Esta tese de doutorado trata do desenvolvimento de um robô cilíndrico com cinco graus de liberdade acionado pneumaticamente. Devido às dificuldades de controle ocasionadas pelas altas não-linearidades intrínsecas à tecnologia pneumática, relacionadas principalmente à compressibilidade do ar e ao atrito, existem poucos robôs com esse tipo de acionamento. Seu estudo justifica-se, porém, pela aplicabilidade de sistemas pneumáticos em ambientes classificados ou que necessitem de tecnologia limpa, além de possibilidades de aplicação, devido à sua alta resiliência, em atividades que exijam proximidade ou contato com seres humanos ou outros robôs. Além disso, a possibilidade de obtenção de sistemas pneumáticos a custos reduzidos pode viabilizar sua aplicação para realização de operações de manipulação de objetos de pequeno porte em ambiente fabril, principalmente em situações de insalubridade ou em casos de necessidade de realização de tarefas repetitivas. O estudo contempla a proposição e aplicação de uma técnica de controle não linear baseada na conhecida lei do Torque Calculado, largamente aplicada ao controle de robôs manipuladores, diferenciando-se da sua estrutura tradicional pelo acréscimo de um esquema para compensação explícita do atrito aplicado aos cinco subsistemas de atuação. É demonstrado através dos resultados de simulações e de experimentos realizados em um protótipo projetado e construído no âmbito do presente trabalho, que, devido às características construtivas dos atuadores, a compensação explícita do atrito é de grande importância para a obtenção de resultados adequados na tarefa de seguimento de trajetória. Os resultados da aplicação do controlador proposto, operando em regime de seguimento de uma trajetória contínua, indicam que a estratégia de controle do Torque Calculado, em conjunto com o esquema de compensação do atrito, leva o sistema a uma redução dos erros de seguimento de trajetória em posição. / This thesis presents the development of a cylindrical robot with five degrees of freedom pneumatically actuated. Because of the difficulties in control tasks caused by intrinsic high nonlinear behavior of this technology, mainly related to the air compressibility and friction, exist only few robots with this actuation technology. This study is justified by the applicability of pneumatic systems in classified rooms or environments that need clean technology that due to resilience allows the applications that require, close proximity or contact with humans or other robots. Moreover, the possibility of obtaining pneumatic systems at reduced costs can make possible its application for accomplishment of manipulation of small objects in industrial environment, especially in situations of unhealthy work or in cases that need to perform repetitive operations. This study include the proposition and application of a nonlinear control technique based of widely known law of Torque Calculated, extensively applied on control of the manipulator robots, differentiating itself from its traditional structure by the addition of an explicit scheme for friction compensation, applied to the five actuators of the robot. It is demonstrated by results of simulations and experiments on the robot prototype designed and built, as part of this work, which, due to the constructive characteristics of the actuators, the explicit compensation of friction is very important to achieve appropriate results in a task of trajectory tracking. The results of application of the proposed controller, operating under continuous trajectory tracking indicate that the control strategy of Torque Calculated together with the friction compensation scheme leads the system to a reduction of the position tracking errors.

Visando apoiar o desenvolvimento de controladores para servoposicionadores pneumáticos, é apresentada no presente trabalho uma proposta de um procedimento baseado no uso de redes neurais para a determinação de modelos matemáticos precisos que possam ser aplicados tanto para a simulação do seu comportamento dinâmico quanto na estrutura de controladores que utilizam estratégias baseadas em modelos. No âmbito do trabalho, esse procedimento foi testado por meio de sua aplicação na identificação das forças de atrito e da relação pressão/vazão mássica nos orifícios de controle da servoválvula (que consistem nas principais não-linearidades envolvidas em tais sistemas). Além disso, determinou-se através de redes neurais a relação inversa entre as vazões desejadas e o sinal de controle da servoválvula (difeomorfismo), a qual é aplicada em técnicas de controle baseadas em modelos. Visando validar o procedimento de modelagem proposto, foram realizadas simulações em malha aberta e malha fechada, cujos resultados são comparados com os de experimentos realizados em uma bancada de testes. Com o intuito de comprovar sua eficácia em aplicações de controle, o modelo baseado em redes neurais foi utilizado no desenvolvimento de um controlador não-linear sintetizado de acordo com uma estratégia em cascata (a qual foi já testada em outros trabalhos, mostrando resultados satisfatórios quando aplicada ao controle de servoposicionadores pneumáticos). No entanto, essa estratégia apresenta dificuldades de implantação em decorrência das dificuldades associadas ao processo de identificação dos parâmetros do sistema, que são especialmente trabalhosos neste caso. As características de estabilidade em malha fechada foram analisadas por meio do segundo método Lyapunov. Os resultados experimentais em malha fechada obtidos atestam a eficácia da estratégia de controle proposta. / The development of a precise positioning system has motivated several researches in the pneumatic systems control area to overcome the problems caused by these nonlinearities, by appropriate feedback control algorithms. In this work it is proposed a methodology based on neural networks to achieve accurate mathematical models that can be used in simulation as in controllers techniques based on models. This methodology was tested through its application in identifying the phenomenon of friction and the relationship pressure/mass flow through servo valve orifices control holes. Furthermore, using neural networks, the inverse relationship between the desired flow rates and control signal of servo valve (diffeomorphism), which is applied in various control techniques based on models, was determined. To evaluate the proposed modeling methodology, simulations were done in open and closed loop, and the results were compared with experiments conducted on a real pneumatic servo positioning system. A neural network based model was used to develop a nonlinear controller according to a cascade strategy with friction compensation (which has been tested on other studies showing satisfactory results when applied to pneumatic servo positioning control). The cascade control strategy, despite showing a good performance in trajectory tracking, presents significant difficulties in implementation due mainly to difficulties associated with the system parameters identification process, which are especially expensive. The characteristics of the closed loop stability were analyzed by Lyapunov method. The experimental results obtained in closed loop attest the efficiency of the proposed control strategy.

O presente trabalho aborda o desenvolvimento de um sistema eletrônico de controle em tempo real para servoposicionadores pneumáticos baseado em microcontroladores. Os servoposicionadores pneumáticos, por apresentarem características tais como baixo preço, por serem não poluentes e de fácil utilização, além de apresentarem boa relação peso/potência, são atraentes para utilização na área de robótica. Entretanto, devido às suas não-linearidades inerentes, os servoposicionadores pneumáticos apresentam dificuldades que devem ser superadas para a sua adequada utilização em atividade de posicionamento preciso. Assim, visando compensá-las, estão sendo atualmente desenvolvidos algoritmos e técnicas cada vez mais complexas que exigem, por isso, ferramentas programáveis de controle com cada vez maior poder de processamento. Este trabalho apresenta, a partir de uma revisão bibliográfica, as soluções mais utilizadas para o controle digital de sistemas automáticos e de estudos sobre os dispositivos e componentes disponíveis no mercado, uma proposta econômica para o controle em tempo real de servoposicionadores pneumáticos. Para verificar a eficiência da solução proposta, a arquitetura de controle desenvolvida foi utilizada para o controle de um servoposicionador pneumático. Para tanto, projetou-se e programou-se o tradicional controlador linear PID (Proporcional – Integral – Derivativo) e o controle não linear a estrutura variável baseado em modos deslizantes (Slide Mode Control). A partir dos resultados apresentados e das suas discussões pode-se avaliar o desempenho da arquitetura desenvolvida no controle do servoposicionador pneumático. / This work discusses the development of an electronic real-time control system for microcontroller-based pneumatic servopositioners. The servopositioners offer attractive characteristics for use in robotics, such as low price, non-polluting operation, being easy to use and with a good power/weight ratio. However, due to their inherent non-linearities, the servopositioners present difficulties in precise positioning applications. To compensate these difficulties, the use of complex algorithms and new techniques are currently being availed, requiring hardware for programmable control with increasing processing power. This paper presents an economic proposal for real-time control of servopositioners, starting from a literature review of the most popular solutions for digital control of automated systems and from studies of devices and commercial components currently available. To verify the efficiency of the proposed solution, the control architecture developed was used for the control of a pneumatic servopositioner. Therefore, we designed and programmed a traditional linear controller PID (Proportional – Integral – Derivative) and a nonlinear control based on variable structure sliding mode (Slide Mode Control). The results obtained in trajectory tracking tests were used to evaluate the performance of the developed architecture.

