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Previous issue date: 2016-05-04 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Solid-state fermentation is characterized by the growth of microorganisms in absence of free
water. In one hand, it is advantageous because simulates their natural environment, enabling
the use of agro industrial residues in natura. On the other hand, it limits heat transfer between
elements, restricting control over the temperature of the medium. In fact, the microbial growth
and the product formation dynamics are directly affected by the environmental conditions and
variations can be harmful to the process productivity. As a consequence, the temperature
increase caused by metabolic heat needs to be avoided. Studies concerning the microbial
dynamics dealing with these variations are scarce. Moreover, it was not found any control laws,
with guarantee of stability, which was designed for a reference tracking and to minimize the
disturbances effects. Thus, two fronts need to be addressed for the solid-state fermentation
viability: the development of a mathematical model able to estimate the effects of
environmental changes in the process; and a temperature control system able to handle the heat
from microbial metabolism. The model was used in a computational algorithm in order to
determine if there was a temperature profile that would be more favorable to the products
formation. In this work two control laws were studied, a proportional integrative, because it is
the most widespread in the industry, and a model base predictive controller, because of its
multivariable control versatility. Both control laws were simulated and then implemented in an
eleven liters agitated drum bioreactor. Some of the various methods for PI controller parameters
settings had their performance and relative stability requirement evaluated. The one that was
proved stable was implemented in the bioreactor. Due to the uncertainties of the fermentation
process, a self-adjustment mechanism was added to the predictive controller, in spite of the
developed mathematical model, in order to avoid some estimation mistakes caused by some
non-estimated states of the real process. The controller achieved an adequate performance with
this approach. The results showed that the microorganisms were more efficient at a constant
32°C temperature. In addition, both developed controllers presented appropriate results facing
the fermentation process requirement, with mean deviances from the referential temperature
below 0,6°C and a maximum error of 2,8°C. / Uma das características da fermentação em estado sólido é que ela ocorre na ausência de água
livre. Isso a torna vantajosa por simular o ambiente natural dos microrganismos com
possibilidade de uso de resíduos agroindustriais in natura. Por outro lado, dificulta a
transferência de calor entre os elementos do processo e, com isso, a capacidade de controlar a
temperatura do meio fica debilitada. Por sua vez, a dinâmica do crescimento microbiano e a
formação de produtos de interesse estão diretamente relacionadas às condições ambientais,
cujas variações podem ser prejudiciais à produtividade do processo. Ao mesmo tempo, o calor
gerado pelo metabolismo microbiano aumenta a temperatura do processo, que necessita ser
regulada. Estudos que revelam como os microrganismos se comportam frente essas variações
são escassos. Além disso, não foram encontradas leis de controle para a FES, com garantia de
estabilidade, a fim de se minimizar os efeitos dos distúrbios. Duas frentes se destacam para a
viabilização da FES: o desenvolvimento de um modelo matemático capaz de estimar os efeitos
das variações das condições ambientais na dinâmica do processo e um sistema de controle da
temperatura apropriado para lidar com os distúrbios gerados pelo crescimento celular. Em
conjunto com a modelagem matemática, foram empregados mecanismos computacionais para
averiguar qual seria o perfil de temperaturas que mais favorece à formação dos produtos. Por
sua vez, foram estudados dois tipos de controladores: os proporcionais integrativos, pela ampla
aplicação industrial, e os preditivos baseados em modelo, pela versatilidade no controle
multivariável. Os sistemas de controle foram testados em um biorreator de 11 litros de volume
nominal. Dentre várias, algumas metodologias para ajuste dos controladores proporcionais
integrativos foram avaliadas nos quesitos desempenho e estabilidade relativa durante a fase de
simulações. A metodologia que se provou estável nos testes realizados foi implementada no
biorreator. Já para o controlador preditivo, frente às incertezas do processo fermentativo, foi
necessário desenvolver um mecanismo de auto ajuste do modelo desenvolvido, a fim de que os
erros dos estados não estimados do processo real fossem compensados e o controlador tivesse
um desempenho adequado. Os resultados mostraram que o microrganismo, Aspergilus niger
3T5B8, produz uma quantidade maior de metabólitos de interesse a uma temperatura constante
de 32°C. Além disso, ambos controladores utilizados apresentaram resultados apropriados aos
requisitos do processo fermentativo, ou seja, com desvio médio da temperatura de referência
menor do que 0,6°C.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/7986 |
| Date | 04 May 2016 |
| Creators | Fonseca, Rafael Frederico |
| Contributors | Kwong, Wu Hong |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Câmpus São Carlos, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, UFSCar |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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