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Universidade Estácio de Sá – Campus Macaé
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS ENZIMÁTICOS E DE FERMENTAÇÃO
Ingrids dos Santos Lima Caetano – 201407252151
Tainã Abreu Rodrigues Costa – 201202192963
Micaella Dias Garcia – 201504756614
Macaé, Novembro de 2020.
Sumário
1. OBJETIVO	3
2. INTRODUÇÃO	3
2.1 ESTRUTURAS DAS ENZIMAS	3
2.2 ESPECIFICIDADES ENZIMÁTICAS	4
3. DESENVOLVIMENTO	4
3.1 Reatores para processos enzimáticos	4
3.1.1 REATORES EM CÉLULAS IMOBILIZADAS	4
3.1.2 REATORES COM ENZIMAS IMOBILIZADAS	5
3.1.3 REATORES ENZIMÁTICOS	6
3.1.3 REQUISITOS OPERACIONAIS	7
3.2. Necessidades de Controle	7
3.2.1 Arquitetura geral	8
3.2.2 Controle regulatório	8
3.2.3 Modelo matemático da planta	9
3.2.4 Entrada teste para controles	10
3.2.5 Controle proporcional simples	11
3.2.6 Controle PID	13
3.2.6 Controle com atuação on/off	13
3.2.7 Uma proposta de implementação do controle regulatório	16
3.3 Principais instrumentos para monitoração em linha de processos fermentativos.	17
3.3.1 Medidas baseadas em princípio físico	17
3.3.2Medidas baseadas em princípios físico-químicos	21
3.3.3 Medidas de biomassa	23
3.3.4 Determinações de substratos e produtos na fase líquida	25
3.3.5 Controle aplicado a processos fermentativos	28
3.4 Principais parâmetros a serem controlados.	35
3.5 Sistemas de controle.	35
4. CONCLUSÃO	35
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	35
1. OBJETIVO 
2. INTRODUÇÃO
Enzimas são proteínas que apresentam atividade catalítica. A complexa estrutura molecular enzimática é majoritariamente construída por uma parte proteica, porém a ela podem estar integradas outras moléculas, como carboidratos e lipídeos. Para apresentar atividade catalítica, algumas enzimas requerem a participação de moléculas menores (co-fatores) de natureza não proteica. Os co-fatores podem ser íons (Zn 2+, Ca 2+ etc) ou moléculas orgânicas (coenzimas). Exemplos de coenzimas são os dinucleotídeos (NAD, NADP, FAD) e a coenzima A entre outros. 
Nos últimos anos observou-se um desenvolvimento notável de aplicações de controle moderno de processos, quando se difundiu o uso de microcomputadores como componentes de sistemas de controle. A grande vantagem desses sistemas decorre da possibilidade da ampliação de seu uso, devido ao barateamento desses componentes; da maior possibilidade de interfaceamento, acompanhamento e gerenciamento de dados e do aumento de funções lógicas e programáveis dos controladores. Devido aos recursos computacionais, eles ampliam as opções de algoritmos de controle, bem como podem realizar funções mais complexas, como a estimativa de variáveis não medidas, implementação de técnicas de otimização identificação de processos. Contudo, a aplicação de controle automático em processos fermentativos tem evoluído relativamente pouco, devido a características específicas dos processos biotecnológicos que dificultam o controle automático, ou seja, a dificuldade de medidas em linha das principais variáveis do processo e a sua complexidade cinética, que dificultam a elaboração de modelos para correlacionar corretamente as variáveis de estado com as variáveis manipuladas. Apesar das dificuldades apontada, os processos fermentativos vêm acompanhando a tendência de maior instrumentalização e automação registrada em outras áreas. 
A aplicação do controle automático nos processos fermentativos permite uma maior reprodutibilidade da produção, garantindo melhor qualidade do produto, maior segurança e otimização da produção, para maior economia do processo. Com o crescente aumento dois níveis de concorrência entre empresas, o controle de processo passa a ser estratégico e imprescindível na corrida por menores custos e ganhos de produtividade. Não é qualquer exagero dizer, que as companhias que não observarem um rigoroso controle de seus processos estarão fora do mercado num horizonte de tempo de curto prazo.
 2.1 ESTRUTURAS DAS ENZIMAS 
As proteínas são heteropolímeros formados por aminoácidos ligados covalentemente por ligações peptídicas. A denominada estrutura primária dessas macromoléculas corresponde à sequência desses aminoácidos, que é geneticamente determinada. As cadeiras polipeptídicas, por sua vez, adotam configurações espaciais determinadas pela própria estrutura primária, bem como pelas interações entre seus aminoácidos constituintes. Assim, as interações entre aminoácidos adjacentes podem levar a arranjos especiais do tipo α-hélice ou do tipo folha β, que compõem a denominada estrutura secundária. A estrutura terciária da enzima resulta das interações entre aminoácidos, não sequencialmente próximos, que provocam torções e dobramentos de regiões da macromolécula. A estrutura tridimensional terciária configura o sítio catalítico da enzima, que é determinante para sua atividade biológica. A estrutura quaternária refere-se à interação entre cadeias polipeptídicas e subunidades distintas e ocorre em algumas enzimas complexas de regulação. Uma consistente descrição da estrutura de proteínas é apresentada por VOET & VOET. 
A conformação e a estabilização da estrutura molecular das enzimas e assegurada por ligações de hidrogênio, interações hidrofóbicas, pontes de dissulfeto, ligações iônicas e forças de Van der Waals. A atividade catalítica, bem como a estabilidade e a especificidade da enzima, dependem da sua estrutura tridimensional. Condições ambientais, tais como, pH, temperatura, força iônica do meio afetam a estrutura da enzima e, em decorrência, suas propriedades. 
2.2 ESPECIFICIDADES ENZIMÁTICAS 
A ação catalítica das enzimas se faz como a dos catalisadores inorgânicos, através da redução da energia de ativação da reação, sem alteração do seu equilíbrio termodinâmico. Além de reduzirem significativamente a energia de ativação incrementando a velocidade de reação, as enzimas apresentam elevada especificidade. 
Essa especificidade pode se expressar quanto ao tipo de reação ou de substrato. Como exemplo do primeiro tipo, pode-se citar enzimas que só catalisam a hidrólise de ligações peptídicas, ou enzimas que só catalisam a hidrólise de ligações éster. Como será visto mais adiante, esse tipo de especificidade é utilizado para classificar a enzima. A especificidade quanto ao substrato decorre da presença, na sua molécula, de ligações que podem ser atacadas por grupos funcionais do sítio ativo da enzima e da presença de grupos funcionais que se ligam à enzima, permitindo fixa-lo e posiciona-lo corretamente no sítio ativo para que a reação ocorra. Algumas enzimas apresentam especificidade estrita, como é o caso da fumarase, que transforma L-malato em fumarato, não atuando sobre D-malato. Outras não apresentam especificidade tão absoluta, como ocorre com a xilose isomerase, que catalisa a transformação de xilose em xilulose, bem como a de glicose em frutose.
Apenas alguns resíduos aminoácidos participam diretamente da ação catalítica, embora cadeias de aminoácidos situadas próximas ao sítio catalítico tenham importante função de fixação e posicionamento da molécula de substrato. Outras Sequencias de aminoácidos têm importante papel de estabilização da estrutura tridimensional enzimática. 
3. DESENVOLVIMENTO
3.1 Reatores para processos enzimáticos
3.1.1 REATORES EM CÉLULAS IMOBILIZADAS 
Os sistemas com células imobilizadas têm como principal característica o uso de alguma estrutura física de confinamento e que obriga as células a permanecerem em uma região particular de um biorreator.
Devemos distinguir essencialmente dois tipos de processos fermentativos realizados através de células imobilizadas.
O primeiro é aquele que utiliza uma ou algumas das enzimas contidas as células, não havendo necessidade da existência de coenzimas (ATP, NADH e outros) e vias anabólicas presentes na replicação celular. 
Em outras palavras, as células não necessitam estar vivas quando mobilizadas; somente deve estar ativo o sistema enzimático envolvido na conversão bioquímica requerida. 
Exemplo marcante desse processo é a produção industrial de ácido málico, ácido aspártico e o xarope de frutose de milho (High Fructose CornSyrup). 
O segundo tipo de processo que utiliza células imobilizadas é aquele em que se impõe a necessidade de manter a viabilidade celular, uma vez que os produtos a serem formados requerem múltiplos passos de transformações, regeneração de coenzimas, presença de cadeia respiratória, vias metabólicas geradoras de intermediários e outros mecanismos inerentes às células vivas. 
