Legger gullegg for industrien

Årlig taper norsk prosessindustri enorme summer på produksjonsfeil. Avansert dataanalyse og bedre forståelse av kjemiske prosesser kan gi enorme besparelser.

Published
Måling av viktige produksjonsparametrer er alfa og omega i Smart Produksjon. Denne trykkmåleren beregner vekt av pulver og pellets under transport ved hjelp av en metode patentert av Tel-Tek og Rolls Royce. (Foto: Tel-Tek)
Måling av viktige produksjonsparametrer er alfa og omega i Smart Produksjon. Denne trykkmåleren beregner vekt av pulver og pellets under transport ved hjelp av en metode patentert av Tel-Tek og Rolls Royce. (Foto: Tel-Tek)

Prosjekt: Smart Produksjon

Målsetting: Redusere uønsket produktvariasjon i prosessindustrien

Prosjektansvarlig: Tel-Tek

Prosjektpartnere: Universitetet i Bergen, University of Washington, MUST, PRS, Jotun, Diplom-Is, Skretting, Weifa, Erament, Axis-Shield PoC, Kebony, Biomar, GC Rieber Oils

Oslofjordfondet støtter prosjektet med 6 millioner kroner

Alle som har prøvd seg på ekte, hjemmelaget hollandaise, vet at mye kan gå galt, selv i relativt enkle kjemiske prosesser.

Pisker du egg- og smørblandingen til den franske klassikeren for lite, blir sausen for tynn. Pisker du for lenge, kan den bli seig. Og hvis du ikke passer varmen som en smed, skiller blandingen seg – og du må starte forfra igjen.

Tilsvarende problemstillinger er velkjente i prosessindustrien – som utnytter kjemiske prosesser i produksjonen – bare i en annen skala og selvsagt med større økonomiske konsekvenser dersom noe skulle gå galt.

Farmasøytiske produkter, raffinerte oljeprodukter, plastprodukter, papir og mineralgjødsel er typiske eksempler på hva som lages i denne industrien. Prosessindustrien regnes som den største norske eksportnæringen etter olje og gass.

Jotuns jakt på perfeksjon

Tina Helland er forsknings- og utviklingssjef for bindemidler hos malingprodusenten Jotun. Hun er med andre ord sterkt medansvarlig for at malingen du bruker på husveggen din, har riktig konsistens og dekker godt.

Produksjonen av bindemidler er en omstendelig prosess der ingrediensene tilsettes litt etter litt i flere trinn og varmes opp til 240 grader i en reaktor. Jotun har nesten 90 års produksjonserfaring, men opplevde likevel fra tid til annen det som på fagspråket kalles ”uønsket produktvariasjon” – altså partier som ikke var helt som de skulle.

- Alle som har åpnet et nytt malingspann som har stått i ro en stund, legger merke til den geleaktige konsistensen malingen har før man begynner å røre. Vi opplevde at denne egenskapen kunne variere noe fra parti til parti, altså at noen var mer geleaktige enn andre, sier Helland.

- Selv om vi la opp prosessen likt fra gang til gang, kunne det også variere hvor lang tid det tok før bindemiddelet var ferdig. Dessuten var det en sammenheng mellom produksjonstid og kvalitet som vi ikke fikk helt tak på.

Smart Produksjon

I 2011 ble Jotun med i forskningsprosjektet Smart Produksjon, ledet av seniorforsker Frode Brakstad ved forskningsinstituttet Tel-Tek i Porsgrunn.

- Det Jotun opplevde er slett ikke uvanlig. De aller fleste bedrifter har lignende erfaringer; alt fra små kvalitetsavvik til direkte feilvare, sier Brakstad.

Jotun satt på enorme mengder produksjonsdata. De handlet om alt fra trykk, temperatur, energitilførsel og oppvarmingshastighet til blandingsforholdet mellom ingrediensene, tidspunktet for tilsetting av hver enkelt ingrediens og total produksjonstid.

Senioringeniør Nina Hove Myhre, fagtekniker Truls Syvertsen og labsjef Tina Helland hos Jotun har tatt i bruk Smart produksjon i fremstillingen av bindemiddel. (Foto: Jotun)
Senioringeniør Nina Hove Myhre, fagtekniker Truls Syvertsen og labsjef Tina Helland hos Jotun har tatt i bruk Smart produksjon i fremstillingen av bindemiddel. (Foto: Jotun)

Disse dataene brukte forskerne til å lage en svært spesifikk modell over bindemiddelsproduksjonen, en såkalt prediktiv modell som kunne forutsi hvordan justeringer av hver enkelt faktor ville påvirke sluttresultatet.

Og analysene ga en tydelig pekepinn på hvor hunden lå begravet.

