• Facebook
  • Instagram
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Link til Klimateknologi

Kemiteknik21. 02. 2023 | heidit

Digitalisering af forskning og undervisning på DTU Kemiteknik

Kemiteknik21. 02. 2023 By heidit

Digitalisering er et af de tre hovedmål i Danmarks Tekniske Universitets (DTU) strategi 2020-2025 og er derfor også et vigtigt fokusområde på DTU Kemiteknik (DTU KT).

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 23 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Læs originalartiklen her

Af Jochen A.H. Dreyer1, Mark N. Jones2, Julian Kager1, Steen Larsen1, John M. Woodley1, Kim Dam-Johansen1 og Jakob K. Huusom1

1 DTU Kemiteknik
2 Molecular Quantum Solutions ApS

Vi er midt i den fjerde industrielle revolution, og vigtigheden af data er støt stigende. Samtidig vinder nye digitale værktøjer til undervisning indpas. Denne tendens blev forstærket under covid-19-pandemien, men går langt ud over onlineforelæsninger eller videopræsentationer.
DTU KT’s faciliteter og pilotanlæg tilbyder et ideelt miljø til at udvikle og verificere effekten af nye værktøjer inden for digitalisering i grænsefladen mellem laboratorieforskning og industrielle processer. Faciliteterne anvendes til både forskning og uddannelse. Disse unikke pilotfaciliteter har udviklet sig gennem årtier og omfatter mange traditionelle enhedsoperationer inden for kemi, bioteknologi, fødevarer, medicin og energi (for eksempel membran, destillation, absorption, tørring, krystallisationsprocesser etc.).
Senest er der i forbindelse med projektet Fermentation based Bio Manufacturing (finansieret af Novo Nordisk Fonden) etableret moderne pilotanlæg til opskalering og test af fermenteringsprocesser og de tilhørende oprensningsprocesser. Det inkluderer et dedikeret GMO Klasse I storskala pilotanlæg til arbejde med genetisk modificerede organismer.
Data fra de >30 forskellige enheder udgør et betydeligt potentiale for nye anvendelser, såfremt de behandles og lagres optimalt, og nye digitale undervisningsværktøjer giver helt særlige muligheder for at optimere læringsmiljøet. Formålet med denne artikel er at opsummere resultater fra arbejdet igennem de seneste to år med henblik på at digitalisere dele af forskning og undervisning i DTU KT’s pilotanlæg. Digitaliseringsprojektet er initieret med tre hjørnestene, og artiklen er struktureret herefter: virtual reality til undervisning; webbaserede brugergrænseflader til drift af enhedsoperationer; samt datalagring og databehandling.

Virtual reality til undervisning
Målet med Pilot Plants virtual reality-miljø (VR) har været at supplere det fysiske miljø med tidssvarende anvendelse af digitale værktøjer til brug i uddannelsen af næste generation af kemiingeniører. Værktøjerne kan effektivisere de studerendes forberedelse til de praktiske øvelser og guide dem gennem processen med at betjene de enkelte enhedsoperationer. Resultatet er en bedre visuel forståelse af udstyr, procedurer, analyser og sikkerhedsaspekter.
Et skærmbillede af VR-startskærmen kan ses i figur 1. VR består af 360° billeder, interaktive knapper og indlejrede instruktionsvideoer og animationer. Vores projektpartner MediaMedic ApS skabte 3D-modeller af vores proceshaller og flere enhedsoperationer. Disse modeller blev derefter brugt til at skabe og gengivne animationer og 360° billeder (figur 2). Dette indhold kombineres med videooptagelser og lydinstruktioner og er struktureret til at følge de nødvendige trin for at gennemføre de praktiske øvelser.
Pilot Plant VR-miljøet er frit tilgængeligt, og den interesserede læser er velkommen til at prøve det. Man skal blot downloade Present4D-applikationen fra https://present4d.com/en/download/ eller app-butikken på en mobilenhed. Når applikationen kører (figur 1), skal man  indtaste portalnøglen tyj-qjn og downloade VR-miljøet til enhedsoperationerne af interesse. Yderligere information kan findes i en nylig publikation [1].

