Estágio realizado na empresa BA Vidro e orientado pelo Engº. Fernando Costa / Tese de mestrado integrado. Engenharia Industrial e Gestão. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The administration of medication and nutrients via parenteral is very used nowadays. One of the risks of this procedure is the presence of contaminants, which depending on their nature may cause severe damage to the patients due to the direct way of the administration (in the circulatory stream). In this work we investigated the possibility of the containers to be sources of metals for solutions of parenteral nutrition. The investigated containers are made of different kinds of glass and plastic polymers, namely polypropylene, PVC and EVA. The system container/solution (amino acids, salts, glucose and lipids) individually stored, was submitted to the sterilization process and after that stored for a time period of approximately 10 months, since the shelf-life period of these formulations are generally 2 years. After the sterilization and at regular time intervals, aliquots of each solution were collected and their contents on Al, Pb, Cd, Fe, Cr, Mn, Ba, and Zn were measured by graphite furnace atomic absorption spectrometry. The containers were also analyzed for the determination of the amount of each metal they contained. These metals are either constituents of the container material, as Al in glasses, or impurities in the case of plastic polymers. All containers presented the metals investigated. The solutions, depending on their composition (species dissolved) were able to extract the metals either from the glass or the polymers. The highest extraction rates occurred in solutions of the amino acids cysteine and glutamic acid, and in solutions of NaHCO3. The metals released in higher concentration were Ba, Pb and Zn form plastic containers and Al, Pb and Zn form glass containers. A different behavior was observed among the plastic polymers, and the different kinds of glass. While EVA was the most inert polymer, the clear glass ampoule released the highest amount of metals into the solutions. Fifty commercial samples were analyzed as well, and the investigated metals were found in all of them. The commercial formulations presented the same tendency of the individual sample used in the study, either in relation to the behavior of the substance in solution or the container material. / Atualmente a administração parenteral, tanto de medicamentos quanto nutrientes, é uma prática muito difundida. Um dos riscos desta prática é a presença de contaminantes que, dependendo da sua natureza, podem acarretar graves danos aos pacientes devido à forma direta (na corrente circulatória) da administração. Neste trabalho, investigou-se a possibilidade das embalagens serem fontes de contaminação por metais de soluções utilizadas na nutrição parenteral. As embalagens investigadas incluíram vários tipos de vidro e polímeros plásticos mais comumente utilizados (polipropileno, polivinil cloreto (PVC) e etil vinil acetato(EVA)). As embalagens, nas quais foram armazenados individualmente os constituintes das soluções parenterais (aminoácidos, sais, glicose, vitaminas e lipídeos), foram submetidas ao processo de esterilização e de armazenagem a longo prazo, visto que a validade deste tipo de formulação é geralmente de 2 anos. Após a esterilização e em intervalos de tempo regulares, alíquotas das soluções foram retiradas e os teores em Al, Pb, Cd, Fe, Cr, Mn, Ba e Zn foram medidos por espectrometria de absorção atômica forno de grafite (GF AAS) e espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS). As embalagens utilizadas foram também analisadas para determinar quanto dos metais em estudo elas apresentavam, seja como constituinte, como é o caso do Al no vidro, ou como impureza, no caso de todos os metais nos polímeros plásticos. Todas as embalagens continham os metais em estudo em maior ou menor concentração. As soluções, dependendo dos seus constituintes foram capazes de extrair os metais, tanto do vidro quanto do plástico. As maiores taxas de extração ocorreram com as soluções dos aminoácidos cisteína e acido glutâmico. Os metais extraídos em maiores quantidades foram Ba, Pb e Zn das embalagens plásticas e Al, Pb e Zn das embalagens de vidro. Observou-se diferente comportamento entre os diferentes polímeros e tipos de vidro. O EVA mostrou-se o polímero mais inerte, enquanto que as ampolas transparentes foram as que mais metais liberaram para as soluções. Foram analisadas, também, 50 amostras comerciais, as quais se mostraram contaminadas pelos metais em estudo. Observou-se nas soluções comerciais a mesma tendência das soluções individuais do estudo, tanto com relação ao comportamento da embalagem, quanto ao conteúdo (ação do componente sobre a embalagem) e os metais extraídos.

