Ulrik Jantzen

Kloge golfbolde til bioindustrien

fredag 01 jun 18
|
af Morten Andersen

Kontakt

Krist V. Gernaey
Professor
DTU Kemiteknik
45 25 29 70
En fritflydende sensor holder styr på processerne i store produktionstanke. Sensoren er udviklet af den lille startup-virksomhed Freesense.

Med sin diameter på 45 mm kunne kuglen, som Jonas Bisgaard sidder med, fint være en golfbold. Men et lille drej ved kuglens ækvator vrider de to halvdele fra hinanden, og den elektroniske indmad kommer til syne.

”Størrelsen har vi eksperimenteret os frem til. Kuglen skal være netop så stor, at den kan flyde frit i et produktionskar i bioindustrien. Den skal følge med rundt i det almindelige flow i tanken. På den måde får man et realistisk billede af opblandingen. Man kan bruge informationen til at justere processen, hvis der er for dårlig opblanding,” siger civilingeniør Jonas Bisgaard. Han er erhvervs-ph.d. i startup-virksomheden Freesense med DTU Kemiteknik som akademisk bagland.

Freesenses produkt løser et centralt problem inden for biologisk produktion. I industriens store produktionstanke er det svært at sikre sig lige så god opblanding som i et laboratorium. I fagsproget taler man om, at der optræder gradienter i tanken. Det vil sige områder, hvor nøgleparametre som temperatur, pH-værdi eller iltindhold er forskellige fra det ønskede. Hvis forholdene er forkerte, kan det betyde dårligere udbytte af produktionen. Eller man risikerer, at man er nødt til at køre processen i længere tid. I begge situationer mister biovirksomheden penge.

Ulrik Jantzen
En flydende sensor på størrelse med en golfbold kan frit komme rundt i hele produktionstanken og lave målinger
Foto: Ulrik Jantzen

Fri bevægelighed giver bedre målinger 

Freesense blev stiftet i 2015 og har i dag seks medarbejdere. Virksomheden er udsprunget af samarbejdet Biopro, der har en række danske bioteknologiske virksomheder som deltagere sammen med DTU og Københavns Universitet.

”Det er vigtigt, at der er gode rammer i Danmark for samarbejde mellem universiteter og virksomheder, og at der er muligheder for opstartsvirksomheder. I dette tilfælde har Novozymes været med helt fra starten, hvor det industrielle behov og nye tekniske muligheder med mikrocomputere mødes. Sensorudvikling kræver en væsentlig indsats, og denne teknologi bør komme flere til gavn,” siger director i Novozymes Karin Nikolajsen om virksomhedens engagement i Biopro- samarbejdet.

"Det er vigtig, at der er gode rammer i Danmark for samarbejde mellem universiteter og virksomheder, og at der er muligheder for opstartsvirksomheder"
Karin Nikolajsen, Director, Novozymes

Tiden, hvor man hældte sine forskellige stoffer i en tank og håbede det bedste, er for længst forbi. Bl.a. med metoden CFD (Computational Fluid Dynamics) forsøger biovirksomhederne at beregne væskestrømningerne på forhånd. Det gælder om at opnå tilstrækkelig god opblanding, men uden at overdrive, så man pådrager sig unødvendige omkostninger. Imidlertid er nøjagtige CFD-simuleringer for ’tunge’ i datamæssig forstand til at blive anvendt i praktisk produktion. Derfor bruger man forenklede simuleringer, som skal valideres af målinger. Til det formål har en del virksomheder fastmonterede sensorer i tankene, men heller ikke det er en ideel løsning. Fastmonterede sensorer kræver temmelig meget vedligeholdelse. Samtidig giver de i sagens natur kun værdier for netop der, hvor de sidder. Det gav idéen til Freesense, hvor man lader sin sensor flyde frit rundt. Med tiden vil den besøge alle områder i tanken.

”Med deres frie bevægelighed i procesudstyret vil sensorerne være et væsentligt supplement til hidtidige metoder for vurdering af produktion i storskala. Vi ser frem til fortsat samarbejde om test af Freesense-sensorerne,” siger Karin Nikolajsen.

Inspireret af droner

På sin rejse i tanken skal sensoren ikke blot måle de ønskede parametre, men også fortælle, hvor i tanken de enkelte målinger er fra.
Den første komponent til at bestemme kuglens position kommer fra en tryksensor. Jo dybere i tanken kuglen befinder sig, jo mere væske vil der være over den – og dermed et større tryk.

”Allerede informationen om dybden er faktisk af stor værdi, fordi de største gradienter normalt netop optræder mellem tankens top og bund,” indskyder Jonas Bisgaard.
Men man vil også gerne kende kuglens position horisontalt. Til det formål benytter virksomheden et kombineret accelerometer og gyroskop. Instrumentet bestemmer kuglens hastighed og hældning. Denne løsning er hentet fra droneteknologien.

