Escalabilidade industrial - como sair da planta piloto para a produção plena (Parte 1)
Um processo pode funcionar perfeitamente com 50 litros e apresentar dificuldades quando passa para 5 mil. E isso pode acontecer sem que a formulação esteja errada, sem que o equipamento tenha defeito e sem que a equipe tenha cometido qualquer falha. O que mudou foi a escala.
Quando um tanque aumenta, seu volume, sua área superficial e suas dimensões não crescem na mesma proporção. O fluido percorre distâncias maiores. O calor precisa atravessar outra geometria. O agitador passa a movimentar uma massa significativamente maior. Os tempos de mistura mudam. A maneira como matéria e energia se distribuem dentro do equipamento também pode mudar.
Por isso, é preciso entender que uma planta industrial não é uma planta piloto ampliada com uma calculadora.
Escalabilidade industrial é a capacidade de aumentar a produção preservando fatores essenciais ao processo, como qualidade, segurança, estabilidade e desempenho.
É justamente esse salto que torna o scale-up (expressão utilizada para descrever o aumento de escala de um processo) uma das etapas mais delicadas do desenvolvimento industrial. O desafio não é reproduzir dimensões. É reproduzir resultados.
O QUE É ESCALABILIDADE INDUSTRIAL E POR QUE ELA É IMPORTANTE PARA O CRESCIMENTO DA PRODUÇÃO?
Uma planta piloto existe, entre outras finalidades, para gerar conhecimento. Ela permite desenvolver um produto, testar condições de processo, conhecer o comportamento das matérias-primas, experimentar parâmetros operacionais e verificar se determinada rota produtiva é tecnicamente viável.
Mas demonstrar que um processo funciona em menor escala não significa automaticamente provar que ele terá o mesmo comportamento quando sua capacidade for multiplicada. É essa transição que a escalabilidade industrial precisa resolver.
O trabalho consiste em identificar quais características precisam ser preservadas e quais parâmetros precisam ser modificados para que o resultado continue adequado quando muda a escala.
Isso pode envolver:
- tempo e padrão de mistura;
- transferência de calor;
- transferência de massa;
- velocidade de agitação;
- potência aplicada;
- cisalhamento;
- temperatura;
- pressão;
- vazão;
- tempo de residência;
- sequência de adição;
- capacidade de aquecimento e resfriamento;
- características do produto;
- tempo de processamento;
- estratégia de controle.
O desafio é relevante porque esses elementos são interdependentes.
Alterar a agitação pode modificar a transferência térmica. Aumentar a vazão pode modificar o tempo de residência. Elevar o volume pode aumentar o tempo necessário para a homogeneização.
Uma mudança aparentemente simples pode, portanto, alterar diversos fenômenos simultaneamente.
A AIChE (American Institute of Chemical Engineers, ou Instituto Americano de Engenheiros Químicos) trata o scale-up como uma disciplina própria de desenvolvimento de processos, justamente porque fenômenos como mistura e transferência térmica apresentam comportamentos dependentes da escala.
Em trabalhos apresentados pela instituição, estudos de mistura, transferência de calor e transferência de massa são utilizados para estabelecer critérios capazes de levar resultados do piloto à escala comercial.
O conhecimento produzido no piloto, portanto, precisa virar engenharia. Caso contrário, a empresa corre o risco de aumentar a capacidade sem saber exatamente o que precisa permanecer equivalente.
O PRIMEIRO ERRO DO SCALE-UP É MULTIPLICAR O VOLUME E ESPERAR O MESMO PROCESSO
Existe uma razão geométrica para que ampliar um tanque não produza automaticamente o mesmo comportamento. À medida que um equipamento aumenta, volume e área superficial crescem de maneiras diferentes. E isso tem consequências práticas.
Em um equipamento pequeno, a relação entre superfície disponível para troca térmica e quantidade de produto pode ser bastante favorável. Em um equipamento muito maior, existe, proporcionalmente, mais produto para aquecer ou resfriar.
Da mesma forma, as distâncias que o fluido precisa percorrer e os padrões de circulação podem mudar, alterando as condições e os tempos necessários para alcançar determinada homogeneidade.
Um exemplo apresentado em um simpósio da AIChE, em 2017, demonstra a dimensão desse desafio: ao passar de um tanque piloto de 20 litros para outro de 20 m³, o tempo de mistura pode se aproximar de cinco vezes o valor original, mesmo mantendo similaridade geométrica e potência por unidade de massa constante.