As principais vantagens dos sistemas com células imobilizadas citadas na literatura são as seguintes:
a) possibilidade de utilização de altas concentrações celulares no volume reacional, implicando em maiores velocidades de processamento; 
b) operação de sistemas contínuos à vazão específica de alimentação acima da velocidade específica máxima de crescimento, µ máx, característica da célula não imobilizada;
c) eliminação de problemáticos reciclos externos de células através de uso de sedimentadores, filtros é centrífugas; 
d) provável obtenção de maiores fatores de conversão de substrato ao produto desejado; 
e) possibilidade de utilização de projeto de biorreatores mais adequados à cinética do sistema biológico utilizado; 
f) maior proteção ao sistema biológico em relação ao estresse ambiental, ocasionado por elevadas concentrações de substratos, pH e cisalhamento. 
Além disso, esse sistema é único no sentido de possibilitar a utilização de fermentação submersa, para o cultivo de linhagens de células de mamíferos dependentes de ancoragem em um suporte para seu desenvolvimento adequado.
3.1.2 REATORES COM ENZIMAS IMOBILIZADAS 
Conversões bioquímicas podem ser feitas em reatores, usando-se microrganismos, organelas celulares ou enzimas isoladas como catalisadores. 
No que tange às enzimas, tanto as extracelulares quanto várias intracelulares encontram-se amplamente disponíveis, e são usadas em diversos processos industriais. 
No momento é impensável o uso de enzimas isoladas em processos multienzimáticos, tal como seria necessário, por exemplo, em processos de síntese química. 
O custo da fermentação, associado aos custos relacionados com o isolamento da enzima e, nos casos pertinentes, os referentes à imobilização, devem ser minuciosamente avaliados, frente às potenciais vantagens de se utilizar um processo enzimático.
Quando comparadas aos microrganismos, as enzimas isoladas poderão fornecer maior rendimento num dado produto, já que substâncias colaterais contaminantes, resultantes do metabolismo e/ou lise celular, não seriam formadas. No caso particular da imobilização, há a possibilidade de se modificar as características cinéticas da enzima. 
A escolha entre as formas solúvel e insolúvel de uma enzima depende da natureza do processo de conversão e da estabilidade operacional das duas formas. Pela sua natureza, alguns processos, como panificação e amaciamento de carnes, tornam inviável a recuperação das enzimas, desde que as mesmas são usadas na forma solúvel e adicionadas nos estágios finais dos processos. Embora em algumas situações a escolha seria afetada pelo fato de ser possível a remoção da enzima imobilizada do produto final, garantindo desta forma uma menor contaminação proteica, e/ ou pela possibilidade de mudança da cinética da reação, é inegável que a estabilidade operacional do sistema imobilizado apresentaria um peso ponderável na decisão entre enzima solúvel versus enzima insolúvel.
Tabela 1 - Alguns exemplos de enzimas industriais.
3.1.3 REATORES ENZIMÁTICOS
A princípio, quando se dispunha apenas de enzima na forma livre e solúvel, o único tipo de reator utilizável era o de batelada. Contudo, com o advento das enzimas imobilizadas, surgiu a possibilidade de se utilizar outros tipos de reatores. 
Pode-se dizer, pela análise da literatura, que o número de reatores possíveis e preconizados é no mínimo igual ao número de estudiosos do setor. No entanto, a maioria deles são inviáveis economicamente, quer por exigirem grandes dimensões, quer por apresentarem baixas porcentagens de conversão. 
TIPOS: 
· REATOR DE BATELADA
Este tipo pode ser usado em processos onde, terminada a reação, a enzima imobilizada pode ser separada da mistura final com relativa facilidade (filtração, decantação, por exemplo). 
· REATOR AGITADO CONTÍNUO 
Neste caso há entrada e saída contínua de fluido. Eventualmente uma certa quantidade de enzima pode ser arrastada no efluente, devendo-se, por isso, acoplar na saída um sistema que permita recuperá-la (filtração, por exemplo).
· REATOR DE LEITO FIXO 
Neste tipo de reator a enzima imobilizada é empacotada, permanecendo estacionária, enquanto a solução de substrato é bombeada através dela. 
· REATOR DE LEITO FLUIDIZADO
A enzima imobilizada nesse caso encontra-se em suspensão no interior do reator, sendo a solução de substrato bombeada através dela. A velocidade de fluxo da solução de substrato é tal, que impede a deposição das partículas no fundo do reator, e é fraca o suficiente para evitar que as mesmas sejam arrastadas no efluente. 
· FATORES A CONSIDERAR NA ESCOLHA DO REATOR USO E CUSTO DO REATOR
Basicamente o modo de operação do reator estará na dependência do "output" desejado. Nos casos em que o "output" é baixo, deve-se dar preferência ao reator tipo batelada, que representa um sistema barato e flexível (no sentido de poder ser usado em diferentes processos). 
No caso do reator contínuo de qualquer tipo, o seu emprego usualmente será planejado para um processo específico, o que eleva o custo do investimento inicial. Contudo, um reator desse tipo apresenta as vantagens: de custo de mão de obra reduzido, possibilita a automação e a constância das condições de reação.
· REUTILIZAÇÃO DA ENZIMA 
A decisão de se reutilizar ou não uma enzima, dependerá de considerações de ordem técnica e de custo. Com exceção de algumas enzimas extra celulares (por exemplo, amilases, proteases), as demais são instáveis para uso prolongado em reatores, podendo a imobilização, nestes casos, tornar-se uma alternativa atraente.
Considerando os custos totais referentes à enzima livre, suporte e imobilização, é possível calcular o número de reutilizações em um reator batelada ou o tempo requerido (no caso do reator contínuo), que tornariam o custo do processo da mesma ordem de grandeza daquele apresentado pelo uso da enzima na forma solúvel. A economicidade da reutilização estará na dependência da relação custo do catalisador / custo total do processo. É claro que a reutilização limitará a escolha do reator àquele que propiciar o modo de retenção do catalisador mais eficiente.
3.1.3 REQUISITOS OPERACIONAIS 
Os requisitos operacionais do processo podem limitar severamente a escolha do reator. Lembrando que a maioria das reações bioquímicas requer controles de temperatura e pH, então um reator tipo tanque-agitado poderá ser usado. Algumas vezes, no entanto, é necessário fornecer substrato ao sistema de reação de um modo intermitente, como no caso em que o substrato em elevada concentração inibe a enzima. Isso pode ser conseguido usando-se um reator tubular. No caso de tanques agitados operados de forma contínua deve-se utilizar vários deles em série. 
Caso no fluido de alimentação existam sólidos insolúveis, então o reator de leito fixo não pode ser usado. 
Finalmente, em processos contínuos pode ser necessária a adição de uma nova quantidade de enzima, para suprir a perda de atividade catalítica durante o processo contínuo prolongado. No caso do reator continuo agitado, tal acréscimo poderá ser feito a qualquer momento, sem a necessidade de interromper o processo, que não é possível na maioria dos outros tipos de reatores, cujo funcionamento deverá forçosamente ser interrompido.
3.2. Necessidades de Controle
Serão discutidas algumas propostas e alternativas de controle baseadas no perfil do processo estudado e nas condições apresentadas pelos modelos e resultados dos testes.
3.2.1 Arquitetura geral
A estrutura fundamental do controle apresentado neste capítulo se baseia na integração de diferentes níveis e tipos de controle. Na Figura 1 apresentamos um desenho esquemático desta configuração.
Figura1 - Arquitetura de Controle.
O controle supervisório implementa a coordenação de todos os controles e registros. A manutenção de dados de histórico dos processos, parâmetros configurados, especificações de receitas e outros, é função deste controle. Ele também é o grande responsável pelo estabelecimento da comunicação entre o processo e o usuário, normalmente implementada por via de uma interface gráfica interativa.
Os controles regulatórios são normalmente desenhados e implementados por dispositivos configurados para operações em equipamentos específicos. Sinais de mudanças e configuração de setpoints e comandos são recebidos pelo controle supervisório para que sejam operadas as diferentes funções apresentadas pelos equipamentos. É possível estabeler uma ponte de comunicação de configuração para que futuras reconfigurações (como por exemplo, mudanças na estratégia de controle) dos dispositivos do controle regulatório sejam simplificadas.
A sequenciação das etapas do processo e o monitoramento de estados são tarefas do controle sequencial. Estados e condições das variáveis dos processos são recebidas do controle supervisório para que os mesmo sejam interpretados em eventos que desencadeam o andar das etapas do processo, ou até mesmo condições de erro. Este desencadeamento é convertido em comandos que são enviados para o controle supervisório. É comum a implementação deste tipo de controle como parte do controle supervisório.
A interface entre os diferentes controles é estabelecida pelo sistema supervisório. Comandos de encadeamento de etapas são recebidos do controle sequencial e convertidos em instruções e enviados para os controles regulatórios. Condições e estados de variáveis do processo são repassados dos controles regulatórios para o controle sequencial pelo controle supervisório.
