O poli(3-hidroxibutirato) é um biopolímero obtido a partir de fontes renováveis e é um poliéster biodegradável. Possui um grande potencial de aplicação principalmente em artefatos e embalagens descartáveis e também na área médica, devido sua biocompatibilidade. Neste trabalho foi estudada a produção de P(3HB) por Bacillus megaterium em meio mineral, buscando o aumento na produção deste biopolímero, bem como representar matematicamente este bioprocesso. Foram avaliadas a influência do pH e da disponibilidade de oxigênio em cultivos utilizando sacarose como fonte de carbono. Também foi avaliada a influência de diferentes fontes de nitrogênio, com glicerol ou sacarose como fonte de carbono. A influência do pH foi estudada mediante experimentos em biorreator de 4 L com controle da concentração de oxigênio dissolvido acima de 40 % em relação a saturação, com ou sem controle de pH. Observou-se que o acúmulo de P(3HB) foi maior quando o pH não foi controlado, 34 % em relação a biomassa em comparação com 28 % quando pH foi controlado. Foi realizada a modelagem da produção de P(3HB), com proposição de quatro modelos. Os dados experimentais dos cultivos com e sem controle de pH foram utilizados na etapa de estimação de parâmetros. Em comparação com modelos relatados na literatura os modelos propostos apresentaram melhor ajuste, com menor ou igual número de parâmetros, e forneceram estimativas dos parâmetros com menor variabilidade. A avaliação da influência do oxigênio foi realizada através de cultivos em biorreator de 4 L, sem controle de pH, com diferentes condições de transferência de oxigênio, obtidas variando-se a rotação do impelidor entre 100 rpm e 600 rpm. O maior acúmulo de biopolímero foi obtido em experimento com rotação do impelidor 200 rpm, o qual apresentou um baixo coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa = 0,006 s-1) e possibilitou acúmulo de 62 % de P(3HB) em relação a biomassa seca. Para avaliar a melhor fonte de nitrogênio, foram realizados experimentos em estufa incubadora rotatória com cinco fontes de nitrogênio diferentes: cloreto de amônio, citrato de amônio, sulfato de amônio, fosfato de amônio e nitrato de amônio. Com relação à fonte de carbono, sacarose possibilitou maior acúmulo de P(3HB) e biomassa que glicerol. Com relação à fonte de nitrogênio, cloreto de amônio possibilitou maior acúmulo de P(3HB) e biomassa quando utilizado glicerol como fonte de carbono, enquanto que sulfato de amônio aumenta a produção com sacarose. / Poly(3-hydroxybutyrate) is a biodegradable polyester produced from renewable resources. This polymer has a great potential to be used as disposable items and packaging, and also in the medical field due to its biocompatibility. In this work, the P(3HB) production by Bacillus megaterium in mineral medium was studied aiming the increase of biopolymer production, as well the development of a mathematical model for this bioprocess. The influence of pH and oxygen transfer rate in a B. megaterium culture using sucrose as carbon source was evaluated, and the influence of different nitrogen sources using sucrose or glycerol as carbon source was analyzed. The influence of pH-medium was studied in bench-scale bioreactor under controlled and uncontrolled pH. The dissolved oxygen was controlled above 40 % of saturation. It was observed that P(3HB) accumulation was higher in the experiment without pH control (34 % of dry biomass) than in the experiment with pH control (28 % of dry biomass). Four models were proposed to perform the mathematical modeling of this bioprocess. The experimental data of the cultures with and without pH control were used for parameter estimation. Compared to earlier models reported in the literature, the proposed models show better fitting, with less or equal number of parameters, and provide parameters estimative with much lower variability. The evaluation of oxygen transfer rate influence was performed in 4 liters bioreactor cultures without pH control, with different conditions of oxygen transfer rates by ranging impeller speed between 100 rpm and 600 rpm. The higher P(3HB) accumulation (62 % of dry biomass) was attained in the experiment with low volumetric oxygen transfer rate (kLa = 0.006 s-1), at 200 rpm impeller speed. To evaluate the best nitrogen source for sucrose or glycerol as carbon sources, experiments were performed in shaker with five different nitrogen sources: ammonium chloride, ammonium citrate, ammonium sulfate, ammonium phosphate and ammonium nitrate. With respect to carbon source, sucrose allowed higher biomass and P(3HB) accumulation than glycerol. With respect to nitrogen source, ammonium chloride allowed highest biomass and P(3HB) accumulation when glycerol was used as carbon source, whereas ammonium sulfate showed the best results for sucrose.

