Introdução

Este estudo de caso apresenta uma planta fictícia e didática, com seus parâmetros operacionais e necessidades de automação. É proposto aos grupos conceber um projeto que viabilize tal automação a níveis de instrumentação, comunicação e computação.

Descrição da planta

Uma indústria de biotecnologia deseja implantar um biorreator de 1.000 litros para produção de uma bebida fermentada funcional à base de milho e cevada, utilizando microrganismos específicos.

Um biorreator é essencialmente um ambiente fechado com condições ambientais controladas para o crescimento de microorganismos e células. Normalmente, devem-se monitorar e controlar as variáveis de pH, oxigênio dissolvido e temperatura do meio. É comum também manipular a agitação e aeração do meio a fim de garantir a transferência de massa e a produtividade do bioprocesso.

O processo de fermentação visa a conversão de açúcares em etanol, dióxido de carbono e metabólitos de interesse (e.g., ácidos orgânicos, compostos aromáticos) que conferem características ao produto final.

Características do processo

Insumos principais:

• Mosto (água + extrato de milho e cevada) como substrato nutritivo.
• Nutrientes adicionais (sais minerais, fontes de nitrogênio).
• Microrganismos inoculados (starter culture).
• Ar/oxigênio para fases iniciais de crescimento celular.

Etapas principais:

1. Esterilização e preparo: o tanque e o meio de cultura são esterilizados antes da inoculação.
2. Inoculação: introdução dos microrganismos no meio estéril.
3. Fermentação ativa: metabolismo dos microrganismos, controlado por agitação, temperatura e oxigenação.
4. Maturação e coleta: após o término da fermentação, o produto é clarificado e enviado para processamento final.

Variáveis do processo:

Temperatura do caldo fermentativo:

• Faixa típica: 28 °C a 35 °C
• Setpoint usual: 30 °C ± 1 °C
• Justificativa: temperaturas mais baixas retardam a atividade microbiana; acima de 35 °C há risco de morte celular.

pH do meio:

• Faixa típica: 4,0 a 6,0
• Setpoint: 4,5 – 5,0
• Justificativa: valores abaixo de 4,0 inibem crescimento celular; acima de 6,0 favorecem contaminantes.

Oxigênio dissolvido:

• Faixa típica: 0 – 100% de saturação
• Controle: manter 20–40% de saturação na fase de crescimento celular inicial. Depois, reduzir para 0% para favorecer os processos anaeróbicos (fermentação alcoólica).
• Justificativa: na fase posterior, trabalha-se em condições anaeróbias (DO próximo a 0%) para favorecer a fermentação alcoólica.

Nível de líquido no tanque:

• Volume operacional: 700 L a 800 L (sempre abaixo da capacidade total para evitar transbordamento com espuma).
• Justificativa: monitorar nível garante segurança operacional e permite controlar insumos de entrada/saída.

Pressão interna do biorreator:

• Faixa típica: 0 a 2 bar (manométrica)
• Operação normal: 1,2 bar
• Justificativa: manter leve sobrepressão para mitigar entrada de contaminantes.

Agitação (velocidade do agitador):

• Faixa típica: 50 a 500 rpm
• Operação usual: 150 – 250 rpm durante a fase aeróbia, podendo reduzir em fases posteriores.

Vazão de ar/oxigênio:

• Faixa típica: 0,1 a 1,0 vvm (volume de gás por volume de líquido por minuto).
• Exemplo: 200 L/min para 1.000 L de meio → 0,2 vvm.

Necessidades de automação

Para que o processo seja eficiente e reprodutível, a empresa deseja implantar um sistema de automação e supervisão que permita:

• Monitorar continuamente todas as variáveis críticas (temperatura, pH, oxigênio dissolvido, nível, pressão).
• Atuar sobre as variáveis controladas (aquecimento/refrigeração, adição de base/ácido, injeção de ar, velocidade do agitador).
• Registrar o histórico de processo em banco de dados para rastreabilidade.
• Implementar alarmes e intertravamentos (ex.: desligar agitador em sobrepressão).
• Implementar um sistema supervisório que integre toda a automação e funcionalidades desejados.