3.2.2 Controle regulatório
O controle regulatório tem como papel a manipulação e o controle das variáveis de processo, garantindo que as mesmas se comportem conforme o processo esperado. Este controle é o que comanda os instrumentos no campo, monitorando dados de sensores e enviando comandos aos atuadores em tempo real.
A implementação do controle regulatório, como dito anteriormente, envolve o estudo meticuloso dos comportamentos e condições de operação do equipamento em que o mesmo é aplicado. Seguindo esta metodologia, este tópico elabora propostas e simulações de controle em cima de um modelo baseado nos dados experimentais obtidos sobre os comportamentos dos tanques da planta.
As condições adotadas para a atuação do controle são de uma válvula proporcional, em que sua abertura pode variar de 0 a 100%. Desta forma determinando a ação de controle entre 0 e 1. Ao fim deste tópico, são abordadas simulações de controle que contemplem a atuação por uma válvula On/Off, que condiz com a instrumentação proposta nesse projeto.
3.2.3 Modelo matemático da planta
O modelo seguiu a estrutura teórica esperada para este perfil de processo: um sistema de primeira ordem, praticamente integrador com possíveis distúrbios e atrasos. A equação abaixo apresenta esta estrutura.
A partir desta estrutura, foram utilizados os dados experimentais obtidos dos testes realizados no tanque 1 para encaixar a parametrização desta planta à estrutura proposta. A ferramenta de identificação de sistemas apresentada pelo software MatLab foi utilizada para a obtenção destes parâmetros, apresentados na Tabela 2. O ganho utilizado é o correspondente à todos os componentes, desde o sinal de ativação até a resposta da planta.
Tabela 2 - Parâmetros obtidos para o modelo.
Os parâmetros foram gerados a partir dos dados do tanque 1 durante o teste 3. No gráfico-1 apresentamos a comparação dos dados simulados com os reais. A diferença entre os gráficos pode ser observada em determinadas dinâmicas mais complexas, desconsideradas na elaboração do modelo.
Gráfico 1 - Gráfico de simulação do modelo do tanque 1 no teste 3.
3.2.4 Entrada teste para controles
Para fins de teste de precisão dos controles, foi elaborado um gráfico de setpoint para a entrada dos controladores. Estes dados foram criados com base em um perfil real de temperaturas de uma brassagem. Na Tabela 3 apresentamos as etapas de temperatura e justificativas.
Tabela 3 - Etapas de um perfil exemplo de brassagem.
Os dados para entrada no setpoint dos controladores visam respeitar estas etapas assim como a taxa ideal de aquecimento (aproximadamente 1oC / minuto). No gráfico-2 de entrada de setpoint adotado mostramos o gráfico destes dados.
Gráfico 2 – Gráfico de entrada de setpoint adotado. 
3.2.5 Controle proporcional simples
A primeira abordagem de controle apresentada é a de realimentação com ganho proporcional simples. A arquitetura do controle é apresentada na Figura 2.
Figura 2 - Diagrama de blocos realimentação com ganho proporcional.
A partir desta arquitetura, o modelo da planta foi analisado na ferramenta de ajuste de controladores do MatLab para que a sintonização do ganho proporcional simples fosse implementada. Esta ferramenta apresenta os dados de resposta a um degrau unitário em tempo real e a partir destes dados foi escolhido um ganho que melhor se ajustasse à planta. A prioridade na escolha foi obter um ganho que minimizasse o tempo de resposta e que ao mesmo tempo não implicasse em overshoot no controle (já que no nosso caso o controle não permite atuação contrária). Na Tabela 4 apresentamos os dados de resposta da sintonização escolhida.
Tabela 4 - Parâmetros ajustados do controle realimentado proporcional 
Os resultados obtidos com a entrada especificada são apresentados no gráfico - 3. Como podemos observar nos dados, o interessante desta planta é que, pelo seu perfil praticamente integrador, o próprio ganho proporcional simples anula o erro de regime na resposta. Vemos também que a taxa de aquecimento desejada (de 1oC /min) também foi respeitada dadas as dinâmicas do sistema.
Gráfico 3 - Resposta da planta à realimentação com ganho proporcional
A análise mais criteriosa dos tempos de resposta para cada patamar de temperatura indica que o controle adotado se apresenta satisfatório para o processo. No gráfico - 4 de resposta é reapresentado com maiores detalhes nas dinâmicas de transição das etapas. No momento do início da etapa, a diferença de temperatura da planta com o esperado pelo setpoint está dentro da margem de aceitação do processo (aproximadamente 1,5oC). Isto mostra que este tipo de controle se adéqua ao requisitado.
Gráfico 4 - Detalhamento da resposta da planta à realimentação com ganho proporcional
O sinal de controle mostra que o controle aplicado está dentro do padrão estabelecido de atuação. O gráfico -5 da apresenta este sinal. É notável também que o sinal de controle não apresenta dinâmicas extremas ou perigosas para os instrumentos da planta (como por exemplo, mudanças bruscas). A taxa máxima de abertura é de 10%/min, o que representa uma dinâmica segura.
Gráfico 5 - Gráfica do sinal de controle para o controle realimentado proporcional
3.2.6 Controle PID
A segunda abordagem de implementação de controle é o do controle PID (proporcional integral derivativo). A sua sintonia seguiu os mesmo passos utilizados para o do controle proporcional simples, no entanto os resultados não foram satisfatórios.
Diferentes ajustes foram testados e todos apresentavam dinâmicas levemente superiores à obtida nos resultados do controle proporcional. Foi obtida uma diminuição no erro de temperatura nos momentos de início dos patamares (para aproximadamente 1o C ao invés de 1,5 oC).
No entanto, todas as sintonias testadas apresentavam a mesma dificuldade: pela maior intensidade do controle, o sinal de controle apresentava alto índice de ruídos e dinâmicas inviáveis fisicamente para a válvula. Problemas oriundos do método de integração utilizados pelo simulador também podem ter contribuído para este comportamento. Gráfico -6 exemplifica estas dinâmicas. Este fato somado ao sucesso do controle proporcional foi o suficiente para o controle PID ser descartado da implementaçãoproposta neste trabalho.
Gráfico 6 - Gráfico do sinal de controle para a realimentação com controle PID
3.2.6 Controle com atuação on/off
Um dos grandes desafios da instrumentação proposta por este trabalho é o da implementação do controle de temperatura através da atuação de um relé (com controle on/off). Este tópico visa a simulação de sintonizações que implementem este tipo de controle e seus resultados.
A arquitetura adotada para este tipo de controle é apresentada na Figura 3. O acionamento do relé é feito de acordo com o sinal do controle proporcional utilizado nos tópicos anteriores.
Figura 3 - Diagrama de blocos controle proporcional com atuação relé.
A dificuldade deste controle vem dos diversos fatores que devem ser considerados na escolha dos parâmetros utilizados. O chaveamento do relé, em situações da planta real, envolve diversas dinâmicas complexas que não são implementadas no modelo. Desta forma, o controle deve ser pensado numa forma de minimizar as trocas de estados do relé, ou pelo menos manter o tempo entre elas dentro de um mínimo aceitável.
A estratégia do controle proporcional atuando juntamente com o relé foi adotada da seguinte forma: o relé recebe o sinal do controle proporcional e, através de limites pré-estabelecidos para este sinal de controle (no caso: -1 para desligamento e 1 para acionamento), rege a atuação. Esta estratégia é semelhante à normalmente adotada por termostatos liga-desliga, em que o sinal que rege o acionamento é diretamente o da temperatura. No nosso caso, o ganho proporcional é o inverso do erro máximo permitido de temperatura entre o setpoint e o da planta.
A sintonização deste ganho proporcional foi feita com base na margem de aceitação de erro de temperatura que adotamos para o processo. A margem de variação aceitável no processo é de 1,5 oC, portanto adotamos a margem de erro de 1 oC para compensar possíveis erros proporcionados por dinâmicas não implementadas. Desta forma, o ganho utilizado foi unitário. O gráfico 7 apresenta os resultados obtidos. 
Gráfico 7 - Resposta da planta à realimentação com ganho proporcional e atuação on/off.
A partir do gráfico pode-se observar que a resposta obtida foi satisfatória no ponto de vista de margem de erro da temperatura. Como pode ser visto no detalhamento apresentado no gráfico 8, nota-se também que o chaveamento do relé corresponde à quando a margem de erro de temperatura chega ao limite estabelecido (1oC). A maior preocupação com o resultado deste controle é quanto à inclinação da reta, que não corresponde ao idealizado para o processo, possívelmente pelo alto ganho do vapor.
Gráfico 8- Detalhamento da resposta da planta ao controle relé.
