Modelagem e controle em processos fermentativos

Historicamente o desenvolvimento e a otimização de processos fermentativos e de suas operações de preparo da matéria-prima e de recuperação de produtos têm sido executados em bases empíricas, sem maiores preocupações em utilizar, como ferramenta básica, o conhecimento dos fenômenos envolvidos no processo em estudo. Neste cenário tecnológico enquadram-se de forma geral as usinas de açúcar e álcool, que pela existência de um mercado cativo e do apoio governamental conseguido desde a implantação do Programa Nacional do Álcool tiveram, por muitas décadas, garantida a rentabilidade econômica dos seus empreendimentos, sem grandes incentivos para aprimorar a tecnologia instalada nas suas unidades industriais.

A globalização da economia e a busca sistemática de uma melhora da qualidade dos produtos, levaram as indústrias nacionais a procurar aprimorar seus processos produtivos, visando fundamentalmente garantir a sobrevivência e a margem de lucro dos seus empreendimentos. Atualmente o método empírico está sendo substituído por métodos mais científicos utilizando conhecimentos e tecnologias mais modernas, já consagradas em outras áreas do conhecimento humano. Neste contexto destaca-se o emprego das técnicas de modelagem matemática e de simulação dos processos industriais que, além de serem um passo importante para o conhecimento profundo dos processos em questão, permitem também a otimização das suas condições operacionais, visando aumentar sua rentabilidade econômica. Estas ferramentas permitem que, uma vez obtido e ajustado um sistema de equações matemáticas que melhor representa o conjunto de fenômenos fisicos, químicos e biológicos que regem o processo, obter informações fundamentais para o seu projeto e a sua operação, sem necessidade de recorrer a exaustivos testes de laboratório e/ou planta piloto. É também através do desenvolvimento e teste de um modelo matemático ajustado ao processo que se torna possível definir a melhor estratégia de controle a ser empregada, utilizando a instrumentação existente na indústria, complementada pelos contínuos avanços na área de automação disponíveis no mercado. Entretanto, apesar dos novos instrumentos permitirem a medida on-line das variáveis de processo, a estratégia de controle a ser desenvolvida deverá incorporar, via de regra, um-algoritmo capaz de estimar estados não medidos, principalmente quando se tratar de processos fermentativos, cuja instrumentação é, ainda hoje, pouco desenvolvida.

O IPT, através de seus pesquisadores e técnicos nas áreas de Biotecnologia e de Sistemas de Controle, vem desenvolvendo nos últimos anos, através da aplicação de um conjunto de ferramentas computacionais, uma tecnologia moderna de modelagem matemática, simulação, automação e controle de processos químicos e fermentativos. Esta tecnologia testada e comprovada em laboratório engloba sinteticamente as seguintes ferramentas:

• formulação e ajuste de modelos matemáticos fenomenológicos, representando os fenômenos observados no processo em estudo;
• montagem e treinamento de modelos tipo entrada-saída, representados pela modema técnica de redes neurais;
• utilização dos modelos formulados para simular o processo em estudo, visando sua otimização operacional;
• estabelecimento da instrumentação necessária para automação do processo, utilizando um computador para supervisionar a automação implementada;
• definição e implementação de uma ou mais estratégias de controle baseadas nos modelos matemáticos propostos visando garantir a operação do processo nas proximidades do ponto de operação escolhido;
• estabelecimento de rotinas de acompanhamento técnico/econômico do processo que garantirão a contínua avaliação dos avanços alcançados pela introdução das técnicas de automação e controle propostas.

A análise do sistema industrial de produção de álcool combustível no Brasil permite concluir pela importância da otimização da tecnologia de produção principalmente se for levada em conta a forte dependência do custo final do produto na matéria-prima consumida. o que garante o interesse na introdução de melhorias que signifiquem alguns pontos percentuais de incremento no rendimento global do processo produtivo. A seguir listamos algumas das etapas do processo de produção de álcool, onde a modelagem matemática e a posterior simulação permitirão introduzir significativas melhoras no comportamento global da unidade produtora:

• extração e tratamento do caldo;
• fermentação:
• destilação;
• geração e distribuição de vapor e acionamerno de equipamentos.

No mesmo sentido é possível prever substanciais ganhos pela aplicação de estratégias de controle que garantam a operação das etapas do processo. nas condições previamente otimizadas.

O IPT, a partir dos estudos automotivados realizados em seus laboratórios, acompanhados de trabalhos de consultoria realizados inclusive junto ao setor sucro-alcooleiro, consolidou sua experiência na área, estando apto hoje a fornecer apoio às unidades produtoras de álcool no país, no sentido de aplicar estas modernas técnicas de análise e operação, garantindo consideráveis ganhos na produção e na rentabilidade do empreendimento.

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vista geral do laboratório

revisão 6nov10 (anterior 7mar96)