shè)流程進(jìn)行維護(hù)。故障修復(fù)后還會(huì)自動(dòng)生成電子存檔，做到記錄可追溯，問(wèn)題可查詢，為今后的維護(hù)工作提供依據(jù)，保證效率。
過(guò)去這樣的功能實(shí)現(xiàn)只能通過(guò)人工發(fā)現(xiàn)和調(diào)度才能完成。而完成這樣自動(dòng)觸發(fā)、自動(dòng)管理和記錄功能的前提是兩個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。一旦實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通之后，數(shù)據(jù)中隱含的價(jià)值被真正挖掘并釋放出來(lái)，大大提高運(yùn)行管理和維護(hù)人員的工作效率，確保系統(tǒng)可靠連續(xù)地運(yùn)行。
COMOS還和西門子智能運(yùn)營(yíng)平臺(tái)XHQ之間存在數(shù)據(jù)接口。XHQ系統(tǒng)集信息展示、溯源分析、趨勢(shì)預(yù)測(cè)等功能為一體，管理層可以通過(guò)該平臺(tái)了解到工廠資產(chǎn)的具體狀況，并與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以深層次挖掘工廠的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，從而起到輔助決策的作用。
劉修才感慨地說(shuō)：“我想通過(guò)凱賽的發(fā)展來(lái)證明三件事：一是生物技術(shù)能夠制造功能更好的材料；二是生物制造有機(jī)會(huì)比現(xiàn)在的石油化工成本更低；三是生物制造可以在一條生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)規(guī)模化。”
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