A frequência máxima de chaveamento apresentada com o erro escolhido se mostrou dentro de intervalos aceitáveis. No gráfico da Figura 9, o sinal de controle e o correspondente chaveamento do relé são apresentados. A frequência média obtida no relé é de 0,45 chaveamentos por minuto, o que corresponde a um chaveamento a cada 2,2 minutos. É importante ressaltar que foi adotada uma margem de erro de temperatura menor do que o necessário, portanto caso experimentalmente as dinâmicas impossibilitem esta frequência, ainda há espaço para diminuí-la.
Gráfico 9 - Sinal de controle e chaveamento do relé no controle com atuação on/off.
3.2.7 Uma proposta de implementação do controle regulatório
Como já descrito neste trabalho, o controle regulatório normalmente está atribuído para tarefas de controle em tempo real de variáveis de processo. Desta forma, uma ferramenta que implemente este controle deve conseguir interagir com diferentes dispositivos de campo (sensores e atuadores).
Este trabalho aponta como proposta de implementação de controle regulatório, com foco em processos de produção de cerveja, a plataforma Arduino. Esta é a ferramenta que mais se encaixa no perfil de ação deste tipo de controle. A plataforma incorpora tanto comunicações com dispositivos de campo para monitoração e atuação quanto integração com dispositivos de maior processamento, que sejam capazes de implementar o controle supervisório e sequencial da planta. O baixo custo, a versatilidade de comunicação, a flexibilidade de configuração e a filosofia open source fazem com que esta plataforma apareça como uma opção atraente para o desenvolvimento do controle regulatório neste processo.
Ao longo da elaboração da instrumentação e da realização dos testes, os dispositivos Arduino reforçaram o seu potencial de ferramenta de controle. Duas placas Arduino Uno foram utilziadas simultaneamente, ligadas à um computador supervisor, para a monitoração dos dois tanques durante dois dos testes experimentais realizados. Isto demonstra como esta plataforma se encaixa numa proposta de implementação da arquitetura de controle descrita.
· Controle supervisório e seqüencial
O controle supervisório, como seu próprio nome sugere, é o responsável pela supervisão de todos os elementos que compõem o controle de planta. É ele quem coordena as comunicações, o monitoramento e a organização dos diferentes controles e condições da planta.
O principal papel do controle sequencial é lidar com o desencadeamento de diferentes eventos e garantir o seguimento da rotina do processo da planta. Eventos podem ser situações de erro, mudanças de estado ou qualquer acontecimento digno de resposta. Pela alta capacidade de processamento de hoje em dia, é comum a integração deste tipo de controle juntamente ao controle supervisório em uma única ferramenta.
· Proposta de controle supervisório e seqüencial
A instrumentação projetada e utilizada na planta descrita neste trabalho fez o uso da versão demo do software ProficyiFix como ferramenta de monitoração e manutenção de dados dos experimentos. Softwares como este são denominados sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition). Como o próprio nome já diz, este tipo de software foi desenvolvido para a implementação de controles supervisórios de sistemas como descritos neste trabalho. Existem diversos softwares deste tipo disponíveis no mercado, inclusive que seguem a filosofia opensource como a plataforma Arduino, que podem constituir ótimas opções para a implementação do controle supervisório no processo abordado.
O software SCADA, hoje em dia, contempla também opções robustas para a implementação computacional do controle sequencial. No entanto, o escopo deste trabalho não apresentou opções e/ou propostas significativas de controle sequencial principalmente pelo fato de contemplar uma abordagem manual deste tipo de controle. As válvulas de transferências entre tanques foram aproveitadas da planta original e todas são de operação manual. A automatização deste controle também requisitaria a instalação de instrumentações adicionais. O monitoramento automático de variáveis extras, como por exemplo o nível dos tanques, seria necessário para a implementação do desencadeamento de eventos e também a especificação de situações de alarme.
3.3 Principais instrumentos para monitoração em linha de processos fermentativos.
A obtenção de dados, que caracterizem a evolução no tempo das reações biológicas, é pré-requisito para entendimento e controle de processos biotecnológicos. Grande esforço tem sido feito para desenvolver sensores que forneçam sinais adequados, mesmo sob condições ambientais complexas, e que indiquem a evolução do processo. Tendo isso como base, é possível compreender a importância da existência de sistemas analíticos que gerem sinais em linha, ou seja, imediatamente disponíveis na forma de sinais elétricos para o controle dos processos fermentativos. Vários autores apontam a falta de sensores em linha como uma das principais limitações na aplicação do controle automático aos processos fermentativos. São poucos os sensores in situ (localizados no fermentador), esterilizáveis e que fornecem medidas sem atrasos significativos. No entanto, algumas técnicas recentes como Turbidimetria utilizando Fibras Ópticas, Cromatografia Líquida de Alto Desempenho (HPLC) e Análise por Injeção emFluxo (FIA), entre outras, vêm sendo incorporadas aos processos fermentativos, aumentando a capacidade de observá-lo se controlá-los. 
A seguir é apresentado um resumo das principais determinações em linha aplicadas a processos fermentativos.
3.3.1 Medidas baseadas em princípio físico 
Temperatura
Devido à estrita dependência do crescimento microbiano para com a temperatura e pela facilidade de sua determinação, a temperatura é a variável mais frequentemente medida e controlada. Nos processos fermentativos, o intervalo de medida situa-se entre 0°C e 130°C. Essa medida é feita, principalmente, por termômetros baseados na variação de resistência de sensores metálicos (Cu, Ni, Pt ou liga RhFe). Esses termômetros contêm um fio metálico, dentro de um cilindro metálico para proteção, por onde se faz passar uma corrente elétrica constante. Devido à variação de resistência com a temperatura, ocorre variação de tensão no fio, que pode ser relacionada com a temperatura. Embora essa relação não seja linear para todo o intervalo de medida do aparelho (entre -100 a 650°C), é possível admitir essa linearidade como válida para o intervalo de medida utilizado nos processos fermentativos.
Pressão
Não existe dependência direta da pressão sobre os microrganismos, a não ser em casos extremos, porém ela afeta indiretamente o metabolismo pela sua influência na solubilidade dos gases dissolvidos. Devido à necessidade de interfaceamento elétrico, os medidores de pressão, manômetros, contêm elementos que convertem a deformação elástica do elemento sensor em sinal elétrico (transdutores de pressão). Como o deslocamento produzido é proporcional à pressão, pode-se estabelecer uma relação entre a deformação mecânica e o sinal elétrico. Existe uma grande variedade de transdutores, podendo-se destacar os capacitivos, os piezoeléctricos e os extensômeros elétricos, strain-gages. 
O transdutor de pressão capacitivo consiste em duas placas capacitivas, separadas por uma membrana ou elemento sensor de capacitância (ver Fig.). A pressão a ser medida é transmitida através da membrana isoladora para os elementos sensor, imerso no óleo. A deformação do elemento sensor altera a capacitância entre as duas placas gerando um sinal elétrico, na forma de corrente ou tensão, proporcional à pressão exercida. 
O princípio de medida de um medidor piezoeléctrico baseia- se na propriedade do elemento sensor, um cristal, que submetido a uma tensão mecânica gera uma carga elétrica diretamente proporcional à força aplicada. 
O medidor por strain-gages é composto de um cilindro oco, em cuja superfície são colocadas quatro tiras de medição extenso métrica de forma transversal em relação ao eixo do cilindro. Essas tiras são fios, metálicos ou outro condutor elétrico. Quando se aplica uma pressão, a parede do cilindro se expande e as tiras aumentam sua resistência elétrica. Essas tiras estão ligadas eletricamente, formando uma ponte de Wheatstone. Nesse circuito estabelece uma tensão fixa e qualquer diferença das resistências gera um sinal elétrico (corrente ou tensão), que pode ser correlacionado com a pressão.
MEDIDAS DE VAZÃO GASOSA
As medidas de vazão gasosa são necessárias para quantificar a ar fornecido ao fermentador e para controle de O2 dissolvido no meio. Outra aplicação comum é a quantificação do consumo de O2 e da produção de CO2, na fermentação, e a correlação dessas medidas com o crescimento celular. 
Os principais instrumentos utilizados para a determinação de vazão gasosa são:
Medidores de vazão de área variável (Rotâmetros). Nesses medidores, indicados na Figura 18.2, o fluido escoa em tudo cônico, vertical, de baixo para cima, no qual há um flutuador. Como peso do flutuador é constante, o aumento da vazão acarreta um aumento da área livre de escoamento, uma vez que a perda de carga permanece constante. Dessa forma, a posição do flutuador é uma indicação da vazão. A posição do flutuador pode ser convertida em sinal elétrico gerando medidas em linha de vazão.
Medidor térmico de vazão mássica. Esse medidor (Figura 18.3) vem sendo o principal método de medida de vazões gasosas para fermentadores pequenos. No medidor, uma fração dos gases passa através de um duto, que apresenta uma fonte de calor e dois sensores (termistores) mantidos antes e depois da fonte de calor.
O princípio de medida baseia-se no fato de que a quantidade de energia necessária para manter um perfil de temperatura constante em um fluido é função da vazão mássica. Assim, medindo-se o calor fornecido e a diferença de temperaturas, e possível estimar a vazão mássica. Dependendo das faixas de temperaturas utilizadas, da variação das propriedade do fluido (calor específico) e do fio (elemento sensor), é possível estabelecer uma relação linear entre a vazão e a relação calor gerado/diferença de temperaturas. A vazão gasosa é calculada por circuito eletrônico e pré-ajustada com um gás de calibração. Quando se utiliza um gás diferente, o fabricante fornece fatores de correção que levam em conta as especificidades do gás utilizado. Como as medidas necessárias (calor fornecido e temperatura) são facilmente convertidas em sinais elétricos, pode-se dispor de uma medida em linha da vazão. A principal vantagem dessa medida é a sua independência da pressão do gás. Contudo, os medidores são susceptiyeis à sujeira dos gases. Dessa forma, sua manutenção exige cuidados para evitar a entrada e acúmulo de impurezas no sensor. Em geral, o medidor vem junto com unidade para controle de vazão (válvula de controle e controlador),
Medidas de vazões líquidas
Os medidores de vazão líquida, utilizados em processos fermentativos, são equipamentos comuns aos processos químicos, porém devem atender a algumas características específicas, especialmente a necessidade de esterilidade do processo e manipulação de meios naturais (presença de sólidos em suspensão). Os mais comuns são:
Medidores de pressão diferencial. Vários medidores são disponíveis para correlacionar medidas de diferenças de pressão, geradas por dispositivos mecânicos, com vazões (placas de orifício, tubo de Venturi). A forma mais comum é a utilização de placas de orifício, Figura 18 4. Nesses dispositivos o diferencial de pressão é proporcional ao quadrado do fluxo. Assim utilizando-se transdutores de pressão, é possível obter-se uma medida em linha da vazão.
Medidores magnéticos. Esses medidores consistem em um tubo não magnético coberto com material isolante, com dois eletrodos em lados opostos, que produzem um campo magnético perpendicular ao fluxo do fluido. A passagem de líquidos eletricamente condutores por esse dispositivo permite o surgimento de uma força eletromotriz entre os dois eletrodos, segundo a Lei de Faraday de indução eletromagnética. Essa força é amplificada em um conversor e fornece um sinal de corrente linear com a vazão. Esse tipo de medidor é muito apropriado para medições de líquidos contendo lamas, polpas e líquidos condutores em geral.
Não oferece nenhuma restrição à passagem dos fluidos, tendo uma perda de carga equivalente à de um duto com o mesmo comprimento ocupado pelo medidor. 
Balanças Reservatórios de alimentação, colocados sobre balanças conecta das a microcomputadores, são extremamente ateis para a determinação da massa (volume) adicionada ao fermentador a qualquer instante. A principal vantagem da utilização de balanças é a precisão da medida (uma unidade em 3.000 ou até 1 em 300.000). Contudo, a diminuição significativa do peso do reservatório, dependendo das vazões empregadas, pode tardar frações de horas e pode levar a erros quando se realizam determinações diferenciais em intervalos de tempo curtos. Em consequência, essas determinações acabam necessitando longos intervalos de tempo para medida e cálculo e, desta forma, a determinação é mais utilizada para calibração de bombas que para determinação em linha de vazão.
Velocidade de agitação
A medida e o controle da frequência de agitação são de fundamental importância para o controle de oxigênio dissolvido no meio de cultivo. Em geral, a medidada frequência de rotação do eixo de agitação é feita por tacômetro CC e uma interface do aparelho converte o sinal de medida para sinal analógico de 0-10 V. Um tacômetro CC é um dispositivo eletromecânico, que contém um gerador de fluxo magnético, um rotor e um dispositivo onde o campo magnético gerado induz uma tensão. Nesse tacômetro, o fluxo magnético é produzido por um magneto permanente e por espiras localizadas no rotor. Para uma velocidade zero não há movimento relativo entre o campo magnético e o filamento de saída e, dessa forma, a tensão de saída é zero. O aumento velocidade do eixo acarreta um aumento da tensão. Essa tensão gerada tem a forma senoidal e um comutador e um par de escovas convertem a tensão CA em CC. A Figura 18.5 representa um tacômetro CC.
Antiespumante
Devido à agitação e aeração dos fermentadores, pode ocorrer a dispersão da fase gasosa no meio de cultura e, em consequência, a formação de espuma.
Dependendo da intensidade do fenómeno, a espuma pode trazer distúrbios ao processo como, por exemplo, o bloqueamento de linhas e filtro de exaustão. A espuma pode ser evitada tanto por meios mecânicos como por agentes químicos.
Os agentes químicos mais comuns são óleos, emulsões de óleo e água, óleos à base de silicone e parafinas. Por outro lado, esses agentes químicos podem afetar o crescimento celular e a transferência de oxigênio para o meio e por isso sua adição deve ser minimizada. Isso é possível com sistema de medida e controle da adição de antiespumante. Utiliza-se comumente uma sonda, que consiste numa haste condutora de eletricidade, montada na tampa do fermentador. Ao entrar em contato com a espuma, a haste ativa um circuito elétrico que liga uma bomba permitindo a adição controlada de antiespumante. A diminuição de espuma interrompe o circuito, que desliga a bomba.
3.3.2Medidas baseadas em princípios físico-químicos 
Acidez (pH) 
Como a temperatura, o pH é frequentemente controlado nos processos biotecnológicos, devido à sua influência na atividade enzimática e no metabolismo microbiano. O pH é medido potencial metricamente com sondas esterilizáveis, que consistem numa combinação de eletrodo de vidro com eletrodo de referência. (Ver figura 18.6). A metade correspondente ao eletrodo de vidro é composta de membrana de vidro, fio de prata recoberto com cloreto de prata imerso em solução de AgCl, saturado com KCl sólido. A metade correspondente ao eletrodo de referência é feita do mesmo material (fio de prata e solução de AgCl saturada). Variações do pH do meio de cultura alteram a diferença de potencial elétrico nas faces da membrana de vidro. Essa diferença de potencial, medida em relação ao eletrodo de referência, é proporcional à concentração de íons entre as faces. Como a concentração de íons H+ é mantida constante dentro do eletrodo de vidro por solução tampão, é possível correlacionar o potencial elétrico e a concentração de íons H+ no meio de cultivo. O principal problema na operação prolongada do eletrodo é a deterioração do eletrólito devido a esterilizações sucessivas de sonda.
Figura 4
Oxigênio dissolvido (pO2)
Como a solubilidade de oxigênio em meio líquido é baixa, o seu fornecimento ao meio, por transferência de massa é fundamental importância para evitar limitações ou controlar o desenvolvimento de processos bioquímicos. O oxigênio é determinado por sondas que medem o potencial polarizador do meio fermentativo (ver figura 18.7). O oxigênio é reduzido por meio de catodo aplicando-se um potencial polarizador entre 600mV - 750 mV, gerado externamente (método galvânico) ou internamente (método galvânico). Uma membrana que separa o eletrólito do meio para melhorar sua seletividade. Ela é responsável pela característica de sensor, que é controlado por difusão. O eletrodo gera uma corrente elétrica proporcional à quantidade de oxigênio que difunde para a sonda através da membrana, e essa velocidade de difusão é proporcional à pressão parcial de oxigênio no meio. Desta forma determina-se, na verdade, a pressão parcial de oxigênio e a medida é fornecida como porcentagem da pressão de saturação de oxigênio no meio.
Uma sonda galvânica contém eletrodos de chumbo e prata com eletrólito alcalino. A corrente elétrica gerada ocorre devido às seguintes reações:
Uma sonda polarográfica consiste em um de anodo tubular de prata e um (catodo), fio de platina imerso em um eletrólito de cloreto de prata. A tensão externa polariza os eletrodos onde ocorrem as seguintes reações: 
Registra-se uma diminuição da sensibilidade da membrana devido à incrustação de impurezas levando a leituras errôneas, especialmente para baixas concentrações. Observam-se também ruídos característicos do sinal de saída, devido às variações de fluidodinâmica do reator e a passagem de bolhas de ar próximas a membrana.
