Мы будем контролировать процесс

Ольга Рубан
21 декабря 2009, 00:00

Наш соотечественник, ученик академика Прохорова, нашел применение уникальной технологии, созданной более четверти века назад. Его инновационная фирма в Германии начала осваивать рынок систем контроля промышленных процессов

В конце 70-х годов прошлого века, на раннем этапе волоконно-оптической революции в связи и телекоме, в Институте общей физики АН СССР (ИОФАН), который в то время возглавлял нобелевский лауреат Александр Прохоров, были впервые получены уникальные световоды из кристаллов галогенидов серебра.

В то время световоды из этих материалов наука считала серьезным конкурентом кварцевому волокну, которым собирались заменить медные кабели линий связи. Ведущие исследовательские центры США, Японии, Франции и Израиля бросили на совершенствование технологии подобных световодов немалые ресурсы в надежде обойти кварц по оптическому пропусканию, прочности и т. д. ИОФАН тоже включился в эту гонку и выиграл: световоды, которые научились делать из кристаллов галогенидов серебра сотрудники Александра Прохорова, по совокупности параметров превзошли все западные аналоги.

И все-таки основным материалом для волоконно-оптических линий связи стало кварцевое стекло, а световоды из галогенидов серебра надолго остались в тени бурно развивающейся кварцевой волоконной оптики. Лишь сейчас, спустя почти тридцать лет, этой инновации, похоже, найдено достойное применение. Фирма A.R.T. Photonics, которую основал в Берлине ученик академика Прохорова Вячеслав Артюшенко, начинает создавать на основе этих световодов системы контроля промышленных процессов. Эти системы способны обеспечить рост конкурентоспособности бизнесов в самых разных отраслях от производства пищевых продуктов, удобрений и лекарств до отслеживания качества авиационного керосина и состояния отработанного ядерного топлива. Перед инноватором открывается рынок в сотни миллионов долларов.

Увидеть то, чего не видят другие

«Возьмем, к примеру, химические производства. Там в цехах стоят огромные реакторы высотой с десятиэтажный дом. Из этих реакторов нужно часто брать пробы — иногда каждые двадцать минут, иногда раз в шесть часов. И с этими пробами бежать в аналитическую лабораторию, где стоит спектрометр, проверять, соответствует ли концентрация реагентов тому, что прописано в протоколе. А если что-то не так — срочно бежать обратно и крутить ручки», — Вячеслав Артюшенко описывает, как на производствах традиционно добывают информацию о том, что происходит в чреве промышленных установок в ходе технологического процесса.

Чтобы не бегать с пробами между реа­кторным залом и лабораторией, A.R.T. Photonics предлагает соединить реактор и спектрометр своего рода мостиком из световодов. «Мы готовы встроить свои световоды прямо в стенку реактора и соединить их со спектрометром. Тогда в ходе процесса приготовления, скажем, инсектицидов не придется постоянно таскать пробы в лабораторию — за ходом любой химической реакции можно будет наблюдать с помощью спектрометра», — объясняет суть идеи Артюшенко.

Мостик будет состоять из разных зондов (зонд представляет собой жгут из нескольких световодов), каждый из которых «видит» свою область спектра. Каждый зонд будет соединяться со спектрометром соответствующего типа — ультрафиолетовым, инфракрасным и т. д. Именно спектрометры в итоге покажут картинку — что происходит в реакторе с инсектицидами.

Такую систему из световодных зондов и спектрометров автор идеи называет волоконно-оптическим букетом. Только главные персонажи здесь не цветы — спектрометры, они стандартные, а стебли — зонды. А самый ценный «стебель» — зонд, который собран из тех самых световодов, изготовленных из кристаллов галогенидов серебра. Эти световоды прозрачны для света в инфракрасной области спектра (3–18 микрон), то есть именно там, где наблюдаются характерные полосы поглощения колебаний молекул большинства органических веществ.

