Faça a representação de um sistema de controle de um fermentador que tenha controle de pH, aeração e controle de pressão no interior do fermentador e discuta exemplo de um possivel processo que possa utilizar estes controles.

Passo 1

O enunciado pede a representação de um sistema de controle de um fermentador com três malhas fechadas: controle de \mathrm{pH}, controle de aeração (concentração de oxigênio dissolvido, DO) e controle de pressão interna P. Para isso, vamos usar conceitos de instrumentação de processos (sensores e atuadores) e diagramas de blocos de sistemas de controle de laço fechado. Por fim, discutiremos um exemplo de processo fermentativo (produção de etanol) que se beneficia desses controles.

Passo 2

Esboço do diagrama de blocos geral, separando as três malhas que atuam em paralelo sobre o mesmo fermentador (a planta):
\text{Sensor de }(\mathrm{pH}) \;\longrightarrow\; C_{\mathrm{pH}} \;\longrightarrow\; \text{Atuador de ácido/base} \;\longrightarrow\; \underline{\text{Fermentador}} \;\longrightarrow\; \text{Sensor de }(\mathrm{pH})á
\text{Sensor de }(DO) \;\longrightarrow\; C_{DO} \;\longrightarrow\; \text{Atuador de aeração} \;\longrightarrow\; \underline{\text{Fermentador}} \;\longrightarrow\; \text{Sensor de }(DO)çã
\text{Sensor de }(P) \;\longrightarrow\; C_{P} \;\longrightarrow\; \text{Atuador de pressão} \;\longrightarrow\; \underline{\text{Fermentador}} \;\longrightarrow\; \text{Sensor de }(P)ã
Cada laço mede a variável de processo, compara com um setpoint e aciona um elemento final que ajusta o fermentador.

Passo 3

Detalhamento da malha de \mathrm{pH}:
Sensor de \mathrm{pH} (eletrodo) → transmissor que converte o sinal em 4–20 mA → controlador C_{\mathrm{pH}} (PID típ.) → bomba/válvula proporcional de dosagem de ácido ou base → atua diretamente no caldo do fermentador.
Objetivo: manter \mathrm{pH} constante (por exemplo entre 5,0 e 5,5) apesar da produção de ácidos orgânicos pela biomassa.

Passo 4

Detalhamento da malha de aeração DO:
Sensor de oxigênio dissolvido (sonda polarográfica ou óptica) → transmissor 4–20 mA → controlador C_{DO} (PID ou P) → válvula de entrada de ar esterilizado ou controle da rotação do agitador/misturador → ajuste na transferência de oxigênio do gás para o meio líquido.
Objetivo: garantir a concentração mínima de DO (por exemplo 20 % da saturação) para suprir a demanda de oxigênio das células.

Passo 5

Detalhamento da malha de pressão interna P:
Sensor de pressão (transdutor) → transmissor → controlador C_{P} (PID ou P) → válvula de alívio ou de purga de gás (mantendo ambiente estéril) → fermentador.
Objetivo: manter a pressão interna num valor seguro (por exemplo 0,1–0,2 bar acima da pressão ambiente) para evitar formação excessiva de espuma e vazamento de vapor.

Passo 6

Exemplo de processo: produção de etanol por Saccharomyces cerevisiae
– Durante a fermentação alcoólica, o pH tende a cair devido à formação de ácidos orgânicos; o laço de \mathrm{pH} corrige com base na cinética de crescimento da levedura.
– A levedura é aerotolerante e, em determinadas fases (inoculação, fase de crescimento celular), exige oxigênio; o laço de DO regula a aeração para não haver limitação.
– A pressão interna controlada evita que o vapor de água e o C O_{2} expulso formem espuma em excesso, preservando a estanqueidade e a esterilidade; o laço de P alivia ou recircula gás adequadamente.

Resposta

Segue o diagrama de blocos com as três malhas de controle e o exemplo de fermentação alcoólica em que esses controles garantem estabilidade de \mathrm{pH}, fornecimento de oxigênio e segurança de pressão no interior do fermentador.

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