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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.18.2015.tde-21122015-102442
Documento
Autor
Nome completo
Paulo Roberto Chiarolanza Vilela
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2015
Orientador
Banca examinadora
Siqueira, Adriano Almeida Gonçalves (Presidente)
Lopes, Mário Lúcio
Terra, Marco Henrique
Título em português
Modelagem, simulação e otimização dinâmica aplicada a um processo de fermentação alcoólica em batelada alimentada
Palavras-chave em português
Batelada alimentada
Fermentação etanólica
H-infinito
Linear a parâmetros variantes
Modelagem matemática
Resumo em português
O uso de etanol combustível no Brasil é hoje considerado o mais importante programa de combustível comercial renovável do mundo, sendo um potencial substituto aos derivados de petróleo. O aumento de rendimento fermentativo e a diminuição das perdas são objetivos de estudo em diversos centros de pesquisa, sendo o estudo da modelagem matemática e simulação do processo de grande importância para tal. A presente pesquisa apresenta como função identificar um modelo matemático para a linhagem isolada de Saccharomyces cerevisiae PE-2, de maneira a otimizar a maneira como é realizada a sua alimentação através de um controle H por representação quasi-LPV. São realizados 9 ensaios de fermentação em 3 temperaturas distintas sob mesmas condições de concentração de substrato entrante. Após a finalização dos experimentos e análises, realiza-se a estimativa dos parâmetros componentes das equações diferenciais que modelam a cinética fermentativa, através de um algoritmo Quasi-Newton. De posse do modelo matemático, desenvolve-se um controle otimizado para a temperatura de 33ºC (temperatura usual de controle no processo industrial), considerando os parâmetros "s" e "v" variantes no tempo e os parâmetros x = 150 g/L e p = 70 g/L fixados, sendo valores médios obtidos durante o experimento. A utilização do controle desenvolvido possibilita um aumento de produtividade na faixa de 10% com relação a alimentação realizada em laboratório. Os resultados finais comprovam a eficiência do modelo matemático desenvolvido, comparado a outros estudos semelhantes, a influência da temperatura nos parâmetros cinéticos e a possibilidade de otimizar o processo através de um controle avançado do processo.
Título em inglês
Modeling, simulation and dynamic optimization applied to an alcoholic fermentation process in fed-batch
Palavras-chave em inglês
Ethanol fermentation
Fed batch
H-infinity
Linear parameter varying
Mathematical modeling
Resumo em inglês
The use of ethanol in Brazil is considered the most important commercial renewable fuel program in the world, with a potential substitute for oil products. The increase in fermentation yield and losses reduction are objectives of study in various research centers, where the study of mathematical modeling and simulation of the process is of significant importance. This research presents as function to identify a mathematical model for the isolated strain of Saccharomyces cerevisiae PE-2, in order to optimize the way their substrate is fed, through a H control based on quasi-LPV representation. Nine fermentation tests are performed at three different temperatures under the same conditions for incoming substrate concentration. After the experiments and analysis, it is carried out the estimation of parameters which are components of the differential equations that explain the fermentation kinetics, through a Quasi-Newton algorithm. With the mathematical model obtained, it is developed an optimal control for temperature 33°C (usual temperature control in the industrial process), considering the parameters "s" e "v" variyng in time and the parameters x = 150 g/L e p = 70 g/L set, which are average values obtained over the tests. The use of the control developed, applied to the flow variation, allows increasing productivity in 10% when compared with the flow performed in the tests conditions. The final results demonstrated the efficacy of the developed mathematical model, compared to other similar studies, the influence of temperature on the kinetic parameters and the possibility to optimize the process through an advanced process control.
 
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paulochiarolanza.pdf (2.86 Mbytes)
Data de Publicação
2015-12-22
 
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