O problema de dimensionamento e sequenciamento de lotes vem sendo extensivamente estudado por pesquisadores da área de Pesquisa Operacional e há uma tendência de que tais trabalhos passem a cada vez mais integrar aspectos reais dos processos produtivos. Entretanto, percebe-se que os estudos conduzidos em alguns setores industriais negligenciam importantes restrições tecnológicos dos processos de produção e isso afasta esses trabalhos de Pesquisa Operacional de uma aplicação efetiva, como é o caso da indústria de embalagens de vidro. Neste contexto, propõe-se um modelo de programação inteira mista e um método de solução para o problema de dimensionamento e sequenciamentos de lotes na indústria de embalagens de vidro, sendo que este trabalho diferencia-se dos demais existentes na literatura por agregar restrições tecnológicas específicas desse processo produtivo. O modelo proposto, denominado CLSD-GCST, foi amplamente validado com base em um conjunto de testes com 40 instâncias de um problema real de uma grande empresa do setor no pacote comercial IBM ILOG CPLEX Optimization Studio Versão 12.5. A validação do modelo incluiu ainda uma análise de ganhos potenciais para o negócio de baseada no modelo SCOR. Já o método de solução proposto consiste em uma metaheurística de Busca em Vizinhança Variável (VNS) e se mostrou promissor para a solução do problema estudado, proporcionando resultados de qualidade em um baixo tempo computacional. Além disso, o VNS superou o Branch-and-Cut do CPLEX para grandes instâncias, nas quais o pacote comercial encontrou dificuldades. Por fim, o VNS proposto também foi validado por meio da análise de testes computacionais e suas principais características foram avaliadas sistematicamente, gerando um conjunto de informações que pode direcionar a utilização e, até mesmo, a evolução desse método em pesquisas futuras. / Lot sizing and scheduling problem has been extensively studied by Operations Research scientists and there is a tendency of incorporating more production processes real aspects in these researches. However, it can be noticed that studies conducted in some industrial sectors neglect important production process technological constraints and it keeps the Operations Research works away from an effective application, as happens with the glass containers industry. In this context, a mixed integer programming model and a solution method were proposed for glass containers industry lot sizing and scheduling problem, the main difference between this work and the others in literature is the inclusion of process specific technological constraints. The proposed model, named CLSD-GCST, was widely validated by a set of tests performed with 40 instances from a large company real problem using the commercial package IBM ILOG CPLEX Optimization Studio Version 12.5. The model validation also included a potential business earnings analysis based on SCOR framework. About the proposed solution method, it consists of a Variable Neighborhood Search (VNS) metaheuristic and it proved to be promising for the studied problem solution, providing good quality results in low computational time. Moreover, VNS overcame the CPLEX Branch-and-Cut for large instances, in which the commercial package found difficulties. Lastly, the proposed VNS was validated by means of computational tests analysis and its main characteristics were systematically evaluated, generating an information set that may direct this method application and even its evolution in future researches.

O problema de dimensionamento e sequenciamento de lotes vem sendo extensivamente estudado por pesquisadores da área de Pesquisa Operacional e há uma tendência de que tais trabalhos passem a cada vez mais integrar aspectos reais dos processos produtivos. Entretanto, percebe-se que os estudos conduzidos em alguns setores industriais negligenciam importantes restrições tecnológicos dos processos de produção e isso afasta esses trabalhos de Pesquisa Operacional de uma aplicação efetiva, como é o caso da indústria de embalagens de vidro. Neste contexto, propõe-se um modelo de programação inteira mista e um método de solução para o problema de dimensionamento e sequenciamentos de lotes na indústria de embalagens de vidro, sendo que este trabalho diferencia-se dos demais existentes na literatura por agregar restrições tecnológicas específicas desse processo produtivo. O modelo proposto, denominado CLSD-GCST, foi amplamente validado com base em um conjunto de testes com 40 instâncias de um problema real de uma grande empresa do setor no pacote comercial IBM ILOG CPLEX Optimization Studio Versão 12.5. A validação do modelo incluiu ainda uma análise de ganhos potenciais para o negócio de baseada no modelo SCOR. Já o método de solução proposto consiste em uma metaheurística de Busca em Vizinhança Variável (VNS) e se mostrou promissor para a solução do problema estudado, proporcionando resultados de qualidade em um baixo tempo computacional. Além disso, o VNS superou o Branch-and-Cut do CPLEX para grandes instâncias, nas quais o pacote comercial encontrou dificuldades. Por fim, o VNS proposto também foi validado por meio da análise de testes computacionais e suas principais características foram avaliadas sistematicamente, gerando um conjunto de informações que pode direcionar a utilização e, até mesmo, a evolução desse método em pesquisas futuras. / Lot sizing and scheduling problem has been extensively studied by Operations Research scientists and there is a tendency of incorporating more production processes real aspects in these researches. However, it can be noticed that studies conducted in some industrial sectors neglect important production process technological constraints and it keeps the Operations Research works away from an effective application, as happens with the glass containers industry. In this context, a mixed integer programming model and a solution method were proposed for glass containers industry lot sizing and scheduling problem, the main difference between this work and the others in literature is the inclusion of process specific technological constraints. The proposed model, named CLSD-GCST, was widely validated by a set of tests performed with 40 instances from a large company real problem using the commercial package IBM ILOG CPLEX Optimization Studio Version 12.5. The model validation also included a potential business earnings analysis based on SCOR framework. About the proposed solution method, it consists of a Variable Neighborhood Search (VNS) metaheuristic and it proved to be promising for the studied problem solution, providing good quality results in low computational time. Moreover, VNS overcame the CPLEX Branch-and-Cut for large instances, in which the commercial package found difficulties. Lastly, the proposed VNS was validated by means of computational tests analysis and its main characteristics were systematically evaluated, generating an information set that may direct this method application and even its evolution in future researches.

