Estudo comparativo entre o filtro de partículas e o filtro de kalman estendido para monitoramento on-line da síntese de galactooligossacarídeos
| dc.contributor.advisor1 | Ribeiro, Marcelo Perencin de Arruda | |
| dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/0381402687491195 | |
| dc.contributor.author | Gualco, Martin Alberto Savi | |
| dc.contributor.authorlattes | http://lattes.cnpq.br/2036132362455750 | |
| dc.date.accessioned | 2025-12-17T17:31:02Z | |
| dc.date.issued | 2025-12-08 | |
| dc.description.abstract | Galactooligosaccharides (GOS) are nondigestible oligosaccharides composed of chains of 2 to 8 units of galactose and glucose. Their production starts with lactose, an abundant byproduct of the dairy industry, via an enzymatic reaction known as β-galactosidase-catalyzed lactose transgalactosylation, generating a complex mixture of di-, tri-, and tetrasaccharides. Key benefits of GOS include the stimulation of the intestinal microbiota, the blocking of pathogen adhesion in the digestive tract, and the enhancement of mineral absorption. In addition to their physiological effects, GOS are widely applied in food formulations due to their high water solubility, thermal stability, and resistance to pH variations. These characteristics make GOS highly attractive to the food industry and motivate the development of optimized processes for their production. Such processes, when operated at scale, require effective reactor control to minimize product losses from hydrolysis and determine a satisfactory stopping point for batch processes. This highlights the need for robust and precise monitoring methods capable of providing real-time process information. Direct online measurement techniques, such as spectrometric methods, can provide real-time measurements of some process variables. However, these techniques have limitations both in terms of the variables they can measure and the noise present in their measurements, which can restrict their usefulness for control purposes. By combining a fundamental model of the system with online measurements, it is possible to leverage more system information, thereby achieving improved monitoring and control performance. This combination is enabled through state estimators which, in general, first perform a prior estimate of the state based on the model and then receive a system measurement and apply a correction, providing a posterior estimate. The present study seeks to explore the capabilities of two types of state estimators - the Particle Filter (PF) and the Extended Kalman Filter (EKF) - for performing real-time monitoring of a GOS synthesis, described mathematically by a kinetic model and measured using a UVVis probe. Despite the greater complexity and computational cost of the PF, the results showed that, when starting from well-defined initial conditions with low uncertainty, the performance of both estimators was similar. However, when using an initial condition far from reality and with higher uncertainty, the PF showed superior performance compared to the EKF, converging more rapidly to the experimental data and achieving errors approximately half those obtained by the EKF for most of the estimated species. | eng |
| dc.description.resumo | Os galactooligossacarídeos (GOS) são oligossacarídeos não digeríveis compostos por cadeias de 2 a 8 unidades de galactose e glicose. Sua obtenção tem início com a lactose, subproduto abundante na indústria de laticínios, por meio de uma reação enzimática denominada transgalactosilação da lactose pela β-galactosidase, gerando uma mistura complexa de di-, tri- e tetrassacarídeos. Dentre os benefícios dos GOS, destacam-se o estímulo à microbiota intestinal, o bloqueio da adesão de patógenos no trato digestivo e o auxílio na absorção de minerais. Além dos efeitos fisiológicos, os GOS são amplamente aplicados em formulações alimentícias graças à sua alta solubilidade em água, estabilidade térmica e resistência a variações de pH. Essas características conferem aos GOS elevado interesse por parte da indústria alimentícia e motivam o desenvolvimento de processos otimizados para sua produção. Tais processos, quando operados em escala, demandam um bom controle do reator, de modo a minimizar perdas deste produto por hidrólise e encontrar um ponto de parada satisfatório para processos em batelada. Surge, então a necessidade de métodos robustos e precisos de monitoramento, que sejam capazes de fornecer informação em tempo real sobre o processo. As técnicas diretas de medição on-line, como a aplicação de métodos espectrométricos, podem fornecer medidas em tempo real sobre algumas variáveis no processo. No entanto, estas técnicas possuem limitações tanto sobre as variáveis que conseguem medir, quanto sobre o ruído de suas medidas, de modo que o monitoramento realizado desta forma possa ser limitado para as finalidades de controle. Ao combinar um modelo fenomenológico do sistema, com as medições on-line do mesmo, surge a possibilidade de aproveitar mais informação do sistema, e portanto obter monitoramento e controle de melhor desempenho. Esta combinação é viabilizada através dos estimadores de estado, que, de modo geral, após realizarem uma estimativa a priori do estado com base no modelo, recebem uma medida do sistema e efetuam uma correção, fornecendo uma medida a posteriori. O presente estudo busca explorar as capacidades de dois tipos de estimadores de estado – Filtro de Partículas (PF, Particle Filter) e Filtro de Kalman Estendido (EKF, Extended Kalman Filter) – para realizar o monitoramento em tempo real de uma síntese de GOS, descrita matematicamente por um modelo cinético, e mensurada através de uma sonda UV-Vis. Apesar da maior complexidade e custo computacional do PF, os resultados mostraram que, partindo de condições iniciais bem definidas e com baixa incerteza, o desempenho de ambos estimadores foi similar. No entanto, ao utilizar uma condição inicial afastada da realidade e com maior incerteza, o PF apresentou um desempenho superior ao do EKF, convergindo de maneira mais rápida aos dados experimentais, e alcançando erros aproximadamente metade dos obtidos pelo EKF na maioria das espécies estimadas. | |
| dc.description.sponsorship | Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | |
| dc.description.sponsorshipId | 145321/2022-3 | |
| dc.identifier.citation | GUALCO, Martin Alberto Savi. Estudo comparativo entre o filtro de partículas e o filtro de kalman estendido para monitoramento on-line da síntese de galactooligossacarídeos. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/23271. | por |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/20.500.14289/23271 | |
| dc.language.iso | por | |
| dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | |
| dc.publisher.address | Campus São Carlos | |
| dc.publisher.course | Engenharia Química - EQ | |
| dc.publisher.initials | UFSCar | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ | |
| dc.subject | GOS | |
| dc.subject | Filtro de kalman estendido | |
| dc.subject | Filtro de partículas | |
| dc.subject | PLS | |
| dc.subject | Softsensor | |
| dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA | |
| dc.subject.ods | 11. Cidades e Comunidades Sustentáveis | |
| dc.title | Estudo comparativo entre o filtro de partículas e o filtro de kalman estendido para monitoramento on-line da síntese de galactooligossacarídeos | |
| dc.title.alternative | A comparative study of particle filter and extended Kalman filter for online monitoring of galactooligosaccharide synthesis | eng |
| dc.type | TCC |
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