Controle em Biorreatores: Fundamentos e Técnicas

CONTROLE EM BIORREATORES Universidade Federal do Rio Grande FURG Engenharia Bioquímica Reatores Bioquímicos II Prof Larine Kupski Relembrando Quando se quer controlar um parâmetro de um processo ou seja fixar esse valor ao longo do tempo é necessário que se leia o valor de saída e compare com o valor desejado fixo O valor fixo é denominado setpoint e o valor lido variável controlada Quando comparado os dois valores verificase o erro que será emitido para o controlador Esse por sua vez irá tentar fazer com que o erro chegue a zero atuando na variável manipulada ou seja atuando em uma variável que produzirá um efeito na variável controlada para tentar diminuir o erro a zero Controle em malha aberta Estipula vazão de alimentação de substrato Valor definido a priori Condições do processo não alteram seu valor Malha aberta medida não estar integrada a ação de controle Inconvenientes Qualquer modificação no processo não serão corrigidas Perturbações posteriores ao inicio do controle Mudanças condições iniciais Controle por sistema regulatório Configuração em cascata dois controladores individuais Malhas mais sofisticadas aumentam desempenho do sistema de controle Nessa configuração medese a temperatura do reator TR e manipulase a vazão de agua de refrigeraçãoaquecimento O valor do erro de temperatura desvio em relação a referencia será a entrada do primeiro controlador chamado mestre que determina o valor da referencia para o segundo controlador chamado servo Esse controlador recebe a medida da temperatura da camisa e calcula o desvio estabelecido com a nova referencia erro A vazão de refrigeraçãoaquecimento é então manipulada para minimizar esse erro Controle por sistema regulatório No controle convencional se houver alguma variação na temperatura do vapor de entrada esta variação será repassada à parede do reator e posteriormente ao material que está contido no mesmo Somente então esta perturbação de temperatura será sentida no sensor de temperatura TE Já no controle em cascata quando houver distúrbio no vapor fazendo a temperatura da jaqueta cair o controlador secundário percebe no sensor de temperatura TE2 e corrige esta variação imediatamente antecipando a ação que o controlador primário tomaria após a condução da variação deste calor no interior do tanque Controle por sistema regulatório Reatores mais modernos Malha interna do controle pode ser alternada Manipulação de mais de uma variável Manipulação frequência de agitação e vazão de ar Quando atuador de uma das malhas atinge o máximo ex vazão de ar o controlador mestre ativa outra malha e passa a controlar a O2d manipulando a frequência de agitação Controle de Processos httpswwwyoutubecomwatchvPtH08O vznfklistWLindex22 Controles que devem ser considerados em uma fermentação industrial Submersa Controle de Processos Oxigênio aeração Temperatura pH Agitação Controle de espuma Oxigênio Como a solubilidade do oxigênio em meio líquido é baixa 7 mgL Seu fornecimento ao meio é de fundamental importância para evitar limitações ou controlar o desenvolvimento dos processos bioquímicos Usase sensores que verificam a concentração de O2 no meio de fermentação A leitura é realizada em porcentagem Controle de Processos Temperatura A temperatura precisar ser controlada devido a influência que exerce na atividade enzimática e no metabolismo microbiano Substrato Produto Microrganismo Reação bioquímica que ocorre durante o processo fermentativo Reação endotérmica Reação exotérmica Controle de Processos Temperatura Aquecer o meio de fermentação Esterilizar o equipamento Sistema de aquecimento Resfriar culturas que realizam reações exotérmicas Sistema de refrigeração Controle de Processos Jaqueta ou camisa Serpentinas Trocador externo Temperatura Biorreator com jaqueta Jaqueta Chicanas Agitador Caldo Fermentado produto Meio de Fermentação produto Controle de Processos Bioreator com serpentina Controle de Processos Serpentinas Serpentinas internas permitem boa troca térmica e eficiente circulação do fluido em alta velocidade Reduzem significativamente o volume útil do fermentador Dificultam a limpeza interna Dificultam a mistura eficiente do meio em fermentadores agitados mecanicamente Podem ser