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生物制造

明亮的商场橱窗里，精美的服饰排排林立。然而，驻足选购的人们可能从未想过，这些透气、吸湿、耐磨的衣物原料竟然可能来自于新疆广袤土地上生长的金黄玉米！

除服装之外，牙刷、汽车、电脑和手机等很多日常物品的制造都会用到一种名为聚酰胺的化学材料。

过去，聚酰胺只能通过化石原料合成。然而却有这样一家企业，能够利用微生物中的天然催化剂——生物酶，把玉米等可再生生物质中丰富的糖类分解、转化、重组，生成戊二胺并与二元酸组合，再经过进一步聚合“变”成生物基聚酰胺。它就是诞生于1997年的凯赛生物产业有限公司（凯赛）。

凯赛董事长兼执行官刘修才表示：“传统的石油化工工艺不但面临着资源枯竭的危机，生产过程中还会释放大量的二氧化碳，造成严重的环境污染。和化学法相比，生物制造具有原材料可再生、反应条件温和、绿色环保等诸多优势。”

20年的持续创新使凯赛已经实现了长链二元酸、生物丁醇、生物基戊二胺、生物基聚酰胺等多项新产品的大规模生产，但它前进的脚步从未停止。为了进一步提高生物制造的效率，凯赛与西门子在新疆乌苏携手打造了生物制造领域的数字化生产基地。

实现跨越

既然生物制造具有全方位的优势，那为何在过去很长一段时间里却都是石油化工一枝独秀呢？这是因为生物体太过复杂多样。这就像一把双刃剑——它们既能生成化学法无法合成的特种化学材料，且性能优越，但同时又会产生多种多样的代谢物，导致目标产物的收率太低。

以生产戊二胺的过程为例，当“喂给”微生物足够的“食物”后，除了能生成戊二胺，还会代谢出各种副产物，各种物质炖成一锅“大杂烩”，无法满足工业生产对戊二胺浓度和产量的要求。更糟糕的是，戊二胺的作用是加速生物体的腐烂，反而会毒害生产出来的细胞，从而进一步抑制了反应的进行。各种复杂因素的叠加，导致生产者必须将效率大幅提高，才能让生物法生产出的产品与化学法生产的同类产品一较高下，否则生物制造的成本会一直居高不下。

生物体本身奥妙无穷，人们很难完全掌握从玉米变成聚酰胺过程中所有复杂精妙的转化细节。但如果能从实验、筛选、试错过程中积累更多的数据，那么人们就可以从中找出不同菌种、不同反应条件和目标产物产出率之间的关系，从而提高生物反应的效率，实现根本性跨越。

“从大数据中发现相关性并找出指导生产的规律，这正是数字化技术的强项。这也是我们要在新疆乌苏建设数字化生产基地的原因。”刘修才说道，“我们在生物制造领域具有丰富的经验，但是要想实现数字化，就得和西门子这样的企业合作。通过软硬件的控制把整条生产链集成起来，自动收集、处理、分析数据，再将分析结果反馈于生产，进而提高生物制造的效率。我要的是脱胎换骨的制造力。”

这对西门子来说同样是不小的挑战。西门子过程工业与驱动集团流程工业行业总监徐一滨表示：“生物制造的生产过程反应复杂、连续性强，流程规范和保密性要求高。生产过程同时伴随着物理和化学变化，任何一个系统出现问题都会对生产造成影响。”

经过不懈努力，西门子终成为凯赛乌苏生产基地全生命周期数字化龙8国际官网点此进入的解决方案龙8国际官网点此进入的合作伙伴。投产后，乌苏基地预期能实现年产10万吨生物基聚酰胺、5万吨生物基戊二胺和3万吨长链二元酸。

研发提升

凯赛研发副总裁周豪宏的日常工作就像一个“微生物整形师”，把从大自然中找到的微生物改造成符合生产要求的反应器。

可是这样就能高枕无忧了吗？答案是否定的。就算是具有相同基因的双胞胎，在完全不同的生长环境下相貌也会存在较大差异。所以，为了激发出微生物的潜能，从实验室到工厂，研发人员需要对菌种和发酵条件进行三步筛选：首先是在平板中进行小试，然后将合适的菌种转移到摇瓶中进一步繁殖放大，还得在小型发酵罐中再进行试验。

大多数情况下，实验室里的小试结果可能很好，可是一旦进入生产可能就不及格了。研究人员一年试验50多万个样品，可能只有1个符合工业化生产的要求。为了寻找究竟是哪些关键因素影响到了这其中的变化，他们就必须不停重复筛选过程。