Isso ocorre porque o aumento de escala modifica as dimensões características do equipamento e as condições de circulação do fluido. O resultado depende das propriedades do produto, da geometria e dos critérios de escalonamento adotados.
NÃO EXISTE UM BOTÃO PARA AUMENTAR A ESCALA
Dependendo do processo, a engenharia pode precisar encontrar compromissos entre diferentes critérios.
Por exemplo, preservar determinado nível de potência por unidade de volume pode ser importante para uma aplicação. Em outra, o parâmetro mais crítico pode estar relacionado ao cisalhamento.
Em sistemas com gás e líquido, a transferência de massa ganha outra relevância. Em processos com elevada demanda térmica, a capacidade de remover ou fornecer calor pode dominar o dimensionamento.
Além disso, não é possível presumir que velocidade de ponta do impelidor, potência por volume, tempo de mistura e condições de cisalhamento possam ser mantidos simultaneamente quando as dimensões do equipamento mudam.
É por isso que o critério de escalabilidade deve nascer do fenômeno que controla o processo e das características que precisam ser preservadas para garantir o resultado.
DESAFIOS AO PASSAR DA PLANTA PILOTO PARA A PRODUÇÃO PLENA
O aumento de escala expõe relações que muitas vezes estavam pouco visíveis no piloto. Algumas merecem atenção especial.
1. Mistura e homogeneização
Um produto visualmente em movimento não significa que todo o tanque apresenta a mesma condição. Em escala industrial, podem surgir regiões com padrões diferentes de circulação, tempos de mistura maiores e diferenças no transporte de componentes pelo volume.
A escolha do sistema de agitação precisa considerar fatores como:
- viscosidade;
- densidade;
- comportamento reológico;
- presença de sólidos;
- sensibilidade ao cisalhamento;
- geometria do tanque;
- tipo e diâmetro do impelidor;
- posição dos impelidores;
- rotação;
- volume operacional.
"O desempenho não deve ser avaliado apenas pelo movimento aparente do produto, mas por critérios ligados à homogeneidade, transferência térmica, consumo energético e características do processo. É justamente no scale-up que esse conhecimento se torna decisivo", comenta o Diretor Industrial e Financeiro da Kroma, Cleber Gonçalves.
2. Transferência térmica
Aquecer 100 litros e aquecer 10 mil litros são desafios diferentes. Não apenas porque a quantidade de energia necessária aumenta, mas porque a maneira como essa energia é transferida e distribuída também muda.
Quando o processo depende de aquecimento ou resfriamento, a engenharia precisa verificar se o sistema projetado para a nova escala consegue fornecer ou remover a potência térmica necessária dentro do tempo adequado e sem criar gradientes de temperatura capazes de afetar o produto.
Isso pode influenciar:
- tempo de ciclo;
- estabilidade do produto;
- velocidade de reação;
- viscosidade;
- cristalização;
- evaporação;
- segurança do processo.
A própria AIChE mantém discussões técnicas sobre integração térmica em plantas piloto e produção comercial, ressaltando que estratégias adequadas em uma escala podem exigir outra abordagem operacional e de controle quando o sistema cresce.
3. Transferência de massa
Em processos que envolvem gases, dissolução, extração, fermentação ou determinadas reações, é necessário garantir que os componentes sejam transferidos adequadamente entre fases. Um aumento de escala pode alterar essa capacidade.
Em operações gás-líquido, por exemplo, o desempenho pode depender de condições como dispersão de bolhas, circulação do fluido e área interfacial disponível para transferência.
Por isso, em determinados processos, parâmetros relacionados à transferência de massa precisam ser estudados na planta piloto e utilizados como referência na definição do equipamento comercial.
4. Comportamento do produto
O próprio produto pode mudar durante o processo. A viscosidade pode aumentar ou diminuir. Sólidos podem se formar. A temperatura pode modificar o comportamento reológico. Uma reação pode alterar a densidade ou a composição.
Assim, dimensionar um equipamento considerando apenas a condição inicial da matéria-prima pode produzir uma visão incompleta.
O objetivo da escalabilidade industrial não é reproduzir cada parâmetro numérico do piloto. Em muitos casos, isso seria fisicamente impossível - ou tecnicamente inadequado.