«Практически все органические молекулы имеют свои характерные полосы поглощения в средней области инфракрасного диапазона, где обычная волоконная оптика не работает: кварцевые световоды, применяемые для линий связи, прозрачны в области более коротких волн — от 0,2 до 2–2,5 микрона», — объясняет Вячеслав Артюшенко. Другими словами, благодаря своему уникальному инфракрасному световоду A.R.T. Photonics может «видеть» важную область спектра, которую с традиционными световодами увидеть невозможно. «Увидеть» эту область спектра для пива, молока, соков, различных органических удобрений, нефти, нефтепродуктов и т. д. — значит получить полную информацию о концентрациях компонентов как на стадии производства, так и хранения.

Уникальные возможности инфракрасного световода в «букете» будут расширены за счет световодов и спектрометров других типов. «Букет» из световодов и спектрометров собирается индивидуально под каждого заказчика. Его состав определяется тем, какие параметры реакции необходимо мерить в ходе конкретного промышленного процесса.

Концепция «букета» Вячеслава Артюшенко вписалась в мировой тренд, который называется PAT — Process Analytical Technologies. Сюда относятся все аналитические методики, позволяющие контролировать основные параметры технологических процессов: химический состав среды, температуру, давление и т. д. Эта обширная область только начинает развиваться — отработанных автоматизированных решений для процесс-контроля на рынке еще нет. Ниша, на которую нацелилась A.R.T. Photonics, — дистанционный контроль химического состава среды в режиме реального времени.

Вместо кварца

История этой разработки началась с того, что молодого выпускника МФТИ Вячеслава Артюшенко, работавшего в лаборатории Евгения Дианова (ныне академик и руководитель Центра волоконной оптики ИОФАН), не удовлетворил масштаб тем, предложенных ему для исследований. Они показались молодому амбициозному ученому слишком мелкими, а ему хотелось заняться чем-нибудь глобальным.

«На пятом курсе я пришел к Дианову и сказал: “Евгений Михайлович, эти темы тянут максимум на диссер. А нет ли чего-нибудь покрупнее?” Дианов посоветовался с Прохоровым, и тот предложил: “А пусть он берет все материалы, прозрачные в инфракрасной области спектра, и попытается создать технологию, которая позволит делать из этих материалов световоды. Получится — будет здорово. Не получится — все равно мало ему не покажется”. Так мои претензии на масштабность проблемы были удовлетворены с лихвой, — вспоминает Вячеслав Артюшенко. — Александр Михайлович Прохоров был действительно великим ученым, он предвидел, какие направления будут востребованы через десятилетия, и всегда поддерживал тех, кто хотел развивать эти направления».

Так с легкой руки академика Прохорова в ведении Артюшенко оказался целый класс материалов, на который ученые делали серьезную ставку. В то время наука надеялась добиться на инфракрасных световодах более низких по сравнению с кварцевым стеклом оптических потерь, а значит — создать линии связи с бо́льшими промежутками между ретрансляторами. И многие ученые полагали, что не кварц, а именно материалы, прозрачные в инфракрасной области спектра, станут главными героями назревающей технологической революции — замены медных кабелей на оптоволокно.

К 1983 году Артюшенко с коллегами разработали трехстадийный технологический процесс, позволявший делать световоды из галогенидов серебра. Одна из изюминок этой технологии в нюансах выращивания сверхчистых кристаллов. Из этих кристаллов затем нужно получить заготовки — столбики диаметром 15 мм. Это делается методом горячей пластической деформации: при повышенной температуре в вакууме из двух кристаллов формируется заготовка с сердцевиной и оболочкой. На третьем этапе из заготовки получается собственно световод. «Заготовку мы помещаем в камеру высокого давления, камеру нагреваем, подаем на заготовку давление до 10–20 тысяч атмосфер и через специальную твердосплавную фильеру выдавливаем световод», — поясняет автор разработки.

Однако состязание материалов инфракрасные световоды все-таки проиграли: основной рабочей лошадкой волоконно-оптических линий связи стало кварцевое стекло. Гонка закончилась. Тогда в ИОФАНе попробовали применить световоды для лазеров. «На основе инфракрасных световодов мы создали первый в мире гибкий канал для доставки лазерного луча к объекту. До этого для этой цели использовались зеркала, — рассказывает Артюшенко. — К нам в институт тогда программа “Время” приезжала — снимать нашу инновацию». Потом началась перестройка.

