Steuerung der Gasdosierung für die Mikroalgen-Biotechnologie-Plattform

Die Algentechnologien nutzen die enormen Energieressourcen der Sonne und absorbieren CO₂, um wirtschaftliche, solarbetriebene Lösungen zu bieten, die dazu beitragen, den wachsenden Energie-, Nahrungsmittel- und Wasserbedarf der Welt zu decken und einen Weg zur CO₂-Nutzung zu finden. Die Technologien eröffnen auch eine Reihe von Möglichkeiten im Bereich der Nahrungsergänzungsmittel und Arzneimittel. Dabei unterstützt die Arbeit des Zentrums aktiv die Entwicklung neuer Beschäftigungsmöglichkeiten, die nachhaltige regionale Entwicklung, die Exportindustrie und eine saubere, grüne und nachhaltige Zukunft.

Das Zentrum für solare Biotechnologie betreibt Pilotproduktionsanlagen für Mikro- und Makroalgen im Innen- und Außenbereich, die für den Betrieb von Hochleistungsbecken, Flachplatten-, Röhren- und Airlift-Systemen ausgerüstet sind. Dazu gehören die Prüfung verschiedener Bioreaktordesigns und Prozessparameter sowie die Prüfung und Charakterisierung von Produktionsstämmen.

Eine umfangreiche Infrastruktur ist bereits vorhanden, einschließlich CO₂ und Druckluft mit den dazugehörigen Rohrleitungen und Automatisierungstechniken für den Betrieb der Bioreaktoren.

Modernisierung eines alternden Bioreaktor-Steuerungsystems

Das bestehende Stellsystem für die Bioreaktoren im Freien war vor fast 15 Jahren gebaut worden, und das Zentrum sah sich mit einer teuren Aufrüstungsoption von anderen Anbietern konfrontiert. Daraufhin beauftragte die Universität DSI-Tec damit, ihre Anlage mit einem neuen Steuerungssystem aufzurüsten. Gemeinsam entwarfen sie ein neues Steuerungs- und Überwachungssystem für die Bioreaktoren, das eine pH-gesteuerte CO₂-Dosierung und eine Fernkalibrierung der Sensoren ermöglicht. Das neue Automatisierungssystem sollte zunächst für die Produktionsanlagen im Innenbereich implementiert werden, bevor es auf die Außenanlagen ausgeweitet wird.

DSI-Tec untersuchte eine Reihe von Optionen und Anbietern für Massendurchflussmesser und -regler sowie andere notwendige Ausrüstung, kam aber immer wieder zurück zu Bürkert.

Nachdem die Entscheidung gefallen war, lud Bürkert David Horton, Direktor von DSI-Tec, in sein Systemhaus in Sydney ein, um das Projekt im Detail zu besprechen. Für das Steuerungssystem wurden spezielle Ventile und Instrumente benötigt, und das Labor wollte ein maßgeschneidertes Design zur Kommunikation mit einer Siemens S7-1200 Plattform über ein bereits vorhandenes PROFINET-Netzwerk. Das Stellsystem musste drüber hinaus zukunftssicher sein, und das Design sollte künftige Upgrades mit zusätzlichen Geräten ermöglichen.

Die erste Anforderung bestand darin, einen Transmitter für acht Roh-pH-Sonden bereitzustellen. Für diese Aufgabe lieferte Bürkert zwei Bürkert multiCELL Typ 8619, jeweils mit PROFINET und vier pH-Modulen. Der pH-Wert sowie andere Diagnosedaten werden zur Überwachung und Steuerung direkt an das PROFINET-Netzwerk gesendet.

Die zweite Anforderung bestand in der Bereitstellung von fünf Massendurchflussreglern (MFCs) zur Luftdosierung mit der Möglichkeit, in der Zukunft weitere 20 MFCs anzuschließen.

Um für zukünftige Erweiterungen gerüstet zu sein, lieferte Bürkert fünf seiner MFCs auf Basis seiner Efficient Device Integration Platform (EDIP)-Plattform. Dadurch ergibt sich ein modularer Aufbau, der es ermöglicht, Geräte je nach Anwendungsanforderungen hinzuzufügen. Das für PROFINET konfigurierte Gateway Typ ME43 von Bürkert bietet eine Schnittstelle zum Leitsystem.

Daten wie Durchflussgeschwindigkeit, Totalisierung und Medientemperatur werden standardmäßig bereitgestellt. Zusätzliche Daten wie Betriebsstunden, Sensorkalibrierungsdaten und Sensorzustand können bei Bedarf von jedem MFC extrahiert werden. Künftige MFCs werden über die Communicator-Software von Bürkert in das Netzwerk eingebunden und konfiguriert.

Kundenspezifische Ventilblöcke und Gehäuse erfüllen die Anforderung

Die dritte Anforderung bestand darin, ein Magnetventil für die CO₂-Dosierung bereitzustellen. Zu diesem Zweck hat Bürkert eine Anschlussplatte und ein Ventilsystem aus Edelstahl geliefert. Die Anschlussplatte wurde vor Ort entworfen und von Bürkert Australien selbst gebaut und auf einem Edelstahl-Hutschiene montiert, der eine einfache Montage und Wartungsfreundlichkeit ermöglicht. Die fünf Ventile werden direkt von den Digitalausgängen der Siemens-SPS gesteuert.