um foco adicional de contaminação por defeito nas soldas difíceis de detectar Jaqueta Possui eficiência reduzida na transferência de calor pela circulação irregular do vapor ou da água de refrigeração Construção é mais simples Fácil limpeza Temperatura Trocador externo Controle de Processos Independente do reator Fácil aumento de escala Manter condições de esterilidade Células devem suportar forças cisalhamento bombeamento Aeróbio tempo de residência pequeno não esgotar O2 do meio Temperatura Controle de temperatura automático Termopar faz a leitura da temperatura do meio de fermentação Verifica se a temperatura é a do processo Se a temperatura do meio estiver abaixo aciona o sistema de aquecimento Se a temperatura do meio estiver acima aciona o sistema de refrigeração Controle de Processos pH O pH deve ser controlado pois influência na atividade enzimática e no metabolismo microbiano No biorreator deve haver um sistema de determinação de pH assim como uma entrada para balancear a reação com ácidobase que não ofereça nenhum risco de contaminação para o sistema O pH é medido com eletrodos que podem ser esterilizável Controle de Processos Agitação Agitação adequada é essencial pois proporciona os seguintes efeitos nas três fases Dispersão do ar no meio de cultivo Homogeneização para igualar a temperatura pH e concentração de nutrientes Suspensão dos microrganismos e dos nutrientes sólidos Dispersão de líquidos imiscíveis Controle de Processos Controle de espuma Meio de fermentação meios ricos em proteínas tendem a formar mais espuma Muitas células produzem moléculas tipo detergente ácidos nucléicos e proteínas excretadas após lise das células ou compostos lipídicos produzidos durante o crescimento Taxa de aeração e velocidade do agitador aumentam a formação de espuma Formação excessiva de espuma pode Bloquear os filtros de saída de ar Aumentar a pressão do biorreator Controle de Processos Controle de espuma O controle é feito com a adição de agentes antiespumantes baseado sem silicone ou óleos vegetais que desestabilizam a espuma pela redução da tensão superficial Controle de Processos Controlador ONOFF Uma parte fica no meio e a outra acima do nível do líquido Quando a espuma atinge a superfície do sensor que está em cima existe a produção de uma corrente elétrica que é detectada pelo controlador resultando na ativação da bomba Fermentação em estado sólido Controle de Processos Oxigênio aeração Temperatura pH Agitação Umidade Controle de Processos Umidade Natureza substrato necessidade microrganismo produto final grau de umidade inicial Nível de umidade elevado Decréscimo porosidade substrato menor difusão O2 risco contaminação Nível de umidade baixo Dificuldade difusão nutrientes menor crescimento e produção U12 não há crescimento Fermentação evaporação e atividade metabólica Adição água estéril Manutenção umidade atmosférica 9097 ar úmido fermentador umidificadores 1885 poder absorção substrato Fermentação em estado sólido Controle de Processos Temperatura Atividade metabólica altura camada substrato produção grande quantidade de calor Dissipar calor gerado Temperatura afeta crescimento formação produto Ar comprimido meio cultura Controle Tº sala ou equipamento Camisas com água refrigerante Fermentação em estado sólido Controle de Processos Dificuldade Heterogeneidade do meio Substratos com boa capacidade tamponante Adição de soluções tampão durante etapa umidificação substrato pH Fermentação em estado sólido Controle de Processos Bom rendimento e rápida fermentação grande área superficial do meio mo cresce e contato com ar Material poroso Pequena espessura camada bandeja perfurada agitação substrato ar estéril Industrial e laboratorial introdução ar estéril sob pressão no equipamento Natureza microrganismo quantidade O2 para síntese produto Espessura camada substrato Quantidade calor a ser dissipado taxa aeração perda umidade exaustão ar Quantidade de CO2 e voláteis para eliminar Oxigênio aeração Submersa 45 vezes mais que FES Fermentação em estado sólido Controle de Processos Melhor homogeneização distribuição inóculo e umidificante Impedir formação de agregados Favorecer trocas gasosas e de calor Fragmentação mecânica micélio afetar desenvolvimento microrganismos Agitação