Webbaserede brugergrænseflader til procesdrift
Traditionelt foregår driften af vores eksperimentelle opstillinger via et lokalt kontrolpanel eller en computer. Brugergrænsefladen var et internt udviklet LabVIEW-program eller noget software leveret af leverandørerne af de enkelte anlæg.
Sådan en traditionel digital infrastruktur har flere ulemper. Operatøren skal gøre sig bekendt med en bred vifte af brugergrænseflader. Alle data, der registreres under eksperimenterne, vil kun blive gemt lokalt, og dataanalyse kræver betydelig forbehandling på grund af forskellige filstrukturer og formater. Selv hvis alle de genererede data ville blive indsamlet, ville nytten være begrænset, da afgørende information om eksperimentet kun registreres i analoge laboratorie-notesbøger.
Den nye digitale infrastruktur udviklet i Pilot Plant erstatter det lokale kontrolsystem med et state-of-the-art styrings- og dataindsamlingssystem (SCADA, se figur 3). Helt konkret udveksler alle enheder, der er en del af SCADA, data med en central server, der anvender WinCC Unified (Siemens). De brugergrænseflader, der genereres i WinCC Unified, er tilgængelige via en webbrowser, så enhederne kan betjenes fysisk i pilot-hallerne fra en håndbåren ”tablet”, mens de også overvåges fra en kontor-pc. Layout af brugergrænsefladen er identisk for alle enheder. Hver enhed har en dedikeret ”fane” til registrering af metadata, dvs. enhver information, der ellers ville være skrevet i en analog laboratorie-notesbog. Alle data (målinger, styresignaler, metadata) sendes automatisk til en centraliseret ”server/cloud” gennem en IoT gateway (vNode) og gemmes i en SQL-database. Data kan efter endte eksperimenter ekstraheres i for eksempel CSV-format til brug i Excel eller anden databehandlingssoftware.

Datalagring og behandling
For at udvikle en skalerbar og /fremtidssikret ”data science” infrastruktur for vores forsknings- og øvelsesdata fra Pilot Plant, har vi etableret en dedikeret server som central ”data lake” [2]. For kort at opsummere nogle af de tekniske detaljer, så er serveren af typen Kubernetes (K8s) og alle softwareapplikationer organiseres i Docker-containere. Brugeradministration og softwareimplementering udføres gennem GitLab.
Data er nøglen til at kunne anvende avanceret programmel til at opbygge forståelse for processerne (for eksempel maskinlæring, kunstig intelligens, procesoptimering, osv.), og korrekt datalagring til fremtidig brug er derfor yderst vigtig. Projektet har derfor haft særlig fokus på udviklingen af SQL-databasen og strukturen af de indbyrdes forbundne tabeller til kategorisering af data. I sin nuværende form består databasen af 12 tabeller med visse gensidige relationer. Denne struktur muliggør avanceret søgning af data på tværs af udstyr eller eksperimenter. 
Data kan herefter anvendes på alle tænkelige måder. For eksempel Grafana kan bruges til avanceret datavisualisering, Python-scripts kan udvikles i JupyterHub til at analysere data, automatisere eksperimenter eller anvende kunstig intelligens gennem KubeFlow. Det er selvfølgelig også muligt at udvikle dedikerede programmer/applikationer såsom digitale tvillinger.

Konklusioner og udsigter
I løbet af de seneste to år er der sket store fremskridt i digitaliseringen af Pilot Plant-faciliteterne på DTU KT. Virtual reality-platformen er blevet godt modtaget af vore danske og internationale studerende (figur 4). I løbet af de kommende måneder vil det didaktiske udbytte af det nye VR-miljø blive evalueret, for eksempel til vurdering af om de studerende i praksis er bedre forberedte, når de skal udføre deres praktiske eksperimenter, om der kræves mindre lærersupervision under øvelserne og om de studerende opnår en dybere forståelse af den enkelte øvelse.
SCADA-brugergrænsefladen er i fuld drift og blev også godt modtaget (figur 4). De studerende sætter pris på at arbejde med en intuitiv og moderne brugergrænseflade på en ”tablet”. Fordelene ved at have et centralt datalager og en webbaseret brugergrænseflade har allerede vist sig.
Serveren til data er klar til brug, og tiden vil vise, hvordan forskellige studerende og forskere vil bruge indholdet. Der er nu enestående muligheder for at akkumulere data til en stadig dybere forståelse af kemiske enhedsoperationer.
Endelig vil nye veje relateret til digitalisering blive udforsket i fremtiden. For eksempel kunne de genererede 3D-modeller af nogle enhedsoperationer bruges til mere interaktive virtuelle eksperimenter eller ”gamification” af øvelserne. Selvstudier er ved at blive konfigureret for at lette instruktionen til anvendelse af data, og nogle af værktøjerne (SQL, Python osv.) kan snart blive integreret i undervisningen. Nye værktøjer til udvikling af virtuelle laboratorieture eller -udflugter udforskes også baseret på avancerede 3D 360°-fotos og -videoer, eksempler kan findes i fotosektionen på DTU KT’s Google Maps-side.
Pilot Plant er opsat på at indlede samarbejder inden for digitalisering med industrielle og akademiske partnere, så tag endelig kontakt, hvis denne artikel fangede din interesse.