- Modellen forutsa veldig klart det optimale tidspunktet for tilsetting av den siste ingrediensen i blandingen, en ingrediens som er avgjørende for å få den rette gelekonsistensen. Vi fikk også større sikkerhet for hvor lenge reaktoren skal gå etter at siste ingrediens er tilført, forteller Helland hos Jotun.

- Vi fikk også en aha-opplevelse knyttet til et tidlig trinn i produksjonen, der til dels små variasjoner i temperatur og særlig oppvarmingshastighet fikk store konsekvenser for den videre prosessen.

Litt som i hollandaisens verden, med andre ord. Er du for hard på eddiken eller sitronen i starten, hjelper det ikke om du utfører de resterende trinnene til perfeksjon. Resultatet blir uansett snerpete og surt.

Sentrale sammenhenger

For Brakstad illustrerer dette et viktig poeng som Smart Produksjon-konseptet er velegnet til å avdekke: I kjemiens verden henger alt sammen med alt.

- Derfor deler vi ikke analysen inn i trinn, men ser produksjonen som en helhet. Da får vi oversikt over alle faktorene som er med på å bestemme kvaliteten på sluttproduktet, sier han.

- De vitale informasjonsbitene ligger ofte godt skjult i et hav av data, og selv om mange bedrifter måler produksjonen nøye, er det ikke alltid at de ser sammenhengene som er avgjørende for sluttresultatet.

- Vi ser ofte at bedrifter styrer produksjonen med utgangspunkt i faktorer som kanskje ikke er så avgjørende for sluttproduktet, ofte fordi disse er lettest å måle. Med vårt analyseverktøy bidrar vi til å finne de variablene som er avgjørende – de såkalte resultatdriverne – slik at produksjonen kan innrettes etter disse.

Brakstad understreker også at selv om de spesifikke årsakene til produktvariasjoner selvsagt varierer avhengig av om vi snakker om iskrem, maling, metaller, omega-3-kapsler eller hollandaise for den del, er verktøyene for å finne feilkildene de samme:

- Enorme datamengder satt inn i modeller som tar hensyn til hvordan ulike komponenter reagerer kjemisk med hverandre.

Og for Jotun har resultat av analysene vært svært oppløftende.

- Vi har oppnådd både kortere produksjonstid og jevnere kvalitet på bindemiddelet, sier Helland.

Kontrollverktøy

Problemfri produksjonsflyt er målet, enten produktet er is, maling, pulver eller pellets. Her fra Tel-Teks siloanlegg i Porsgrunn, hvor det gjøres fullskala forsøk med pulver og pellets for å oppnå problemfri flyt gjennom silo. (Foto: Tel-Tek)
Problemfri produksjonsflyt er målet, enten produktet er is, maling, pulver eller pellets. Her fra Tel-Teks siloanlegg i Porsgrunn, hvor det gjøres fullskala forsøk med pulver og pellets for å oppnå problemfri flyt gjennom silo. (Foto: Tel-Tek)

Med støtte fra Oslofjordfondet har Tel-Tek etablert et fireårig kompetanseutviklingsprosjekt for norsk prosessindustri. Universitetene i Bergen og Washington (CPAC) er med på laget, og i tillegg til Jotun er også en rekke andre norske industribedrifter representert.

Et av dem er det medisinske selskapet Axis-Shield PoC, som har spesialisert seg på diagnostiske produkter til bruk på legekontorer.

Produktene brukes til testing av blod og urinprøver for blant annet å finne gjennomsnittlig blodsukker hos diabetikere, fastslå om en forkjølelse skyldes virus eller bakteriell infeksjon og til å bestemme nivået av fettstoffer som for eksempel kolesterol og triglyserider i blodet.

- Vi har blant annet en produksjonslinje som produserer cirka 120 testkassetter i minuttet. Disse testkassettene fungerer som et lite kjemilaboratorium når de tilsettes en blodprøve fra en pasient og plasseres i et avansert analyseinstrument, forteller Karen Bibow, senior prosjektleder hos Axis-Shield.

Kassettene brukes til analyser av blodprøver på blant annet legekontorer, der legen får svar på analysen i løpet av noen få minutter.

Strenge krav

- Det stilles selvsagt strenge krav til nøyaktighet for slike analyser. Både legen og pasienten må kunne stole på at analyseresultatet er riktig, slik at det kan gis riktig behandling, understreker Bibow.

For en diabetiker kan det bety at han må ha mer eller mindre insulin, mens en CRP-test, som særlig brukes ved diagnostikk av infeksjoner, vil kunne fortelle legen om pasienten skal ha antibiotika eller om det foreligger en virusinfeksjon der antibiotika ikke vil ha noen effekt.

