O presente trabalho é parte integrante de um projeto multidisciplinar cujo objetivo é construir uma ferramenta computacional capaz de simular a operação de uma Usina Termoelétrica tratando, especificamente, da câmara de reação (local da caldeira onde se desenvolve a queima do combustível). Foi desenvolvido um modelo matemático dinâmico, pseudo-homogêneo, unidimensional e, com propriedades físicas variáveis, com o objetivo de descrever a conversão do calor gerado pela combust em energia térmica, que está baseado em balanços de massa e energia. Este modelo foi implementado no simulador gPROMS e seus parâmetros foram estimados utilizando o módulo gEST deste software (método da máxima verossimilhança), com base em dados de operação da Usina e dados cinéticos de literatura. Para a simulação dinâmica da câmara de reação foi utilizado um método de integração implícita de passos múltiplos com ordem e passo variáveis. A câmara de combustão foi dividida em três zonas, sendo realizados, em cada zona, os balanços de massa e energia, adotando-se a hipótese de mistura perfeita. O modelo desenvolvido prevê o perfil de temperatura ao longo da câmara, as correntes de saída e a composição dos gases de combustão em cada zona; incluindo uma previsão aproximada da concentração dos poluentes formados, principalmente monóxido de nitrogênio e dióxido de enxofre. Os resultados apresentados mostraram que o modelo prediz satisfatoriamente a composição do gás de combustão na saída da câmara de reação e que a divisão da câmara em diferentes zonas de combustão é apropriada para avaliar a geração e o aproveitamento energético na caldeira.

Simulador de processos é uma ferramenta valiosa, pois possibilita desde a validação de projetos e sua operabilidade prática até aumentos de produção e redução de custos. Devido a estes e outros fatores, o interesse industrial em técnicas e pacotes computacionais para a modelagem, simulação e otimização de processos tem crescido muito nos últimos anos. Juntamente com este interesse cresce a qualidade das ferramentas disponíveis no mercado para tal, mas estas ainda não satisfazem totalmente as expectativas de seus usuários. Este trabalho consiste no projeto de um novo simulador genérico para processos dinâmicos que satisfaça os usuários de forma mais completa do que os disponíveis atualmente no mercado. Para tanto, foram reunidas e, quando necessário, desenvolvidas novas técnicas relativas à descrição, análise e solução de problemas dinâmicos. Uma nova linguagem de modelagem orientada a objetos e um sistema de tradução da representação nesta linguagem para sistemas de equações foram propostos. Métodos de análise dos sistemas de equações provenientes da modelagem foram desenvolvidos com o intuito de auxiliar o usuário na detecção de erros de modelagem. Algoritmos para solução de sistemas dinâmicos e estacionários foram reunidos e uma arquitetura interna foi proposta. Por fim, o sistema como um todo foi testado através de sua aplicação em problemas típicos e outros que não podem ser resolvidos diretamente com os pacotes computacionais disponíveis no mercado. O teste com os problemas práticos provou que a estrutura proposta é adequada e apresenta uma série de vantagens quando comparada com softwares largamente utilizados na simulação de processos.

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.

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.

O presente trabalho é parte integrante de um projeto multidisciplinar cujo objetivo é construir uma ferramenta computacional capaz de simular a operação de uma Usina Termoelétrica tratando, especificamente, da câmara de reação (local da caldeira onde se desenvolve a queima do combustível). Foi desenvolvido um modelo matemático dinâmico, pseudo-homogêneo, unidimensional e, com propriedades físicas variáveis, com o objetivo de descrever a conversão do calor gerado pela combust em energia térmica, que está baseado em balanços de massa e energia. Este modelo foi implementado no simulador gPROMS e seus parâmetros foram estimados utilizando o módulo gEST deste software (método da máxima verossimilhança), com base em dados de operação da Usina e dados cinéticos de literatura. Para a simulação dinâmica da câmara de reação foi utilizado um método de integração implícita de passos múltiplos com ordem e passo variáveis. A câmara de combustão foi dividida em três zonas, sendo realizados, em cada zona, os balanços de massa e energia, adotando-se a hipótese de mistura perfeita. O modelo desenvolvido prevê o perfil de temperatura ao longo da câmara, as correntes de saída e a composição dos gases de combustão em cada zona; incluindo uma previsão aproximada da concentração dos poluentes formados, principalmente monóxido de nitrogênio e dióxido de enxofre. Os resultados apresentados mostraram que o modelo prediz satisfatoriamente a composição do gás de combustão na saída da câmara de reação e que a divisão da câmara em diferentes zonas de combustão é apropriada para avaliar a geração e o aproveitamento energético na caldeira.