Sponsorer
Tak for økonomisk støtte fra Novo Nordisk Fonden som en del af Fermentation-based Biomanufacturing Initiative (FBM), bevillingsnummer: NNF17SA0031362.

E-mail:
Jochen A.H. Dreyer: jodre@kt.dtu.dk

Referencer
1. DE Carberry, K Bagherpour, C Beenfeldt, JM Woodley, SS Mansouri, MP Andersson (2023) A roadmap for designing eXtended reality tools to teach unit operations in chemical engineering: Learning theories & shifting pedagogies, Digital Chem. Eng., 6, 100074.
2. MN Jones, M Stevnsborg, RF Nielsen, D Carberry, K Bagherpour, SS Mansouri, S Larsen, KV Gernaey, JAH Dreyer, J Woodley, JK Huusom, K Dam-Johansen (2022) Pilot Plant 4.0: A review of digitalization efforts of the Chemical and Biochemical Engineering Department at the Technical University of Denmark (DTU), Comput.-Aided Chem. Eng., 49, 1525-1530.

Skrevet i: Kemiteknik

 
 

Seneste nyt fra redaktionen

Højere hastigheden og mindre kompleksiteten skal sikre den europæiske konkurrenceevne

AktueltBranchenyt27. 03. 2023

Skal man koge det ned til ganske få ord, vil EU have mindre bøvl omkring sagsbehandlingerne. Det stod klat efter EU’s stats- og regeringschefer blev enige om, at man vil gøre reguleringen mere enkel og sagsbehandlingen i EU, mens hastigheden for sagsbehandlingen skal op i de enkelte

Dansk-tysk aftale er første skridt på vejen til en brintrørledning på tværs af grænsen

Energi24. 03. 2023

Brint og Power-to-X er set som værende en af de helt store teknologier i en mere grøn fremtid med vedvarende energi. For at det skal lykkedes, skal man have opbygget en infrastruktur, der kan håndtere fx brinten. Og det nu er første skridt taget til en fremtidig brintrørledning mellem Danmark og

Prisvindende gymnasielærer er fanatisk omkring STEM-fagene på den positive måde

BranchenytTop24. 03. 2023

Man forbinder det sjældent med noget godt, når folk er fanatiske, men i tilfældet med gymnasielærer Klaus Møller Kristensen fra Tradium Teknisk Gymnasium i Randers forholder det sig anderledes. For selv om han betegner sig som fanatisk omkring STM-fagene, er det på en så positiv måde, at han har

Pas på ramløgens giftige familiemedlemmer – de kan i værste fald være dødelige

AktueltMedicinalkemi23. 03. 2023

Med forårets komme er den populære urt ramsløg ved at titte frem i de danske skove. Og der er intet forgjort ved at tilsætte den til sin mad. Men man skal passe på, for den velsmagende urt har en giftig fætter - eller to. Den mest kendte er liljekonval. Planten indeholder en række toxiner, men

Hestebønner

Så er det lykkedes – afkodning af det gigantiske hestebønnegenom er gennemført

FødevarekemiKlima og miljøTop17. 03. 2023

Den proteinrige hestebønne anses for at have en lovende fremtid som fødevare. Den største udfordring hidtil har været, at hestebønnegenomet er så stort og komplekst, at det ikke har været muligt at karakterisere det. Det største kromosom i hestebønnegenomet svarer til hele det humane genom. Uden

Danmark er en blød mellemvare på ranglisten over kvindelige opfindere

AktueltBranchenyt17. 03. 2023

En europæiske liste over patentansøgninger viser det tydeligt. Danske opfindelser er udtænkt af mænd. Kun ved én ud af ti danske patentansøgninger står en kvinde bag, og det gør Danmark i bedste fald en blød mellemvare på det område. Det lave antal kvindelige opfindere i forhold til antal mænd,