”Vores sensorer bevæger sig jo selvstændigt rundt ligesom droner. Ganske vist kan vi ikke fjernstyre dem, men ellers er problemstillingen meget ens. En drone skal også holde konstant styr på, hvor den befinder sig. Det samme gælder vores sensorer. Det er faktisk denne positionsbestemmelse, som har været hovedindholdet i mit ph.d.-projekt,” siger Jonas Bisgaard.
Takket være udviklingen inden for droner har Freesense til en vis grad kunnet købe de nødvendige instrumenter til positionsbestemmelse.
”Dog har vi været nødt til at tilpasse dem, fordi vi havde brug for endnu mindre dimensioner,” siger Jonas Bisgaard.

Ulrik Jantzen
Den første generation af sensorkuglen kan måle tryk, temperatur og pH-værdi i produktionstanken.
Foto: Ulrik Jantzen

Målinger i ’semi-real time’

Der er langtfra frit slag med hensyn til størrelsen af sensorerne. Den tilladte vægt vokser med radius i tredje potens. En lille reduktion i størrelsen vil med andre ord betyde, at kuglen snart ville synke til bunds i tanken, fordi dens massefylde bliver større.

”Vi skal ramme præcist med både størrelse og vægt for at få den effekt, vi ønsker. Det er en ret stor udfordring i forbindelse med biologisk produktion. Har man f.eks. en fermentering kørende i tre uger, vil massefylden i karret ændre sig en del undervejs. Det kan betyde, at vores sensorer ikke længere flyder, som de skal,” siger Jonas Bisgaard.

Løsningen er, at Freesense på forhånd justerer den ønskede massefylde. Ved endnu større forandringer i massefylden af ’suppen’ kan man tilsætte flere sensorer med forskellige massefylder.
En anden udfordring knytter sig til transmissionen af data. Det ville kræve alt for meget energi og dermed batterikapacitet, hvis sensoren online skulle aflevere sine data gennem væske. I stedet pakkes målingerne i sensorens hukommelse. Hver gang sensoren kan mærke, at den befinder sig ved overfladen, sendes datapakkerne trådløst ud til en modtager placeret på tanken.
Ulempen ved løsningen er, at man ikke kan vide på forhånd, hvornår man vil få sine målinger.

”Vores forsøg har vist, at man vil få målingerne ofte nok til, at man kan styre produktionen tilfredsstillende. Vi betegner selv hyppigheden som ’semireal time’. Men hvis man alligevel synes, at der går for lang tid imellem, kan man bare vælge at komme flere sensorer i den samme tank,” kommenterer Jonas Bisgaard.

Afprøver under virkelige forhold

Det er også muligt at regulere, hvor hyppigt sensorerne skal være aktive. Her er det blot en afvejning af, hvor længe batteriet skal holde. Måler man f.eks. en gang i minuttet, kan batteriet holde i tre uger, som er en typisk produktionsgang ved fermentering. Man kan også vælge meget hyppigere målinger, men så holder batteriet kun i et par dage. Nu, hvor sensoren ved, hvor den er, og er i stand til at aflevere sine data, har Freesense et produkt. Det næste spørgsmål er så, hvilke parametre fra produktionen der skal måles på.

”I version 1.0 har vi valgt at inkludere tryk, temperatur og pH-værdi. Det næste, som vi arbejder intensivt på, er mængden af opløst ilt i væsken. Det er en særdeles interessant faktor for bioindustrien. Netop for opløst ilt kan der optræde store gradienter. Men der er flere andre ting, vi også har kig på,” siger erhvervs-ph.d.en.
”Det er spændende i Biopro, at virksomhederne viser os tillid, så vi får lov til at afprøve sensorerne under virkelige forhold. Biopro har givet os et forspring i forhold til mange andre startup-virksomheder. De store virksomheder i samarbejdet har været med til at efterlyse det produkt, som vi nu er lykkedes med at udvikle,” siger Jonas Bisgaard.


Kuglens massefylde kan justeres, så den stadig kommer undt i hele tanken, selvom indholdets masse ændrer sig over tid
Foto: Ulrik Jantzen

Næste skridt: big data

Endnu er det dog ikke muligt at ’købe en pakke med ti styk Freesense-sensorer’, understreger Jonas Bisgaard:
”Vi er stadig i det stadium, hvor vi udvikler sensorer i samarbejde med vores kunder. Men vi har en række projekter og afprøvninger i gang, både herhjemme og i udlandet. Kunderne er både Biopro-deltagere og andre virksomheder, der har hørt om produktet på anden måde.”

Som kemiteknisk forsker kan Jonas Bisgaard samtidig ikke lade være med at tænke på, hvordan de nye data, som Freesense skaffer til veje, kan anvendes:
”Sensorerne åbner spændende muligheder. F.eks. bliver det interessant med visualiseringer, der gør data overskuelige for operatørerne på anlæggene. Det vil også være muligt at anvende både machine learning og big data til at finde mønstre i data, så man kan optimere produktionen.”

Relaterede Videoer  

Vis flere