Figura 7 
Oxigênio na fase gasosa
A medida de oxigênio na fase gasosa é baseada nas propriedades paramagnéticas da molécula de oxigênio. Mudanças na concentração mássica de O2 afetam a densidade de um campo magnético e, assim, as forças (dia ou para) magnéticas geradas por esse campo. Dentro da célula de medida existe um dispositivo mecânico que pode girar em função da variação de campo magnético causado pela presença de O2. Essas forças podem ser compensadas por forças elétricas e a corrente elétrica necessária pode ser relacionada com a concentração mássica de O, na corrente gasosa. É feita uma posterior conversão em fração molar (% de O2), sendo conhecida a pressão total. É possível multiplexar esse instrumento (ligando vários fluxos gasosos e alternando-os) realizando várias análises de O2 provenientes de vários fermentadores com um único analisador, reduzindo os custos de instrumentação. Nesse caso, devem ser considerados os atrasos na medida, devido ao transporte dos gases e à preparação da amostra (secagem e filtração). Além do sensor paramagnético para a determinação de O2, constata-se um aumento da utilização da espectrometria de massa para essa determinação, assim como de outros compostos gasosos (CO2, N2, H2 e CH4) ou voláteis presentes nos processos fermentativos (álcoois, acetonas). Essa técnica garante maior reprodutibilidade e precisão, além de permitir o aumento do número de compostos possíveis de serem determinados em linha. A grande limitação desse método reside no custo elevado do equipamento de medida.
CO2 na fase gasosa
Embora a maioria dos gases absorvam radiação na faixa do infravermelho (IR), os gases como H2, N2, e O2 não absorvem, o que permite usar essa característica para medir CO, em misturas com esses gases. Um analisador de infravermelho consiste de uma fonte de luz (i < 15 um, particularmente, 2 - 3 um), uma seção óptica e sensor. Quando o gás a ser medido entra no analisador, ele passa por uma célula mantida entre a fonte de luz e o sensor. Ao absorver a radiação, o gás reduz a energia que atinge o detector. Essa mudança e medida e ampliada para fornecer um sinal elétrico que será proporcional à pressão parcial de CO2, na mistura, que pode ser convertida em concentração.
A relação entre absorção no infravermelho e concentração de CO2, é logarítmica, o que implica em falta de sensibilidade do método para altas concentrações de CO2. Além da medida por absorbância de infravermelho, como já afirmado anteriormente para a análise de O2 na fase gasosa, também vem sendo utilizada a técnica de espectrometria de massa para a determinação de CO2.
3.3.3 Medidas de biomassa
A determinação de biomassa é um fator-chave para o conhecimento e controle de processos fermentativos, pois a concentração determina, entre outras as velocidades de crescimento e/ou formação de produtos. Todos os modelos matemáticos usados para descrever crescimento celular ou formação de produto contém a biomassa como a variável de estado importante. Contudo, essa determinação é bastante complexa, pois envolve a determinação de grandes populações celulares com propriedades individuais. Essas propriedades individuais variam significativamente, dependendo das condições do microambiente,do histórico do crescimento, da posição da célula no ciclo de reprodução ou da interação com outras células ou superfícies. Contudo, devido ao alto número de células presentes nos processos fermentativos, a análise de propriedades individuais das células tem sido negligenciada.
Para fins de controle, é essencial que a determinação de biomassa seja em linha e sem atrasos significativos em relação à dinâmica do processo. Os métodos para determinação de biomassa apresentam algumas características comuns:
(a) são medidas indiretas;
(b) necessitam de uma curva que relacione a variação da propriedade medida (p.ex., transmitância) com a concentração de biomassa, ou seja, necessitam de uma curva de calibração ou modelo de observação.
Essa última característica exige que esse modelo seja verificado a cada aplicação específica, ou seja, uma calibração a cada sistema reacional e também a tomada de cuidados para a não utilização do modelo de observação fora do intervalo de validade. Muitos dos métodos indiretos não têm aplicação geral, pois estão sujeitos a restrições devido a características do crescimento celular (crescimento unicelular ou formação de agregados) e do meio de cultura (mudança de cor, viscosidade, formação de particulados).
As principais técnicas empregadas para medida de biomassa em linha consistem em fazer passar um feixe de luz por um meio e medir a quantidade recebida em uma célula fotossensível. A intensidade da luz transmitida (1) é dada por I = l-e ** onde I. é intensidade da radiação emitida, é uma propriedade do meio e b está associado ao caminho percorrido pela luz no aparelho de medida (caminho óptico). Quando o meio apresenta material particulado, como no caso da determinação de biomassa, 1 é definido como turbidez do meio que, rearranjando-se a equação anterior, pode ser definida como:
A turbidez depende do número de partículas presentes na suspensão, do tamanho e da forma das partículas, além de outras características do meio e é determinada por dois fenómenos associados a passagem da luz pelo meio e que ocorrem simultaneamente a absorção da luz e o seu espalhamento, devido à presença de material particulado em suspensão.
O fenômeno característico a ser medido depende fundamentalmente do projeto do sensor (célula fotossensível). Assim, são encontrados quatro tipos de aparelhos:
• aparelhos construídos de modo a medir a radiação absorvida pelo meio;
• aparelhos construídos para medir a intensidade da luz espalhada na mesma direção do feixe de luz incidente (forward scattering);
• aparelhos construídos para medir a intensidade do feixe transmitido por espalhamento na direção oposta ao feixe de luz incidente (backward scattering);
• aparelhos construídos para medir a intensidade do feixe transmitido por espalhamento na direção perpendicular à direção do feixe de luz incidente (nefelometria).
Os sensores do primeiro caso determinam a luz transmitida num caminho especificado, suficientemente longo para medir a sua diminuição.
Os sensores para medida de espalhamento na direção oposta ao feixe incidente apresentam, segundo seus fabricantes, simplicidade de projeto, uma vez que a fonte de luz e o receptor podem ser arranjados próximos, permitindo a construção de sensores extremamente compactos. Por outro lado, também segundo seus fabricantes, esses sensores podem ser utilizados para medir sistemas com altos niveis de turbidez.
Os sensores para medida de espalhamento da direção do eixo de emissio (forward scattering) e nefelômetros são utilizados principalmente para medir sistemas com baixos niveis de turbidez, pois o sinal deste espalhamento é mais intenso neste sistemas.
Os principais problemas encontrados nas determinações ópticas são a sua falta de linearidade num intervalo amplo de medida, as dificuldades de limpeza do instrumento optico e interferencias com partículas e bolhas de gás, assim como perda da intensidade luminosa durante o percurso do feixe luminoso, devido a altas concentrações celulares!
3.3.4 Determinações de substratos e produtos na fase líquida
HPLC (High Performance Liquid Chromatography/Cromatografia Liquida de Alto Desempenho).
O termo HPLC originalmente decorre da utilização de bombas para movimentar as amostras pelo interior de colunas em vez de operar a pressão atmosférica, ou seja, operando a "alta pressão" (High Pressure). Contudo, como a mudança das condições de pressão não é a principal característica desse sistema, vem sendo adotado internacionalmente o termo High Performance. As principais vantagens dessa técnica cromatográfica, que vem apresentando grande desenvolvimento nos últimos 25 anos, são:
• respostas rápidas (minutos);
• precisão e reprodutibilidade;
• utilização de pequenos volumes de amostras.
A cromatografia líquida, como a cromatografia gasosa, baseia-se na separação diferenciada dos componentes de uma solução líquida, devido à interação com uma fase estacionária. Essa separação ocorre devido a diferentes afinidades entre os componentes da fase líquida (móvel) e a fase estacionária. A cromatografia líquida é caracterizada quando a fase móvel é líquida. Podem ser caracterizados os seguintes tipos de cromatografia líquida de alto desempenho:
Cromatografia Líquido-líquida (Cromatografia de partição). Neste caso, a separação ocorre por partição diferenciada entre o componente na fase móvel (líquida) e o componente na fase estacionária (líquido). Para maior estabilidade, a fase líquida estacionária é ligada quimicamente ao material de empacotamento de uma dada coluna (em geral sílica ou alumina). Essa cromatografia é dividida em:
a) Fase normal;
b) Fase reversa.
Na Cromatografia em fase normal, a fase móvel tem polaridade menor que a fase estacionaria, enquanto na Cromatografia em fase reversa, a polaridade da fase móvel apresenta polaridade superior à fase estacionária. Essa última é mais usada, pois utiliza água como fase móvel para vários solventes orgânicos. Contudo, o tempo de análise é maior que outros tipos de cromatografia. A Cromatografia em fase reversa é usada na separação de compostos orgânicos, particularmente compostos que diferem apenas pelo número de átomos de carbono.
Cromatografia Líquido-sólida (Cromatografia de adsorção). Esse tipo de cromatografia envolve a competição de componentes da amostra líquida pelos sítios ativos de adsorção da fase sólida contida em colunas. Sílica é o suporte mais difundido. É usada para separar compostos orgânicos de peso molecular intermediários sendo muito útil na separação de compostos orgânicos com diferentes grupos funcionais, inclusive separando isómeros.