Simulador de processos é uma ferramenta valiosa, pois possibilita desde a validação de projetos e sua operabilidade prática até aumentos de produção e redução de custos. Devido a estes e outros fatores, o interesse industrial em técnicas e pacotes computacionais para a modelagem, simulação e otimização de processos tem crescido muito nos últimos anos. Juntamente com este interesse cresce a qualidade das ferramentas disponíveis no mercado para tal, mas estas ainda não satisfazem totalmente as expectativas de seus usuários. Este trabalho consiste no projeto de um novo simulador genérico para processos dinâmicos que satisfaça os usuários de forma mais completa do que os disponíveis atualmente no mercado. Para tanto, foram reunidas e, quando necessário, desenvolvidas novas técnicas relativas à descrição, análise e solução de problemas dinâmicos. Uma nova linguagem de modelagem orientada a objetos e um sistema de tradução da representação nesta linguagem para sistemas de equações foram propostos. Métodos de análise dos sistemas de equações provenientes da modelagem foram desenvolvidos com o intuito de auxiliar o usuário na detecção de erros de modelagem. Algoritmos para solução de sistemas dinâmicos e estacionários foram reunidos e uma arquitetura interna foi proposta. Por fim, o sistema como um todo foi testado através de sua aplicação em problemas típicos e outros que não podem ser resolvidos diretamente com os pacotes computacionais disponíveis no mercado. O teste com os problemas práticos provou que a estrutura proposta é adequada e apresenta uma série de vantagens quando comparada com softwares largamente utilizados na simulação de processos.

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.

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.

Simulador de processos é uma ferramenta valiosa, pois possibilita desde a validação de projetos e sua operabilidade prática até aumentos de produção e redução de custos. Devido a estes e outros fatores, o interesse industrial em técnicas e pacotes computacionais para a modelagem, simulação e otimização de processos tem crescido muito nos últimos anos. Juntamente com este interesse cresce a qualidade das ferramentas disponíveis no mercado para tal, mas estas ainda não satisfazem totalmente as expectativas de seus usuários. Este trabalho consiste no projeto de um novo simulador genérico para processos dinâmicos que satisfaça os usuários de forma mais completa do que os disponíveis atualmente no mercado. Para tanto, foram reunidas e, quando necessário, desenvolvidas novas técnicas relativas à descrição, análise e solução de problemas dinâmicos. Uma nova linguagem de modelagem orientada a objetos e um sistema de tradução da representação nesta linguagem para sistemas de equações foram propostos. Métodos de análise dos sistemas de equações provenientes da modelagem foram desenvolvidos com o intuito de auxiliar o usuário na detecção de erros de modelagem. Algoritmos para solução de sistemas dinâmicos e estacionários foram reunidos e uma arquitetura interna foi proposta. Por fim, o sistema como um todo foi testado através de sua aplicação em problemas típicos e outros que não podem ser resolvidos diretamente com os pacotes computacionais disponíveis no mercado. O teste com os problemas práticos provou que a estrutura proposta é adequada e apresenta uma série de vantagens quando comparada com softwares largamente utilizados na simulação de processos.

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.