Aula 2N - Tubulações em Bioprocessos e Dimensionamento

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Tubulações em Bioprocessos
Prof. Matheus Severo
Introdução
Expansão de plantas biotecnológicas 
Maior informação sobre projeto de tubulações sanitárias e estéreis
Garantia de esterilidade 
Válvulas, conexões e materiais apropriados 
Técnicas de projeto especiais (biorreatores)
Cruciais para segurança de organismos e processos
Concepção
Três fases:
Fase de layout – arranjos de equipamentos
Fase de elaboração – desenhos de arranjo de tubulações
Fase de detalhamento – isométricos da tubulação
Prazos não permitem finalizar antes do início da construção
Projetos precisam ser flexíveis para adaptar às mudanças
Considerações de Layout
Comprimento de tubulações – mínimo possível
Tubulações – não serem risco ou restrição aos operadores
Válvulas e instrumentos – facilmente operados e mantidos
Partes do sistema – providas com válvulas de drenagem adequadas
Flexibilidade – flutuações de temperatura 
Tubulações Ocultas
Melhora na limpeza das salas
Lugares possíveis de ocultar:
Paredes ocas
Sobre o teto (espaços interstiticiais, ex. forro)
Cavidades adjacentes
Considerações pelo espaço extra
Afeta planta baixa
Adiciona altura ao prédio
Aumenta custos
(2)
Considerações de Tubulações Ocultas
	Área da Planta	Bancada	Piloto
	Fermentação	Nenhuma	Parcial
	Recuperação celular	Nenhuma	Parcial
	Purificação	Parcial	Maximizada
	Processamento estéril	Maximizada	Total
	Finalização estéril	Total	Total
Tubulações Ocultas
(4)
Materiais para Tubulação
Muita informação em materiais e especificações
Ênfase nos problemas relacionados à limpeza e esterilidade
Ausência de código – alguns manuais disponíveis
Current Good Manufacturing Practice – Large Volume Parenteral, 212.49 da subparte C (FDA, 1976)
(5)
Materiais para Tubulação
Aço inoxidável 316L – sistemas estéreis e livres de pirogênio (o que é?)
Gaxetas especiais ao invés de flanges convencionais
Aço inoxidável 304L a 316L – tubulações de processo 
Resistência a corrosão e limpeza são importantes
(6)
Materiais para Tubulação
Termoplásticos (PP, PVDF, polietileno, etc):
Distribuição de água e sistemas de drenagem 
Aplicações com temperatura ambiente
Aço carbono:
Distribuição de água, vapor e outras utilidades
Primeira escolha a não ser que exista possibilidade de corrosão
(7)
(8)
Materiais para Tubulação
Cobre – encanamentos, combinado ou substituindo tubulações plásticas
Gases (oxigênio, hélio, argônio)
Utilidades de modo geral (ar, glicol)
Limitado por preço e força para escalas maiores
Aço – uso quase exclusivo para drenagem subterrânea e esgotos 
Necessário ter boa resistência à corrosão
(9)
(10)
Materiais para Tubulação
Vidro – alta resistência à corrosão
Pequenos tamanhos e pouca força
Tubo jaquetado – vidro, plástico + metal
Força + resistência a corrosão
Conexões são problemas em áreas limpas
(12)
(11)
Economia na Escolha
Qual material escolher e onde usá-lo?
Pensar nos custos de instalação além dos custos com materiais
Problemas com soldagem ou suporte
Usar soldadores experientes em tubulações sanitárias – resultados reprodutíveis
Limpeza x materiais caros – separação em três classes
Economia na Escolha
Classe III – Tubulações auxiliares com algum risco ao produto
Ex: Suprimento de água deionizada
Melhores materiais:
Tubulação não corrosiva e sem vazamentos
Válvulas com materiais não corrosivos
Inclinação positiva
Conexões para CIP e SIP
Economia na Escolha
Classe II – Organismos vivos em risco ou limpeza das linhas importante
Ex: Tubulações de fermentação
Melhores materiais:
Tubulação 304L a 316L
Solda controlada, lisa e livre de cavidades
Juntas flangeadas mantidas no mínimo possível
Válvulas diafragma 
Inclinação positiva
Conexões para CIP e SIP
Sem conexões difíceis de limpar
Economia na Escolha
Classe I – Não tolera contaminação de nenhum tipo
Ex: Água para injetáveis (WFI) ou sistemas de processo estéreis
Melhores materiais:
Tubulação 316L com interior polido
Solda automática para juntas
Juntas fixas sanitárias onde desconexão é necessária
Válvulas diafragma com interior polido
Inclinação positiva
Conexões CIP e SIP
Desenho livre de bolsões
Soldagem
União de metais ou não-metais por meio da fusão ou não das peças
Vantagens:
Maior economia de tempo e de material
Redução do peso
Uniões mais estanques e resistentes
Uniões possíveis de serem usinadas
Desvantagens:
Dificuldade de desmontagem
Podem ocorrer tensões e deformações
Algumas soldas exigem acabamento posterior
Exige mão de obra especializada
Soldagem
Soldagem a arco elétrico – união de dois ou mais materiais por calor 
Barreira de soldagem – fatores que atrapalham a criação do arco:
Ferrugem, tinta, umidade, poeira e gordura
Tubulações Sanitárias
Tubulações tradicionais
Problemas com limpeza
Presença de cavidades e frestas – proliferação de bactérias
Debris pirogênicos
Solução – tubulações sanitárias:
Material - Aço 316L com ou sem solda
Soldagem – GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) ou TIG
Polimento – Superfícies interiores e exteriores
Passivação – com ácido após instalação
Válvulas – com polimento e/ou eletropolimento interior e partes sanitárias
Inclinação – positiva para assegurar drenagem livre
GTAW
Atividade 1
Se dividam em equipes (máx 4 alunos) e procurem outros tipos de solda para apresentar aos colegas
20 a 30 minutos para realização
Polimento
Perguntas:
Polir ou não?