Pulje med midler til grøn bioraffinering er blevet løbet over ende

AktueltBioteknologi17. 03. 2023

Interessen for at komme i gang med bioraffinering er stor. Så stor, at en pulje, der har midler som kan støtte op om udviklingen af teknologien, er blevet løbet over ende. Puljen rummer 5 mio. kr. til uddeling i 2022, 2023 og 2024, og i år har Landbrugsstyrelsen modtaget ansøgninger om tilskud

Bedre forståelse af den græske Ouzo-effekt kan på sigt føre til bedre emulsioner

KemiteknikMedicinalkemi17. 03. 2023

Nogle kalder drikken Ouzo for Grækenland på flaske, men den anissmagende græske brændevin, der er landets nationaldrik, gemmer også på en hemmelighed, der på sigt kan føre til bedre emulsioner. Normalt er Ouzo en klar væske, men når den blandes med vand forvandles den til en mælkehvid opløsning.

Lettere adgang til supercomputere rummer store perspektiver for dansk forskningsmiljø

Branchenyt16. 03. 2023

Bedre medicin, klimaoptimeret byggeri og mere viden om fjerne galakser. Mulighederne er store, når man har den massive regnekraft fra supercomputere til rådighed. Og dem får forskere nu lettere adgang til takket være DeiC Integration Portal. Bag initiativet til den nye portal står The Danish

Hvordan fungerer en LED-lyskilde?

Energi16. 03. 2023

LED-lys har i de seneste år taget verden med storm og har vundet popularitet som en energieffektiv, holdbar og alsidig form for belysning. Men hvad er kemien bag LED-lys? LED (Light Emitting Diode) fungerer ved hjælp af en halvleder, der er placeret mellem to ledende materialer. Når en elektrisk

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • DENIOS ApS

    Sådan sparer du rengøringen efter vedligeholdelsesarbejde

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Sikker køling af salat takket være vakuumteknologi

  • Metrohm Nordic

    Kom med på IC-kursus med Metrohm!

  • MD Scientific

    Shodex polymer-baserede HPLC kolonner – se det nye katalog

  • Mikrolab Aarhus A/S

    Kom til Mikrolab Seminardag d. 25 april!

  • Kem-En-Tec Nordic

    ANB Sensors går i partnerskab med Kem-En-Tec Nordic A/S i distributionen af nye, revolutionerende pH sensorer i Danmark, Sverige, Norge og Finland

  • DENIOS ApS

    Øg sikkerheden ved dit opsamlingskar med tre små justeringer

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Vakuum bevarer den gode smag

  • Metrohm Nordic

    NIRS DS2500 Analyzers – til polymerer, petrokemi, kemikalier, pharma, palmeolie, produkter til personlig pleje m.m.

  • DENIOS ApS

    35 krav du ikke må misse, når du opbevarer gasflasker udendørs

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Højere hastigheden og mindre kompleksiteten skal sikre den europæiske konkurrenceevne

    27.03.2023

  • Dansk-tysk aftale er første skridt på vejen til en brintrørledning på tværs af grænsen

    24.03.2023

  • Prisvindende gymnasielærer er fanatisk omkring STEM-fagene på den positive måde

    24.03.2023

  • Pas på ramløgens giftige familiemedlemmer – de kan i værste fald være dødelige

    23.03.2023

  • Så er det lykkedes – afkodning af det gigantiske hestebønnegenom er gennemført

    17.03.2023

  • Danmark er en blød mellemvare på ranglisten over kvindelige opfindere

    17.03.2023

  • Pulje med midler til grøn bioraffinering er blevet løbet over ende

    17.03.2023

  • Bedre forståelse af den græske Ouzo-effekt kan på sigt føre til bedre emulsioner

    17.03.2023

  • Lettere adgang til supercomputere rummer store perspektiver for dansk forskningsmiljø

    16.03.2023

  • Hvordan fungerer en LED-lyskilde?

    16.03.2023

  • Danske forskere på vej med en løsning til at fjerne og nedbryde PFAS i ét trin

    15.03.2023

  • Millionbevillig til patentvoucherordning skal give flere blod på tanden

    15.03.2023

  • Minister vil teste for næsten dobbelt så mange PFAS-stoffer i drikkevandet

    15.03.2023

  • Nyt sekventeringsudstyr til SDU efter million-bevilling fra A.P. Møller Fonden

    15.03.2023

  • Den er god nok – gigtramte kan godt forudsige omskift i vejret

    14.03.2023

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik