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Estruturas de controle de biorreator baseadas em fluxos metabólicos para fermentações micro-aeradas
dc.contributor.author | Mesquita, Thiago José Barbosa | |
dc.date.accessioned | 2021-05-24T10:58:02Z | |
dc.date.available | 2021-05-24T10:58:02Z | |
dc.date.issued | 2021-04-15 | |
dc.identifier.citation | MESQUITA, Thiago José Barbosa. Estruturas de controle de biorreator baseadas em fluxos metabólicos para fermentações micro-aeradas. 2021. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2021. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/14297. | * |
dc.identifier.uri | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/14297 | |
dc.description.abstract | The supply of oxygen as a limiting nutrient in bioreactors is a challenge, as microorganisms may have different metabolic requirements, besides the difficulty of measuring this variable in low levels. Despite the obstacles, micro-aeration has been shown to be essential for bioprocesses such as alcoholic fermentations. Therefore, using yeast catalyzed alcoholic fermentations as a case study, the objective of this thesis is to develop a control system for bioreactors based on metabolic fluxes to control the oxygen metabolic flux under micro-aeration conditions. This work involves two distinct control approaches, which used Saccharomyces cerevisiae micro-aerated cultivations as study case. The execution of the proposal was divided into four stages: (i) Obtaining of the metabolic fluxes matrices by simulations of the metabolic model iND750 and training of artificial neural networks; (ii) Conducting experiments to characterize two industrial cerevisiae strains (FT858L and FERMEL) in mini-reactors cultivations for mathematical modeling of the growth kinetics; (iii) Experimental evaluation of the control strategy with the artificial neural network incorporated; (iv) Mathematical modeling of cell growth, product formation, substrate and oxygen consumption in micro-aerated conditions, followed by operationality analysis and simulation of the control system using a biomimetic algorithm. The experiments were carried out in minimal medium (5.0g.L-1 KH2PO4, 2.0g.L-1 MgSO4.7H2O, 1.5g.L-1 of urea; 3ppm Kamoran), with hexoses as a carbon source, pH 4.5, and temperature of 30oC. In step (ii), the fermentations were carried out in mini-reactors (5 mL) equipped with a CO2 exit, in which the loss of mass due to the production of CO2 was monitored. In step (iii), following the strain selection in terms of performance, the FT858L yeast was used in batch fermentations conducted in 5 L stirred tank bioreactor with a high glucose load. Three different oxygen supply strategies were evaluated and compared: a) simple maintenance of a constant air flowrate; b) use of PID and other controllers to keep the respiratory quotient (RQ) at the desired range; c) use of a control based on metabolic fluxes with neural networks incorporated to maintain the O2 flux. The control based on neural networks was efficient in maintaining the desirable conditions of micro-aeration, leading to high yield values (0.48 gEthanol.gSubstrate-1), productivity (4.2 g.L-1.h-1) and cell viability (95%). This performance was superior to the achieved in other evaluated strategies, which presented a yield between 0.33-0.40 gEthanol.gSubstrate-1 and productivity between 3.4-3.7 g.L-1.h-1. The kinetic model incorporating substrate and ethanol inhibition and based on data generated in simple experiments in mini-reactors was able to describe the growth, product formation, and substrate consumption in conventional and micro-aerated fermentations carried out in bioreactors. The kinetic model was also used in the analysis the process operationality and in the simulations of the biomimetic control algorithm for micro-aeration. The biomimetic controller was able to maintain the O2 and CO2 fluxes at the desired set points, resulting in a productivity of 4.0 g.L-1.h-1. The results obtained demonstrate the importance of the development of precise and robust controllers for the intensification of processes whose performance is favored by micro-aeration. | eng |
dc.description.sponsorship | Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | por |
dc.description.sponsorship | Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) | por |
dc.description.sponsorship | Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) | por |
dc.language.iso | por | por |
dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | por |
dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil | * |
dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ | * |
dc.subject | Bioethanol | eng |
dc.subject | Saccharomyces cerevisiae | eng |
dc.subject | Metabolic flux-based control | eng |
dc.subject | Microaeration | eng |
dc.subject | Advanced bioreactor control | eng |
dc.subject | Alcoholic fermentation | eng |
dc.subject | Bioetanol | por |
dc.subject | Controle baseado em fluxos metabólicos | por |
dc.subject | Controle avançado de biorreatores | por |
dc.subject | Micro-aeração | por |
dc.subject | Fermentação alcoólica | por |
dc.title | Estruturas de controle de biorreator baseadas em fluxos metabólicos para fermentações micro-aeradas | por |
dc.title.alternative | Bioreactor control structures based on metabolic fluxes for micro-aerated fermentations | eng |
dc.type | Tese | por |
dc.contributor.advisor1 | Zangirolami, Teresa Cristina | |
dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/4546701843297248 | por |
dc.description.resumo | O fornecimento de oxigênio como nutriente limitante em biorreatores é um desafio, visto que os microrganismos podem apresentar necessidades metabólicas diferentes, somada à dificuldade de se medir esta variável em baixas concentrações. Apesar dos obstáculos, a micro-aeração tem se mostrado essencial para bioprocessos como as fermentações alcóolicas. Portanto, tendo como estudo de caso fermentações alcoólicas catalisada por leveduras, o objetivo dessa tese é desenvolver um sistema de controle para biorreatores baseados em fluxos metabólicos para controlar o fluxo metabólico de oxigênio em condição de micro-aeração. O trabalho envolveu duas abordagens distintas de controle, avaliadas em fermentações micro-aerados de Saccharomyces cerevisiae, como estudo de caso. A execução da proposta foi dividida em quatro etapas: (i) obtenção das matrizes de fluxos metabólicos por simulações do modelo metabólico iND 750 e treinamento das Redes Neurais Artificiais; (ii) realização de experimentos de caracterização de duas cepas industriais de S. cerevisiae (FT858L e FERMEL) em cultivos em mini-reatores para modelagem matemática da cinética de crescimento; (iii) avaliação experimental da estratégia de controle com a Rede Neural incorporada; (iv) modelagem matemática do crescimento celular, da formação de produto e do consumo de substrato e oxigênio em condição micro-aerada, seguida por análise de operabilidade e simulação do sistema controle baseado em algoritmo biomimético. Os experimentos foram realizados em meio mínimo (5,0 g.L-1 KH2PO4, 2,0 g.L-1 MgSO4.7H2O, 1,5 g.L-1 ureia; 3 ppm Kamoran), tendo hexoses como fonte de carbono, pH de 4,5 e temperatura de 30oC. Na etapa (ii) as fermentações foram conduzidas em mini-reatores (5 mL), dotados de saída para o CO2, com acompanhamento pela perda de massa devido à produção de CO2. Na etapa (iii), a cepa FT858L, selecionada na etapa anterior por apresentar melhor desempenho, foi utilizada nas fermentações em batelada conduzidas em biorreator tipo tanque agitado de 5 L com alta carga de glicose. Três estratégias diferentes de suprimento de oxigênio foram avaliadas e comparadas: a) manutenção de um de fluxo de ar constante; b) uso de PID e outros controladores para manter o quociente respiratório (RQ) na faixa de variação desejada; c) aplicação de controle baseado em fluxos metabólicos com incorporação de redes neurais para controlar o fluxo de O2. O controle baseado nas redes neurais foi eficiente na manutenção das condições desejadas de micro-aeração, levando à obtenção de altos valores de rendimento (0,48 gEtanol.gSubstrato-1), produtividade (4,2 g.L-1.h-1) e viabilidade celular (95%). Esse desempenho foi superior ao das outras estratégias avaliadas, que apresentaram rendimento entre 0,33-0,40 gEtanol.gSubstrato-1 e produtividade entre 3,4-3,7 g.L-1.h-1. O modelo cinético incorporando inibição por substrato e etanol, obtido a partir dos dados gerados em experimentos simples em mini-reatores, foi capaz de descrever o crescimento, a formação de produto e o consumo de substrato em fermentação convencional e micro-aerada realizadas em biorreatores. O modelo cinético foi ainda empregado na análise da operabilidade do processo e na simulação do controle da micro-aeração por algoritmo biomimético. O controlador baseado no algoritmo biomimético foi capaz de manter os fluxos de O2 e CO2 nos setpoints desejados, resultando em produtividade de 4,0 g.L-1.h-1. Os resultados obtidos demonstram a importância do desenvolvimento de controladores precisos e robustos para a intensificação de processos cujo desempenho seja favorecido pela micro-aeração. | por |
dc.publisher.initials | UFSCar | por |
dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ | por |
dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA | por |
dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA | por |
dc.description.sponsorshipId | FAPESP: 2016/10.636-8 | por |
dc.description.sponsorshipId | CNPq: 409366/2016-1 | por |
dc.description.sponsorshipId | CAPES: código de financiamento - 001 | por |
dc.publisher.address | Câmpus São Carlos | por |
dc.contributor.authorlattes | http://lattes.cnpq.br/9908952129757043 | por |