Tecnologia Industrial – PAT: uma importante ferramenta da Indústria 4.0

A transição dos modelos atuais para fábricas inteligentes é realizada por diferentes abordagens, etapas e aplicações, e no âmbito da instrumentação analítica, o PAT é uma das principais ferramentas

* Douglas Romano Beletti

Se pudéssemos listar assuntos por ordem de relevância ou citação na indústria sucroalcooleira e todo o ecossistema científico e tecnologia que a envolve, um trending topics, com certeza o tema “Industria 4.0” estaria nos primeiros lugares. O nome é dado para a atual tendência de automação e troca de dados em tecnologia de fabricação. A automação já é um tema recorrente e motivo da chamada “terceira revolução industrial”, que se dá na inclusão de sistemas ciber-físicos, internet das coisas, computação em nuvem e inteligência artificial.

Nesse novo conceito de indústrias inteligentes, descrito pela primeira vez em 2012, os sistemas ciber-físicos monitoram os processos físicos, criando uma rede de informações multivariadas que permitem a tomada de decisões descentralizadas. A partir da internet das coisas, os sistemas ciber-físicos comunicam-se e cooperam uns com os outros e com os humanos em tempo real, tanto internamente como através dos serviços organizacionais oferecidos e utilizados pelos participantes da cadeia de valor. O impacto esperado na produtividade da indústria é comparável ao que foi proporcionado pela internet em diversos outros campos, como no comércio eletrônico, nas comunicações pessoais e nas transações bancárias.

Descrever o conceito e enumerar os avanços permitidos é a breve introdução de um novo universo. A transição dos modelos atuais para fábricas inteligentes são seguidos por diferentes abordagens, etapas e aplicações, e aqui, no âmbito da instrumentação analítica, iremos introduzir uma das principais ferramentas: Process Analytical Technology (PAT) – ou em português, Tecnologia Analítica de Processos.

PAT: O QUE É?

O PAT é definido como um sistema que permite projetar e controlar o processo através de medições em tempo real dos parâmetros críticos de qualidade da matéria-prima e subprodutos do processo, com o objetivo de garantir a qualidade do produto final e a eficiência dos processos de fabricação.

Historicamente, o conceito se desenvolveu durante a década de 40, provindo do conceito “Process Analytical Chemistry”, que descrevia a aplicação da química analítica com técnicas, algoritmos e equipamentos de amostragem para resolver problemas em desenvolvimento relacionados a vários processos químicos. Embora os analisadores de processos industriais estejam em uso há mais de 60 anos, o período moderno do conceito se iniciou principalmente nas décadas de 70 e 80 com o desenvolvimento de sensores e instrumentação analítica que permitiu o real monitoramento no processo. Sua definição evoluiu ao longo dos anos para abranger medidas analíticas e subavaliação dos parâmetros químicos, físicos e microbiológicos que governam o processamento. Mudar o termo “química” para “tecnologia” permitiu um escopo mais amplo da abordagem de outros processos. E finalmente em 2004, o conceito de popularizou a partir do lançamento de uma “Orientação para Indústria” sobre o PAT, feita pela FDA (Food em Drug Administration) dos EUA que incentivava, definia e sinalizava as diretrizes para implementação do PAT nas indústrias farmacêuticas, com o conceito bastante associado ao “Quality by Design”, que era definido como um mecanismo para projetar, analisar e controlar processos de fabricação farmacêutica através da medição dos parâmetros críticos do processo (CPP) que afetam os atributos críticos de qualidade (CQA).

PAT é um sistema para:

• Projetar, analisar e controlar a fabricação;

• Medições em tempo real;

• Atribuir parâmetros críticos de qualidade e processo;

• Analisar a matéria-prima, subprodutos e produto final;

• Monitorar as variações do processo.

O PAT permite e incentiva a melhoria contínua da fabricação do processo. Ele usa informações em tempo real para reduzir a variação do processo, a capacidade de fabricação e exige uma sólida compreensão dos vários processos envolvidos na operação. Simplificando, o PAT é um teste e ajuste em tempo real baseado no entendimento completo de como os componentes e processos relacionados afetam o produto final, ajustando o processo de acordo com a variação da matéria-prima, dos equipamentos e outras variáveis não controláveis. Isto está de acordo com o princípio fundamental de que a qualidade não deve ser testada, mas sim incorporada no processo pela concepção. O PAT é um sistema para:

• Projetar, analisar e controlar a fabricação;

• Medições em tempo real;

• Atribuir parâmetros críticos de qualidade e processo;

• Analisar a matéria-prima, subprodutos e produto final;

• Monitorar as variações do processo.