Como polir?
Quanto polir?
Tipos de polimento:
Retificação
Polimento mecânico
Polimento eletrolítico e eletropolimento
https://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6316-processos-de-acabamento-fino#.XIucjCi6NPb
Retificação
Finalidade:
Eliminação de irregularidades, fissuras, poros, estranhos e óxidos
Metais pesados e leves não devem ser trabalhados com o mesmo rebolo
Agentes:
Materiais abrasivos combinados com aglomerantes
Tamanho dos grãos abrasivos – peneiras normalizadas (DIN 1771)
Características:
Material a retificar – tipo de rebolo, grão abrasivo e material aglomerante 
Rebolos mais elásticos (cortiça, feltro, papelão ou madeira) - baixa remoção do metal da peça
Retificação
(13)
Polimento Mecânico
Finalidade:
Lustração dos metais antes e/ou após a aplicação de revestimentos
Uso de discos ou politrizes automáticas 
Agentes:
Pasta aplicada sobre o disco girante
Disco é feito de couro feltro ou pano
Características:
Rotações mais altas do que retificação
Polimento mecânico
Polimento Eletrolítico
Finalidade:
Superfície da peça já precisa ser lisa
Metais pesados e leves, ferro fundido e peças fundidas sob pressão
Agentes:
Corrente elétrica e substância de banho
Características:
Banhos – agitação do eletrólito e aumento de temperatura (vapores?)
Densidade de corrente, temperatura e composição do banho rigorosamente controladas 
Tempo de exposição – alguns minutos
Eletropolimento
Passivação
Tubulações sanitárias:
Tratamento com ácido nítrico 35-45% 
Tratamento com ácido cítrico 5%
Ácido cítrico – dissolve imperfeições da superfície 
Finalidade: remover o ferro incrustado (limpeza?)
Não remove óleos ou outros contaminantes não ferrosos
Procedimento – ASTM A-380:
Circular solução detergente e enxaguar antes de usar ácido
Circular por 6 a 8 horas a 60-71°C de ácido cítrico e enxaguar ao final
O último enxague deve ser com água desmineralizada
Passivação
A remoção de ferro livre permite a criação de uma camada filma de óxido, geralmente de cromo
Maior proteção contra o oxigênio e assim contra ferrugem
ASTM A380 e A967 são as normas para passivação
Passivação
Juntas Sanitárias
(14)
(15)
Por que a borracha?
Que partes interagem com o líquido?
Atividade 2
Se dividam em equipe (máx 4 alunos) e escolha um dos processos de polimento/retificação e cite um material que sofre este tratamento e qual sua aplicação industrial
Duração da atividade 15 a 20 minutos
Dimensionamento de Tubulações
Introdução
Dimensionamento – problema de hidráulica
O que impacta no dimensionamento?
Vazão necessária do fluido
Diferenças de cota existentes
Pressões disponíveis
Velocidades
Perdas de carga admissíveisNatureza do fluido
Material e tipo da tubulação
Quem faz estes cálculos?
Equipe de projeto
(16)
Escoamento de Fluidos
Qual é o tamanho padrão quando não se sabe como iniciar?
1” é o padrão para processos e utilidades
O que é mais difícil de calcular?
Perdas de carga
Escoamento – perdas de carga por resistência internas e externas
Internas: atrito entre as moléculas do fluido
Externas: atrito do fluido com as paredes, acidentes
Em inglês: dificuldade de nomenclatura de pipe e tube
Pipe x Tube
Pipe x Tube
(17)
Escoamento de Fluidos
Proporções:
 velocidade -  resistências externas e  internas 
 rugosidade das paredes -  resistências externas 
 diâmetro do tubo -  resistências externas
 viscosidade -  resistências internas
O que a perda de carga causa?
Perda gradual de pressão do fluido
Influenciada pelo que?