O presente trabalho trata do projeto, construção e análise de desempenho de um robô pneumático com três graus de liberdade. Foi fundamentado no trabalho de Frasson (2007) com alterações na escolha de componentes que permitissem a redução de custos. Tem como objetivo verificar se um robô comandado por válvulas solenóide rápidas, e controlado pela técnica baseada em modos deslizantes (Slide Mode Control), tem desempenho adequado para permitir sua aplicação em processos industriais. Os testes efetuados para constatar seu desempenho foram os de deslocamento em degrau (step) e o seguimento de trajetória. A configuração do robô é cartesiana por permitir que os eixos do robô trabalhem desacoplados, facilitando o estudo dos movimentos. Os resultados dos testes de deslocamento em degrau e os de seguimento de trajetória indicam que o robô mostrou-se eficiente no posicionamento final em relação os valores definidos pela camada limite. Observou-se também que a combinação entre o tempo de resposta da válvula solenóide e a vazão de ar que atravessa à válvula (constante no caso de válvulas solenóide) estabelece a dinâmica dos cilindros e, dependendo da velocidade determinada para o deslocamento do êmbolo resulta impossível manter a movimentação dentro da camada limite escolhida. Desta forma o robô cartesiano com acionamento por eletroválvulas pneumáticas e controlado através da técnica baseada em modos deslizantes, mostrou-se eficiente para tarefas em que é necessário um de posicionamento final dentro da camada limite, como podem ser as de montagem e armazenamento, por exemplo. Já nas aplicações em que o seguimento de trajetória se torna necessário, deve ser feito um estudo considerando o tempo de acionamento das válvulas, a vazão de ar e as velocidades que o robô deve desempenhar para determinar se a largura da camada limite necessária é aceitável para a aplicação pretendida. / The present work tries the design, construction and analysis of performance of one three degrees of freedom pneumatic robot. This work was substantiated in the work of Frasson (2007) with some alterations in the components choice to reduce costs. This work objective is to verify the robot, being commanded by quick solenoid valves, and controlled by a technique based on Slide Mode Control, permits their application in industrial trials. The tests performed for establish his performance were the displacement in step function and the following of path. This robot has a Cartesian configuration because the axis is free to move alone and the study of axes movement is easy. The tests results indicate that a pneumatic robot had precise perform in the tests of displacement in step, positioning itself inside the streak of default tolerance in each one of the axes. Also the solenoid valve response time and the solenoid valve air flux make a cylinder dynamics and depends on speed choice to piston movement may be impossible to maintain the motion inside of the sliding surface. Then a Cartesian pneumatic robot commanded by fast solenoid valves a having an Slide Mode Control show efficient to deal with assignments which need a final location inside the limit area, as assemblies or storage assignments. In cases where following of path is important, is need an specific study on valves switching time, air flow and speed needed in robot operation to determine if the limit region defined is accepted for the assignments choiced.

Este trabalho aborda o desenvolvimento da estrutura da base e do sistema de acionamento, transmissão e controle do 1º grau de liberdade de um robô cilíndrico de 5 graus de liberdade acionado pneumaticamente. A base é construída com alumínio estruturado de elevada rigidez, o que confere a sua estrutura mecânica baixas deformações em situações de operação do robô. Além de constituir a estrutura de apoio do manipulador, a base serve de repositório para diversos componentes de sensoriamento e comando dos diversos graus de liberdade do robô e ainda apresenta elementos estruturais que são utilizados como acumuladores de ar comprimido que servem para atenuar as flutuações de pressão nos atuadores pneumáticos. O 1º grau de liberdade do robô, de acordo com a concepção de um robô cilíndrico, é relativo ao giro do conjunto de elos do manipulador em torno do eixo vertical. O seu movimento é comandado por um atuador pneumático linear acoplado a um eixo rotativo por uma correia sincronizadora. O controlador proposto é baseado na técnica de realimentação de estados com alocação de polos e compensa a variação do momento de inércia do manipulador devida ao movimento do robô. Este esquema é baseado em um modelo matemático parametrizado que provê continuamente o valor de massa equivalente acoplada ao primeiro grau de atuador de liberdade. Assim, a cada ciclo de controle, os ganhos do controlador são recalculados a partir do valor atual da massa equivalente, visando a compensar sua variação. São apresentados resultados experimentais e discussões sobre o cálculo da massa equivalente e desempenho do controlador no seguimento de trajetória. / This work deals with the design of the base frame, drive, transmission and control systems used in the first degree of freedom of a pneumatically actuated cylindrical robot with five degrees of freedom. The base is constructed with high stiffness aluminum parts, which achieve low mechanical deformation in operational working conditions. Furthermore, the base structure in used as sensor and pneumatic components compartment and comprises aluminum structural elements that are used as accumulators compressed air used for reducing the pressure fluctuations on the pneumatic actuators operation. The first degree of freedom, according to the usual design of a cylindrical robot, is relative to the rotation of the manipulator arm around its vertical axis. This degree of freedom is controlled by a linear pneumatic actuator coupled to a rotary axis mechanism by an industrial synchronous belt. The proposed controller is based on the state feedback technique with pole location and compensates the variation of the moment of inertia of the manipulator due to the motion of the robot. This scheme is based on a parameterized mathematical model that continuously provides the equivalent mass value coupled to the first degree of freedom actuator. So, in each control cycle, the controller gains are recalculated on the basis of the equivalent mass, compensating its variation. Results of experiments and discussions about the equivalent mass calculation and controller performance are presented.

Esta tese de doutorado trata do desenvolvimento de um robô cilíndrico com cinco graus de liberdade acionado pneumaticamente. Devido às dificuldades de controle ocasionadas pelas altas não-linearidades intrínsecas à tecnologia pneumática, relacionadas principalmente à compressibilidade do ar e ao atrito, existem poucos robôs com esse tipo de acionamento. Seu estudo justifica-se, porém, pela aplicabilidade de sistemas pneumáticos em ambientes classificados ou que necessitem de tecnologia limpa, além de possibilidades de aplicação, devido à sua alta resiliência, em atividades que exijam proximidade ou contato com seres humanos ou outros robôs. Além disso, a possibilidade de obtenção de sistemas pneumáticos a custos reduzidos pode viabilizar sua aplicação para realização de operações de manipulação de objetos de pequeno porte em ambiente fabril, principalmente em situações de insalubridade ou em casos de necessidade de realização de tarefas repetitivas. O estudo contempla a proposição e aplicação de uma técnica de controle não linear baseada na conhecida lei do Torque Calculado, largamente aplicada ao controle de robôs manipuladores, diferenciando-se da sua estrutura tradicional pelo acréscimo de um esquema para compensação explícita do atrito aplicado aos cinco subsistemas de atuação. É demonstrado através dos resultados de simulações e de experimentos realizados em um protótipo projetado e construído no âmbito do presente trabalho, que, devido às características construtivas dos atuadores, a compensação explícita do atrito é de grande importância para a obtenção de resultados adequados na tarefa de seguimento de trajetória. Os resultados da aplicação do controlador proposto, operando em regime de seguimento de uma trajetória contínua, indicam que a estratégia de controle do Torque Calculado, em conjunto com o esquema de compensação do atrito, leva o sistema a uma redução dos erros de seguimento de trajetória em posição. / This thesis presents the development of a cylindrical robot with five degrees of freedom pneumatically actuated. Because of the difficulties in control tasks caused by intrinsic high nonlinear behavior of this technology, mainly related to the air compressibility and friction, exist only few robots with this actuation technology. This study is justified by the applicability of pneumatic systems in classified rooms or environments that need clean technology that due to resilience allows the applications that require, close proximity or contact with humans or other robots. Moreover, the possibility of obtaining pneumatic systems at reduced costs can make possible its application for accomplishment of manipulation of small objects in industrial environment, especially in situations of unhealthy work or in cases that need to perform repetitive operations. This study include the proposition and application of a nonlinear control technique based of widely known law of Torque Calculated, extensively applied on control of the manipulator robots, differentiating itself from its traditional structure by the addition of an explicit scheme for friction compensation, applied to the five actuators of the robot. It is demonstrated by results of simulations and experiments on the robot prototype designed and built, as part of this work, which, due to the constructive characteristics of the actuators, the explicit compensation of friction is very important to achieve appropriate results in a task of trajectory tracking. The results of application of the proposed controller, operating under continuous trajectory tracking indicate that the control strategy of Torque Calculated together with the friction compensation scheme leads the system to a reduction of the position tracking errors.

Visando apoiar o desenvolvimento de controladores para servoposicionadores pneumáticos, é apresentada no presente trabalho uma proposta de um procedimento baseado no uso de redes neurais para a determinação de modelos matemáticos precisos que possam ser aplicados tanto para a simulação do seu comportamento dinâmico quanto na estrutura de controladores que utilizam estratégias baseadas em modelos. No âmbito do trabalho, esse procedimento foi testado por meio de sua aplicação na identificação das forças de atrito e da relação pressão/vazão mássica nos orifícios de controle da servoválvula (que consistem nas principais não-linearidades envolvidas em tais sistemas). Além disso, determinou-se através de redes neurais a relação inversa entre as vazões desejadas e o sinal de controle da servoválvula (difeomorfismo), a qual é aplicada em técnicas de controle baseadas em modelos. Visando validar o procedimento de modelagem proposto, foram realizadas simulações em malha aberta e malha fechada, cujos resultados são comparados com os de experimentos realizados em uma bancada de testes. Com o intuito de comprovar sua eficácia em aplicações de controle, o modelo baseado em redes neurais foi utilizado no desenvolvimento de um controlador não-linear sintetizado de acordo com uma estratégia em cascata (a qual foi já testada em outros trabalhos, mostrando resultados satisfatórios quando aplicada ao controle de servoposicionadores pneumáticos). No entanto, essa estratégia apresenta dificuldades de implantação em decorrência das dificuldades associadas ao processo de identificação dos parâmetros do sistema, que são especialmente trabalhosos neste caso. As características de estabilidade em malha fechada foram analisadas por meio do segundo método Lyapunov. Os resultados experimentais em malha fechada obtidos atestam a eficácia da estratégia de controle proposta. / The development of a precise positioning system has motivated several researches in the pneumatic systems control area to overcome the problems caused by these nonlinearities, by appropriate feedback control algorithms. In this work it is proposed a methodology based on neural networks to achieve accurate mathematical models that can be used in simulation as in controllers techniques based on models. This methodology was tested through its application in identifying the phenomenon of friction and the relationship pressure/mass flow through servo valve orifices control holes. Furthermore, using neural networks, the inverse relationship between the desired flow rates and control signal of servo valve (diffeomorphism), which is applied in various control techniques based on models, was determined. To evaluate the proposed modeling methodology, simulations were done in open and closed loop, and the results were compared with experiments conducted on a real pneumatic servo positioning system. A neural network based model was used to develop a nonlinear controller according to a cascade strategy with friction compensation (which has been tested on other studies showing satisfactory results when applied to pneumatic servo positioning control). The cascade control strategy, despite showing a good performance in trajectory tracking, presents significant difficulties in implementation due mainly to difficulties associated with the system parameters identification process, which are especially expensive. The characteristics of the closed loop stability were analyzed by Lyapunov method. The experimental results obtained in closed loop attest the efficiency of the proposed control strategy.