因此，凯赛选择了西门子sipat软件。sipat通过数字化分析，将帮助研究人员直接找到某些重要参数和产率之间的关联性，从而简化中间繁杂的筛选工作。 “这对研发效率提高预计有很大的帮助。” 周豪宏表示。

保证反应无中断

如果说每个微生物都是一个微型反应器，那么工厂就是汇聚了无数个微型反应器用来规模化生产的大型发生装置。与诸如生产汽车、电子设备等离散工业不同，生物制造的反应一旦开始，就无法中断，这就要求工厂的底层自动化系统必须做到无缝集成，而西门子的dcs控制系统simatic pcs 7则为过程工业的连续性生产提供了保障。

pcs 7具有分散控制、集中管理、安装方便、成本低以及维护管理智能化等特点。从控制上来说，这就好比原来系统里的各个设备是群龙无首的小兵，现在把小兵们编成小队，每个小队有个小队长，所有的小队又要选出一个总指挥官。等打仗的时候，小兵听小队长命令，小队长听总指挥的命令，工程师只需把命令告诉总指挥，大家行动起来整齐划一。

此外，pcs 7还能和西门子工厂资产数字化管理系统comos高度集成。comos可以为包含工艺、电气、仪表、自控、管道等业信息在内的工厂资产建立统一的数字化模型，形成工厂的“数字化双胞胎”，并贯穿工厂的全生命周期。这意味着工程阶段所有底层设备的信息都可以被存入一个统一的“档案库”里，既能妥善保存，又方便下次取用。

“我们期待使用西门子的comos系统可以帮助我们把在一个成熟工厂中积累的经验方便地应用到下一个工厂的设计中。”凯赛知识管理副总裁臧慧卿说道。

稳定高效的生产

此外，西门子工厂智能运营管理系统simatic it将在凯赛乌苏生产基地竣工后，为其稳定、高效生产提供保障。

simatic it系统就像严格的“老师”，将会每日按照生产计划给工人下发电子工作指令，他们的工作质量会被准确评估并记录在案。若是配料不完备或是种子培养没有完成，生产都无法进入下一阶段。同时，生产中的很多工序都将被自动化程序所替代。这对运营成本和出错率的降低都将起到积极的效应。

数字化系统的实时反馈还直接提升了效率。凯赛技术副总裁李乃强形象地说道：“我们在生产过程中有许多取样检测的步骤，检测完成之后需要把结果反馈到生产中以调整工艺参数。这听上去很简单，但很可能车间距离检测点之间有好几公里，几个来回之后数小时就浪费了，对生产效率的影响不可小觑。数字化系统可以将检测结果上传至simatic it unilab，再进一步反馈到系统中进行实时控制，可以帮助提高生产效率。”

此外，由于行业特殊性，生物制造对原料配方和工艺条件的保密性要求很严。过去，这些重要知识被一些熟练的操作工所掌握。如今，数字化技术帮助凯赛将工艺参数存储于simatic it系统之中，系统将会根据原料自动匹配配方进行生产。

一体化运维

生产基地的设备管理和维护从来都不是一件轻松的工作。上千台设备的信息录入十分繁杂。

西门子comos和pcs 7的结合将帮助凯赛乌苏生产基地实现工程和运维的一体化。comos不但能根据设备的运行状态自动制定维护计划，还使得工厂中任何一台设备的相关数据都能够被及时查找。

一旦出现设备故障，pcs 7立即发出报警信号，触发comos生成维修工单并下发至相关人员，然后操作员按照预设流程进行维护。故障修复后还会自动生成电子存档，做到记录可追溯，问题可查询，为今后的维护工作提供依据，保证效率。

过去这样的功能实现只能通过人工发现和调度才能完成。而完成这样自动触发、自动管理和记录功能的前提是两个系统的数据互联互通。一旦实现数据的互联互通之后，数据中隐含的价值被真正挖掘并释放出来，大大提高运行管理和维护人员的工作效率，确保系统可靠连续地运行。

comos还和西门子智能运营平台xhq之间存在数据接口。xhq系统集信息展示、溯源分析、趋势预测等功能为一体，管理层可以通过该平台了解到工厂资产的具体状况，并与历史数据进行对比，以深层次挖掘工厂的运营状态，从而起到辅助决策的作用。

刘修才感慨地说：“我想通过凯赛的发展来证明三件事：一是生物技术能够制造功能更好的材料；二是生物制造有机会比现在的石油化工成本更低；三是生物制造可以在一条生产线上实现规模化。”