Бизнес-школы

Чтобы выжить и сохранить кадры, ИОФАН в 1990 году создает совместное предприятие с иностранным партнером — едва ли не первое в СССР СП в области высоких технологий. 50% компании CeramOptec Systems принадлежит ИОФАНу, 50% — фирмам немецкого бизнесмена Вольфганга Нойрбергера. Артюшенко становится директором CeramOptec Systems. Этот период своей жизни он теперь называет бизнес-школой. «С 1993 года я был не только директором СП, но и R&D-менеджером у Нойрбергера — управлял параллельно несколькими европейскими проектами в Бонне. Так у меня появился кое-какой опыт в этой области, — рассказывает Артюшенко. — Это был хороший бизнес-скул в том смысле, что пресловутый отрыв ученого от производства там быстро прошел. Там я понял: если то, что ты придумал, рынку в принципе нужно, надо найти пару проектов, за счет которых эту разработку профинансировать. А если не нужно, то денег просто не дадут».

CeramOptec Systems делает световоды для медицинских лазеров, однако Артюшенко эта ниша не привлекает: «Лазерная медицина — традиционные технологии. На этом рынке полно конкурентов, он относительно стабильный и подрастает медленно». Помимо этого к 1996 году становится понятно, что герр Нойрбергер заинтересован не столько в развитии совместного бизнеса, сколько в том, чтобы подешевле вытащить у партнера уникальные разработки.

Чтобы разработка не ушла в чужие руки, Артюшенко расстается с «бизнес-школой» и в 1998 году создает в Берлине собственную компанию — A.R.T. Photonics. С этого момента он сосредотачивается на совсем другой области — волоконно-оптической спектроскопии. Инноватор интуитивно чувствует, что его инфракрасный световод должен выстрелить именно в этой нише.

Десять лет маленькая фирма, где вместе с подразделениями в России и Шотландии занято всего полтора десятка человек, изготавливает световоды из галогенидов серебра и делает из них зонды с алмазными головками. Свои зонды A.R.T. Photonics продает производителям спектрометров. Основная область применения спектрометров с инфракрасными зондами — определение молекулярного состава различных сред.

«С помощью наших зондов можно узнать, в частности, добавлена ли в бензин вода, это сразу будет видно на спектре. Можно четко отличить классическую пепси-колу от диетической и от просто растворенной в воде глюкозы. Можно распознать по слюне курильщика и некурящего человека. Можно наблюдать, как идет ферментация в промышленном реакторе. А в атомных хранилищах наши технологии позволяют контролировать процесс деактивации топлива, — рассказывает Артюшенко. — Наши спектральные методики позволяют определять также до 90 процентов фальсифицированных лекарств. Приходишь в аптеку, вскрываешь упаковку и проверяешь — “виагра” или не “виагра”».

Одна из последних задачек, которую подбросил инноваторам рынок, — разработать методику, позволяющую по молоку коровы быстро определить, здорова ли она. Если с коровой что-то не так, ее молоко нужно немедленно отсечь от общего потока, чтобы эта «ложка дегтя» не испортила многолитровый резервуар, куда сливается молоко от всего стада. В подобной диагностике и встраивании сенсоров в доильные аппараты сегодня очень заинтересованы европейские фермеры, ведь они должны поставлять потребителям молоко, калиброванное по жирности, лактозе и другим параметрам.

Однако зонды, даже такие специфические, которые «видят» то, что другим недоступно, — это всего лишь комплектующие. И слава, и основная прибыль достаются производителям конечного продукта — спектрометров и систем на их основе. Артюшенко не мог удовлетвориться таким положением дел, как когда-то не удовлетворился «мелкой темой для диссера». Поучаствовав в оптоволоконной революции 80-х годов, он надеялся открыть и для своих световодов рынок, по масштабу сравнимый с тем, который заполучили кварцевые световоды. И освоить этот рынок первым.