Com o aumento da competitividade no mercado nos últimos anos, a busca por alternativas que permitam a redução dos custos de produção tem sido constante. Este fato, aliado aos custos crescentes da energia e a preocupação cada vez maior com o impacto ambiental dos processos, tornam indispensável o controle e o aumento da eficiência dos mesmos, assim como o maior aproveitamento possível da energia. No presente trabalho, uma nova metodologia para a otimização da eficiência energética em colunas de destilação é proposta. A partir de uma simulação estacionária de um processo de separação, desenvolvida em Aspen Plus®, e validada com dados do processo real, foram obtidos modelos empíricos de curvas de operação baseadas na energia requerida para atingir a especificação dos produtos. A metodologia proposta foi avaliada no estudo de caso de uma coluna de separação de benzeno, tolueno e xileno (BTX). Com o modelo de energia requerida identificado para o processo, duas condições operacionais distintas do processo real foram avaliadas com relação à sua eficiência. A partir da redução na vazão de vapor no refervedor, verificou-se um aumento na eficiência energética do processo de 75 para cerca de 100%, indicando a operação muito próxima do ponto ótimo. Para avaliar a utilização do modelo de energia requerida no controle de processos, duas estratégias alternativas foram propostas a partir de uma simulação dinâmica da unidade, desenvolvida em Aspen Dynamics®. A configuração de bloco de cálculo em conjunto com um controlador de composição apresentou o melhor desempenho entre as configurações avaliadas. A utilização do modelo permite que apenas a energia requerida seja efetivamente utilizada, enquanto que o controle de composição garante a especificação do produto de topo nestas situações. Com esta configuração, seria possível obter um incremento na vazão desta corrente da ordem de 92 t/ano a partir da incorporação de inertes. / With the competitive and global business environment, the search for opportunities to reduce the production costs has been constant. This fact associated with higher energy costs and the concern about the environmental impact of the processes, makes it essential to control and increase their efficiency. In this work, a new methodology for optimizing the energy efficiency in distillation columns is proposed. From a steady state simulation of a separation process, implemented in Aspen Plus® and validated against process data, models for the required energy were obtained. The methodology was evaluated for a case study of a benzene, toluene and xylene separation column (BTX). With the required energy model identified, two distinct operational conditions of the real process were evaluated regarding their efficiency. After a vapor flow reduction in the reboiler, there was an increase in process efficiency from 75% to about 100, indicating the operation condition very close to the optimum. To evaluate the use of the energy required model in process control, two strategies were proposed from a dynamic simulation of the process in Aspen Dynamics®. The configuration of a calculation block along with a composition controller showed the best performance among the alternatives tested. The use of the model allows only the required energy to be used, whereas the composition control ensures the top product specification in these situations. With this configuration, it would be possible to obtain an increase in the product flow of 92 t/year.