COMO IMPLEMENTAR?

Para implementar com sucesso o PAT, uma combinação de etapas sequenciais é essencial. Primeiro, uma operação ou processo da unidade deve ser definido como exigindo o PAT ou sendo passível de implementação do PAT. Em muitos casos, uma avaliação minuciosa da viabilidade em escala de laboratório dos métodos analíticos é conduzida para determinar quais técnicas podem ter sensibilidade e seletividade adequadas. Além disso, a PAT passa por extensa análise de custo-benefício sobre qual abordagem pode chegar ao chão de fábrica.

Em segundo lugar, uma técnica PAT adequada precisa ser escolhida, o que permitiria a medição do parâmetro crítico do processo (CPP), de preferência de maneira in-line ou at-line. O primeiro passo para longe dos testes de laboratório offline seria o teste at-line que move o equipamento de teste dedicado ao processo para a linha de produção. Uma abordagem do PAT é o teste online, que coleta amostras e monitora periodicamente. Outro modo é o teste in-line, que coloca as sondas em contato constante com o produto. A vantagem dos testes online ou in-line é o melhor controle porque a análise fornece o resultado instantâneo do processo. A espectroscopia de infravermelho próximo (NIR) é uma das técnicas mais usadas rotineiramente e ganhou ampla aceitação. O NIR é uma técnica rápida e não destrutiva que elimina a necessidade de preparação de amostras e permite o monitoramento em tempo real.

Em seguida, restrições logísticas precisariam ser consideradas, como a interface da técnica PAT com o processo, como se o equipamento tivesse portas de interface de sonda de fibra óptica NIR aplicáveis ou se modificações fossem necessárias. Finalmente, o método PAT precisa de um método de referência para correlação de dados espectrais versus um valor de método tradicional. Em muitos casos, como a uniformidade de conteúdo em linha, os dados de laboratório são correlacionados aos dados espectrais NIR, a fim de construir um modelo PAT preciso.

Para gerar um modelo espectral, o software quimiométrico é utilizado para analisar dados espectrais em comparação com valores de referência conhecidos. A técnica PAT e os modelos associados são continuamente atualizados, verificados e validados.

O PAT não está limitado ao NIR e pode incluir muitos outros métodos analíticos. Estes são executados em coordenação com o hardware analisador de processos qualificado e validado, software operacional e pacote de análise de dados quimiométricos. A implementação do PAT irá variar amplamente dependendo da tecnologia de produção ou operação da unidade, bem como dos obstáculos técnicos da tecnologia disponível.

APLICAÇÕES NA INDÚSTRIA SUCROALCOOLEIRA

A indústria sucroalcooleira possui um ecossistema complexo e diversas etapas de produção, operações unitárias, subprodutos e diferentes produtos finais. Dessa forma, ao mesmo tempo que não é trivial a implementação de um sistema PAT, é um campo rico de oportunidades e melhoria, que em um estudo de viabilidade das diversas tecnologias aplicáveis, o ganho sempre será real e as escolhas de valor serão inúmeras.

Durante vários anos muitos trabalhos foram desenvolvidos no Brasil e no mundo a fim de encontrar valor em diversas partes do processo e fazer no monitoramento em tempo real uma ferramenta de melhoria e otimização dessa etapa fabril. Aqui iremos abordar em dois cases, o monitoramento de uma etapa do processo com geração de subproduto visando melhoria na eficiência industrial naquele processo, e outro case que mostra a garantia da qualidade e especificações do produto final.

1º Monitoramento e controle na moenda

Ao perguntarmos para diversos grupos e usinas, sem maiores estudos, qual é o ponto aonde seria possível encontrar valor e oportunidades de melhoria, a grande maioria respondeu que é na extração. É notório pela grandeza em massa processada que pequenos incrementos em eficiência geram grandes retornos em valor, e isso foi motivação para avaliar opções para essa etapa do processo.

