Styring af gasdosering til bioteknologisk mikroalge-platform

Algeteknologierne udnytter solens enorme energiressourcer og absorberer CO₂ som led i økonomisk rentable, solenergidrevne løsninger, der bidrager til at dække verdens stigende energi-, fødevare- og vandbehov og til at finde en metode til CO₂-udnyttelse. Disse teknologier giver også en række muligheder inden for områderne kosttilskud og lægemidler. Centrets arbejde understøtter aktivt udviklingen af nye beskæftigelsesmuligheder, bæredygtig regional udvikling, eksportindustrien og en ren, grøn og bæredygtig fremtid.

Centret for solenergibaseret bioteknologi har flere pilotanlæg til produktion af mikro- og makroalger både inden- og udendørs. De er konstrueret til drift af højeffektive dyrkningssystemer i form af kar-, fladpanel-, rør- og airlift-bioreaktorer. Det omfatter også kontrol af forskellige bioreaktordesign og procesparametre samt kontrol og karakterisering af produktionsstammer.

Der findes allerede en omfattende infrastruktur, herunder CO₂ og trykluft med de tilhørende rørledninger og automatiseringsteknikker til drift af bioreaktorerne.

Modernisering af automatiseringen i en ældre bioreaktor

Det eksisterende indstillingssystem til de udendørs bioreaktorer var omkring 15 år gammelt, og centret havde fået tilbud på dyre opgraderingsmuligheder fra andre leverandører. Universitetet valgte, at få DSI-Tec til at opgradere anlægget med et nyt styringssystem. Sammen udarbejdede de et nyt styrings- og overvågningssystem til bioreaktorerne, som muliggør pH-styret CO₂-dosering og fjernstyret kalibrering af sensorerne. Det nye automatiseringssystem skulle indledningsvist implementeres i de indendørs produktionsanlæg, før det blev udvidet til også at omfatte de udendørs anlæg.

DSI-Tec undersøgte en række muligheder og leverandører af masseflowmålere og -regulatorer samt af andet nødvendigt udstyr, men pilen pegede hele tiden mod Bürkert.

Da valget var truffet, inviterede Bürkert David Horton, direktør for DSI-Tec, på besøg i Systemhaus Sydney for at gennemgå projektet helt ned i detaljen. Der skulle bruges specielle ventiler og instrumenter til styringssystemet, og laboratoriet ønskede et skræddersyet design til kommunikation med en Siemens S7-1200 platform via det eksisterende PROFINET-netværk. Indstillingssystemet skulle desuden være fremtidssikret, og designet skulle have mulighed for fremtidige opgraderinger med yderligere enheder.

Det første krav var, at der skulle bruges en transmitter til otte analoge pH-sonder. Til denne opgave leverede Bürkert to Bürkert multiCELL type 8619, begge med PROFINET, og fire pH-moduler. Til overvågning og styring sendes pH-værdien og andre diagnosedata direkte til PROFINET-netværket.

Det næste krav var, at der skulle leveres fem masseflowregulatorer (MFC’er) til luftdosering med mulighed for senere tilslutning af yderligere 20 MFC’er.

For at fremtidssikre anlægget til senere udvidelser leverede Bürkert fem af sine MFC’er baseret på Bürkerts egen Efficient Device Integration Platform (EDIP)-platform. Det gav en modulær opbygning, der gør det muligt at tilføje flere enheder afhængigt af applikationskravene. Bürkert gateway type ME43, der er konfigureret til PROFINET, har et interface til styringssystemet.

Data som flowhastighed, totalisering og medietemperatur registreres som standard. Yderligere data som driftstimer, sensorkalibreringsdata og sensortilstand kan om nødvendigt ekstraheres fra hver enkelt MFC. Fremtidige MFC’er vil blive integreret i netværket og konfigureret ved hjælp af Bürkert Communicator-software.

Kundespecifikke ventilknuder og huse opfylder kravene

Det tredje krav var, at der skulle bruges magnetventiler til CO₂-dosering. Til det formål har Bürkert leveret en blokløsning i rustfrit stål med et passende ventilsystem. Blokken blev udviklet på stedet, Bürkert byggede den selv i Australien og monterede den på en standardskinne i rustfrit stål, der gør den let at montere og vedligeholde. De fem ventiler styres direkte af Siemens-PLC’ens digitaludgange.