"Die Herausforderung für Bürkert bestand darin, die Lösung in den knappen zugewiesenen Bauraum vor Ort unterzubringen", sagte Dean Bryant, National Segment Manager, Micro Fluidics & Gas Handling für Bürkert Fluid Control Systems. "Wir stellen daher ein schmales, freistehendes Gehäuse zur Unterbringung aller MFCs und Ventile bereit."

Bürkert hat Schalttafeln und Schaltschränke als Teil seiner Lösungen parat, um die Einrichtung von Systemen an verschiedenen Standorten zu erleichtern.

"Das fertige System umfasste eine Siemens S7-1200 PLC/HMI-Kombination, die den PROFINET-Master enthielt, der mit den anderen Geräten über das Bürkert-Gateway ME43 kommuniziert", fügte Bryant hinzu.

Eine Werksabnahmeprüfung (FAT) vor der Inbetriebnahme wurde im Sydney Systemhaus durchgeführt. Sie beinhaltete auch eine Sequenz- und Dichtheitsprüfung. Bürkert lud die Universität und DSI-Tec wieder zu einem Termin vor Ort ein, um sämtliche Tests selbst durchführen. Zusätzliche pneumatische Schotten wurden ebenfalls montiert und angeschlossen, die für zukünftige MFC und Ventilanlagen vorbereitet sind.

Die Forschung von UQ auf die nächste Stufe bringen

Die enge Zusammenarbeit zwischen UQ, Bürkert und DSI-Tec - von der konzeptionellen Gestaltung bis hin zur Installation - sorgte dafür, dass das Projekt genau wie gewünscht geliefert wurde - pünktlich und im Rahmen des Budgets. "Das Automatisierungs-Upgrade für die Produktionsanlage im Innenbereich ermöglicht nun eine präzise und ferngesteuerte Kontrolle der Mikroalgenkulturen, um hochwertige Biomasse zu produzieren, die dann zur Entwicklung von bioinspirierten, grünen Arzneimitteln, Lebensmitteln und Nanomaterialien eingesetzt wird", sagte Dr. Juliane Wolf, Forschungsbeauftragte und Projektleiterin.

"Sobald wir die Implementierung der Automatisierung weiter skalieren, um unsere Produktionsstätte im Außenbereich einzubeziehen, können wir die Produktionskosten senken und die grünen Entwicklungen auf die Produktion von Kraftstoffen und Ökosystemdienstleistungen ausweiten."

"Unsere Pilotanlagen im Innen- und Außenbereich sind entscheidend für unsere Arbeit und wir danken DSI-Tec und Bürkert für die professionelle und konstruktive Unterstützung unserer Arbeit durch die Bereitstellung der von uns benötigten automatisierten Regelsysteme“, sagte Professor Hankamer. "Das System wird unsere F&E-Arbeit auf die nächste Stufe des Systemdesigns bringen und skalieren, so dass wir die erneuerbaren Produkte und Arbeitsplätze der Zukunft durch eine solarbetriebene Produktionsbasis bereitstellen können."

Das Bioreaktorprojekt an der UQ zeigt, wie gut Bürkert eine Industrie-4.0-konforme Lösung integrieren kann. Die Fähigkeit von Bürkert, sich an bestehende Systeme, Anforderungen und vorgegebene Plattformen anzupassen, verschafft dem Unternehmen einen zusätzlichen Wettbewerbsvorteil am Markt. Mit seinem lokalen australischen Systemhaus in Sydney, kann Bürkert seinen Kunden praktische Beratungen und Testumgebungen sowie einen direkten Zugang zu Experten für Produktlösungen und dem Technik- und Designteam von Bürkert bieten.

Produkte

multiCELL – Multikanal-/Multifunktions-Transmitter/-Controller

Typ 8619

• Direkte Anschlussmöglichkeit nahezu aller Durchfluss-, pH/ORP-Wert-, Chlor- und Leitfähigkeits-Sensoren
• Einfache, intuitive Bedienerschnittstelle mit großem Grafikdisplay, einstellbarer Hintergrundbeleuchtung (4 benutzerdefinierte Ansichten)
• Hardware mit Erweiterungsmöglichkeiten (bis zu 6 frei belegbare Steckplätze)
• Industrial Ethernet (Modbus TCP, PROFINET or EtherNet/IP) optional erhältlich
• Funktionserweiterung durch optionale Software

Feldbus-Gateway

Typ ME43

• Gateway für Industrial EtherNet- und Feldbus-Standards
• Einfache Konfiguration über das Tool Bürkert Communicator
• Erleichterte Integration in die Prozess-Leitebene durch systemspezifische Geräte-Beschreibungsdateien
• „Batch Controller“ zum präzisen Dosieren von Flüssigkeiten
• Höhere Anlagenverfügbarkeit mit PROFINET S2 (Systemredundanz)

Massendurchflussregler (MFC)/Massendurchflussmesser (MFM) für Gase

Typ 8741

• Nenndurchflussbereiche von 0,010 lN/min bis 160 lN/min (bzgl. Stickstoff)
• Hohe Mess- und Wiederholgenauigkeit
• Sehr schnelle Reaktionszeiten
• Einfacher Geräteaustausch durch Konfigurationsspeicher
• Optional: USP Class VI-, FDA-, EG 1935- Konformität