Acidentes – curvas, derivações, subidas, descidas, válvulas
Cálculos de Dimensionamento
O que fazer para facilitar os cálculos?
Divisão da tubulação por trechos
Não ter nenhum máquina que troque calor com o ambiente
Máquinas – bombas, compressores, turbinas
Única fonte de variação de energia são as perdas de carga
Conservação da energia entre dois pontos:
		 (1)
J=perda de carga total, =peso específico do fluido, P=pressão do fluido, V=velocidade de escoamento, H=cotas acima de um plano de referência, g=gravidade
Cálculos de Dimensionamento
Considerações:
Fluidos incompressíveis possuem peso específico constante
Mudança da velocidade dividida pela gravidade ≈0
Equação (1) fica:
Observação: J é dado em unidade de comprimento
 (2)
Cálculos de Dimensionamento
Também é influenciado pelo tipo de regime - Reynolds
V=velocidade média de escoamento do líquido (m/s), d=diâmetro interno do tubo (mm), v=viscosidade cinemática do fluido (Stokes)
Re < 2000 – escoamento laminar
Re > 4000 – escoamento turbulento
4000 > Re > 2000 – regime instável
 (3)
Perda de Carga para Líquidos
O tipo de regime vai influenciar nos cálculos
 (4)
Regime laminar – fórmula de Poiseulle
L=comprimento do tubo
Vale para qualquer líquido e tubulação
Perda de carga sempre proporcional à velocidade no regime laminar
Regime turbulento – sem fórmula específica, fórmula de Darcy é a mais aceita
 (5)
f=coeficiente de atrito – função de Re e da rugosidade das paredes
Rugosidade - /d = altura da maior irregularidade interna na parede do tubo e o diâmetro interno do mesmo
f e /d são adimensionais
Ábaco ou Diagrama de Moody
(1)
Final da Aula
Conhecimentos mínimos necessários ao final da aula:
Conhecer mais sobre as diferenças de tubulações em bioprocessos em comparação com outras indústrias
Entender os critérios utilizados na escolha de tubulações para bioprocessos
Entender os conceitos de polimento e passivação
Referências Bibliográficas
Tubulações Industriais – Pedro C. Silva Telles. Livros Técnicos e Científicos Editora S.A.
http://blog.losinox.com.br/2017/03/13/304-ou-316-e-304l-ou-316l/
http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6316-processos-de-acabamento-fino#.WRYnh2grLIU
https://www.youtube.com/watch?v=M6te8o9GtXM
proedu.ifce.edu.br/bitstream/handle/123456789/277/soldagem.pdf
https://www.youtube.com/watch?v=CSKKU0jX3tI&t=17s
https://www.youtube.com/watch?v=mHX9Po9HGhc
https://www.youtube.com/watch?v=PfDTc6lTnhA
(1)http://www.toocraft.com/postpic/2014/12/compressed-air-piping-design_548258.jpg
(2)http://aemstatic-ww2.azureedge.net/content/dam/fe/online-articles/2011/08/Havel%202/Concealed-space-Photo2.jpg
(3)https://shop.cjshomedecor.com/image/data/Information%20Pages/Valves-and-Escutcheons/Valves-and-Escutcheons-02.jpg
(4)http://multidecor.in/blog1/wp-content/uploads/2016/07/Multi-Decor-Cleanroom-1.jpg
(5)http://www.corr-tech.com/bp18.jpg
(6)http://blog.losinox.com.br/wp-content/uploads/2017/03/A%C3%A7os-304-ou-316-e-o-304L-ou-316L.jpg
(7)http://www.polytech-plastics.com.au/wp-content/uploads/2013/04/PVDF.jpg
(8)http://www.shipplate.com/images/carbon_steel_pipe.jpg
(9)https://www.mytub.co.uk/product_images/95390438226413mytub.jpg
Referências Bibliográficas
(10)http://www.ductileironpipesfittings.com/css/images/double-flange-ductile-iron-pipe.jpg
(11)https://images-na.ssl-images-amazon.com/images/I/41Zp%2BpAq0qL._SX342_.jpg
(12)https://5.imimg.com/data5/FF/BL/MY-1017347/ptfe-lined-piping-250x250.jpg
(13)https://slideplayer.com.br/slide/1613352/5/images/5/Conceito+de+Retifica%C3%A7%C3%A3o.jpg
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(15)https://ae01.alicdn.com/kf/HTB1JhJKOpXXXXauXpXXq6xXFXXXj/SZS-Hot-2-inch-Tri-font-b-Clamp-b-font-304-Stainless-Steel-font-b-Sanitary.jpg
(16)http://engrenarjr.com.br/wp-content/uploads/2018/08/Post_Blog_Dimensionamento_ImgDestacada.png
(17)https://lcsimei.files.wordpress.com/2012/10/tubulac3a7c3b5es-industriais_i_simei7.pdf