INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE BIOPROCESSOS
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1. Aspectos Gerais
Desenvolvimento eficiente de um bioprocesso
Condições adequadas para o biocatalisador atuar
Objetivos da indústria:Fazer o processo funcionar com eficiênciaObter produto de alta qualidadeDiminuir custoDiminuir tempoAumentar produção
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Diminuir tempoAumentar produção
Aumentar produtividade
Para se alcançar tais objetivos é preciso empregar técnicas avançadas de controle e otimização de processo
Fundamental no mercado competitivo
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Para estabelecer as condições adequadas é preciso:
MEDIR ANALISAR DADOS
CONTROLAR
MEDIR
ANALISAR DADOS
CONTROLAR
SISTEMA
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Instrumentos
Dispositivos
EquipamentosEletricidade
Ótica
Mecânica
Eletrônica
Matemática
Química
Física
Bioquímica
Biologia
Para os três casos empregam-se:
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Qual a principal diferença entre Medir e Analisar Dados e Controlar?
Obter valores Alterar ou manter valores
Não muda o sistema
Muda o sistema
(Não deve mudar o sistema!)
Não muda o sistema
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Medir o que?
• Oxigênio dissolvido (O.D.)• pH• Conc. de substrato• Conc. de produto• Conc. de células• Temperatura• CO2
“Respostas” do biocatalisador
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• Temperatura• Espuma• Massa• Volume• Vazão de gases e líquidos• Pressão• Potência de agitação• Velocidade de agitação
Variáveis ou respostas do sistema
?
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Instrumento ou sistema de instrumentação
Possui três elementos básicos1. Detector2. Dispositivo de transferência intermediário
(transdutor)3. Dispositivo de saída
Dispositivo de saída
Dispositivo intermediário
Detector
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Aplicações industriais
• Indústrias químicas
• Indústrias do petróleo
• Indústrias de Alimentos
• Indústrias de papel e celulose
• Indústrias de Bioprocessos
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Equipamentos básicos de medida de um fermentador padrão. F vazão, FO espuma, P pressão, RPM velocidade de agitação (rotações por minuto), T temperatura, M motor
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Bioprocesso
Qualquer processo que utiliza células vivas ou seus componentes para realizar mudanças químicas ou físicas desejadas.
É “governado” por multifatores, necessitando de um tratamento multidisciplinarÉ realizado em biorreatores, de forma a permitir a obtenção de grandes quantidades do produto de interesse e sem interrupções
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Grandes quantidades escala industrial
Para isso é necessário realizar o processo de forma CONTROLADA
Para controlar é necessário MEDIR
Para medir é necessário INSTRUMENTO
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Formas de se medir variáveis de bioprocessos:in situin situ com desvio (by-pass)ex situexterno (off-line)
Formas de se monitorar um bioprocesso:
-Contínua (on line) (registro contínuo ou descontínuo)
-Descontínua (off line) (com registro descontínuo)
Medida e monitoramento
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Conceitos e definições
ErroErro: diferença entre valor verdadeiro e valor medido
Os erros podem serOs erros podem ser: Acidentais – Devido a causas irregulares, que se
apresentam em grande número e são de natureza complexa. Tem efeito negligenciável no valor da média aritmética de um conjunto de medições.
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SistemáticosSistemáticos - - influenciam no registro da medida.Estão geralmente no mesmo sentido.São da mesma ordem de grandeza.
Causas: erros do instrumento de medição e erros do operador.
Condição ideal de uma boa instrumentaçãoCondição ideal de uma boa instrumentação: todos os : todos os erros reduzidos aos do tipo casual (acidental).erros reduzidos aos do tipo casual (acidental).
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RetardamentoRetardamento: Intervalo de tempo entre o instante em que o sinal é gerado e o instante em que o instrumento indica, registra ou aciona um controle.Dependendo da duração do retardamento, pode não haver tempo para a(s) mudança(s) necessária(s), ocorrendo perda do processo.
Tempo mortoTempo morto: É o tempo durante o qual um novo sinal ou uma variação de um sinal não podem ser detectados.Crítico em operações dinâmicas.O tempo morto de um instrumento não deve exceder a 10% do retardamento envolvido na medição total.
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Faixa de mediçãoFaixa de medição: Valores inicial e final de medida do instrumento (por exemplo, 20 a 150 oC).Largura da faixaLargura da faixa: é a diferença entre os valores da faixa de medição (no exemplo anterior, 130 oC).
As condições de operação do processo devem ser bem conhecidas para se possa dimensionar adequadamente o instrumento, em relação à faixa de medição. Isso evita o emprego de um instrumento impróprio ou, por outro lado, o emprego de um instrumento de capacidade muito acima da necessária.
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CalibraçãoCalibração: Forma de garantir que os instrumentos tenham a precisão e a faixa de operação exigidas para manter sistemas em condições economica-mente controladas.Instrumento não calibrado não é confiável.
Impossibilidade de calibração: DEFEITO !!
Tipos de padrãoPrimário: unidade de valor absoluto, garantida pelo INMETRO como estando dentro das especificações.Secundário: obtido por comparação com o padrão primário ou correspondem a um equipamento que gera o padrão para calibrar outros instrumentos.
Propriedades gerais de um sensor
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- Ótima exatidão de medida- Durabilidade- Facilidade de recalibração e recondicionamento- Sensibilidade- Seletividade- Resposta rápida- Estabilidade por longo período de trabalho- Operação contínua- Insensibilidade a interferentes e outros fatores
ambientais- Aceitabilidade pelo usuário- Segurança de uso
- Higiene- Esterilização- Assepsia- Material de construção- Inserção e remoção
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Requisitos adicionais para sensores de bioprocessos