Técnicas termoanalíticas são comumente utilizadas para caracterizar interações químicas entre reagentes gasosos e substâncias sólidas e particularmente usadas na caracterização de catalisadores sólidos. Os dados apresentados por essa técnica são geralmente interpretados de forma qualitativa, são utilizados modelos empíricos ou métodos cinéticos simples e aproximados. Em contra partida a análise com modelos empíricos é realizada através do uso de curvas Gaussianas para descrever todo o termograma. No entanto, os resultados de experimentos a temperatura programada também podem ser consideradas como técnicas de resposta transitória e para uma análise adequada destes dados, o uso de modelos fenomenológicos dinâmicos é de fundamental importância. Dentre as técnicas termoanalíticas, a Redução à Temperatura Programada é muito utilizada na avaliação da redutibilidade de catalisadores formados por óxidos metálicos, já que em muitas reações é a fase metálica do catalisador que é ativa para catalisar a reação. Neste tipo de análise o ajuste de modelos fenomenológicos não são amplamente utilizados, devido a dificuldades na etapa de estimação dos parâmetros e na determinação de um modelo cinético da reação de redução apropriado para cada tipo de catalisador O objetivo desse trabalho é utilizar modelos fenomenológicos simples para a redução dos catalisadores e mostrar que é possível descrever de forma mais clara e acertiva o modelo de reação cinética para os catalisadores em estudos. Para isso foram usados dados da redução de um catalisador de níquel suportado em sílica e de um catalisador de cobre, zinco e alumínio derivado de Hidróxidos Duplos Lamelares (HDL). Este foi sintetizado pelo método de co-precipitação, variando as concentrações de cobre e submetidos a diferentes condições de redução no equipamento de TPR, também foi analisada suas propriedades físico-químicas, tais como composição, área específica. A análise dos perfis de redução identificou, de forma qualitativa, a presença de pelo menos dois tipos de sítios redutíveis e através do ajuste do modelo aos dados experimentais identificou-se as melhores ordens de reação, ficando exposto o melhor modelo a ser utilizado para cada caso que o catalisador foi submetido. Os resultados mostraram que é possível descrever com boa qualidade os perfis de redução, mas que o desenvolvimento de modelos cinéticos com mais qualidade pode permitir que resultados ainda melhores sejam alcançados. / Thermoanalytical techniques are commonly used to characterize chemical interactions between gaseous reactants and solid substances and are particularly used in the characterization of solid catalysts. The data presented by this technique are generally interpreted qualitatively. In contrast an analysis with empirical models is done through the use of Gaussian curves to describe the whole thermogram. However, the results of programmed temperature experiments can also be considered as transient response techniques and for an appropriate analysis of the data, the use of dynamic phenomenological models is of fundamental importance. Among the thermoanalytical techniques, Programmed Temperature Reduction is widely used in evaluating the reducibility of catalysts formed by metal oxides, whereas many reactions it is the metal phase of the catalyst that is active to catalyze the reaction. In this type of analysis the adjustment of phenomenological models is not widely used, due to difficulties in the parameter estimation step and in the determination of a kinetic model of the appropriate reduction reaction for each type of catalyst The objective of this work is to use simple phenomenological models for the reduction of the catalysts and to show that it is possible to describe in a clearer and more accurate way the kinetic reaction model for the catalysts in studies. For this, data were used for the reduction of a silica supported nickel catalyst and a copper, zinc and aluminum catalyst derived from Lamellar Double Hydroxides (HDL). This was synthesized by the coprecipitation method, varying the copper concentrations and subjected to different conditions of reduction in the TPR equipment, its physicochemical properties, such as composition, specific area, were also analyzed. The analysis of the reduction profiles qualitatively identified the presence of at least two types of reducible sites and by adjusting the model to the experimental data the best reaction orders were identified and the best model to be used for each in which case the catalyst was subjected. The results showed that it is possible to describe the reduction profiles with good quality, but that the development of higher quality kinetic models may allow even better results to be achieved.

Na busca por matérias-primas alternativas à produção de etanol no Brasil, a batata-doce surge como opção promissora, principalmente no estado do Rio Grande do Sul, maior produtor nacional da raiz e que importa, em média, 98% do etanol hidratado combustível que consome. A viabilidade econômica da produção de etanol a partir da batata-doce passa pela necessidade de otimização do processo. Esta dissertação foca no pré-processamento da matéria-prima e na hidrólise do amido, duas etapas fundamentais para viabilizar economicamente o processo. São comparadas as produções de açúcares redutores de experiências de hidrólise enzimática conduzidas com a batata-doce in natura triturada e com farinhas preparadas através de seis diferentes métodos de secagem (liofilização, ar quente a 60°C, estufa a 60°C e a 105°C com convecção natural do ar, com microondas e solar). A mistura comercial de enzimas STARGEN 002 foi utilizada inicialmente na concentração de 68 μL/g farinha. Os resultados mostram um rendimento maior obtido nos ensaios com matéria-prima seca em comparação a in natura, independentemente do método de secagem empregado. São comparados os custos acrescentados ao processo devido à inclusão da etapa de secagem com o retorno financeiro em função do aumento da eficiência da etapa de hidrólise. A utilização de micro-ondas apresentou, em comparação às demais técnicas de desidratação, além da maior concentração de açúcares redutores, um balanço econômico promissor, sendo então, selecionada como pré-processamento para os próximos experimentos da pesquisa. Através de um planejamento experimental se verificou que na etapa de hidrólise enzimática, a utilização da Pectinase, enzima complementar ao processo, não trouxe benefícios estatisticamente significativos. Dentro do mesmo estudo, a conversão máxima de 93,9% do amido foi alcançada com concentração inicial de matéria-prima de 110 g/L e de STARGEN 002 igual a 7,5 μL/g farinha, com possibilidade de utilizar níveis ainda mais baixos de enzima e mais altos de farinha conforme análise das superfícies de respostas. Na sequência, o trabalho traz resultados do processo de hidrólise e fermentação simultâneas com pré-tratamento realizado por 2 horas a 52°C. É obtido o valor de 72,2% ± 1,6% de eficiência na etapa de fermentação com 140 g/L de matéria-prima e 3 μL de enzima por grama de farinha. A análise econômica, feita a partir dos resultados apresentados nessa pesquisa, resulta no custo de R$ 1,35 por litro de EHC. / In the search for alternative feedstocks for ethanol production in Brazil, the sweet potato emerges as a promising option, particularly in the state of Rio Grande do Sul, the main national producer of the root and has imported, on average, 98% hydrated ethanol fuel it consumes. To obtain the economic feasibility of ethanol from sweet potato the process optimization is necessary. This work focuses on the pre-processing of the raw material and the hydrolysis of starch, two fundamental steps to make the process economically viable. The reducing sugars production by the enzymatic hydrolysis experiments conducted with the fresh and triturated sweet potato is compared with the use of flour prepared by six different drying methods (lyophilization, hot air at 60°C, oven with air natural convection at 60°C and 105°C , microwave and solar). The commercial mixture of enzymes STARGEN 002 was initially used at a concentration of 68 μL/g flour. The results show a higher yield in tests of dry feedstock, regardless of the employed drying method. The added costs to the process due the inclusion of the drying step are compared with the financial return of this procedure. In comparison to other techniques of dehydration, the use of microwave resulted in the largest concentration of reducing sugars and a promising economic balance, so the microwave drying was selected as preprocessing for the next experiments of research. Through an experimental design, the use of Pectinase, a complementary enzyme of process, showed to be statistically insignificant in the enzymatic hydrolysis step. In the same study, the starch conversion of 93.9% was achieved with an initial concentration of 110 g/L of dried sweet potato and STARGEN 002 equal to 7.5 mL/g flour, with possibility to use lower levels of enzyme and higher of flour according to response surface analysis. Furthermore, are presented the results of simultaneous hydrolysis and fermentation with pretreatment process conducted for 2 hours at 52°C. The fermentation efficiency reached 72.2% ± 1.6% with 140 g/L of raw material and 3 mL of enzyme per gram of flour. The economic analysis, based on the results presented in this research, results in the cost of R$ 1.35 per liter of hydrated ethanol.

O objetivo principal da otimização de processos é a obtenção de alta produtividade e lucro, seja em processos químicos ou bioquímicos. Para alcançar isto, se faz necessária a utilização de técnicas e estratégias de controle, individualizadas e apropriadas para cada situação. Uma vez que se dispõe de atuadores e manipuladores de variáveis para as mais diversas aplicações (desde extremos de temperatura e pressão, até casos onde as características do meio o tornam inapropriado à utilização de sondas), a restrição na utilização de controle avançado recai sobre o déficit de coleta e caracterização dos estados do processo frente à suas variáveis de interesse. Muitas vezes, as características do meio inviabilizam a utilização de sensores, como em casos com alto risco de contaminação. Também existem os casos onde apenas técnicas laboratoriais são viáveis para a caracterização de certas variáveis, e nestes casos, usualmente, o tempo de resposta dos métodos é muito elevado, limitando a ação de controle e impossibilitando a operação do processo em ramos de maior produtividade. Neste contexto, sensores óticos associados a métodos quimiométricos são considerados a evolução natural das técnicas para caracterização de processos. Baixo tempo morto, medidas não intrusivas, baixo custo, simples manutenção, alta sensibilidade e seletividade, são algumas das características inerentes a este tipo de sensor. Neste trabalho, são estudadas e associadas técnicas de espectroscopia vibracional (Infravermelho Próximo e Fluorescência 2D) com metodologias quimiométricas baseadas em elementos espectrais puros. É apresentada a metodologia de caracterização denominada Modelagem Quimiométrica com Componentes Espectrais Puros (PSCM), onde modelos multilineares são ajustados para predição de determinadas variáveis de interesse, através de elementos constituintes de medidas de espectroscopia, selecionados com a utilização do método de otimização de Colônia de Formigas. Como casos de estudo são utilizados o procedimento de determinação do teor de proteínas em amostras de farinha de trigo e centeio utilizando Espectroscopia de Infravermelho Próximo (NIR), e a caracterização das variáveis de estado do processo fermentativo de glicose com a levedura Saccharomyces cerevisiae, através de medidas de Espectroscopia de Fluorescência 2D. A metodologia apresentada é comparada com as técnicas quimiométricas usuais (Análise de Componentes Principais (PCA), Regressão de componentes Principais (PCR), Regressão por Mínimos Quadráticos Parciais (PLSR), Regressão PLS com Janela Móvel (MWPLSR) e PLS com Janela Móvel Variada (CSMWPLS)), permitindo incrementos significativos na qualidade de predição das variáveis de interesse, para ambos os processos, além de apresentar uma nova opção para a seleção e filtragem de dados espectrais, baseada em informações qualitativas do ajuste de modelos, denominada trilha de feromônios. / The aim of process optimization is obtaining higher productivity and profit in chemical or bio-chemical process. For that, one must apply control techniques specially designed for each situation. Once there actuators are available for several applications (from extremes of temperature and pressure, even cases where the medium characteristics are not suitable for probes), the restriction on advanced control is due to the lack of measurements. In some applications, measurements are difficult because of high contamination risks. In other cases, only laboratory methods are available, resulting in big time delay, limiting automatic control and, therefore, operation on regions of high production and profit. At this context, optical sensors associated with chemometric methods are the natural evolution for process characterization tools. Low time delay, non-intrusive measurements, low costs, easy maintenance, high sensibility and selectivity, are some examples of the characteristics usually associated with those sensors. In this work, it is studied and associated techniques of vibrational spectroscopy (Near Infrared and 2D Fluorescence) with chemometric methodologies based on pure spectral elements. This work presents the method called Pure Spectral Chemometric Modeling (PSCM), where multi linear models are adjusted for infer specific interest variables through spectral elements, selected using the optimization algorithm ACO (Ant Colony Optimization). Study cases are: (i) determination of protein content amount presented by wheat and rye flour samples using Near Infrared; and, (ii) characterization of significant variables of Saccharomyces cerevisiae fermentative process with glucose as substrate, measured with 2D Fluorescence Spectroscopy. Presented methodology is compared with usual chemometric methodologies (Principal Component Analysis (PCA), Principal Component Regression (PCR), Partial Least Squares (PLS), Moving Window Partial Least squares Regression (MWPLSR) and Changeable Size Moving Window Partial Least Squares (CSMWPLS)), showing significant improvement on prediction, for both cases. The proposed method is also a new option for pre-selection of spectral data, only based on qualitative information of assisted modeling process, called pheromone trail.