Автомойка для световода

Со временем у A.R.T. Photonics появляется все больше заказчиков из числа крупных фармацевтических и химических компаний. «У них уже есть спектрометры, и мы к их спектрометрам продаем свои световоды, которые позволяют спектрометр связать с реакцией и контролировать реакцию там, где она идет, — поясняет Вячеслав Артюшенко. — Наши световоды уже покупают компании BP Chemical, Syngenta, концерн Pfizer и другие лидеры мирового рынка химии, фармацевтики и агрохимии». Общаясь с этой группой потребителей и наблюдая за технологическим процессом на их заводах, Артюшенко и пришел к идее «букета» — световодной системы для контроля состава реагентов в промышленных реакторах в режиме реального времени.

 pic_text1 Фото: Архив пресс-службы
Фото: Архив пресс-службы

Концепция нового продукта окончательно оформилась в голове инноватора к осени нынешнего года. Тогда же у Артюшенко появилась уверенность, что он наконец нашел достойное поле применения своей разработки, созданной четверть века назад.

Вячеслав Артюшенко уже нашел и партнеров, с которыми красивая идея «букета» обрела черты вполне реалистичного бизнес-плана. Сначала он договорился с фирмой KNICK, одним из ведущих мировых производителей процесс-интерфейсов. Процесс-интерфейс — это автоматическая пневмосистема, позволяющая периодически доставать зонды из реактора и промывать их. Без подобной «обертки» об использовании «букета» на реальных производствах нечего было и думать. Ведь в таких средах, как молоко или нефть, зонд обычно загрязняется в течение часа — на оптику налипает жир. «Любой оптический зонд, если его запачкать, будет показывать то, что находится на его поверхности, даже небольшие загрязнения будут искажать истинный состав реагентов. Чтобы получать реальную картинку, зонд нужно периодически очищать, — объясняет Артюшенко. — У KNICK есть то, чего нам не хватало. Пневматика, которую они разработали, умеет автоматически извлекать зонд из реактора в специальную камеру и промывать. После промывки заново проводится калибровка зонда, и он снова погружается в среду».

Эта технология никогда раньше не использовалась для оптических световодов. Пневмосистема отвечала за очистку химических зондов, которые мерили кислотность и электропроводность сред. Но первые же эксперименты со световодами стандартного диаметра показали, что все работает отлично.

Важно и то, что технологическое оборудование фирмы KNICK сертифицировано по жестким стандартам химической индустрии Евросоюза. Это означает, что инноваторы смогут зайти со своим новым продуктом практически на любое предприятие любой отрасли.

Второй партнер, Йоахим Мэннхард, один из основателей немецкой фирмы J&M Analytik, возьмет на себя продвижение нового продукта на рынок. «Фирма J&M Analytik — одна из самых продвинутых в Германии в области волоконно-оптических систем. Они 22 года делали такие системы с традиционными кварцевыми световодами. Сейчас Йоахим Мэннхард оставил свою фирму, чтобы вместе со мной развивать новое направление. Я не сомневаюсь, он будет лучшим в мире сейлсменом по этим системам», — уверен Артюшенко.

Каша станет дешевле

Системное решение, которое намерен принести промышленникам Вячеслав Артюшенко, даст им полную информацию о составе среды в режиме реального времени. Эта информация позволит сократить издержки и улучшить качество производимого продукта, а значит — повысить конкурентоспособность бизнеса. «Производитель, как правило, точно не знает, когда химическая реакция в его установках полностью завершилась. И он на всякий случай мешает эту кашу на 10–20 процентов дольше, чем надо, чтобы быть уверенным, что все компоненты прореагировали. А 10 процентов экономии на мощных производствах — это большие деньги. В отдельных случаях наша технология может дать экономию в полтора-два раза, — подчеркивает Артюшенко. — Кроме того, зная, что происходит у них в реакторах в каждый момент времени, они будут производить меньше брака. В результате качество продукта повысится, а его себестоимость снизится».

В компании A.R.T. Photonics рассчитывают, что полностью автоматизированный привод для очистки зондов фирмы KNICK серьезно облегчит внедрение инновации. До сегодняшнего дня отсутствие автоматизированных систем такого рода ограничивало применение световодной спектроскопии только лабораториями, где специально обученные Марьиванны время от времени вытаскивали зонды из колбы, мыли их, вытирали и засовывали обратно. Благодаря союзу с KNICK, A.R.T. Photonics может стать первой фирмой, которой удастся внедрить световодные технологии на крупных производствах.

