Sensores e Medidores

A obtenção de dados, que caracterizam a evolução no tempo das reações biológicas é pré-requisito para o entendimento e controle de processos biotecnológicos. Grande esforço tem sido feito para fornecer sinais adequados, automatizados e de precisão, esterilizáveis e com pouco atraso de leitura (alta frequência de leitura).

A seguir serão apresentadas as principais variáveis, seus sensores e medidores analíticos aplicados a processos fermentativos. A massa específica do mosto deve ser constantemente avaliada para o correto controle da fermentação, visto que o consumo dos

açúcares e consequente diminuição da densidade do mosto estão diretamente ligados a velocidade de produção de etanol e à saúde das leveduras. O instrumento responsável por realizar tal medida chama-se densímetro e pode ser digital ou analógico. O densímetro digital possui as variações de leitura manual ou automatizada, sendo ambas já previamente corrigidas pela temperatura de leitura e com altíssima precisão; já o densímetro de vidro, analógico, possui precisão limitada, escala de leitura igualmente limitada e necessita de correção a partir da medida de temperatura naquele instante. O aconselhável para essa situação seria investir em um densímetro digital para coleta a partir de amostragem (juntamente com outras variáveis) e possuir um densímetro de vidro, analógico, com uma escala mínima de 1,000 a 1,100 kg/dm³ para o caso de problemas na calibração ou de origem elétrica no aparelho mais preciso.

Concomitantemente à medida da densidade, pode-se realizar a medida do grau de refração (%BRIX), que nos indica o quanto a luz refrata após passar por uma lâmina da solução concentrada em partículas defletoras da luz e um prisma. Tal medida é muito conhecida pelos profissionais da indústria fermentadora como um índice do andamento da fermentação e auxilia ao final do processo no cálculo da porcentagem alcoólica do produto. Para tanto, pode-se optar por realizar uma retirada de 3 gostas de uma amostra para identificar instantaneamente o grau Brix da solução com um refratômetro, instrumento econômico, prático e de rápida aferição, porém pouco preciso, além de necessitar da correção da temperatura.

A temperatura é uma das variáveis de processo mais importantes que deve ser monitorada, devido a estrita dependência das leveduras a uma certa faixa, que pode ir de 0 a 40°C. Note ainda que variações bruscas na temperatura podem prejudicar a eficiência do metabolismo microbiano e algo acima de 10°C em um curto espaço de tempo pode ser extremamente prejudicial às leveduras. O processo manual de medição não é indicado, devido a sua inconstância e erro intrínseco humano; sem contar que esta medida deve estar diretamente ligada a algum tipo de controlador de temperatura para que as devidas correções sejam feitas o mais rápido possível. Sendo assim, os sensores industrialmente utilizados são os Termopares, RTD‟s, Termistores, Bimetálicos e de leitura Infra-Vermelho. Não há dúvidas de que os termopares são os sensores mais econômicos, precisos, resistentes e confiáveis que existem hoje, mesmo que sua faixa de medida seja, na maioria das vezes, bem reduzida

comparado aos outros tipos de sensores, não há necessidade de uma ampla variação de temperaturas em processos fermentativos (SILVEIRA, 2019).

A pressão não exerce influência direta sobre parâmetros do processo fermentativo em si, porém o seu aumento gera uma maior solubilização de gases na solução. Outro fator importante para a medida da pressão é a segurança do processo, que pode vir a gerar até 5 atmosferas, potencializando acidentes caso um manuseio inadequado dos equipamentos seja feito. Para evitar tais problemas pode-se optar tanto por medidores de pressão analíticos, quanto automatizados, sendo estes os piezoelétricos, os transdutores, os capacitivos, os extensômetros e os ópticos. Por razões de aplicabilidade, custo e resistência, foram descartados os piezoelétricos, pois são mais aplicados para variações bruscas de pressão, não lendo pressões estáticas, e também os ópticos, pelo alto custo e precisão desnecessária. Dentre os demais, verifica-se que a viabilidade de um controle automatizado relacionado ao custo de instalação e controle contínuo, necessitando de válvulas e controladores específicos, torna-se muito alto, quando comparado a instalação de um manômetro em linha de visão do operador, o qual pode periodicamente realizar medidas e catalogar para fins estatísticos, além de observar para evitar a sobre-pressão que pode reduzir (brandamente) a eficiência da fermentação.

A vazão gasosa é uma medida importante para o controle da aeração do mosto, não sendo ligada diretamente ao fermentador, mas entre este e a linha de bombeamento de ar/oxigênio. Quantificar o oxigênio dissolvido no meio pode ser uma tarefa complicada, visto que os medidores de O2 dissolvido são muito complexos, sensíveis e de alto valor agregado,

sendo portanto, uma estratégia mais viável o controle da entrada de ar e a partir de testes anteriores e realizar a aeração de forma a atingir os patamares elevados de oxigênio no início da fermentação, necessários para uma boa reprodução celular. Existem diferentes tipos de medidores de vazão gasosa, como por exemplo os rotâmetros ( de área variável) e os medidores térmicos de vazão mássica. Visto que o processo de aeração não necessita ser contínuo e que novamente sua automatização exige a instalação de controladores e válvulas inteligentes, o mais viável seria a instalação de um rotâmetro para garantir que a vazão esteja no patamar desejado pelo tempo estipulado (menos de 30 minutos por dia), sendo o operador responsável por realizar pequenos ajustes na potência do compressor ou válvula de descarga de gás.

O pH é uma variável interessante por sua capacidade de detecção de contaminantes e pequenas variações, que podem ser corrigidas para manter a eficiência do processo fermentativo (evitando o excesso de acidez no meio). Os phmetros, como são chamados os medidores de pH, podem ser automatizados ou não, todavia, assim como descrito anteriormente, para fazer jus a um controle contínuo de pH deve-se instalar uma câmara de injeção de agentes químicos capazes de realizar um controle eficiente desse parâmetro, o que só se torna viável em produções de escala muito maior. O que pode ser realizado neste caso é, com uma certa periodicidade, a coleta de amostras com um phmetro de eletrodo simples, para análise crítica do operador sobre a necessidade ou não de intervenção.

A medida e o controle da frequência e da velocidade de agitação são fundamentais para manutenção da correta mistura sem efeitos colaterais para as leveduras. Geralmente já está embutido no motor um tacômetro, ou seja, um aparelho que converte um fluxo magnético gerado pela rotação do eixo, em um sinal elétrico de 0-10V que é convertido por um circuito para a unidade desejada (rpm).

A medição do nível ou volume interno dos fermentadores e maturadores também é uma informação chave para maximizar a produção ao mesmo tempo que evita-se problemas com entupimentos e headspace excessivo. Esse tipo de medida pode substituir em escalas menores pela medida da vazão de líquido, a qual exige uma aparelhagem e instrumentos mais caros e complexos.

Outros sensores auxiliares que valem ser mencionados são os anti espumantes, hastes eletricamente carregadas, responsáveis por detectar a aproximação da espuma no topo do fermentador e acionar micro-bombas contendo agentes químicos anti-espumantes (silicones e parafinas), reduzindo este arraste gasoso e evitar o entupimento das saídas de gás e juntas de motores e sensores. Estes agentes reduzem as trocas superficiais gasosas o que não é favorável e portanto deve ser controlado com bastante precisão. Gases dissolvidos no mosto como O2 e CO2 também podem ser estudados por meio de eletrodos redox que identificam a

concentração instantânea desses gases, porém são itens dispendiosos e que podem não representar a concentração real a menos que se tenha uma boa mistura a todo momento.

A turbidez do mosto também pode ser averiguada, porém muitos fatores, como leveduras suspensas, borra carreada pela mistura e particulados do mel, como cinzas, podem estar misturados na etapa de fermentação, o que não acarreta em grandes informações para o operador, além de necessitar de equipamentos caros de análise de feixes de luz absorvida ou

refletida (pode-se levar o produto final a um laboratório para análises finas, que também são exigidas por lei).

A determinação da concentração dos substratos e produtos na fase líquida também é possível por meio da técnica de HPLC, porém são equipamentos extremamente caros e que até indicariam muitos parâmetros úteis como o consumo de glicose e frutose, a conversão de etanol e subprodutos como glicerol e ésteres, todavia, juntamente com tal equipamento seria necessário técnico responsável com conhecimento do equipamento e das consequências das suas medições para uma possível intervenção.

Por fim pode-se verificar que a maioria dos controles a serem exercidos na planta de fermentação são hora analógicos e manuais, cabendo ao operador realizar as medidas e analisar de forma crítica a necessidade de intervenção ou controles em malha fechada para analisar uma certa variável e realizar uma correção rápida e eficiente, sem levar em conta outros aspectos do processo. Com isso em mente, pode-se afirmar que o processo de fermentação não exige um grau de automação deveras elevado e pode ser considerado um processo de potencial integração tecnológica, apesar de ser viável de forma quase completamente manual (dada uma escala industrial pequena/média). A Figura 18 apresenta diagrama de blocos para possível sistema de controle da planta.

