SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO PARA FERMENTAÇÃO DE CERVEJAS

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1 SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO PARA FERMENTAÇÃO DE CERVEJAS I. CRISTINE PROHMANN TSCHOEKE 1, M. EUGÊNIA MELIANO DE MEDEIROS SOUTO. 1, N. PAIVA PEREIRA DE ALMEIDA LEITÃO 1, J. VINÍCIUS FERNANDES LIMA CAVALCANTI 1,2, J. PEDRO DA SILVA 2, T. PINHO COSTA SOUZA 1,2 1 Universidade Federal Rural de Pernambuco, Departamento de Engenharia de Alimentos 2 Universidade Federal de Pernambuco, Departamento de Engenharia Química para contato: [email protected] RESUMO O Brasil tem ocupado o 3 lugar no ranking mundial em consumo de cerveja. Com isso, pequenas cervejarias foram instaladas nos últimos anos. Para que estas pequenas empresas sejam competitivas perante as gigantes do mercado, é necessário que se tenham um controle rígido do seu processo. Este trabalho teve como objetivo aplicar um sistema de controle embarcado para a automação e monitoramento de dados in line via internet na indústria de cerveja através de supervisório 3D fazendo uso de tecnologia de baixo custo. Foi aplicado em uma dorna fermentativa sensores de pressão, temperatura (G-L) e concentração de CO2 e Etanol, além da placa Arduino. Para o desenvolvimento do supervisório foi necessário o uso de software de modelagem gráfica em 3D e linguagem de programação (C++, C#, PHP, JavaScript). O custo de todo o circuito elétrico foi de R$ 500,00. O controle automático foi possível fazendo uso de um modelo matemático gerado pelos próprios dados obtidos no processo de fermentação. 1. INTRODUÇÃO De acordo com o decreto n 6.871, 4 de junho de 2009, entende-se por cerveja a bebida obtida da fermentação alcoólica do mosto cervejeiro oriundo do malte da cevada e água potável, por ação da levedura, com adição de lúpulo. A variação de um ou mais componentes existentes no processo como: tempo, temperatura de cozimento, fermentação, maturação ou matéria-prima, é a responsável pela existência de uma grande variedade de tipos de cervejas espalhadas pelo mundo (Soares, 2011). A produção de cerveja coloca o Brasil em 3 lugar no ranking mundial, com 124 milhões hl/ano, ficando atrás de países como China (44,8 bilhões de hectolitros) e Estados Unidos (22,7 bilhões de hectolitros) (Brunelli,2012), no entanto quando compara-se o consumo nacional os valores são baixos, ficando atrás dos países europeus girando em torno de 64 litros per capita/ano (Paiva,2011). No entanto esse mercado cervejeiro tem se mostrado crescente nos últimos anos, isso é resultado do aumento da faixa etária da população

2 acompanhado pelo aumento do poder aquisitivo, refletido pela estabilidade econômica (Reinold,2011) (Santamech,2011). Historicamente, nos meados das décadas de 70 e 80, com o avanço da eletrônica e, surgimento dos microprocessadores, o computador se tornou uma peça chave nos diversos setores industriais. Assim surgiram os primeiros sistemas supervisórios. Basicamente, um sistema supervisório destina-se à capturar e armazenar em um banco de dados, informações sobre um processo de produção. As informações vêm de sensores que capturam dados específicos (conhecidos como variáveis de processo) da planta industrial. O grupo de pesquisa da Universidade Federal Rural de Pernambuco desenvolveu uma cervejaria piloto para estudo do processo produtivo. A cervejaria é formada por uma brassagem, uma etapa de filtração, fermentação e maturação. Ainda faz parte da cervejaria piloto, um sistema completo de refrigeração. Este trabalho visou a construção de um sistema supervisório 3D para controle de uma cervejaria. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Para este trabalho, foi usada uma cervejaria piloto desenvolvida pela equipe de projeto UFPE e UFRPE (Figura 1). A cervejaria faz uso de todas as etapas de uma cervejaria industrial. A cervejaria possui uma brasagem completa com tina de fervura/cozimento; filtração; sistema de bombas de transferência e de reciclo, além da etapa de fermentação; maturação e sistema completo de resfriamento por água e amônia. A cervejaria foi montada com materiais laváveis e tanques de inox para manter a assepsia do processo. Figura 1 Cervejaria piloto com sistema de brassagem completa, fermentação e maturação.

3 Os materiais usados podem ser vistos na Figura 2. Foi usado sensores de pressão, temperatura, concentração de CO2, concentração de etanol e uma placa de Aduino Mega. (a) (b) (c) (d) (e) Figura 2 Sensor de pressão (a), sensor de temperatura DS18B20 (b), sensor MQ9 de CO2 (c), sensor MQ3 de etanol (d) e Microcontrolador ATMEGA8-16PC (c). Em seguida, foi desenvolvido um algoritmo (linguagem C) capaz de realizar o processamento das informações enviadas pelos sensores através de comunicação USB para um computador pessoal. O programa foi compilado e salvo no microcontrolador (Figura 2-e) deixando todo o processo automatizado. O custo de montagem do sistema completo de controle da cervejaria foi de R$ 500,00. Quando comparado ao custo somente de um Controlador Lógico Programável (CLP), que é em torno de R$ 1.800,00 sem os sensores, nota-se que a diferença de preço é expressiva. Parte do script para tratamento dos resultados foi desenvolvido em Matlab. Para a construção do sistema supervisionado, foi necessário o uso de ferramentas computacionais com finalidade de se criar o ambiente (processo) a nível virtual. Para isso foi utilizado programas de modelagem gráfica (3DS MAX) para construir os equipamentos como mostrado na Figura 3 e Figura 4. Figura 3: Modelagem gráfica do processo cervejeiro.

4 Figura 4: Processo produtivo (cervejaria) modelada em 3D. O uso de modelos realistas oferece ao usuário/operador a percepção de estar vivendo o processo. Sendo assim, a tomada de decisões fica mais fácil quando se aplica o conceito de processo virtual. Foi usada a linguagem C# para a comunicação entre a interface gráfica e o hardware. Também foi usado o protocolo de comunicação que permite a interação entre o software desenvolvido e o hardware. Para medir a produção de CO2 formada na etapa fermentativa, foi desenvolvido como instrumento de apoio, um manômetro em U. Um modelo de segunda ordem usado para associar a formação de gases com a variação de nível seguiu o balanço expresso pela Equação 1. 2 L d h( t) 16. L. dh( t) 1 h t ( ) P( t) g dt g D dt g (1) Com os testes realizados na cervejaria piloto, foi possível obter os parâmetros de aquecimento da tina de fervura (Ka = 0,33 min -1 ) e os parâmetros de resfriamento do fermentador (Kf = 0,12 min -1 ) e do maturador (Km = 0,25 min -1 ). Tais parâmetros puderam ser usados nas simulações da operação seguindo modelos de equações de calor (Equações 2, 3 e 4). T ( T T ).(1 exp( k. t)) T (2) tina Max amb a amb T ( T T ).exp( k. t) T (3) fermentação Max amb f amb T ( T T ).exp( k. t) T (4) Maturação Max amb m amb

5 Após o desenvolvimento da interface gráfica e dos algoritmos de cálculo, o sistema de controle e elementos sensores foram inseridos na planta piloto como visto na Figura RESULTADOS Figura 5 Instalação do sistema de controle. Na Figura 6, pode-se visualizar o software supervisório para controlar a cervejaria. Figura 6: Supervisório 3D para controle da cervejaria piloto.

6 O programa permite acompanhar em tempo real as variáveis do processo, além de controlar a própria cervejaria. É possível setar e programar as bombas, agitadores, sistema de resfriamento, sistema de aquecimento, etc. Com o auxílio do sistema de controle PDI, foi possível manter a variável estudada (Temperatura da tina de fervura/cozimento) a um valor pré-estabelecido (setpoint). A Figura 7 mostra o comportamento da variável ao longo do tempo. Figura 7: Controle e simulação da temperatura para a brasagem. Também foi usado o controlador PDI para manter a variável estudada (Temperatura do fermentador e a Temperatura do maturador) próximo ao seu setpoint. A Figura 8 mostra o comportamento das variáveis ao longo do tempo (Fermentação (a) e maturação (b)). (a) (b) Figura 8 Controle e simulação da temperatura para a fermentação (a) e maturação (b).

7 Tanto na Figura 7 quanto na Figura 8, é possível visualizar os resultados das simulações realizadas com base nos parâmetros de aquecimento e de resfriamento. No que diz respeito a etapa de fermentação e maturação, foi possível aplicar um sistema de controle avançado para determinar a variação na coluna de líquido do manômetro em U em função da quantidade de gás liberado por esta etapa do processo. O sistema de controle simula a variável resposta em função das perturbações realizadas no processo. Na Figura 9, é possível verificar que ao se modificar a pressão interna da dorna de fermentação/maturação, a variável resposta é do tipo oscilatória estável atingindo um valor de altura referente a pressão dos gases. A Figura 9-a mostra a variável manipulada do sistema enquanto que na Figura 9-b temos o histórico da variável controlada ao longo do tempo de processo. (a) (b) Figura 9 Simulação da variação de nível em função da pressão dos gases (CO2). O diferencial da aplicação desta tecnologia é a redução do custo de implantação no processo. Este valor é bem inferior quando comparado com sistemas fornecidos por empresas especializadas podendo chegar a dezenas de milhares de reais a depender do processo. 4. CONCLUSÃO A aplicação de programas de interface 3D para o controle do processo ganha força pela excelente qualidade de interação IHM (Interface Homem-Máquina) que fornece ao operador. Pôde-se verificar que o supervisório atende de forma muito satisfatória aos princípios de controle de processo, com feedbacks em tempo real (in-line). Com um custo de montagem do sistema de controle muito abaixo dos fornecidos por empresas especializadas na área, o supervisório 3D desenvolvido pelo grupo de pesquisa da UFRPE e UFPE, torna-se uma alternativa viável para a aplicação em vários processos industriais.

8 5. REFERÊNCIAS BRUNELLI, L. T. Produção de Cerveja com Mel: Características Físico-Químicas, Energéticas e Sensorial f. Dissertação (Mestrado em Agronomia Energia na Agricultura). Faculdade Ciências Agronômicas da Unesp. Botucatu-SP, PAIVA, G. M. Estudo do Processamento e Mercado de Cervejas Especiais no Brasil f. Monografia (Tecnólogo em Alimentos). Faculdade de Tecnológia Termomecânica. São Bernardo dos Campos - SP, REINOLD, M. R. Elaboração do Mosto: Curso Intensivo para Cervejeiros Práticos SANTARNECH D. G. Novos Desafios e Expectativas Positivas. Revista de Bebidas: Fc Santos, Ano 10. Anuário 2011 SOARES, N. Tempo de Mudanças. Revista Indústria de Bebidasn 205/ Ano