CONTROLE DE BIOPROCESSOS A obtenção do desempenho satisfatório de um processo requer a manutenção das condições operacionais nos valores definidos como melhores Devido a variações e flutuações de equipamentos e a mudanças químicas e bioquímicas durante o processo, ações de controle são necessárias para se manter as condições especificadas Em alguns casos, pode-se variar as condições durante o próprio processo, possibilitando melhorar desempenho do biocatalizador. Ações de controle também são necessárias nestes casos.

O propósito do controle é manipular as variáveis para: Mantê-las num valor desejado constantemente Estabilizar um processo instável ou potencialmente instável, como um processo contínuo, por exemplo Otimizar o desempenho do agente transformador no processo A definição de um sistema de controle está associada às seguintes questões: Quais são os objetivos? O que pode ser medido? O que pode ser manipulado? Quais variáveis podem ser relacionadas com quais medidas? Como se pode decidir as melhores condições operacionais (valores constantes ou perfis variáveis)?

Diagrama de fluxo mostrando as medições primárias (alto) e propriedades e parâmetros do processo que podem ser calculados a partir destas.

O propósito do controle é manipular as variáveis para: Mantê-las num valor desejado constantemente Estabilizar um processo instável ou potencialmente instável, como um processo contínuo, por exemplo Otimizar o desempenho do agente transformador no processo A definição de um sistema de controle está associada às seguintes questões: Quais são os objetivos? O que pode ser medido? O que pode ser manipulado? Quais variáveis podem ser relacionadas com quais medidas? Como se pode decidir as melhores condições operacionais (valores constantes ou perfis variáveis)?

Os principais tipos de controle de biorreatores na indústria de fermentação são: Manual Automático clássico Computacional O controle manual é o mais simples Um operador manipula os elementos de controle, como por exemplo, válvulas de fluido de resfriamento, válvulas de ar e bombas de alimentação Tem utilidade em procedimentos de partida e de encerramento e como base de referência para os métodos mais modernos

O controle automático clássico inclui controle analógico, liga-desliga, sequencial e de realimentação (feedback) Todos esses controles dependem de sinais, ao invés de um operador O controle computacional usa um computador num sistema cíclico, o qual manipula os sinais medidos, empregando um algoritmo de controle e ativando os elementos de controle para implementar a ação de controle Alguns tipos de controle computacional usados são: controle digital direto, controle por supervisão e controle por ajuste (set point), entre outros

Os elementos de um sistema de controle são: planta (processo a ser controlado); sensores (que realizam as medidas do estado do processo, também chamadas saídas do processo); controlador, ou lei de controle, (que comanda a alteração a ser realizada) e atuadores (que realizam as alterações das condições de operação necessárias)

Tais elementos podem ser integrados de diferentes formas, caracterizando diversos sistemas de controle, que podem ser agrupados, principalmente, nos seguintes tipos: 1. Controle em malha aberta 2. Controle por sistema regulatório 3. Controle por pré-alimentação 4. Controle seguidor de trajetória 1. Com o controle em malha aberta o valor a ser adicionado é previamente definido, e as condições do processo não alteram este valor, ou seja, a medida não está integrada com a ação de controle (não há realimentação)

Entrada do processo – valor desejado da variável Perturbação – qualquer modificação indesejável Saída do processo – valor da medida relacionada com a variável em questão Exemplo: vazão de alimentação de substrato

2. No controle por sistema regulatório a medida da variável em questão é usada para se calcular um erro, que é levado a um controlador, que por sua vez contém uma lei de controle que visa a manutenção do valor da variável numa referência definida (também conhecida como set-point) A lei de controle fornece um sinal para o atuador, que realiza a alteração necessária para manter o valor da variável na referência definida Trata-se de um sistema de malha fechada, pois o valor da medida retorna para ser comparado com o valor de referência e a atuação é baseada na diferença entre estes (erro) Este sistema é principalmente utilizado para controle de variáveis ambientais de cultivo em fermentador, como T, pH e OD

Diagrama esquemático de um sistema de controle por realimentação. Medição Válvula Controlador Biorreator Motor OD Diagrama esquemático de um sistema de controle por realimentação.

Concentração de OD (-♦-) e frequência de agitação (-■-) em função do tempo, durante uma fermentação realizada em biorreator, com Bacillus thuringiensis, em meio contendo glicerol como substrato.

Para o controle por regulação automática existem também as configurações em Cascata, que combinam dois controladores individuais, formando malhas mais sofisticadas que aumentam a eficiência do sistema de controle Nessa configuração, mede-se a variável a ser controlada e manipula-se a operação que irá corrigir o valor desta variável Como exemplo ilustrativo, será apresentado um sistema em cascata para controle de temperatura de um fermentador, no qual são usados dois controladores: controlador mestre e controlador servo, que controlam apenas uma ação corretiva Existem sistemas que empregam configurações com mais de uma malha, permitindo a manipulação de mais de uma ação corretiva

Geralmente os controladores são do tipo liga-desliga ou tipo PID Tipo liga-desliga: o sinal para a ação é descontínuo, ou seja, não há sinais intermediários (Ex.: ligar bomba para adicionar base) PID Proporcional, Integral e Derivativo Algoritmo de controle mais difundido na indústria O sinal do controlador (m) é uma função do sinal do erro (e), que é a diferença entre o valor de referência e o valor medido Este erro é ponderado por três parcelas: a referente ao ganho Proporcional (Kp), ao ganho Integral (1/Ti) e ao ganho Derivativo (Td), conforme a expressão:

Desta forma, pode-se ter quatro controladores, com as seguintes características: P (proporcional) – fazendo-se 1/Ti e Td iguais a zero PI (proporcional integral) – fazendo-se Td igual a zero PD (proporcional derivativo) – fazendo-se 1/Ti igual a zero PID (proporcional, integral e derivativo) – fazendo uso dos três ganhos

3. No Controle por Pré-alimentação (feed-forward) mede-se a perturbação na entrada e aplica-se uma ação de controle corretiva, em antecipação ao efeito que ela possa causar É um bom controle para eliminar o efeito da perturbação Para implementar um sistema de controle por pré-alimentação as perturbações devem ser mensuráveis, e seus efeitos devem ser conhecidos a priori O sistema é raramente empregado como único controlador, e sim em combinação com o sistema de realimentação Sem o controle por realimentação não há como corrigir erros causados por desconhecimento dos efeitos das perturbações sobre o sistema

Medição Motor Válvula Controlador Biorreator OD Diagrama esquemático de um sistema de controle por pré-alimentação (feed-forward).

Medição Biorreator Controlador Motor Válvula OD Diagrama esquemático de um sistema de controle mixto: pré-alimentação e realimentação.

Controle por malha alternada

Exercício Suponha uma sala com capacidade para 100 pessoas, as quais entram com uma frequência de uma por minuto. Desta forma, o consumo de oxigênio aumenta gradualmente e continuamente até a lotação completa. Proponha um sistema de controle por malha alternada, de forma a garantir a mesma concentração de oxigênio no ar ambiente da sala, desde o início até a sua completa ocupação.

4. Controle Seguidor de trajetória (tracking control) Às vezes um processo necessita que o valor de referência de uma variável não seja constante, mas siga uma determinada evolução com o tempo Nesse caso emprega-se o controle do tipo seguidor de trajetória A trajetória pode ser definida a partir de conhecimento experimental ou pela solução de um problema de controle ótimo (que envolve um modelo do processo) Será apresentado, como exemplo, um sistema deste tipo, para estabelecer um perfil de pH para um processo

Possibilidades...

Exemplo 1 Temperatura (penicilina) Controle ótimo – estabelece o melhor perfil para as variáveis manipuladas, de modo a fazer com que o processo atinja um determinado objetivo Biomassa (x) e Penicilina (p), adimensional Tempo, adimensional Temperatura (oC) Exemplo 1 Temperatura (penicilina) Perfis ótimos para biomassa, penicilina e temperatura.

Na primeira parte do processo, a temperatura permanece num valor médio de 28,6 oC, que favorece o crescimento e leva à máxima concentração celular A temperatura é então reduzida rapidamente (até 18 oC), de forma a maximizar a diferença entre a velocidade de formação e a velocidade de degradação da penicilina Depois disso, a temperatura é reduzida gradualmente Tempo, adimensional Temperatura (oC) Biomassa (x) e Penicilina (p), adimensional Com esta estratégia a potência final da penicilina foi 76,6% maior que a obtida com a manutenção da tem-peratura num valor constante (25 oC)

Vazão de alimentação de substrato (penicilina) Exemplo 2 Vazão de alimentação de substrato (penicilina) Glicose (g) Alimentação Biomassa Tempo (h) Penicilina (g) Vazão de alimentação Perfis ótimos de velocidade de alimentação de glicose e correspondentes perfis de crescimento, concentração de glicose e concentração de penicilina, durante fermentação por Penicilium chrysogenum.

Vazão de alimentação de substrato (α-amilase) Exemplo 2 Vazão de alimentação de substrato (α-amilase) Tempo (h) Alimentação de caseinato (L/h) Alimentação de amido (L/h) Perfis ótimos de velocidade de alimentação de caseinato e amido durante fermentação para produção de α-amilase por Bacillus subtilis. (Notar os quatro períodos distintos de alimentação.)

Perfis de crescimento, concentrações de caseinato e de α-amilase, empregando-se estratégia de controle de alimentação de caseinato e amido durante fermentação para produção de α-amilase por Bacillus subtilis.

Sistema de Controle Digital São os sistemas de controle mais difundidos e mais importantes, devido à utilização de computadores/ microprocessadores nestes sistemas As vantagens de processamento destes elementos e os seus baixos custos têm levado ao uso generalizado desses sistemas

Esquema de um sistema de controle computacional para concentração de oxigênio dissolvido baseado em análises de oxigênio dissolvido e análise do gás de exaustão.

Esquema de um analisador de gases de exaustão para uso industrial.

Representação de um sistema padrão envolvendo a medição e o controle de algumas variáveis de um bioprocesso.

Representação de um sistema estendido, em relação ao sistema padrão, envolvendo a medição e o controle de algumas variáveis de um bioprocesso.

Tecnologia de Análise de Processo - PAT Sistema de Gerenciamento de Informações de um Processo - PIMS Ferramentas de controle e otimização de processos

Tecnologia de Análise de Processo combinada com PIMS

O controle do metabolismo celular por TAP resulta uma redução da geração de subprodutos e portanto um prolongado crescimento de células viáveis. Esta fase produtiva prolongada aumenta o rendimento em produto em 60-80%, em comparação com o processo padrão descontínuo alimentado. Rendimento em produto Tempo de produção (d) Processo padrão Processo controlado por TAP Prolongamento da densidade de células produtivas por controle TAP Concentração de células viáveis