Сейчас A.R.T. Photonics пробует себя в качестве интегратора компетенций партнеров. «В октябре мы провели в Берлине первые испытания нашего “букета”, состоящего пока из двух дополняющих друг друга зондов: они покрывают области спектра от ультрафиолетовой до инфракрасной. За четыре дня мы разработали три технологии очистки зондов для разных групп продуктов — пива, молока и подсолнечного масла. “Молочный” зонд научились хорошо очищать в три захода, а “масляный” потребовал целых пять, — рассказывает Артюшенко. — А в конце ноября мы впервые представили концепцию “букета” в Гёттингене на ежегодном собрании немецких химиков».

Достучаться до химиков было очень важно, поскольку именно они, в лице заведующих аналитическими лабораториями (которые сегодня, как и 30 лет назад, берут для анализа пробы из промышленных реакторов), являют собой едва ли не основное препятствие для продвижения инновации на производства. «Заведующий аналитической лабораторией крупной компании — он, как правило, химик, закончил химический факультет какого-нибудь университета. Его там не учили оптическим методам. Ему профессор говорил, что надо определять состав среды с помощью лакмусовой бумажки или еще чего-нибудь. Он так и делает, — описывает Артюшенко, с кем ему приходится иметь дело в промышленных компаниях. — А литературу про новые методы ему читать некогда, он очень занят».

Десять миллионов за букет

По оценкам Вячеслава Артюшенко, на данный момент объем зарождающегося рынка систем контроля промышленных процессов исчисляется десятками, максимум сотнями миллионов долларов. Однако по мере созревания потребителей из разных сфер и отраслей рынок этот по ощущениям инноватора будет динамично расти. Артюшенко твердо намерен стать лидером в нише контроля химического состава сред: «Сейчас у нас оборот чуть меньше двух миллионов евро в год. Я рассчитываю за три-четыре года раскрутить бизнес минимум до десяти миллионов».

Для каждого конкретного производства инноваторы готовы создать свой особенный «букетик», который будет сочетать несколько методов спектроскопии. «Разные задачи решаются разными спектральными методами или чаще комбинацией нескольких методов. Мы будем иметь максимальный набор спектральных технологий и сможем использовать достоинства каждого метода, — подчеркивает Вячеслав Артюшенко. — Под задачу заказчика мы будем выбирать из имеющегося у нас набора методов два-три оптимальных для данного случая. То есть для каждого потребителя будем создавать индивидуальные технические решения».

Помимо готовности делать нестандартные системы, заточенные под конкретного заказчика, еще одно важное рыночное преимущество A.R.T. Photonics — контроль над ключевыми технологическими нюансами изготовления самого ценного световода в «букете» — того, который «видит» инфракрасную область спектра. «Мы будем сильнее потенциальных конкурентов тем, что эти уникальные световоды можем делать сами — от стадии выращивания кристаллов до изготовления зондов. Всем остальным придется покупать их у нас, — утверждает Артюшенко. — То есть корневая технология нового продукта — она в моей голове и в голове еще пары моих сотрудников в России».

Российская компания Вячеслава Артюшенко Flexi Spec выполняет функции R&D-подразделения A.R.T. Photonics — ведет исследования и изготавливает опытные образцы новых световодов. Кадровый костяк компании составляют сотрудники ИОФАНа — Георгий Даниелян, Татьяна Сахарова, Виталий Кашин и другие. Некоторые из них вместе с Артюшенко работали еще с Прохоровым.

В России же находится «фабрика», которая растит кристаллы галогенидов серебра для Flexi Spec и A.R.T. Photonics. Есть еще «альтернативный поставщик» в Германии — бывший сотрудник Артюшенко по совместному предприятию CeramOptec Systems. Фактически это потенциальный конкурент, но Артюшенко такой конкуренции не боится. Он считает, что главное — первым выйти на рынок с новым системным решением.

Первый прототип своей световодной системы A.R.T. Photonics поставила в Базель, на завод швейцарской агрохимической компании Syngenta. Syngenta — мирового лидера в производстве инсектицидов, занимает около трети рынка этих химикатов. Эта компания и многие подобные ей крупные игроки агрохимической и фармацевтической промышленности уже понастроили десятки своих заводов в Китае и в Индии. Таким образом, внедрив одну свою систему в Швейцарии, A.R.T. Photonics автоматически получает вход сразу на несколько промышленных площадок в ЮВА.