A mesma rotação, por exemplo, pode gerar comportamentos completamente diferentes em agitadores com dimensões distintas. O mesmo tempo de mistura também não garante necessariamente a mesma condição hidrodinâmica.
A engenharia precisa identificar aquilo que é realmente crítico para o resultado. Uma boa pergunta é:
Quais características do processo podem mudar sem alterar o produto e quais precisam permanecer dentro de uma faixa controlada?
Essa lógica aparece de maneira formal no conceito de design space, utilizado pela indústria farmacêutica.
O ICH (International Council for Harmonisation of Technical Requirements for Pharmaceuticals for Human Use, ou Conselho Internacional para Harmonização de Requisitos Técnicos para Produtos Farmacêuticos de Uso Humano) apresenta, em sua diretriz ICH Q8 (R2), uma abordagem baseada no entendimento da relação entre atributos de materiais, parâmetros de processo e qualidade do produto.
O conceito de design space corresponde à combinação multidimensional e à interação de variáveis de entrada e parâmetros de processo cuja relação com a garantia da qualidade foi demonstrada.
A referência é específica para o desenvolvimento farmacêutico e não deve ser tratada como uma obrigação regulatória para outros setores.
O princípio técnico, porém, é valioso para qualquer operação complexa. Em outras palavras, crescer com segurança exige conhecer as variáveis que efetivamente determinam o resultado.
COMO GARANTIR UMA ESCALABILIDADE INDUSTRIAL SEGURA E EFICIENTE?
Antes de definir o equipamento industrial, o aprendizado obtido na planta piloto precisa ser organizado. Isso significa transformar observações em critérios técnicos.
Algumas perguntas ajudam a estruturar esse processo:
- Quais parâmetros mais influenciam a qualidade final?
- Qual faixa operacional apresentou maior estabilidade?
- Que mudanças de matéria-prima alteram o comportamento?
- Qual é o tempo necessário para cada operação?
- Quais etapas têm maior sensibilidade à escala?
- Como o produto responde a mudanças de temperatura?
- Qual intensidade de mistura é necessária?
- Há risco de formação de gradientes?
- Quais fenômenos precisam ser monitorados na escala industrial?
- Que dados precisam ser registrados durante a produção?
Essa etapa evita que a produção plena seja tratada como uma nova experiência em tamanho maior.
O processo de scale-up pode ser organizado em cinco movimentos:
- Caracterizar o processo piloto
Documentar condições, matérias-primas, parâmetros, tempos, resultados e ocorrências relevantes.
- Identificar as variáveis críticas
Separar aquilo que realmente interfere no produto daquilo que pode variar sem impacto relevante, considerando as condições e os limites do processo.
- Definir critérios de escalonamento
Determinar quais relações físicas ou operacionais precisam orientar o dimensionamento e a configuração do novo equipamento.
- Projetar equipamento e controle conjuntamente
A nova escala precisa considerar mecânica, instrumentação, automação, utilidades e segurança como partes de um mesmo sistema.
- Confirmar o desempenho após a transferência
O fato de o projeto ter sido calculado não elimina a necessidade de acompanhar e verificar o comportamento real na escala industrial.
Essa confirmação deve considerar critérios de aceitação previamente estabelecidos, testes de desempenho e acompanhamento das variáveis relevantes durante a entrada em operação.
Esse último ponto é importante. O scale-up não termina no desenho. Termina quando a produção ampliada demonstra que entrega o resultado esperado.
DA TEORIA À PRODUÇÃO - QUANDO O SCALE-UP SE TRANSFORMA EM RESULTADO
Passar da planta piloto para a produção plena exige mais do que aumentar a capacidade de um equipamento. Exige compreender os fenômenos que determinam o comportamento do processo e transformar esse conhecimento em decisões de engenharia.
Mistura, transferência térmica, cisalhamento, geometria e parâmetros operacionais precisam ser avaliados de maneira integrada. Afinal, o objetivo não é fazer o equipamento maior reproduzir exatamente todas as condições do piloto, mas garantir que o processo continue entregando os resultados esperados.
É nesse ponto que a engenharia de equipamentos especiais ganha importância. “Com soluções desenvolvidas a partir das características de cada processo, a Kroma atua na integração entre geometria, sistemas de agitação, transferência térmica, instrumentação e automação. Esses recursos ajudam a avaliar alternativas de projeto e a desenvolver configurações adequadas às características do produto e às necessidades da operação”, complementa o Diretor Industrial e Financeiro da Kroma.