- USA er et viktig marked for oss, og for at vi skal kunne selge produktene våre der, må vi forevise grundig dokumentasjon som tilfredsstiller kravene til det amerikanske Food and Drug Administration (FDA).

FDA krever både at det foretas jevnlige kvalitetskontroller under produksjon og at Axis-Shield kan dokumentere at de tar så mange kvalitetsprøver at produktene er 100 % til å stole på. De må med andre ord legge vanntette statistiske beregninger til grunn for antall stikkprøver.

- Under disse prøvene utføres det en rekke kontroller av testkassettene. Vi har blant annet pinlig nøyaktige vektkontroller for å sikre at mengden av det stoffet vi fyller i små rør og deretter tørker før det settes inn i kassettene, er nøyaktig lik fra gang til gang, forteller Bibow.

Kutter i kostbare kontroller

Kontrollene er både kostbare og tidkrevende, men siden Axis-Shield innførte Smart produksjon, har de faktisk kunnet redusere antallet kontroller og samtidig vært i stand til å legge frem statistiske beregninger som viser at de oppfyller FDAs krav.

- Litt forenklet sagt har vi analysert store mengder historiske data fra tidligere vektkontroller og brukt avansert statistikk til å lage svært pålitelige beregninger av hvor mange kontroller som må til for å sikre at det er samme stoffmengde i alle produktene.

I samarbeid med statistikere fra Smart produksjon har Axis-Shield dokumentert at antall vektkontroller kan reduseres til én tiendedel av tidligere; det vil si fra 2000 til 200 kontroller per produksjonslot, som i dag er på 360 000 testkassetter. Dermed frigjøres ressurser som kan brukes til andre oppgaver i produksjonen.

Du trenger ikke å ha hørt Pepperkakebakervisa for å vite at det er viktig å måle riktig. Overvåking av produksjonsparametrer i Tel-Teks testanlegg i Porsgrunn. (Foto: Tel-Tek)
Du trenger ikke å ha hørt Pepperkakebakervisa for å vite at det er viktig å måle riktig. Overvåking av produksjonsparametrer i Tel-Teks testanlegg i Porsgrunn. (Foto: Tel-Tek)

Axis-Shield gjør også tester med blod for å sikre seg at testkassettene gir riktige analyseresultater, og også her har de kunnet kutte i antall kontroller.

- Det gjør at vi både sparer tid og slipper å forbruke kassetter som ellers kunne vært solgt, sier Bibow.

Hun fremhever den pågående kompetanseutvekslingen i Smart produksjon-prosjektet som svært nyttig for Axis-Shield.

- Vi er nå langt bedre rustet til å utføre egne statistiske analyser. Samtidig har vi knyttet verdifulle kontakter med dyktige fagfolk som kjenner bedriften godt og kan bistå oss videre i arbeidet med å optimalisere produksjonen.

- Det er ikke til å legge skjul på at Norge er et høykostland, og hvis vi skal klare å beholde produksjon her, må vi både sikre høy kompetanse internt og kunne vise til svært effektive produksjonsprosesser med stabilt god kvalitet, sier Bibow.

Langsiktig satsing

For prosjektleder Frode Brakstad hos Tel-Tek ligger det 30 års arbeid med kombinasjonen av kjemi og dataanalyse bak det som nå har blitt konseptet Smart produksjon.

Sammen med professor Olav M. Kvalheim har han fått Norges Forskningsråds pris for bruk av fremragende forskning, for innsatsen for å ta i bruk kjemometri – avanserte statistiske og matematiske metoder for å analysere måleresultater – i industrien.

Prosjektlederens mål er at så mange norske bedrifter som mulig skal ta i bruk det han betrakter som et gullegg for norsk konkurransekraft.

- Vi vet at ni av ti norske bedrifter sliter med uønskede produktvariasjoner, så potensialet for norsk industri er enormt. Vi kan flytte fjell med denne metodikken, sier Brakstad, som legger vekt på at mindre kvalitetsvariasjoner også betyr bedre råvareutnyttelse og mindre energiforbruk:

- Å produsere smartere er ikke bare godt for bunnlinjen, men for miljøet også.

- Flaskehalsen nå er rett og slett tilgangen på kompetent personell. Det utdannes noen få kandidater ved Universitetet i Bergen og NTNU, men dessverre alt for få per i dag. Smart Produksjon krever tverrfaglig kompetanse; kjemi i kombinasjon med avansert matematikk, statistikk og multivariat dataanalyse – som altså er avanserte analyser av samspillet mellom mange variabler.

- Vi er imidlertid i ferd med å etablere et samarbeid med Høgskolen i Telemark for å lage et utdanningsløp på dette området, skreddersydd for de behovene vi ser i industrien, sier han.