"Udfordringen for Bürkert var at få plads til løsningen på den begrænsede tilgængelige plads", fortæller Dean Bryant, National Segment Manager, Micro Fluidics & Gas Handling hos Bürkert Fluid Control Systems. "Vi valgte derfor et smalt, fritstående hus til alle MFC’er og ventiler."

Bürkert har HMI’er og kontaktskabe klar som en del af deres løsninger, og det gør det lettere at indbygge systemer på forskellige steder.

"Det færdige system bestod af en Siemens S7-1200 PLC/HMI-kombination med en PROFINET-master, der kommunikerer med de andre enheder via en Bürkert gateway ME43", tilføjede Bryant.

Der blev foretaget en fabriksafprøvning (FAT) i vores Sydney Systemhaus før ibrugtagningen. Det omfattede også sekvens- og tæthedskontrol. Bürkert bad universitetet og DSI-Tec om selv at udføre samtlige test igen på et fastlagt tidspunkt på monteringsstedet. Der blev monteret og tilsluttet yderligere pneumatiske skotforbindelser for at være forberedt på fremtidige MFC’er og ventilinstallationer.

Videreudvikling af UQ’s forskning

Det tætte samarbejde mellem UQ, Bürkert og DSI-Tec – fra konceptudformning til installation – sikrede, at projektet blev leveret præcist som ønsket, både rettidigt og uden at overskride budgettet. "Automatiseringsopgraderingen af det indendørs produktionsanlæg gør det nu muligt at foretage præcis fjernstyret kontrol af mikroalgekulturerne til produktion af biomasse af høj kvalitet, som efterfølgende anvendes til udvikling af biologiske, grønne lægemidler, fødevarer og nanomaterialer", fortæller dr. Juliane Wolf, forskningsmedarbejder og projektleder.

"Så snart vi opskalerer moderniseringen af automatiseringssystemet og inddrager vores udendørs produktion, reduceres vores produktionsomkostninger, og vi vil kunne udvide de grønne udviklinger til produktion af brændstof og økosystemtjenesteydelser."

"Vores inden- og udendørs pilotanlæg er afgørende for vores arbejde, og vi takker DSI-Tec og Bürkert for den professionelle og konstruktive hjælp samt levering af de automatiserede reguleringssystemer, vi har brug for i vores arbejde", udtaler professor Hankamer. "Dette system vil bringe vores F&U-arbejde op på et højere niveau i systemdesign og skalere det, så vi kan skabe vedvarende produkter og fremtidens arbejdspladser på en solenergibaseret produktionsbasis."

Bioreaktorprojektet ved UQ viser, hvor effektivt Bürkert kan integrere en industri-4.0-konform løsning. Bürkerts evne til at tilpasse sig til eksisterende systemer, krav og definerede platforme giver virksomheden en ekstra konkurrencefordel på markedet. Med sit lokale Systemhaus i Sydney, Australien, kan Bürkert tilbyde sine kunder praktisk rådgivning og testfaciliteter samt direkte adgang til sine eksperter inden for produktløsninger samt til sine teknik- og designteams.

Products

multiCELL – multikanal-/multifunktions-transmitter/-controller

Type 8619

• Direkte tilslutningsmulighed af de fleste flow-, pH/ORP-værdi, klor- og ledningsevne-sensorer
• Enkelt, intuitivt betjeningsinterface med stort grafikdisplay, justerbar baggrundsbelysning (4 brugerdefinerede visninger)
• Hardware med udvidelsesmuligheder (op til 6 frie indstikspladser)
• Industrial Ethernet (Modbus TCP, PROFINET eller EtherNet/IP) fås som ekstraudstyr
• Funktionsudvidelse ved hjælp af valgfri software

Feltbus-gateway

Type ME43

• Gateway til industrial ethernet- og feltbus-standarder
• Der kan overføres op til 128 indgangs- og 128 udgangsvariabler
• Lettere integrering i proces-styreniveau ved hjælp af systemspecifikke enhedsbeskrivelsesfiler
• "Batch Controller" til præcis dosering af væsker
• Højere anlægstilgængelighed med PROFINET S2 (systemredundans)

Masseflowregulator (MFC)/masseflowmåler (MFM) til gasser

Type 8741

• Nominelt flowområde på 0,010 lN/min. til 160 lN/min. (ifm. kvælstof)
• Høj måle- og gentagelsesnøjagtighed
• Meget hurtige reaktionstider
• Lettere udskiftning af apparater ved hjælp af konfigurationshukommelse
• Fås med: USP Class VI-, FDA-, EG 1935-overensstemmelse