Ao seguirmos as etapas de implementação, primeiro escolhemos uma operação a ser contemplada – a extração – de modo a monitorar a entrada de matéria-prima, e identificar os parâmetros cruciais para que, através deles, a moenda opere de acordo a produzir sua maior eficiência e no fim do processo atestamos as perdas no bagaço para gerar um feedback em tempo real da operação.


Figura 2. Esquema da moenda com posições de instalação de instrumentos NIRS para predição dos resultados no sistema PAT

Tendo em mente o objetivo, construímos um mapa da instalação que deve ser in-line, porém sem contato direto com o produto e em um local de fluxo não tubular. Os parâmetros cruciais identificados são POL, Fibras e Umidade, permitindo assim, definir como melhor PAT a técnica de Espectrofotometria no Infravermelho Próximo (NIRS), com um sensor in-line que faça as medidas por Janela de Reflectância, preferencialmente devido as variações do leito conforme volume processado ou, em segundo caso, “Direct Light”, na impossibilidade de instalação da janela. Instalados em local propício, na entrada da moenda, fazem análises da cana preparada e na saída da moenda analisam o bagaço.

Um dos pontos cruciais nessa implementação é a escolha do ponto de leitura correto, e que possibilite coleta de amostras para elaboração dos modelos de calibração. Obter uma amostra representativa em que relacionamos exatamente os resultados de referência do laboratório com a informação espectral adquirida é o ponto chave para sucesso da implementação.

Por fim, a partir de uma amostragem representativa e de uma distribuição amostral que cubra o range de trabalho e de ação, os modelos são construídos através das análises de referência obtidas no laboratório industrial. Após validação, o instrumento irá realizar as leituras dos parâmetros críticos de controle em tempo real de maneira contínua.

Diferentes softwares e sistemas de controle são utilizados, e possuir uma moenda que permita ajustes automáticos é a etapa completa da implementação do PAT. Dessa forma, a partir da integração do sistema analítico, programa supervisório com modelos de controle inteligente e equipamentos que permitam ajustes rápidos do processo, cria-se um sistema interconectado cooperando com a otimização do processo e alçando melhores eficiências de extração.

2º Controlando as centrífugas e garantindo especificação do açúcar

A garantia da qualidade do produto final é uma das grandes demandas para controle de produção, uma vez que diversos parâmetros classificatórios podem agregar valor, definir a classificação e, em não raras vezes, desclassificar o produto. Deve-se utilizar o conceito PAT não apenas para evitar desclassificação de produções, mas também incorporar o conceito “Quality by Design” de forma que, a partir da análise da matéria-prima, e dos parâmetros que se pré-estabelecem na produção – no caso centrífugas e secadores – tenhamos uma produção nos moldes requeridos e não o contrário.

Seguindo todas as etapas e processos para implementação do PAT, avaliou-se a utilização do NIRS, analisando parâmetros críticos da massa de forma a prever variações e controlar os parâmetros de centrifugação e secagem a fim de obter os parâmetros requeridos no açúcar final, que é analisado em tempo real, gerando dados e informações que auxiliem nos ajustes necessários para o produto requerido.

Apenas mensurar o resultado in-line não faz o sistema ser um uma automação compatível com a Indústria 4.0. Desde um simples medidor de temperatura, refratômetros in-line ou espectrofotômetros de infra-vermelho analisando diversos parâmetros, a criação de um histórico de dados, set-points de controle e ações pré-programadas nos equipamentos do processo, todos em perfeita comunicação, com tomadas de ação validadas através de modelos que preveem o impacto de cada parâmetro na qualidade do produto ou subproduto, são o ciclo completo e a garantia de termos um sistema PAT funcionando totalmente integrado e definindo um modelo de fabricação inteligente da Indústria 4.0.

A comunicação e informação são, mais uma vez, as chaves da revolução, mas dessa vez não mais entre humanos capazes de tomar decisões. Agora são os sistemas ciber-físicos dotados de inteligência artificial que através de algoritmos e modelos multivariados identificam as tendências e tomam as melhores decisões, segundo a segundo, no processo.

* Douglas Romano Beletti é especialista de Produtos responsável pelo Desenvolvimento e Aplicação de Tecnologias Analíticas da Cetec.