As constantes pressões por redução de margem de lucro, melhoria de qualidade de produtos e segurança operacional que a indústria de processamento vem sofrendo, tem levado as mesmas a utilizarem ferramentas especializadas de otimização de processos. Nas décadas de 1980 e 1990, esta indústria investiu fortemente na utilização de ferramentas de otimização estacionária em tempo real (RTO) nas formas online e offline. Esta tecnologia já atingiu o seu grau de maturidade. Porém está limitada pelas suas características estacionárias, não tendo capacidade de otimizar processos diante das perturbações freqüentes, tais como alterações de qualidade e quantidade de carga, transições decorrentes de alterações de programação de produção ou de receita de uma produção em batelada ou semi-batelada, dentre outros. Para cobrir este espaço, a otimização dinâmica em tempo real (DRTO) é a tecnologia adequada para reduzir a quantidade de produtos fora de especificação e otimizar o lucro operacional diante destas perturbações. Porém, esta tecnologia ainda não atingiu o seu grau de maturidade, tendo ferramentas comerciais apenas na sua versão offline. Com o objetivo de contribuir com a consolidação desta tecnologia, propõe-se estudar e desenvolver uma arquitetura de sistema de DRTO para operar nas plantas de processo, promover melhorias conceituais nesta tecnologia, e desenvolver uma ferramenta de diagnóstico e sintonia de DRTO. Esta estrutura é bem completa e fornece a flexibilidade necessária para uso industrial. A ferramenta de diagnóstico permite resolver os problemas que ocorrerem ao longo do uso do DRTO. Além disso, é apresentada uma nova metodologia de análise e solução de inviabilidades, baseada em otimização multiobjetivos aplicada à otimização dinâmica. Esta técnica pode ser utilizada tanto online quanto offline, para diagnóstico, e na solução de problemas de otimização dinâmica, conferindo mais robustez ao DRTO, evitando insucessos do otimizador. / Considering the constant pressures for profit margins reduction, improvement of products quality and operational safety, that the processing industry has been submitted, has led them to the use of specialized tools of processes optimization. In the 1980 and 1990 decades, this industry has invested strongly in the use of stationary real-time optimization tools (RTO), in the online and offline forms. This technology already reached its degree of maturity, but limited to its stationary characteristics, having no ability to optimize processes due to frequent disturbances, such as quality and feed flows transitions, consequence of frequent changes in the production scheduling or recipes in batch or semibatch operations, and others. To cover this space, the dynamic real-time optimization (DRTO) is the appropriate technology to reduce the off-spec production and optimize the operational profit when the process is submitted to these disturbances. However, this technology has not reached its maturity, having only commercial tools available only in yuor offline version. In order to contribute to the consolidation of this technology, it is proposed to study and develop a DRTO system architecture to operate in process plants, to promote a conceptual improvements in this technology, and to develop a DRTO diagnostic and tuning tool. This structure is quite complete and provides the flexibility required for industrial application. The diagnostic tool allows us to solve problems that occur during the use of the DRTO system. In addition, a new methodology for infeasibility analysis and solution in DAOP is proposed here, and it is based on the solution of the multiobjective dynamic optimization. This technique can be used in online and offline modes, for diagnostics and troubleshooting dynamic optimization problems, giving more robustness to the DRTO systems, avoiding some optimizer failures.

