Adaptacyjna i zintegrowana platforma obliczeniowa na potrzeby realizacji procesów o zwiększonej intensywności w przemyśle chemicznym i biochemicznym
Zintegrowana platforma będąca sercem projektu została z powodzeniem zastosowana w czterech procesach przemysłowych. Jest wśród nich farmaceutyczny proces krystalizacji, dwa procesy polimeryzacji (w zawiesinie i zawiesinie odwróconej), proces utleniania organicznego z użyciem nadtlenku wodoru oraz produkcja i system oczyszczania przeciwciał monoklonalnych. Platforma ta umożliwiła realizację głównego celu projektu OPTICO, tj. optymalizację lub/i przeprojektowanie istniejących urządzeń oraz zaprojektowanie nowych modułowych urządzeń dla dynamicznych, adaptacyjnych i elastycznych procesów o zwiększonej intensywności. Główna innowacja opracowana w ramach projektu OPTICO polegała na zbudowaniu całkowicie zintegrowanej infrastruktury integracji procesów (PI), składającej się z narzędzi modelowania, symulowania, optymalizacji oraz kontroli, jak również narzędzi monitorowania bezpośredniego oraz analizy procesów używanych w różnorodnych zadaniach projektowania technologii wspomaganych komputerowo. „Integracja procesów jest główną ścieżką do rozwoju technologii, która może radykalnie poprawić zrównoważoność procesów chemicznych i biofarmaceutycznych poprzez zastąpienie istniejących nieefektywnych urządzeń przemysłowych nowymi, wydajnymi procesami", wyjaśnia koordynator projektu, prof. Costas Kiparissides. Integracja procesów może uwzględniać rozwój nowych urządzeń i metod produkcyjnych znacząco usprawniających zdolności wytwórcze i przetwórcze oraz przyczynić się do powstania bezpieczniejszych, wydajniejszych i tańszych procesów produkcyjnych. „Projekt OPTICO dążył do wykorzystania najnowszych rozwiązań w zakresie wieloskalowego modelowania systemów chemicznych i biochemicznych poprzez zintegrowanie modeli w różnych skalach długościowych i czasowych w jednolitą platformę obliczeniową", powiedział prof. Kiparissides. W ujęciu praktycznym projekt OPTICO za pomocą czterech technologii wspomagających wydobył i uwypuklił korzyści nowej platformy dla czterech wybranych procesów chemicznych/biochemicznych. Do wybranych procesów przemysłowych wdrożono internetowe czujniki w celu monitorowania jakości produktów w czasie rzeczywistym, a nad ich niezawodnością czuwały wdrożone, uzupełniające technologie czujników. Opracowano nowe podejścia do procesów kalibracji liniowej i korekcji odchyleń, tak aby uniknąć zawiłych przed- i poprodukcyjnych procedur kalibracji czujników. Po drugie, w ramach projektu do wybranych procesów przemysłowych wdrożono platformę technologii analizy procesów (PAT) umożliwiającą interpretację danych z czujnika, inferencjalną analizę i kontrolę kluczowych parametrów procesów, w tym rozkład rozmiarów cząsteczek/kryształów, morfologię, skład oraz stopień aglomeracji. Trzecia technologia wspomagająca składała się z wieloskalowych i wielofazowych bibliotek modeli do stymulacji wybranych procesów chemicznych/biofamaceutycznych. Biblioteki zawierały modele o różnych skalach czasowych i długościowych. Zastosowano również generyczną strukturę modułową umożliwiającą generowanie szeregu procesów bez modyfikowania opracowanych modeli bibliotek bądź przy wprowadzaniu do nich wyłącznie minimalnych zmian. Na koniec opracowano solidne narzędzie do modelowania sterowanego predykcyjnie (MPC) oraz funkcyjne/wieloparametryczne nieliniowe narzędzia sterowania procesem (NPC) w celu optymalizacji i kontroli wybranych procesów przemysłowych. W celu określenia optymalnych procedur kontroli zwiększających jakość produktu, poprawiających wydajność zakładu i ograniczających wadliwą produkcję wdrożono metody wydajnej optymalizacji dynamicznej oraz metody sterowania predykcyjnego. Projekt zakończył się dużym sukcesem. „Partnerzy przemysłowi rozpoczęli już komercjalizację najbardziej obiecujących wyników poprzez opracowanie nowych procesów i produktów o zwiększonej intensywności”, wyjaśnia prof. Kiparissides. W opracowaniu platformy w ramach projektu OPTICO wzięły udział dwa przedsiębiorstwa MŚP reprezentujące różne sektory przemysłowe (FIBRE PHOTONICS i CHROMACON). „Współpraca z przedsiębiorstwami z sektora MŚP jest bardzo ważna, gdyż stanowi motor do rozwoju nowych rynków i odgrywa kluczową rolę w opracowywaniu chemicznych i biochemicznych procesów o zwiększonej intensywności”, powiedział prof. Kiparssides. Prof. Kiparssides uważa, że integracja procesów przyniesie wymierne korzyści przedsiębiorstwom chemicznym i biochemicznym oraz że sukces projektu OPTICO umocni globalną pozycję Europy w zakresie tych kluczowych gałęzi przemysłu w sposób przyjazny dla środowiska.
Słowa kluczowe
OPTICO, zintegrowane ramy, modelowanie wieloskalowe, integracja procesów, PI, wydajność energetyczna, optymalizacja