Descrição da tarefa

O estudo de caso é dividido em 5 etapas:

Etapa 1 – Compreensão do Processo

Leia a descrição do biorreator e suas variáveis (temperatura, pH, oxigênio dissolvido, nível, pressão, agitação, vazão de ar). Tarefa:

1. Explicar em detalhes o funcionamento de um biorreator e sua importância na pesquisa/indústria.
2. Identificar quais variáveis precisam ser monitoradas (apenas medidas) para um biorreator comum.
3. Identificar quais variáveis precisam ser controladas (exigem atuação) para um biorreator comum.
4. Justificar por que cada variável é importante para a segurança e qualidade do processo.

Etapa 2 – Sensores

Para todas as variáveis que precisam ser monitoradas, identificadas na Etapa 1:

1. Definir sensor/transmissor mais adequado (ex.: RTD Pt100 para temperatura, eletrodo de vidro para pH, sensor DO óptico, célula de carga ou radar para nível).
2. Determinar a faixa de medição (com base nos valores fornecidos).
3. Especificar características essenciais (precisão, tempo de resposta, condições ambientais).
4. Especificar pelo menos 2 modelos comerciais reais (datasheet) para cada tipo de sensor.

Etapa 3 – Atuadores e Elementos Finais de Controle

Para todas as variáveis que precisam ser controladas, identificadas na Etapa 1:

1. Detalhar as variáveis que exigem atuação e a estratégia para manipulá-las (e.g., Aquecimento/refrigeração → resistências elétricas, serpentinas, válvulas de água gelada).
2. Selecionar elementos finais de controle adequados.
3. Especificar modelos comerciais (datasheet) e indicar suas especificações básicas.

Etapa 4 – Arquitetura de Automação

A empresa deseja registrar os dados e integrar o sistema a uma plataforma supervisória.

1. Definir que tipo de controlador será usado (CLP, PAC, DCS, controlador dedicado).
2. Desenhar o diagrama da arquitetura de automação (sensores → CLP → rede de comunicação → supervisório/HMI).
3. Projetar a topologia de rede (estrela, barramento, anel, etc.).
4. Especificar os meios de comunicação que serão utilizados para cada elo.
5. Indicar protocolos de comunicação mais adequados (Profibus, Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, etc.) para cada nível.

Etapa 5 – Orçamento e Justificativa

1. Montar uma lista de instrumentos e equipamentos com preços reais (pesquisados em fornecedores).
2. Justificar brevemente a escolha de cada item em termos técnicos e econômicos.
3. Apontar vantagens e desvantagens das soluções adotadas.

Dica

• É de suma importância compreender bem o processo do biorreator para propor instrumentos que sejam adequados para interagir a planta.

Entregáveis

Este estudo de caso vale 2 pts da média final.

O grupo agirá como uma empresa preparado uma proposta comercial de sua solução.

Os entregáveis deste estudo serão:

• documento em PDF contendo a proposta comercial;
• apresentação em sala de aula da proposta do grupo.

Documento PDF

O grupo deverá preparar um documento PDF contendo o descritivo detalhado de todas as etapas propostas neste estudo de caso. O documento deverá ter um formato similar a uma proposta comercial, fornecendo detalhes da proposta de implementação do sistema (e.g., componentes, arquitetura de comunicação, preços, etc.).

O documento deverá ser subido no Campus Virtual até às 23

Apresentação

O grupo deverá realizar uma apresentação de 10 minutos no dia 14/04 para demonstrar sua solução para toda a turma. Um porta-voz poderá ser eleito para realizar toda a apresentação; todos os membros porém precisarão estar presentes no dia, pois perguntas poderão ser realizadas pelo professor.

Bom trabalho! 🤓😎