Esta tese de doutorado apresenta modelos matemáticos de problemas de dimensionamento de lotes para planejamento da produção na indústria de embalagens de vidro, que são essenciais em qualquer cadeia de produção, pois são responsáveis por proteger e conservar os produtos (alimentos e bebidas). Na literatura científica são raros os trabalhos que abordam estudos sobre problemas combinados de dimensionamento de lotes e planejamentos da produção em indústrias de embalagens de vidro. Com a finalidade de preencher esta lacuna, a presente tese tem por objetivo propor modelos inéditos e métodos de resolução aplicáveis em problemas nas indústrias de embalagens de vidro. Dessa forma, propõem-se dois modelos baseados em problemas reais para a construção ou reforma de forno(s), denominados de Problema de Instalação de um Novo Forno e Problema de Instalação de Múltiplos Fornos, que verificam a capacidade de fusão e as configurações das máquinas instaladas. Outros dois modelos são desenvolvidos a partir de estudos de casos referentes ao planejamento e ao controle da produção de ampolas de garrafas térmicas. No primeiro estudo, considera-se o máximo da produção líquida e no segundo, minimiza-se os set-up, sendo que em ambos os casos a realidade de uma fábrica é refletida. A complexidade desses modelos contribui para o uso de métodos heurísticos e meta-heurísticos como técnicas para resolução dos mesmos. No entanto, considera-se também a avaliação da associação desses métodos ao uso de programação matemática. Para isso, modelos matemáticos são propostos dentro do contexto das indústrias consideradas. Desta forma, uma heurística de Filtro Guloso e as meta-heurísticas como o Algoritmo Genético Simples, o Algoritmo Genético Multi-Populacional e o Algoritmo Genético Modificado são utilizados na determinação das variáveis inteiras presentes nos modelos matemáticos. Além disso, utiliza-se um método exato, por meio da ferramenta CPLEX, para determinar as variáveis contínuas. Os estudos são conduzidos a partir de dados fornecidos por indústrias localizadas no Brasil e em Portugal. Portanto, os resultados colaboram com o estado da arte nessa área de pesquisa e com o processo de fabricação industrial de embalagens de vidro. / This doctoral dissertation presents mathematical models of lot-sizing problems for production planning in the glass containers industry, which are essential in any production chain, as they are responsible for protecting and conserving products (food and beverages). In the scientific literature, studies addressing combined problems of batch sizing and production planning in glass containers industries are rare. In order to fill this gap, this thesis aims to propose novel models and resolution methods applicable to problems in the glass containers industry. Thus, we propose two models based on real problems for the construction or remodelling of the furnace (s), called New Furnace Installation Problem and Multiple Furnace Installation Problem, which verify fusibility and configurations of installed machines. We developed two other models from case studies regarding the planning and control of the production of thermos vials. In the first study, we consider the maximum net production; in the second, we minimize the set-up. Both cases reflect the reality of a factory. The complexity of these models contributes to the use of heuristic and metaheuristic methods as techniques for their resolution. However, we also consider the evaluation of the association of these methods with the use of mathematical programming. For this, we propose mathematical models within the context of the considered industries. Thus, a Greedy Filter heuristic and metaheuristics such as the Simple Genetic Algorithm, the Multi-Population Genetic Algorithm and the Modified Genetic Algorithm are used to determine the integer variables present in mathematical models. Besides, we use an exact method from CPLEX tool to determine continuous variables. The studies are conducted from data provided by industries located in Brazil and Portugal. Therefore, the results collaborate with state of the art in this research area and with the industrial glass containers manufacturing process.