Analise do processo de extrusão na industria de "PET-FOOD" para a aplicação de tecnicas de controle avançado
Alexandre Consul Mendes
DISSERTAÇÃO
Português
(Broch.)
T/UNICAMP M522a
[Review of the extrusion industry in the "PET-FOOD" for the application of advanced techniques of control]
Campinas, SP : [s.n.], 2003.
338p. : il.
Orientador: Vivaldo Silveira Jr
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos
Resumo: O trabalho a seguir apresenta as principais ferramentas necessárias para o controle do processo de extrusão baseado na densidade e umidade do produto extrusado úmido. Para facilitar a compreensão da aplicação do controle avançado, revisa-se alguns conceitos básicos da teoria clássica de...
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Resumo: O trabalho a seguir apresenta as principais ferramentas necessárias para o controle do processo de extrusão baseado na densidade e umidade do produto extrusado úmido. Para facilitar a compreensão da aplicação do controle avançado, revisa-se alguns conceitos básicos da teoria clássica de controle. Devido à complexidade deste processo, orientado pela transformação bio-polimérica da matéria-prima farino-lipídico-protéica a certa umidade ao longo da extrusora, são retomados alguns conceitos de estatística, a fim de compor um modelo experimental para as principais variáveis independentes e de processo na extrusão. Estudou-se a relação estatística significativa entre as variáveis independentes: vazão de farinha, vazão de vapor, vazão de água e rotação de helicóide do extrusor e as variáveis de processo: densidade e umidade do produto extrusado úmido, temperatura de saída e pressão de saída da extrusora. Para o completo entendimentos destas relações, são correlacionados as variações dos teores de umidade, lipídios, proteínas e carboidratos da farinha a ser extrusada. Ainda como importante parâmetro industrial é realizado o balanço de energia para o processo em questão através da energia mecânica específica ('SME') e energia térmica específica ('STE'). Devido à aplicação industrial deste trabalho, o controle da densidade e umidade do produto extrusado úmido é na verdade baseado no controle da relação empírica entre a temperatura e pressão na saída da extrusora. Dessa forma, o custo de instalação e precisão, enfatizando a necessidade de repetibilidade na medida de temperatura e pressão de saída, se tomam muito mais viáveis quando os mesmos são comparados com a medida de densidade e umidade para o produto extrusado na saída da extrusora. Equipamentos para a medida precisa de densidade para produtos sólidos-úmidos aplicam princípio nuclear e para a medida de umidade são empregados instrumentos com sofisticados espectros de infravermelho associados a sistemas óticos internos. A fim de estudar-se a viabilidade deste modelo, foi realizado um planejamento composto central (4 variáveis independentes), com pontos axiais e a inclusão de alguns pontos aleatórios de interesse prático, a fim de obter-se um modelo mais robusto. Para tanto foram avaliadas três receitas típicas na indústria de rações de animais, a fim de representar-se a maioria dos produtos comerciais recomendados para cachorros e gatos. Através do conhecimento profundo das variáveis de processo, utilizou-se alguns experimentos para o entendimento do processo quanto à natureza da resposta, como a linearidade e a variação da resposta com o tempo. Estes experimentos informaram sobre o comportamento das curvas de reação para as variáveis independentes isoladamente. Atendendo a necessidade para a aplicação de estratégias de controle não lineares e/ou neurais o processo demonstrou-se com resposta em um único sentido com a perturbação, não linear e variante com o tempo. Este estudo foi comprovado pela aplicação da teoria de controle para processos lineares com perturbações lineares isoladas. Finalmente, é utilizado o conhecimento adquirido no estudo do processo de extrusão e da avaliação da curva resposta experimental das perturbações isoladas para o projeto de um algorítimo de controle baseado na estratégia de controle MIMO 2 x 2. Este controle foi testado através do controlador neuro-adaptativo 'Model Free Adaptive' (MFA), demonstrando resultados preliminares satisfatórios para o controle simultâneo da temperatura e pressão de saída de um extrusor de eixo simples, empregando como variáveis manipulativas a proporção de vapor / água e a vazão de farinha de alimentação respectivamente para as variáveis de processo citadas
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Abstract: The present study informs about the main features of extrusion control processes, based on product-wet density and moisture. To comprehend the study, some background of the classic control theory is provided. The process complexity, provided by formation of a bio-polymer from...
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Abstract: The present study informs about the main features of extrusion control processes, based on product-wet density and moisture. To comprehend the study, some background of the classic control theory is provided. The process complexity, provided by formation of a bio-polymer from carbohydrate-lipid-protein raw materials, requires analysis using statistical concepts to build an experimental model for the principal extrusion process variables. Significant statistical relationships were evaluated between the following independent variables: meal feed rate, steam feed rate, water feed rate and extruder screw speed; and dependent variables: wet product density and moisture, extruder die temperature and die pressure. The process energy and mass balance were described using the Specific Mechanical Energy ('SME') and Specific Thermal Energy ('STE') concepts. To facilitate the industrial application of this study, the wet density and moisture control is evaluated by an experimental empirical relationship between die temperature and die pressure. Die temperature and die pressure measurements are more feasible when compared with wet product density and moisture measurements due to ease of installation and measurement precision. Suitable equipment for the wet-solid product density measurements apply the nuclear principle, where safety is a concern; and moisture measurements use sophisticated devices with any combination of infrared and optical systems. In order to evaluate the model application, a box experimental design was used with four independent variables, star points and some random points resulting from extrusion operation experience. Three typical dry recipes used in the pet food industry were tested, representing the majority of retail products for dogs and cats. Applying the knowledge of extrusion process variables, several experiments were run to understand the process responses, such as linearity and control parameters. These experiments showed the influence of isolated independent variables to the dependent variables. The process was characterized by presenting a one way, non-linearity and time varying response, suitable for non-linear and neural controllers. Classic control theory was applied to evaluate each perturbation. The knowledge gained from an extrusion process and experimental response curve analysis from isolated perturbation was applied to build a control algorithm based on MIMO 2 X 2 control strategy. This model was tested by the neural-adaptive ' Model Free Adaptive' (MFA) controller. Initial satisfactory results were observed from the simultaneous control of die temperature and die pressure on a single screw extruder, using as manipulative variables the ratio of steam / water and the meal feed rate respectively
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