生物製造zào

明亮的商場櫥窗裏lǐ，精美的服飾排排林立lì。然而ér，駐足選購的人們可能從未想過guò，這些透氣qì、吸溼shī、耐磨的衣物原料竟然可能來自於新疆廣袤土地上生長的金黃玉米mǐ！

除服裝之外wài，牙刷shuā、汽車chē、電腦和手機等很多日常物品的製造都會用到一種名爲聚酰胺的化學材料liào。

過去qù，聚酰胺只能通過化石原料合成chéng。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jì——生物酶méi，把玉米等可再生生物質中豐富的糖類分解jiě、轉化huà、重組zǔ，生成戊二胺並與二元酸組合hé，再經過進一步聚合hé“變biàn”成生物基聚酰胺àn。它就是誕生於yú1997年的凱賽生物產業有限公司sī（凱賽sài）。

凱賽董事長兼執行官劉修才表示shì：“傳統的石油化工工藝不但面臨着資源枯竭的危機jī，生產過程中還會釋放大量的二氧化碳tàn，造成嚴重的環境污染rǎn。和化學法相比bǐ，生shēng物製造具有原材料可再生、反應條件溫和hé、綠色環保等諸多優勢shì。”

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

實現跨越yuè

既然生物製造具有全方位的優勢shì，那爲何在過去很長一段時間裏卻都是石油化工一枝獨秀呢ne？這是因爲生物體太過複雜多樣yàng。這就像一把雙刃劍jiàn——它們既能生成化學法無法合成的特種化學材料liào，且性能優越yuè，但同時又會產生多種多樣的代謝物wù，導致目標產物的收率太低dī。

以生產戊二胺的過程爲例lì，當dāng“餵給gěi”微生物足夠的de“食物wù”後hòu，除了能生成戊二胺àn，還會代謝出各種副產物wù，各種物質燉成一鍋guō“大雜燴huì”，無法滿足工業生產對戊二胺濃度和產量的要求qiú。更糟糕的是shì，戊二胺的作用是加速生物體的腐爛làn，反而會毒害生產出來的細胞bāo，從而進一步抑制了反應的進行xíng。各種複雜因素的疊加jiā，導致生產者必須將效率大幅提高gāo，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xià，否則生物製造的成本會一直居高不下xià。

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

“從大數據中發現相關性並找出指導生產的規律lǜ，這正是數字化技術的強項xiàng。這也是我們要在新疆烏蘇建設數字化生產基地的原因yīn。”劉修才說道dào，“我們在生物製造領域具有豐富的經驗yàn，但是要想實現數字化huà，就得和西門子這樣的企業合作zuò。通過軟硬件的控制把整條生產鏈集成起來lái，自動收集jí、處理lǐ、分析數據jù，再將分析結果反饋於生產chǎn，進而提高生物製造的效率lǜ。我要的是脫胎換骨的製造力lì。”

這對西門子來說同樣是不小的挑戰zhàn。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shì：“生物製造的生產過程反應複雜zá、連續性強qiáng，流程規範和保密性要求高gāo。生產過程同時伴隨着物理和化huà學變化，任何一個系統出現問題都會對生產造成影響xiǎng。”

經過不懈努力lì，西門子終成爲凱賽烏蘇生產基地全生命週期數字化解決方案合作伙伴bàn。投產後hòu，烏蘇基地預期能實現年產chǎn10萬噸生物基聚酰胺àn、5萬噸生物基戊二胺和hé3萬噸長鏈二元酸suān。

研發提升shēng

凱賽研發副總裁周豪宏的日常工作就像一個gè“微生物整形師shī”，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qì。

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

大多數情況下xià，實驗室裏的小試結果可能很好hǎo，可是一旦進入生產可能就不及格了le。研究人員一年試驗yàn50多萬個樣品pǐn，可能只有yǒu1個符合工業化生產的要求qiú。爲了尋找究竟是哪些關鍵因素影響到了這其中的變化huà，他們就必須不停重複篩選過程chéng。

因此cǐ，凱賽選擇了西門子ziSIPAT軟件jiàn。SIPAT通過數字化分析xī，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xìng，從而簡化中間繁雜的篩選工作zuò。 “這對研發效率提高預計有很大的幫助zhù。” 周豪宏表示shì。

保證反應無中斷duàn

如果說每個微生物都是一個微型反應器qì，那麼工廠就是匯聚了無數個微型反應器用來規模化生產的大型發生裝置zhì。與諸如生產汽車chē、電子設備等離散工業不同tóng，生物製造的反應一旦開始shǐ，就無法中斷duàn，這就要求工廠的底層自動化系統必須做到無縫集成chéng，而西門子的deDCS控制系統tǒngSimatic PCS 7則爲過程工業的連續性生產提供了保障zhàng。

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

此外wài，PCS 7還能和西門子工廠資產數字化管理系統tǒngCOMOS高度集成chéng。COMOS可以爲包含工藝yì、電氣qì、儀表biǎo、自控kòng、管道等業信息在內的工廠資產建立統一的數字化模型xíng，形成工廠的de“數字化雙胞胎tāi”，並貫穿工廠的全生命週期qī。這意味着工程階段所有底層設備的de信息都可以被存入一個統一的“檔案庫kù”裏lǐ，既能妥善保存cún，又方便下次取用yòng。

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

穩定高效的生產chǎn

此外wài，西門子工廠智能運營管理系統tǒngSimatic IT將在凱賽烏蘇生產基地竣工後hòu，爲其穩定dìng、高效生產提供保障zhàng。

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

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

此外wài，由於行業特殊性xìng，生物製造對原料配方和工藝條件的保密性要求很嚴yán。過去qù，這些重要知識被一些熟練的操作工所掌握wò。如今jīn，數字化技術幫助凱賽將工藝參數存儲於yúSimatic IT系統之中zhōng，系統將會根據原料自動匹配配方進行生產chǎn。

一體化運維wéi

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

西門子ziCOMOS和héPCS 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huà。COMOS不但能根據設備的運行狀態自動制定維護計劃huà，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zhǎo。

一旦出現設備故障zhàng，PCS 7立即發出報警信號hào，觸發fāCOMOS生成維修工單並下發至相關人員yuán，然後操作員按照預設流程進行維護hù。故障修復後還會自動生成電子存檔dàng，做到記錄可追溯sù，問題可查詢xún，爲今後的維護工作提供依據jù，保證效率lǜ。

過去這樣的功能實現只能通過人工發現和調度才能完成chéng。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的數據互聯互通tōng。一旦實現數據的互聯互通之後hòu，數據中隱含的價值被真正挖掘並釋放出來lái，大大提高運行管理和維護人員的工作效率lǜ，確保系統可靠連續地運行xíng。

COMOS還和西門子智能運營平臺táiXHQ之間存在數據接口kǒu。XHQ系統集信息展示shì、溯源分析xī、趨勢預測等功能爲一體tǐ，管理層可以通過該平臺瞭解到工廠資產的具體狀況kuàng，並與歷史數據進行對比bǐ，以深層次挖掘工廠的運營狀態tài，從而起到輔助決策的作用yòng。

劉修才感慨地說shuō：“我想通過凱賽的發展來證明三件事shì：一是生物技術能夠製造功能更好的材料liào；二是生物製造有機會比現在的石油化工成本更低dī；三是生物製造可以在一條生產線上實現規模化huà。”