Cromatografia de troca ionica (IEC). usada principalmente na separação de compostos iónicos (ou altamente polares). A fase estacionaria é uma resina idnica, altamente permeável polarizada, obtida a partir de estireno e divinil benzeno comum grupo funcional adequado. Essas resinas estão sendo substituídas por resinas de troca iðnica, ligadas ao suporte sólido, que melhoram a separação e geram colunas mais estáveis. A grande vantagem da IEC é que todas as espécies iônicas podem ser determinadas num único aparelho.
Cromatografia por exclusão de tamanho (Exclusão estérica, Exclusão líquida, Filtração em gel, Permeação em gel). Os componentes são separados de acordo com o seu peso molecular. O mecanismo de retenção depende mais das dimensões das moléculas da amostra que das características físicas do enchimento. Moléculas menores que o poro médio da coluna permanecem mais tempo na coluna que moléculas maiores. Isso resulta num cromatograma com distribuição de pesos moleculares, ou tamanhos de moléculas, com tempos de residência menores para as maiores moléculas. Esta técnica é utilizada para caracterização de polímeros.
Os principais componentes de um sistema cromatográfico de alto desempenho são: coluna, bomba para acionamento da fase móvel, válvula de injeção, detectores e módulo de processamento (integradores).
Para incorporação de HPLC ao processo, para análises em linha, são necessários ainda alguns módulos adicionais ao sistemacromatográfico para remoção de amostra e filtragem contínua e, dependendo das concentrações do processo, de diluição de amostras.
A utilização de microprocessador nos módulos de processamento dos sistemas de cromatografia permite automatização das análises e transmissão de dados do analisador ao computador de processo. A Figura 8 mostra uma instalação para análise em linha com HPLC.
Figura 8 - Configuração para análise em linha com HPLC
FIA (Análise por Injeção em Fluxo/Flow Injection Analysis)
A análise por FIA é uma técnica relativamente recente de análises químicas em linha, e atualmente restrita a certos sistemas analíticos bem definidos.
Isso ocorre visto que a determinação de um determinado composto necessita do desenvolvimento de método analítico específico que estabelece uma reação química, modificadora de uma característica do meio reacional. Essa propriedade normalmente pode ser a cor do meio ou potencial elétrico. Apesar do número restrito de compostos determinados pela técnica FIA, esta pode ser caracterizada como uma das técnicas de maior aplicação potencial para monitoramento e controle de processos de fermentativos, especialmente devido a rápida resposta deste sistema de análise e a flexibilidade de incorporação de novos sensores.
As principais vantagens apontadas para o sistema FIA, são:
• freqüência de análise muito alta, quando comparada com análises convencionais;
• pequenos volumes de amostra;
• amostragem e preparação da amostra Integradas nos sistemas FIA;
• calibração a qualquer momento,
• poucas interferências (devido à diluição e ao tratamento da amostra);
• confiabilidade do sistema;
• grandes tempos de operação dos sensores;
• flexibilidade para incorporação de novas técnicas analíticas.
A técnica de Flow Injection Analysis (FIA) fundamenta-se, portanto, na injeção de uma amostra numa corrente líquida contínua não segmentada. As correntes de amostras são adicionadas reagentes, de modo a formar uma zona de reação que é continuamente transportada para um detector que pode determinar absorvência, potencial de eletrólito ou qualquer outra propriedade física da solução.
FIA compreende três blocos principais:
• manipulação da amostra e transporte, que consiste na retirada de uma amostra do reator e condicioná-la para a análise;
• especificação, que permite a eliminação de interferências ou outros produtos, de maneira a assegurar a proporcionalidade da propriedade medida com a espécie reagente
• detecção utilizando algum tipo de transdutor, de forma a gerar um sinal proporcional à espécie a ser determinada.
Existe uma grande flexibilidade para compor esses três blocos, de modo a gerar distintos sistemas de análise. De forma geral, FIA pode ser entendido como um sistema fechado, miniaturizado, que retira continuamente uma amostra e a processa até ela chegar a um detector.
As principais determinações realizadas com sistemas FIA, estão indicadas na Tabela 5 e a Figura 9 ilustra os principais componentes de um sistema FIA.
Tabela 5 
3.3.5 Controle aplicado a processos fermentativos
A adoção do controle automático significa a viabilização de processos complexos, onde são necessárias grandes velocidades de processamento de informações e rapidez de atuação. Ele permite a operação estável, atenuando perturbações que tendem a deslocar o ponto operacional desejado, garantindo, dessa forma, condições de segurança, reprodutibilidade da operação e economia do processo.
Figura 10 
Um processo controlado pode ser genericamente definido como a integração de quatro elementos básicos, conforme indicados na Figura 10 a planta (processo) a ser controlada; sensores, que medem algumas variáveis características e informam a evolução do sistema em estudo (essas variáveis medidas são também denominadas saídas do processo); atuadores, que estabelecem as entradas do processo, e estas por sua vez alteram a condição de operação; e uma lei de controle que comanda essa alteração. Para a determinação da lei de controle, um aspecto fundamental a ser considerado é a definição do objetivo do controle. Dado um objetivo, a lei estabelecida é implementada por um algoritmo de cálculo que utiliza as variáveis medidas. A integração de todos esses elementos define um sistema de controle ou estratégia de controle de um processo.
Para a realização do controle de processos fermentativos, é possível identificar diversas formas de integração desses elementos, caracterizando diversos sistemas de controle que podem ser agrupados, principalmente, nos seguintes tipos:
• controle em malha aberta;
• controle por sistema regulatório;
• controle por pré-alimentação;
• controle seguidor de trajetória.
Sistema de controle em malha aberta. Este tipo de controle é aplicado, por exemplo, quando se estipula uma vazão de alimentação de substrato a um fermentador. Desse modo o valor adicionado é definido a priori e as condições do processo não alteram seu valor. A denominação malha aberta decorre do fato de a medida não estar integrada com a ação de controle, ou seja, não existe realimentação da medida. Um sistema de controle desse tipo leva a vários inconvenientes, pois quaisquer modificações do processo, decorrentes de perturbações posteriores ao início do controle ou mudanças das condições iniciais, não serão levadas em conta e muito menos corrigidas. O diagrama de blocos para esse tipo de controle está indicado na Figura 18.12.
Controle por sistema regulatório. Considere-se o controle do pH de um reator, como indicado na Figura 18.13. Nesse caso a sonda de pH é nosso sensor (saída) da variável de estado pH. Essa informação é levada a um controlador, onde está implementada uma lei de controle que, no caso específico, visa a manutenção do valor do pH numa referência definida (também conhecida como set-point). A lei de controle fornece o sinal para uma bomba dosadora (atuador), que adiciona a quantidade de álcali necessária (entrada) para manutenção do pH na referência. Um sistema desse tipo, que mantém o processo numa referência fixa é dito Sistema de regulação automática. É um sistema em malha fechada, pois a medida retorna para ser comparada com o valor de referência e a atuação é baseada nessa diferença, conforme pode ser visto no diagrama de blocos indicado pela Figura 18.14.
A regulação automática é utilizada principalmente para controle das variáveis ambiental de cultivo de um fermentador, como temperatura, pH e pO2, Em geral, utilizam-se malhas de controle independentes, de uma entrada e uma saída, denominadas SISO (Single Input Single Output), com controladores on off ou PID.
Diz-se controlador on-off quando o sinal do atuador é do tipo liga-desliga, não havendo sinais intermediários. A sigla PID vem de um anagrama das palavras Proporcional, Integral e Derivativo. É o algoritmo de controle mais difundido na indústria, nele o sinal do controlador (m) será função do sinal do erro (e), que é a diferença entre o valor medido e a referência estabelecida. Esse erro será ponderado por três parcelas associadas ao ganho proporcional (Kp), ao ganho Integral (1/T1) e ao ganho derivativo (T4), conforme a expressão:
Observam-se estudos de aplicação da regulação automática das concentrações de substratos, produtos e precursores de reações no meio de cultivo. Apesar do esforço para implementação desses sistemas, registra-se pouca utilização dosmesmos, devido sensibilidade dos algoritmos de controle as condições de cultivo, ao mau funcionamento de sensores e a problemas devidos à falta de homogeneidade dos reatores.
Para a regulação automática de variáveis de cultivo, são utilizadas também configurações em cascata que combinam dois controladores individuais, formando malhas de controle mais sofisticadas que aumentam o desempenho do sistema de controle. O controle em cascata é aplicado, por exemplo, no controle de temperatura. A Figura 18.15 ilustra uma configuração em cascata para controle de temperatura de um fermentador.