As constantes pressões por redução de margem de lucro, melhoria de qualidade de produtos e segurança operacional que a indústria de processamento vem sofrendo, tem levado as mesmas a utilizarem ferramentas especializadas de otimização de processos. Nas décadas de 1980 e 1990, esta indústria investiu fortemente na utilização de ferramentas de otimização estacionária em tempo real (RTO) nas formas online e offline. Esta tecnologia já atingiu o seu grau de maturidade. Porém está limitada pelas suas características estacionárias, não tendo capacidade de otimizar processos diante das perturbações freqüentes, tais como alterações de qualidade e quantidade de carga, transições decorrentes de alterações de programação de produção ou de receita de uma produção em batelada ou semi-batelada, dentre outros. Para cobrir este espaço, a otimização dinâmica em tempo real (DRTO) é a tecnologia adequada para reduzir a quantidade de produtos fora de especificação e otimizar o lucro operacional diante destas perturbações. Porém, esta tecnologia ainda não atingiu o seu grau de maturidade, tendo ferramentas comerciais apenas na sua versão offline. Com o objetivo de contribuir com a consolidação desta tecnologia, propõe-se estudar e desenvolver uma arquitetura de sistema de DRTO para operar nas plantas de processo, promover melhorias conceituais nesta tecnologia, e desenvolver uma ferramenta de diagnóstico e sintonia de DRTO. Esta estrutura é bem completa e fornece a flexibilidade necessária para uso industrial. A ferramenta de diagnóstico permite resolver os problemas que ocorrerem ao longo do uso do DRTO. Além disso, é apresentada uma nova metodologia de análise e solução de inviabilidades, baseada em otimização multiobjetivos aplicada à otimização dinâmica. Esta técnica pode ser utilizada tanto online quanto offline, para diagnóstico, e na solução de problemas de otimização dinâmica, conferindo mais robustez ao DRTO, evitando insucessos do otimizador. / Considering the constant pressures for profit margins reduction, improvement of products quality and operational safety, that the processing industry has been submitted, has led them to the use of specialized tools of processes optimization. In the 1980 and 1990 decades, this industry has invested strongly in the use of stationary real-time optimization tools (RTO), in the online and offline forms. This technology already reached its degree of maturity, but limited to its stationary characteristics, having no ability to optimize processes due to frequent disturbances, such as quality and feed flows transitions, consequence of frequent changes in the production scheduling or recipes in batch or semibatch operations, and others. To cover this space, the dynamic real-time optimization (DRTO) is the appropriate technology to reduce the off-spec production and optimize the operational profit when the process is submitted to these disturbances. However, this technology has not reached its maturity, having only commercial tools available only in yuor offline version. In order to contribute to the consolidation of this technology, it is proposed to study and develop a DRTO system architecture to operate in process plants, to promote a conceptual improvements in this technology, and to develop a DRTO diagnostic and tuning tool. This structure is quite complete and provides the flexibility required for industrial application. The diagnostic tool allows us to solve problems that occur during the use of the DRTO system. In addition, a new methodology for infeasibility analysis and solution in DAOP is proposed here, and it is based on the solution of the multiobjective dynamic optimization. This technique can be used in online and offline modes, for diagnostics and troubleshooting dynamic optimization problems, giving more robustness to the DRTO systems, avoiding some optimizer failures.

O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de uma ferramenta de regressão multivariável apropriada para abordar o problema da modelagem de propriedades relacionadas à qualidade final de produtos em processos industriais. No caso geral, dados provenientes de sistemas físicos e químicos típicos do meio industrial são caracterizados pela presença de relação não linear entre as variáveis, podendo, ainda, apresentar outros problemas que dificultam o processo de modelagem empírica, como baixa disponibilidade de observações experimentais, presença de ruído excessivo nas medidas e a presença de colinearidade entre os termos explicativos. Foi feita uma revisão de diferentes métodos de regressão multivariável tais como regressão linear múltipla (MLR), regressão não linear baseada em transformações das variáveis explicativas e métodos de redução de dimensionalidade (PCA, PLS, QPLS e BTPLS). Também foram propostas novas metodologias para a abordagem das questões da seleção de variáveis e estimação das incertezas dos modelos. Posteriormente, utilizando as metodologias revisadas e propostas, foi sugerida uma sistemática para o tratamento da questão da modelagem empírica de dados industriais, que constitui a base para a implementação da ferramenta desejada. A aplicabilidade da ferramenta desenvolvida foi ilustrada através de alguns estudos de caso retirados da literatura, onde modelos para a predição de propriedades relativas à qualidade de produtos produzidos em quatro tipos de processos industriais diferentes são obtidos.

