Modelagem, simulação e controle de um processo continuo de purificação de enzimas

Orientadores: Francisco Maugeri Filho, Rubens Maciel FilhoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de AlimentosResumo: Neste trabalho é considerado um processo contínuo de purificação de enzimas baseado no princípio da cromatografia por afinidade constituído de um estágio de adsorção e outro de desorção interligados, ambos do tipo CSTR, com reciclo da resina. O processo foi modelado matematicamente através dos balanços de massa e equações cinéticas (modelo determinístico) obtendo-se um sistema de equações diferenciais ordinárias (E.D.O.), com resolução numérica por Runge-Kutta 4ª ordem para o estado transiente e resolução analítica para estudos no estado estacionário. Com o intuito de verificar a influência dos parâmetros operacionais e cinéticos no rendimento e produtividade do processo, foi realizado um estudo de análise paramétrica com cálculo do fator de sensibilidade dos parâmetros nas condições de estado estacionário. A dinâmica do processo foi estudada através de simulações no estado transiente, permitindo a escolha da vazão de alimentação no segundo estágio (F2), corno a melhor variável manipulável. O controle do processo foi considerado utilizando-se controladores clássicos do tipo "feedback" com leis de controle PI (proporcional-integral) e PID (proporcional-integral-derivativo). Ambos mostraram-se bastante eficientes mesmo com significantes atrasos na medida da variável que se deseja controlar. Posteriormente, urna estratégia de controle não convencional do tipo "feedback-feedforward" foi desenvolvida e analisada, permitindo urna operação mais robusta com relação aos atrasos na análise, sem prejuízo da performance do processo. Através da metodologia de planejamento experimental e análise da superfície de resposta foi investigada a otimização do sistema, sendo possível então estabelecer faixas de operação das variáveis do processo visando a maxirnização do rendimento e da produtividade dentro das limitações operacionais.Abstract: The CARE (Continuous Adsorption Recycling Extraction) system, studied m this work, is a continuous enzyme purification process, which consists of two well mixed reactors with solid adsorbed recycle, containing one adsorbing stage (1st reactor) and one desorbing stage (2nd reactor). A mathematical model based on fundamental mass balances and adsorption kinetics has been developed (deterministic model). A set of ordinary deferential equations numerically integrated using the 4th order Runge-Kutta's method, was obtained. The parametric analysis and parameters sensitivity studies were performed considering steady state behavior. The appropriate manipulated variable, the flow rate at the 2nd stage, was determined from the dynamic responses of the system, so that the control structure could be defined. Firstly, classical PI (proportional-integral) and PID (proportional-integral derivative) feedback control strategies were studied. Both of them showed good performance even when considerable time-delays in the on line analysis of the control variable were considered. Later, the non-conventional feedback - feed forward control strategy was also studied and showed a very robust operation since higher time-delays were successfully managed, without affecting the performance of the system. The optimization of the process, based on the maximization oí both recovery yield and productivity, was carried out using the response surface analysis method, so that the optimal ranges for the different variables could be determined.DoutoradoDoutor em Engenharia de Alimento