Desenvolvimento de modelos estruturados alternativos para o processo de produção de etanol

Orientador: Rubens Maciel FilhoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuimicaResumo: Comparado com o estudo de crescimento de populações de microorganismo, poucos avanços tem até então aparecido sobre o desenvolvimento de modelos estruturados para a formação de produtos. O objetivo do presente trabalho é o desenvolvimento de modelos estruturados alternativos a partir da adaptação de modelos estruturados de crescimento para o processo de fermentação etanólica realizado em um biorreator do tipo torre com células imobilizadas de alta produtividade. A metodologia do trabalho envolveu a adaptação de modelos estruturados de crescimento de Saccharomyces cerevisae, os quais incluem cinética complexa para as rotas metabólicas fermentativa e respiratória. Neste procedimento aplicou-se o método de Plackett e Burman, que possibilitou analisar um grande número de parâmetros e selecionar aqueles mais importantes. As equações diferenciais parciais descrevendo os fenômenos intraparticulares e ao longo do biorreator foram resolvidas utilizando o método de colocação ortogonal e o sistema de equações diferenciais ordinárias resultante foi integrado com respeito ao tempo pela "subrotina lsodaroo. Comparou-se os resultados simulados com dados experimentais, possibilitando escolher a cinética estruturada mais adequada. Técnicas de redução foram aplicadas na direção radial particular e o modelo reduzido foi simulado sob perturbações em malha aberta para definições dos pontos de controle e variáveis manipuladas. Devido à dinâmica ser lenta, foi necessário estabelecer através de planejamento experimental, uma relação entre a variável manipulada, a concentração de substrato de entrada e o objetivo de controle (modelo feedforward). O projeto do controlador envolveu, na forma SISO, os algoritmos do tipo clássico (PID), avançados do tipo preditivo (DMC) e preditivo adaptativo (STDMC) avaliados isolados e acoplados ao modelo feedforward obtido com procedimentos estatísticos. Em conclusão, considerar a célula como um único componente é insuficiente para descrever a dinâmica do metabolismo, principalmente em culturas que sofrem mudanças drásticas nas condições operacionais. Resultados mostraram que o modelo de Rotboll adaptado foi superior, principalmente quanto na representação da variável celular. Comparou-se os resultados obtidos com os modelos reduzidos para diferentes técnicas de redução, frente aos modelos bidimensionais(não reduzidos) e dados experimentais. A aplicação de diferentes técnicas de redução foi útil na obtenção de um modelo estruturado para aplicações em simulação e controle. O estudo de controle de processo mostrou que uma ação antecipada que relacione a variável manipulada e o set-point acoplada a algoritmos de controle feedback é a melhor forma de estabilizar o processo rapidamenteAbstract: Compared with growing studies of microorganism populations, few improvements on the development of structured models for product formation have appeared. The objective of the presenting work is the development of altemative dynamic structured models adapted from structured growth models for the ethanol production by fermentation accomplished on a high productivity tower bioreactor with immobilized cells. The methodology of the work involved structured models of Sacharomyces cerevisae growth that include complex kinetic for the respiratory and glicolitic metabolic pathways. In this procedure it was applyed the method of Plackett and Burman, possibiliting to analyze a large number of parameters and to identify those that may be more important. The partial differential equations describing the inside particle and the bioreactor lenght phenomena were solved by orthogonal collocation method and the resulting system of differential ordinary equations was integrated, in respect to time, through lsodar subroutine. The simulated results was compared with experimental data, possibiliting to choose the most appropriate structured kinetic. Reduction techniques were applied in the particle direction and the reduced model was simulated under disturbances in the inlet variables with open loop to define the control point and manipulated variable. Because the slow dynamic, it was necessary to establish through experimental planning, a relationship among the manipulated variable, entrance substrate concentration and the control objective (feedforward model). The controller design involved in a SISO form, the classic (PID), advanced predictive (DMC) and predictive adaptive (SIDMC) control algorithms evaluated isolated and coupled to the feedforward model obtained with statistical procedures. In conclusion, considering the cell as an only component, it is not enough to describe the metabolism dynamics mainly in cultures that suffer drastic changes in the operational conditions. Results showed that the Rotboll adapted was superior, mainly as in the representation of the cell behaviour. It was compared the results obtained with the reduced models for different reduction techniques front to the reduced ones and experimental data, verifying the possibility of using them without loosing information of the processo The application of reduction techniques was useful in obtaining an useful structured model for applications in simulation and control. The study of control showed that an early action relating the manipulated variable and the set-point coupled to control feedback algorithms is the best form of stabilizing quickly the processoDoutoradoDesenvolvimento de Processos QuímicosDoutor em Engenharia Químic