A identificação de modelos é determinante no sucesso das modernas técnicas de controle avançado de processos. Um modelo para o sistema pode ser obtido através de modelagem rigorosa, baseada em equações governantes do sistema ou através da modelagem empírica e estimação de parâmetros. Embora mais rápida e fácil, a modelagem empírica necessita de alguns testes de identificação nos quais as variáveis manipuladas são variadas de modo que resultem em variações nas variáveis controladas. Os testes de identificação podem apresentar custos muito elevados tendo em vista que o sistema pode sair de seu ponto normal de operação, gerando produtos com folga de especificação. Este fato ocorre porque usualmente as perturbações aplicadas nas variáveis manipuladas nas indústrias de processos são independentes umas das outras, aumentando a duração do teste de identificação. Desta forma, neste trabalho foi desenvolvida uma nova metodologia de projeto de perturbações simultâneas para a identificação de modelos dinâmicos baseada na direcionalidade do sistema, com o objetivo de fornecer dados mais ricos para se capturar corretamente o comportamento multivariável do sistema e manter o processo no ponto de operação normal. As perturbações são projetadas conforme as características de um modelo simplificado do processo, ou pré-modelo. Este modelo inicial é obtido essencialmente de dados históricos de planta, selecionados através de uma sistemática análise de correlação desenvolvida neste trabalho A metodologia proposta é composta de duas partes: a primeira parte diz respeito à análise dos dados históricos de planta para obtenção de informações prelimirares as quais são utilizadas no planejamento de perturbações, tais como amplitude do ruído de medida, correlação entre as variáveis de processo, constante de tempo do sistema e matriz de ganhos. E a segunda parte consiste no cálculo da amplitude das perturbações baseado nos resultados da primeira etapa do planejamento. Para sistemas mal-condicionados verificou-se que as perturbações planejadas pela metodologia removem menos a planta de seu ponto de operação gerando resultados mais consistentes em relação às perturbações tradicionais. Já para sistemas bem-condicionados, os resultados são semelhantes. A metodologia foi aplicada em uma unidade piloto experimental e numa unidade de destilação da PETROBRAS, cujos resultados apontam pouca remoção dos sistemas do ponto de operação e modelos consistentes. A validação dos modelos também foi contemplada na dissertação, uma vez que foi proposto um novo critério de validação que considera a derivada dos dados de planta e a do modelo e não apenas os dados de planta e os dados da simulação das saídas do modelo.

O principal objetivo deste trabalho é estabelecer caminhos apropriados para a estimativa da eficiência de pratos valvulados com downcomer e pratos dualflow em colunas de destilação industriais. O conhecimento da eficiência tem importância fundamental no projeto e na avaliação do desempenho de colunas de destilação. Pesquisando a literatura, pôde ser identificada uma árvore de alternativas para compor o modelo de eficiência de prato, dependendo dos modelos de transferência de massa, do modelo de distribuição das vazões de líquido e vapor sobre o prato, do modelo de arraste de líquido, do modelo de equilíbrio da mistura multi-componente, dos modelos de propriedades físicas, do modelo da altura da espuma sobre o prato e da definição de eficiência. Neste trabalho, diferentes métodos para a predição da eficiência em pratos valvulados e pratos dualflow foram compostos e comparados contra dados de três colunas de destilação industriais sob diferentes condições operacionais. Os modelos foram inseridos no simulador Aspen Plus 12.1, em linguagem Fortran, junto com dados geométricos dos pratos, propriedades dos fluidos e dados de operação das colunas de destilação industriais. Para cada coluna foi escolhido o melhor pacote termodinâmico pela verificação dos perfis de temperatura e composições de topo e fundo obtidos via simulação contra os valores reais correspondentes das colunas de destilação industriais. Foi feita uma modificação no parâmetro da fração de furos que estão em jetting no modelo hidráulico da dispersão acima do prato de Garcia (1999). Essa modificação produziu resultados melhores na predição da fração de furos em jetting e eficiência dos pratos dualflow e resultados similares aos de Garcia (1999) para a eficiência dos pratos valvulados.