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dc.contributor.authorPereira, Rauber Daniel
dc.date.accessioned2019-04-18T13:20:03Z
dc.date.available2019-04-18T13:20:03Z
dc.date.issued2019-02-21
dc.identifier.citationPEREIRA, Rauber Daniel. Fermentação alcoólica: desenvolvimento de metodologia para o cálculo de eficiência e modelagem por redes neurais de unidade de fermentação industrial. 2019. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2019. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/11263.*
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/11263
dc.description.abstractThe search for alternative sources of fuel, economically and environmentally viable, that could replace fossil fuels has increased in the last years. Brazil occupies a prominent position regarding the pioneering development and ethanol production from sugarcane in large scale. Despite the consolidated technology studies have shown that there is room for improvement and innovation on the industrial ethanol production process, through the development of new production strategies. Thus, the objective of the present work is justified. In the first step, it was developed a new methodology based on mass balances to calculate the ethanol fermentation efficiency of the process operated in fed-batch mode. The new methodology was compared to others that have already been used by the industrial sector. Data from fed-batch fermentations in bench and industrial scales were used. The new methodology allowed assessing with more precision the ethanol production of the industrial unit. It was also possible to calculate the quantity of overestimated ethanol when fermentation efficiency was calculated by the established methodologies. The second step of this work was to develop a model based on artificial neural networks for representing the fermentation process. Data of an industrial fermentation unit were used. The objective was to assess the effects of different industrial variables on ethanol production. Important input variables that could influence the ethanol fermentation efficiency were identified. Then, it was set up an artificial neural network to estimate the final ethanol concentration in the industrial bioreactors. After the network was trained, it was used together with a stochastic optimization algorithm based on population (Particle Swarm Optimization – PSO) to estimate the increase of the ethanol concentration in the fermentation process by seeking optimum values for the input variables. The training, validation and test steps of the artificial neural network were performed using 200 points of the industrial data. After the update of the weights has been completed during the training step, the neural network model was tested using the validation data set and it predicted the ethanol concentration in the process reaching 0.91 for the determination coefficient (R²) and a mean squared error of 0.26. The model was tested with new experimental data after the training, and it was obtained relative deviations below 4.0%. This fact illustrates the prediction potential of the artificial neural network model. In the optimization step of the input variables, it was possible to reach an increase of 1.0 °GL in the ethanol concentration at the end of the process. Therefore, there is a possibility to use this tool on the industrial process, aiming to increase the industrial ethanol production.eng
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)por
dc.language.isoporpor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlospor
dc.rights.uriAcesso abertopor
dc.subjectFermentaçãopor
dc.subjectEtanolpor
dc.subjectEficiência de fermentaçãopor
dc.subjectModelagem em redes neuraispor
dc.subjectFermentationeng
dc.subjectEthanoleng
dc.subjectFermentation efficiencyeng
dc.subjectArtificial neural network modelseng
dc.titleFermentação alcoólica: desenvolvimento de metodologia para o cálculo de eficiência e modelagem por redes neurais de unidade de fermentação industrialpor
dc.title.alternativeAlcoholic fermentation: development of a methodology to calculate fermentation efficiency and modeling of industrial fermentation unit by neural networkseng
dc.typeDissertaçãopor
dc.contributor.advisor1Cruz, Antonio José Gonçalves da
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1812806190521028por
dc.contributor.advisor-co1Badino Júnior, Alberto Colli
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/6244428434217018por
dc.description.resumoA busca por fontes alternativas aos combustíveis fósseis, que sejam ambiental e economicamente viáveis, vem crescendo nos últimos anos. O Brasil ocupa posição de destaque no pioneirismo e na escala de produção de etanol da cana-de-açúcar. Porém, estudos revelam que apesar da tecnologia ser considerada consolidada, há espaço para implementação de melhorias e inovações no processo industrial de produção do etanol, no que diz respeito à implantação de novas estratégias produtivas utilizadas pelo setor. Nesse sentido, o objetivo do trabalho aqui proposto é justificado. Em sua primeira etapa, foi desenvolvida uma nova metodologia baseada em balanços materiais para calcular com maior precisão a eficiência da fermentação operada em batelada alimentada. A metodologia proposta foi comparada com outras metodologias já utilizadas pelo setor produtivo, e validada com dados de fermentações realizadas em escala de bancada e industrial. Com a nova metodologia foi possível estimar com maior precisão a produção de etanol na unidade e inferir o quanto a mesma é superestimada com o uso das metodologias utilizadas pelo setor. A segunda etapa do trabalho consistiu no desenvolvimento de um modelo baseado em redes neurais para fermentação, utilizando os dados da unidade de fermentação industrial da usina. O objetivo foi desenvolver uma ferramenta capaz de prever a influência de variáveis industriais no processo de produção de etanol. Identificaram-se variáveis de entrada que impactam na eficiência do processo de fermentação, e implementou-se uma rede neural capaz de prever a concentração final de etanol nos biorreatores do processo industrial. Ao final do treinamento da rede, utilizou-se algoritmo de otimização estocástico baseado em populações (Particle Swarm Optimization, PSO) para estimar elevados teores de concentração de etanol no processo de fermentação a partir de valores ótimos de operação das variáveis de entrada do modelo. As etapas de treinamento, validação e teste da rede neural foram realizadas com 200 pontos de operação industrial. Após finalizados os ajustes de pesos na etapa de treinamento, o modelo baseado em redes neurais, previu a concentração de etanol para o conjunto de dados de validação obtendo um valor de 0,91 para o coeficiente de determinação (R²) e um erro quadrático médio de 0,26. O modelo, quando avaliado com novos pontos experimentais, apresentou respostas com desvios relativos abaixo de 4%, o que evidencia a capacidade de previsão da rede neural para o processo de fermentação industrial. Na etapa de otimização das variáveis de entrada de um dia de operação, escolhido aleatoriamente, foi possível obter aumento de 1,0°GL na concentração de etanol do processo. Assim, há a possibilidade de aplicação no processo industrial do modelo obtido nesse estudo, com o objetivo de aumentar a produção de etanol na usina.por
dc.publisher.initialsUFSCarpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQpor
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICApor
dc.description.sponsorshipIdCNPq: 132042/2017-7por
dc.ufscar.embargoOnlinepor
dc.publisher.addressCâmpus São Carlospor
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/2031656531545882por


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