Servoposicionadores pneumáticos são sistemas com tecnologia limpa, pois utiliza o ar comprimido como fluido de trabalho, leves, baratos e apresentam boa relação entre a capacidade de carga e a potência fornecida. Contudo, eles apresentam não-linearidades inerentes ao sistema pneumático, como efeitos devidos à compressibilidade do ar, ao atrito e vazamentos. Por estes motivos os controladores lineares mostram-se ineficientes para estes sistemas e é necessário utilizar estratégias de controle mais elaboradas, como, por exemplo, controle por redes neurais, controle com estrutura variável, controle adaptativo ou baseado em linearização por realimentação. Neste trabalho, foi estudada a aplicação do método de linearização por realimentação aliada ao método de controle por realimentação de estados e projeto por alocação de pólos ao controle de um servoposicionador pneumático. A estratégia de linearização por realimentação utiliza as estimativas das não-linearidades do modelo pneumático para linearizar o comportamento do servoposicionador pneumático e permitir o uso tanto de controladores lineares como não-lineares. A análise e prova das características de estabilidade completa do sistema em malha fechada com parâmetros conhecidos foi realizada, obtendo-se a garantia da convergência dos erros de seguimento para zero. Também foi realizada a análise de robustez, com a análise do comportamento do sistema frente às incertezas dos parâmetros estimados. Simulações e ensaios experimentais foram realizados para avaliar o comportamento e a eficiência do controlador proposto. Os resultados do controlador mostram-se promissores, com uma redução de aproximadamente 50% no erro de posição no seguimento de trajetória e na parada precisa com relação às técnicas lineares usualmente aplicadas a estes sistemas. Entretanto, no posicionamento percebe-se a influência do atrito, indicando que a sua compensação deve ser considerada em futuros desenvolvimentos. / Pneumatic positioning systems are clean, lightweight, cheap and present a good rate between the payload and supply power. However, this system shows a highly non-linear behavior, caused mainly by the compression of the air and the friction force. Linear strategies do not present an efficiently control in this kind of system and an improved design technique of control is needed, as neural network control, adaptive control, variable structure control or feedback linearization. In this work, it is developed the application of a feedback linearization control scheme integrated with the state feedback and pole placement method to a pneumatic positioning system. The feedback linearization strategy uses the non-linearities estimation of the pneumatic model to linearize the pneumatic positioning system and allow the use of linear or non-linear controls technique to control the behavior of the servopositioner. In this work, an analysis of the convergence properties of the closed-loop errors of the system when the proposed controller is employed is provided. It is shown that if the parameters are known than the system presents asymptotic convergence of the tracking errors to zero. The robustness properties analysis of the controller is also presented and the system behavior with the uncertainty parameters is analysed. Simulation and experimental tests were performed to assess the behavior and the efficiency of the feedback linearization control. The result of the proposed control shows to be promising on the reduction of position errors in trajectory tracking and in steadystate behavior. The tests show the presence of a strong influence of the friction force and that the friction comparation in techniques must be studied in futher developments.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 623.pdf: 1119771 bytes, checksum: 03ec886c5b7c1e6b64f80f767a197553 (MD5) Previous issue date: 2005-03-28 / Financiadora de Estudos e Projetos / The importance of the airlift bioreactor has grown in the biotechnology field by aspects as high oxygen transfer, with power input low. In this work were study the conditions heat and mass transfer, as well as the condenser efficiency in the water retention, of an airlift bench bioreactor of internal circulation of useful capacity 6 L. Such bioreactor is endowed with hollow draft tube working as a heat charger for temperature control and of aspersor type crosspiece for aspersion of air. Values of the heat transfer global coefficient (U) were certain in different operation conditions starting from applied energy balance in the system after the same to reach the steady state. Values of U varied in the range from 300 to 700 W.m-2.°C-1, showing that the device of thermal change proposed was efficient to heat removal. The results were correlated with the water flow inside the draft tube and with the feeding air flow in the bioreactor. After this stage, it was evaluated water drags of the bioreactor system plus condenser in different conditions of air flow and temperatures in the bioreactor and in the condenser. The condenser was shown efficient in the water retention, obtaining efficiency superior values to 80%, but it didn't solve the problem of water loss by water drag for the high air flows in that the airlift bioreactor is operated. The variable air flow was the variable that influenced more significantly water drags. The transfer oxygen was evaluated through the oxygen transfer volumetric coefficient (kLa). For comparison, kLa values were obtained in the airlift bioreactor operated in a range of specific feeding air flow from 1 to 5 vvm and in conventional bioreactor of 4 L, in different agitation conditions (600, 800 and 1000 rpm) and aeration (0,5 and 1,0 vvm). Two methods for kLa determination were employees, the sulfite method and the dynamic method considering the delay of the electrode answer. This last one that generated results between 2 and 6 times inferior, depending of bioreactor type, because it evaluates the kLa in coalescent media, similar to most of the media fermentation. Finally, to validate the use of the system as bioreactor, cultivations with Streptomyces clavuligerus seeking to the production of clavulanic acid, a potent inhibitor of β-lactamase, enzyme producted by patogenics microorganism that broke β-lactamic rings of antibiotics. Four cultivations were accomplished, two in airlift bioreactor and two in bioreactor conventional (Bioflo III) in two different conditions of oxygen transfer (kLa) and the results were compared in terms of clavulanic acid production. The maximum clavulanic acid concentrations obtained in the cultivations in airlift bioreactor were superior those obtained in conventional bioreactor, with minors consistence index (K), showing larger shear rate in the airlift bioreactors in the same conditions of transfer oxygen. In global terms, the obtained results suggest that bioreactor as the most appropriate for this cultivation type, justified for the appropriate heat and mass transfers formed an alliance with the smallest energy consumption. / A importância do biorreator airlift tem crescido no campo da biotecnologia por aspectos como a sua alta transferência de oxigênio, obtida através de consumo de potência. No presente trabalho foram avaliadas as condições de transferência de calor e massa, bem como a eficiência do condensador na retenção de água, de um biorreator airlift de circulação interna, onde o ar é injetado pelo centro do tubo interno, de bancada de 6 L de capacidade útil. Tal biorreator é dotado de tubo interno ( draft tube ) oco funcionando como um trocador de calor para controle de temperatura e de aspersor tipo cruzeta para aspersão de ar. Valores do coeficiente global de transferência de calor (U) foram determinados em diferentes condições de operação a partir de balanço de energia aplicado no sistema após o mesmo atingir o estado estacionário. Valores de U variaram na faixa de 300 a 700 W.m-2.°C-1, mostrando que o dispositivo de troca térmica proposto foi eficiente na remoção de calor.Os resultados foram correlacionados com a vazão de água no interior do tubo interno e com a vazão de alimentação de ar no biorreator. Após esta etapa, avaliou-se o arraste de água do sistema biorreator mais condensador em diferentes condições de vazão de ar e de temperaturas no biorreator e no condensador. O condensador mostrou-se eficiente na retenção de água, obtendo valores de eficiência superiores a 80%, mas não solucionou por completo o problema de perda de água do sistema por arraste pelos altos fluxos de ar em que se opera o biorreator airlift. A variável vazão de ar foi a variável que influenciou mais significativamente o arraste de água. A transferência de oxigênio foi avaliada através do coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa). Para efeito de comparação, valores de kLa foram obtidos no biorreator airlift operado numa faixa de vazão específica de alimentação de ar de 1 a 5 vvm e em biorreator convencional de 4 L, em diferentes condições de agitação (600, 800 e 1000 rpm) e aeração (0,5 e 1,0 vvm). Dois métodos para determinação do kLa foram empregados, o método do sulfito e o método dinâmico considerando o atraso da resposta do eletrodo. Este último que gerou resultados entre 2 e 6 vezes inferiores, dependendo do tipo do biorreator, pois avalia o kLa em meios coalescentes, similares à maioria dos caldos de fermentação. Por fim, para validar a utilização do sistema como biorreator, foram realizados cultivos com Streptomyces clavuligerus visando à produção de ácido clavulânico, um potente inibidor de β-lactamases, enzimas produzidas por microrganismos patogênicos que clivam o anel dos antibióticos β-lactâmicos. Foram realizados quatro cultivos, dois em biorreator airlift e dois em biorreator convencional (Bioflo III) em duas diferentes condições de transferência de oxigênio (kLa) e os resultados foram comparados em termos de produção do ácido clavulânico. As concentrações máximas de ácido clavulânico obtidas nos cultivos em biorreator airlift foram superiores àquelas obtidas em biorreator tipo tanque agitado e aerado, com menores índices de consistência (K), mostrando maior cisalhamento nos biorreatores airlift nas mesmas condições de transferência de oxigênio. Em termos globais, os resultados obtidos sugerem esse biorreator como o mais adequado para este tipo de cultivo, justificado pelas adequadas transferências de calor e massa aliadas ao menor consumo de energia.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:57:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissMBF.pdf: 1922447 bytes, checksum: d5e38d66918cd0de4367dd7e978deb0e (MD5) Previous issue date: 2005-07-29 / Financiadora de Estudos e Projetos / A controlled and uniform solids feeding in process equipment is important for a good performance operation, and distinct work conditions may be obtained depending on the feeding systems characteristics. In this work, a solids feeding system was studied aiming to have its performance characterized and analyzed. The solids feeder is a non-mechanical valve known as L-valve. The experimental apparatus used in this study is composed by an acrylic L-valve with a 23 mm inner diameter and a vertical pneumatic conveying line, made of stainless steel with 23 mm inner diameter and 1,90 m length. The equipment have altogether 18 pressure taps distributed along of it, two orificeplate flow meters to measure the air flow rates and the aeration flow rates, and a sample collector to measure the solids flow rates. In this work were used glass spheres with average diameters ranging from 260 µm to 1 mm. The measurements of solids flow rates, air flow rates, and pressure profiles allowed the solids feeder characterization and the analysis of its performance in conveying operation. The runs accomplished with the L-valve operating isolatedly showed different flow patterns depending on aeration flow rate range and indicated that the particle diameter influences the minimum aeration flow rate required to conveying. The runs with L-valve operating in pneumatic conveying line showed the same tendencies of solids flow rates and pressure drops in L-valve that those obtained in L-valve characterization runs. The operation with 23 mm diameter inner L-valve was more efficient for smaller diameter particles. / Uma alimentação de sólidos controlada e uniforme em equipamentos de processo é essencial para o bom desempenho da operação, já que diferentes condições de trabalho podem ser obtidas dependendo da geometria e da dimensão do sistema de alimentação. Nesse trabalho, foi estudado um sistema de alimentação de sólidos com o objetivo de caracterizá-lo e analisar seu desempenho. O alimentador em questão é uma válvula do tipo não-mecânico conhecida como válvula-L. Os aparatos experimentais utilizados para o estudo são uma válvula-L de acrílico de 23 mm de diâmetro interno e um transportador pneumático vertical construído em aço-inox com um tubo de 23 mm de diâmetro interno e 1,90 m de comprimento. O equipamento possui ao todo 18 tomadas de pressão distribuídas ao longo do mesmo, placas de orifício para as medidas de vazão de ar e de vazão de aeração e uma caixa de amostragem para vazão de sólidos. No transporte de sólidos são utilizadas esferas de vidro de diâmetros médios que variam de 260 µm a 1 mm. As medidas obtidas de vazão de sólidos, vazão do ar e perfil de pressão axial permitiram a caracterização do alimentador de sólidos e seu desempenho na operação de transporte. Os ensaios realizados com a válvula-L operando isoladamente mostraram padrões de escoamento diferentes dependendo da faixa de vazão de sólidos obtida e também indicaram que o diâmetro de partícula influencia a vazão mínima de aeração requerida para o transporte. Os ensaios com a válvula-L operando na linha de transporte pneumático mostraram que as tendências de vazão de sólidos e de perda de carga na válvula se mantêm iguais às obtidas nos ensaios de caracterização da válvula-L. A operação com válvula de pequeno diâmetro se mostrou mais eficiente para partículas de menor diâmetro.