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 do 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
seu desempenho. 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 processo
A definição de um sistema de controle está associada às seguintes
questões:
1. Quais são os objetivos?
2. O que pode ser medido?
3. O que pode ser manipulado?
4. Quais variáveis podem ser relacionadas com quais medidas?
5. 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:
1.Manual
2.Automático clássico
3.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, ligadesliga, 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
Medição
OD
Controlador
Motor
Biorreator
Controlador
Válvula
Medição
Diagrama esquemático de um sistema de controle por
realimentação.
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
OD
Controlador
Motor
Biorreator
Controlador
Válvula
Medição
Diagrama esquemático de um sistema de controle por préalimentação (feed-forward).
Medição
Medição
OD
Controlador
Motor
Biorreator
Controlador
Válvula
Medição
Medição
Diagrama esquemático de um sistema de controle mixto:
pré-alimentação e realimentação.
Controle por
malha
alternada
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.
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
Outros tipos de controle
Controle ótimo – estabelece o melhor perfil para as variáveis
manipuladas, de modo a fazer com que o processo atinja
um determinado objetivo
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
Com esta estratégia a
potência
final
da
penicilina
foi
76,6%
maior que a obtida com
a manutenção da temperatura
num
valor
constante (25 oC)
Exemplo 2
Vazão de alimentação de substrato (penicilina)
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.
Exemplo 2
Vazão de alimentação de substrato (α-amilase)
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