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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(jī)等很多日常物品的制造都會用到一種名為聚酰胺的化學(xué)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(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)過程中還會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?！?/p>

20年的持續(xù)創(chuàng)新使凱賽已經(jīng)實現(xiàn)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(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。

實現(xiàn)跨越

既然生物制造具有全方位的優(yōu)勢，那為何在過去很長一段時間里卻都是石油化工一枝獨(dú)秀呢？這是因為生物體太過復(fù)雜多樣。這就像一把雙刃劍——它們既能生成化學(xué)法無法合成的特種化學(xué)材料，且性能優(yōu)越，但同時又會產(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，還會代謝出各種副產(chǎn)物，各種物質(zhì)燉成一鍋“大雜燴”，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)對戊二胺濃度和產(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，反而會毒害生產(chǎn)出來的細(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(fù)雜精妙的轉(zhuǎn)化細(xì)節(jié)。但如果能從實驗、篩選、試錯過程中積累更多的數(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。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?！眲⑿薏耪f道，“我們在生物制造領(lǐng)域具有豐富的經(jīng)驗，但是要想實現(xiàn)數(shù)字化，就得和西門子這樣的企業(yè)合作。通過軟硬件的控制把整條生產(chǎn)鏈集成起來，自動收集、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。”

這對西門子來說同樣是不小的挑戰(zhàn)。西門子過程工業(yè)與驅(qū)動集團(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)過程同時伴隨著物理和化學(xué)變化，任何一個系統(tǒng)出現(xiàn)問題都會對生產(chǎn)造成影響?！?/p>

經(jīng)過不懈努力，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)期能實現(xiàn)年產(chǎn)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(fā)提升

凱賽研發(fā)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(chǎn)要求的反應(yīng)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(huán)境下相貌也會存在較大差異。所以，為了激發(fā)出微生物的潛能，從實驗室到工廠，研發(fā)人員需要對菌種和發(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。

大多數(shù)情況下，實驗室里的小試結(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50多萬個樣品，可能只有1個符合工業(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)篩選過程。

因此，凱賽選擇了西門子SIPAT軟件。SIPAT通過數(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，從而簡化中間繁雜的篩選工作。 “這對研發(fā)效率提高預(yù)計有很大的幫助。” 周豪宏表示。

保證反應(yīng)無中斷

如果說每個微生物都是一個微型反應(yīng)器，那么工廠就是匯聚了無數(shù)個微型反應(yīng)器用來規(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)一旦開始，就無法中斷，這就要求工廠的底層自動化系統(tǒng)必須做到無縫集成，而西門子的DCS控制系統(tǒng)Simatic PCS 7則為過程工業(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。從控制上來說，這就好比原來系統(tǒng)里的各個設(shè)備是群龍無首的小兵，現(xiàn)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(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統(tǒng)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(tǒng)可以幫助我們把在一個成熟工廠中積累的經(jīng)驗方便地應(yīng)用到下一個工廠的設(shè)計中?！眲P賽知識管理副總裁臧慧卿說道。

穩(wěn)定高效的生產(chǎn)

此外，西門子工廠智能運(yùn)營管理系統(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”，將會每日按照生產(chǎn)計劃給工人下發(fā)電子工作指令，他們的工作質(zhì)量會被準(zhǔn)確評估并記錄在案。若是配料不完備或是種子培養(yǎng)沒有完成，生產(chǎn)都無法進(jìn)入下一階段。同時，生產(chǎn)中的很多工序都將被自動化程序所替代。這對運(yùn)營成本和出錯率的降低都將起到積極的效應(yīng)。

數(shù)字化系統(tǒng)的實時反饋還直接提升了效率。凱賽技術(shù)副總裁李乃強(qiáng)形象地說道：“我們在生產(chǎn)過程中有許多取樣檢測的步驟，檢測完成之后需要把結(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(shù)小時就浪費(fèi)了，對生產(chǎn)效率的影響不可小覷。數(shù)字化系統(tǒng)可以將檢測結(jié)果上傳至Simatic IT Unilab，再進(jìn)一步反饋到系統(tǒng)中進(jìn)行實時控制，可以幫助提高生產(chǎn)效率。”

此外，由于行業(yè)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(yán)。過去，這些重要知識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)存儲于Simatic IT系統(tǒng)之中，系統(tǒng)將會根據(jù)原料自動匹配配方進(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)從來都不是一件輕松的工作。上千臺設(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)自動制定維護(hù)計劃，還使得工廠中任何一臺設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)都能夠被及時查找。

一旦出現(xiàn)設(shè)備故障，PCS 7立即發(fā)出報警信號，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(hù)工作提供依據(jù)，保證效率。

過去這樣的功能實現(xiàn)只能通過人工發(fā)現(xiàn)和調(diào)度才能完成。而完成這樣自動觸發(fā)、自動管理和記錄功能的前提是兩個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。一旦實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通之后，數(shù)據(jù)中隱含的價值被真正挖掘并釋放出來，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)營平臺XHQ之間存在數(shù)據(jù)接口。XHQ系統(tǒng)集信息展示、溯源分析、趨勢預(yù)測等功能為一體，管理層可以通過該平臺了解到工廠資產(chǎn)的具體狀況，并與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以深層次挖掘工廠的運(yùn)營狀態(tài)，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(fā)展來證明三件事：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)線上實現(xiàn)規(guī)?；??！?/p>