Nessa configuração mede-se a temperatura do reator (TR) e manipula-se a vazão de água de refrigeração/aquecimento.O valor do erro de temperatura (desvio em relação à referência) será a entrada do primeiro controlador (chamado mestre), que determina o valor da referência para o segundo controlador (chamado servo). Esse controlador recebe a medida da temperatura da camisa e calcula o desvio estabelecido com a nova referência (erro). A vazão de refrigeração/aquecimento é então manipulada para minimizar esse erro. A Figura 18.16 ilustra o diagrama de blocos da malha em cascata para controle da temperatura.
Reatores mais modernos, encontrados em laboratório, dispõem de configurações onde a malha interna do controle cascata pode ser alternada, permitindo dessa maneira, a manipulação de mais uma variável. Esse é o caso do controle de oxigênio dissolvido, onde manipula-se a frequência de agitação e a vazão de ar com o objetivo de manter constante sua concentração. Quando o atuador numa das malhas atinge o valor máximo, por exemplo, a vazão de ar, o controlador mestre ativa outra malha e passa a controlar a concentração de po, manipulando a frequência de agitação. A Figura 18.17 mostra uma configuração desse tipo para o controle de pO2.
As configurações apresentadas indicam uma crescente sofisticação dos sistemas de controle, pois partindo de malhas simples, com uma entrada e uma salda, chega-se a configurações que permitem a incorporação de duas medidas e atuação sobre duas outras variáveis. No entanto, estão limitadas a poucas variáveis de entrada e saída. A incorporação de mais variáveis medidas e manipuladas só é possível com estratégias de controle mais abrangentes, onde as diversas relações entre as entradas e saídas são consideradas. Tais configurações são denominadas configurações de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO - multiple inputs, multiple outputs). Essas configurações ainda não são aplicadas no controle industrial de processos fermentativos, mas vêm sendo estudadas e constituem um campo de pesquisa e desenvolvimento na área.
Sistema de controle por pré-alimentação (feedforward). Nesse sistema é medida uma entrada da planta, cujo efeito deve ser compensado manipulando-se uma outra variável de entrada, através de uma lei de controle conhecida. Nas aplicações desse tipo de controle em sistemas fermentativos, a variável de entrada medida é a vazão de ar ou uma variável que depende da vazão de ar e a variável manipulada é a vazão de alimentação de substrato. A Figura 18.18 indica o diagrama de blocos para esse tipo de controle e a Figura 18.19 indica um reator com esse tipo de controle.
Utiliza-se o controle por pré-alimentação em sistemas fermentativos, por que as medidas combinadas da vazão de ar e as concentrações de O, e CO, nos gases de saída do fermentador permitem avaliar a atividade de células viáveis e, dessa forma, caracterizar e controlar sua atividade. As principais determinações realizadas nesse caso são OUR, velocidade de consumo de oxigênio, CPR, velocidade de produção de CO, e a relação entre CPR e OUR, denominada coeficiente respiratório RQ. 
OUR, CPR e RQ são calculados através de balanços materiais de 02 e CO2, na entrada e na saída do reator, e determinados pelas expressões:
Esses indicadores têm sido utilizados, com diferentes graus de sucesso, pela disponibilidade de sensores de vazão de ar, O, eco, e pela rapidez da medida.
No controle por pre-alimentação, a vazão de alimentação e fixada, de modo a suprir o consumo de substrato pela reação e este consumo por sua vez é estimado pelos indicadores indiretos (OUR, CPR) utilizando fatores de rendimento (Yx/s e Yx/o). Em algumas aplicações, esses parâmetros são admitidos constantes e utilizados valores obtidos em estudos prévios, em outros casos são considerados variáveis e sua estimativa é realizada durante o cultivo através de balanços materiais em linha.
A lei de controle para sistemas por pré-alimentação depende essencialmente do modelo, dos parâmetros cinéticos e dos fatores de rendimento, e necessita de algoritmos mais complexos que não simples blocos PID.
O controle por pré-alimentação é susceptível a variações dos parâmetros, podendo levar a um mau desempenho ou mesmo à instabilização do processo. E por essa razão que é recomendável acrescentar-se ao sistema de controle com pre-alimentação uma malha de controle com realimentação. Essa segunda malha de controle diminui a sensibilidade paramétrica e realiza a estabilização do sistema, e tem sido adotada por vários pesquisadores.
Controle seguidor de trajetória (tracking control). Se o processo necessitar que o valor de referência de uma variável não seja constante, porém siga uma determinada evolução temporal, nesse caso o controle a ser adotado é do tipo seguidor detrajetória (tracking control). Essa trajetória pode ser definida a partir de conhecimento experimental, ou através da solução de um problema de controle ótimo, ou seja, estabelecida pela análise do modelo do processo e da definição de um critério de desempenho a ser atingido.
Em geral, nos processos descontínuos, busca-se a definição de perfis de temperatura e pH. Em processos descontínuos alimentados são encontrados vários trabalhos que definem perfis para a vazão de alimentação do substrato, que garantem critérios distintos de desempenho como produtividade, concentração final de produto, conversão de substrato, retorno máximo de investimento ou uma composição destes índices. A Figura 18.20 ilustra uma malha de controle de um seguidor de trajetória que estabelece um perfil de pH para um processo.
Outros tipos de controle
Além das configurações apresentadas, vêm sendo estudadas outras técnicas de controle, que constituem campo de aplicação potencial em processos fermentativos. Podem ser destacadas:
Controle ótimo. O controle ótimo é uma técnica que estabelece o melhor perfil das variáveis manipuladas, de modo a fazer com que o processo atinja um determinado objetivo ou, mais precisamente, fazer com que uma função de desempenho seja otimizada.
Quando é disponível um modelo matemático preciso, a solução do problema, ou seja, a sequência de ações de controle pode ser definida matematicamente.
Se as vazões de alimentação são as únicas variáveis manipuladas, a definição do controle torna-se um problema denominado de "Controle singular", cuja solução é complexa, especialmente quando ocorrem restrições na otimização." A solução desse problema de controle pode ser resolvida por otimização offline (realizada previamente por simulação numérica do processo) e, na maioria dos casos, implementada em malha aberta. A aplicação dessa otimização depende fundamentalmente do modelo utilizado. Por outro lado, a função a ser otimizada apresenta frequentemente perfis planos, limitando os algoritmos de procura do ponto de mínimo. Isso exige grandes esforços computacionais, testando-se condições iniciais diferentes para assegurar a obtenção de verdadeiro mínimo global. Esses problemas, aliados as dificuldades de implementação de uma política de controle ótimo e de obtenção de modelos/parâmetros confiáveis, além dos problemas da observabilidade do sistema, têm levado a pouca aplicação prática deste tipo de controle.
Outra forma, cada vez mais utilizada pelo aumento de sistemas de aquisição
automática de dados, é a otimização on-line dos processos fermentativos. Em geral, esse enfoque utiliza modelos entrada-saída para identificar a dinâmica do sistema e calcular ações de controle, que mantêm o sistema num estado estacionário desejável que maximiza uma função de desempenho. Como no caso de otimização off-line, os algoritmos exigem grandes esforços computacionais e o desempenho desses sistemas nem sempre apresenta vantagens, quando comparados com estratégias mais simples de controle. Sistema de controle adaptativo. As características dinâmicas dos sistemas costumam não ser constantes ao longo do tempo, devido a inúmeras razões, como variação de características dos componentes por envelhecimento natural dos mecanismos, alteração de condições ambientais não modeladas, falta de manutenção, modelagem não perfeita. Apesar de pequenasalterações nos parâmetros da planta serem compensadas por um sistema realimentado, alterações mais significativas podem desestabilizar o sistema, ocasionando uma falha. A função dos sistemas adaptativos é justamente detectar essas mudanças nos parâmetros e introduzi-las no sistema de controle, adaptando-o as novas condições. Tais sistemas não só são capazes de identificar mudanças no comportamento do sistema, como também reduzir as imprecisões na modelagem do mesmo, aumentando, portanto, a confiabilidade do controle. A Figura 18.21 indica o diagrama de blocos para esse tipo de controle.
Sistema de controle por aprendizado. Muitas tarefas manuais, desenvolvidas por hábeis operadores, podem ser automatizadas. A maneira pela qual o operador se torna hábil é através de um aprendizado, em sua maioria das vezes, prático. Se formos capazes de substituir o conhecimento desse operador, bem como sua capa cidade de aprendizado por um sistema automático de controle, então diz-se que esse sistema tem capacidade de aprendizado. Essa área de pesquisa é a que mais tem crescido ultimamente e podemos citar como linhas mais estabelecidas, os sistemas fuzzy, os sistemas especialistas e os sistemas de redes neurais.
Sistema de controle... 
3.4 Principais parâmetros a serem controlados.
3.5 Sistemas de controle.
4. CONCLUSÃO
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS