Iværksættervirksomheden ParticleTech arbejder på at skabe et måleinstrument baseret på billedteknologi, der i realtid kan støtte industrien til at forbedre deres procesoptimering. Dermed åbner der sig en anderledes fremtid for fødevare-, medicinal- og biotekindustrien: Billedanalyse til procesmonitorering.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2018 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.
Af Evangelia Koumaditi1, Camilla Nørskov Laursen1, Nasrin Arjomand Kermani5, Martin Gottlieb Bech3, Trine Aabo Andersen1, Jesper Bryde-Jacobsen2, Krist V. Gernaey4 og Seyed Soheil Mansouri4
1 ParticleTech
2 BIOPRO
3 Creator Engineering
4 PROSYS Forskningscenter, Institut for Kemiteknik, DTU
5 DTU Mekanik, Institut for Mekanisk Teknologi, DTU
Fødevare-, medicinal- og biotekindustrien fremstiller produkter af høj værdi, der har stor betydning for næsten alle områder i vores dagligdag. Proces- og omkostningseffektivitet er væsentlige faktorer for, at industrien kan møde de høje krav den stilles overfor og leve op til gældende mål for bæredygtighed.
Industrien har derfor brug for værktøjer, der kan give en bedre forståelse for dens processer, så man derigennem kan identificere eksisterende flaskehalse og sætte ind med procesforbedringer.
Teknologiske fremskridt har ført til udvikling af avanceret måle- og analyseudstyr. En ny teknologi baseret på billedanalyse i realtid står således snart klar som det innovative resultat af et frugtbart samarbejde mellem ovenstående parter. Her ses på fordelene ved dens anvendelse.
Mikroskopi – før, nu og i fremtiden
Menneskets nysgerrighed efter at udforske og gå bag om det, der kan ses med det blotte øje, førte i sin tid til udviklingen af mikroskopet og mikroskopi. Mikroskopi udgør utvivlsomt en af grundpillerne i naturvidenskab, da mange skelsættende opdagelser ikke havde været mulige uden. At afsløre hemmeligheder i verdens mikrokosmos vil dog kunne have store fordele for alle videnskabelige områder og for industrien.
I vore dage er udviklingen inden for mikroskopi imidlertid begrænset af mulighederne inden for optikken, et forhold der dels har ført til, at man har udviklet forskellige slags mikroskoper, der kan afhjælpe disse begrænsninger, dels givet plads for en udvikling af mikroskopets brugervenlighed, figur 1.
Mikroskopi bidrager med kvalitativ præcision og information om partiklernes form, men det er ved hjælp af billedanalyse, at man kan få brugbare kvantitative resultater. Mikroskopiens fremtid ligger derfor i digital billedprocessering, et stærkt måle- og analyseværktøj.
Billedanalyse: Et redskab i den fjerde industrielle revolution
Digitaliseringens æra startede med den tredje industrielle revolution, og vi oplever dagligt dens store indflydelse og nye områder, hvor den ville kunne være nyttig.
Billedanalyse er, alt andet lige, computerassisteret mikroskopi og har, med udgangspunkt i digitaliseret information, derfor den umiddelbare fordel, at den kan analysere og lagre store mængder data og angribe komplekse problemstillinger hurtigt og konsistent.
Brugen af algoritmer i billedanalysen gør det muligt at skabe en teknik til partikelkarakterisering, der sikrer konsekvens og præcision i billedfortolkningen. Så kan man spørge sig selv: Hvorfor lave en lang række forsøg og målinger, når man kan opnå de samme resultater med et og samme instrument? Billeder af partikler indeholder et væld af objekter og mønstre, der kan viderebringe information om underliggende mekanismer, samtidig med at algoritmer kan oversætte billederne til kvantitative data, der normalt skal indhentes ved brug af forskellige metoder. Billedanalyseteknologi er derfor et tids- og omkostningsbesparende alternativ til andre måle- og analysemetoder. Dataanalysen er et uundværligt redskab i industrien, der både kan føre til produktivitetsforbedringer og besparelser.
Og her står vi nu… på tærsklen til den fjerde industrielle revolution. De enorme mængder data, som industrien har skabt ved at samle viden og erfaring, kan nu udnyttes takket være store datalagre eller cloud computing. Næste skridt bliver integration af software-sensorer, der vil kunne levere information tidligt i processen ved at analysere og kombinere data. Kombineres disse elementer, vil det betyde, at software-sensorerne vil kunne ”scanne” de databaser, der er dannet med input fra måleteknikker som for eksempel billedanalyse og give et ”advarselssignal”, hvis systemet afviger fra normalen. Målinger og analyse udgør et væsentligt parameter i optimering og kontrol af processer, og procesautomatisering vil i sidste ende føre til færre menneskelige fejl.
Et skridt nærmere Industri 4.0. Men hvordan?
Den fjerde industrielle revolution udfolder sig for øjnene af os. Industrien vil dog skulle gennemføre en række omstruktureringer for at kunne udnytte fordelene ved procesautomatisering og dermed styrke sin konkurrenceevne gennem forbedret proces- og omkostningseffektivitet. Inspireret af industriens behov for at skabe produktivitetsforbedringer og sikre fortsat rentabilitet, er en innovativ måleteknologi under udvikling. Målet er at føre beslutningsprocesser i produktionen over i realtid.
ParticleTech, en ny startup-virksomhed, mener, at ”mulighederne ligger i den skjulte information i billederne af partikler” og er gået i gang med at virkeliggøre idéen bag ParticleTech Solution. Virksomheden arbejder på at skabe et måleinstrument baseret på billedteknologi, der i realtid kan støtte industrien til at forbedre deres procesoptimering. Med fokus på fødevare-, medicinal- og biotekindustrien har virksomheden opnået solid erfaring i arbejdet med krystalliseringsprocesser, en vigtig separations- og/eller oprensningsteknik.
Den teknologi, der nu bruges til at danne billederne i realtid, FluidScope, blev oprindeligt udviklet af BioSense Solutions. Teknologien anvendes i det optiske scanninginstrument oCelloScope, der anvendes som laboratorieudstyr.
Men hvordan kan laboratorieudstyr overføres til produktionsanlægget og møde de krav, der er i en storproduktion?
Nøglen til dette lå i et tværfagligt samarbejde mellem ParticleTech, Creator Engineering, PROSYS ved DTU Kemiteknik og DTU Mekanik.
Fra laboratorium til produktionshallen
De involverede parter arbejder på at udvikle en robust løsning, der kan stå mål med gældende regler og standarder, og som dermed vil kunne anvendes i at-line procesmålinger. Det innovative teknologiske udstyr følger et modulært koncept og består af fire hovedmoduler: En avanceret enhed til prøveforberedelse, en flowcelle, billeddannelsessystemet (oCelloScope) og et brugerinterface.
Prøveforberedelsesenheden og flowcellen er de moduler, der gør det muligt at bruge oCelloScope til at-line procesmålinger. Udstyrets vigtigste parameter er den høje grad af automatisering, der begrænser behovet for manuel håndtering til den fase, hvor prøverne indsamles fra produktionsenheden. Efter prøveindsamlingsfasen er hele processen – fra man indfører prøven til billedoptagelse og til man har resultaterne i hånden – automatiseret og tager forbavsende kort tid.
Visioner for fremtiden
ParticleTech Solution er et tids- og omkostningsbesparende alternativ til løbende procesmonitorering. Forsinkelser og ekstra omkostninger til test i eksterne laboratorier kan reduceres betydeligt ved brug af den nye teknologi. Ved at skabe overblik over processen på et hvilket som helst tidspunkt i produktionen og gøre resultaterne umiddelbart tilgængelige, kan man øge produktionsteamets output.
Med øje for det usynlige har udviklingsteamet rykket hurtigt for at gribe mulighederne i den kommende fjerde industrielle revolution.
Funding
Forskningen præsenteret i denne artikel er støttet af Innovationsfonden gennem det strategiske forskningscenter BIOPRO2 (Sags nr. 4105-00020B) og CPH-FOOD program.
BIOPRO: Et biotekpartnerskab mellem sjællandske virksomheder, der arbejder for øget konkurrenceevne og bæredygtighed, og universiteter, http://www.biopro.nu. BIOPRO er støttet af Innovationsfonden, Region Sjælland og EU regional fond.
ParticleTech: En startup-virksomhed, spin-out fra BIOPRO-partnerskabet. Virksomhedens vision er at støtte fødevare-, medicinal- og biotekindustrien med et måleinstrument, der bygger på realtids billedteknologi, http://www.particletech.dk.
Creator Engineering: En virksomhed med ekspertise inden for produktdesign og -udvikling. Virksomhedens engagement i udviklingen af oCelloScope bibringer værdifuld viden til teamet, http://www.creator.dk.
PROSYS: Forskningscenter under DTU Kemiteknik. PROSYS er anerkendt for dets forskning inden for udvikling af bæredygtige processer og er koordinator i nærværende samarbejde, http://www.kt.dtu.dk/english/Research/PROSYS.
DTU MEK: DTU Mekanik arbejder tæt sammen med Creator Engineering, og de er i fællesskab ansvarlige for den mekaniske udvikling og det mekaniske design, http://www.mek.dtu.dk/).