Figura 18: Diagrama de blocos de controle em malha fechada da temperatura.

Fonte: Autoria própria

3. DESENVOLVIMENTO

Nesta etapa será desenvolvida a engenharia do processo, unindo o conhecimento teórico sobre a fermentação alcoólica descrito no capítulo anterior, com dados de outros estudos isolados, realizando uma análise técnico-econômica que envolve a utilização de

equipamentos e planejamentos operacionais a fim de otimizar uma planta industrial com o menor custo e melhor qualidade agregada ao produto final. As análises a seguir terão como foco a manutenção de um menor custo variável e ainda de um investimento inicial baixo, capaz de gerar retorno financeiro dentro de um período de 12 a 36 meses (condizente com o mercado atual) sem que se tenha prejuízo na qualidade, estética ou vida útil do hidromel.

3.1. PROJETO

Para que os objetivos delineados no primeiro capítulo sejam alcançados, é necessário estipular primeiramente um volume mínimo suficiente para viabilizar a abertura de um espaço dedicado exclusivamente a fermentação de hidromel em escala industrial, com a infraestrutura mínima, equipamentos, acessórios e pessoal para manutenção das operações básicas junto ao(s) sócio(s). Desta forma, os custos podem ser calculados e estimados para uma produção com capacidade de pequena expansão e/ou retração, tendo em vista um mercado inicialmente difícil de se explorar, mas com um grande potencial.

O planejamento será feito de modo inverso, ou seja, ao invés de se estudar a demanda e com isso estipular uma produção, serão levantados os custos mínimos de uma nanoestrutura7* capaz de atender a capacidade de produção de até 1000 litros por mês, com um prazo em torno de 12 a 36 meses para retorno do investimento inicial. Isso será feito devido a dificuldade encontrada para se executar uma pesquisa de mercado eficiente com um produto novo, sem que se disponha de protótipos legais para demonstrações. Outra razão para tanto, seria o grande potencial de expansão a partir do momento em que o produto começar a ganhar notoriedade local, regional ou até nacional, sendo importante o investimento em marketing e participação em eventos.

O volume é uma questão essencial, pois averiguados os custos fixos, proceder-se-á aos custos e ganhos variáveis, os quais sem um volume mensal estipulado não podem ser determinados. Portanto, vê-se necessário, um tipo de cálculo iterativo, onde foi testada uma produção em torno de 500 litros por mês, que não gerou lucros suficientes para suprir as demandas da instalação a médio prazo, sendo necessário então elevar a capacidade máxima

7

* Convenção criada, mas sem base legal, para denominar microcervejarias bem sucedidas que se definam como plantas de experimentação e que tenham uma produção local de até 1000L/mês (nanocervejarias). Vide:https://www.palenox.com/en/blog/15/Qual-a-diferen%C3%A7a-entre-nanocervejaria-e-micro.html, acessado em 30/04/19.

para os 1000 litros, com produção inicial de 50% da capacidade total, permitindo uma margem para aumento ou diminuição da produção de forma gradual em caso de necessidade.

3.2. DIMENSIONAMENTO

Primeiramente foi necessário adaptar o fluxograma de blocos simplificado após o estudo conceitual do processo, levando em conta as melhores e mais atualizadas práticas industriais analisadas no capítulo 2. Com o projeto global em mente, podem ser destrinchadas as etapas analisando os equipamentos em que ocorrem cada uma delas e o arranjo físico para otimizar o espaço e a energia gastos. A Figura 19 apresenta um fluxograma simplificado do processo.

Figura 19: Fluxograma simplificado.

Fonte: Autoria própria.

Tal arranjo físico iria ocupar um espaço horizontal de aproximadamente 40 metros quadrados, onde a instalação dos equipamentos e um balcão de recepção/atendimento iriam cobrir as necessidades básicas do processo, com possibilidade de contratação terceirizada de espaços de coworking para fechamento de contratos, encontros com publicitários e provas para clientes e empresas interessadas.

Para que sejam demonstrados os pontos de análise e otimização do processo, serão enumeradas as etapas de acordo com as imagens acima e exemplificadas as melhores práticas com sugestões de operação, equipamentos e análise/acompanhamentos laboratoriais necessários.