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Tipo do documento: Tese
Título: Algoritmo de otimização de sistemas modelados por equações diferenciais ordinárias aplicado a processos de fermentação em batelada alimentada
Título(s) alternativo(s): Ordinary differential equations modeled system optimization algorithm applied in fed-batch fermentation processes
Autor: Aguiar, Octavio Vieira de 
Primeiro orientador: Domingos, Roberto Pinheiro
Segundo orientador: Platt, Gustavo Mendes
Primeiro membro da banca: Peralva, Bernardo Sotto Maior
Segundo membro da banca: Libotte, Gustavo Barbosa
Terceiro membro da banca: Lobato, Fran Sérgio
Quarto membro da banca: Peixoto, Fernando Cunha
Resumo: Os modelos matemáticos permitem a simulação de diversos processos, em diferentes configurações, proporcionando estimar seus resultados, antes de serem experimentalmente executados. Neste sentido, os processos modelados por equações diferenciais ordinárias apresentam grande importância para várias áreas do conhecimento. Existem inúmeras situações em que se deseja otimizar tais processos afim de minimizar seus custos e maximizar seu desempenho. Neste contexto, a ausência de metodologias abrangentes capazes de otimizar estes processos leva a criação de inúmeras metodologias distintas voltadas à otimização de apenas um caso particular destes processos. Tais metodologias comumente empregam o uso de diferentes ferramentas que operam em conjunto por meio de algoritmos de integração, fatores que provocam maior lentidão no processo de otimização. Neste contexto, se encontram os processos de fermentação, que possuem considerável relevância industrial e acadêmica. Por esta razão, existe um grande interesse na otimização destes processos, a fim de que estes tornem-se mais baratos e produtivos. Neste trabalho, foi proposto um algoritmo para otimização de processos modelados por equações diferenciais ordinárias, que permite a modelagem de problemas de otimização mono e multiobjetivo sobre este tipo de processo e sua solução por diferentes métodos de otimização, interpolação e para EDOs. Além da proposição do algoritmo, foi desenvolvida uma biblioteca de software que o implementa, construída integralmente em uma única plataforma de programação, evitando os custos computacionais e temporais presentes em metodologias que envolvem a integração entre mais de uma ferramenta, além de dispor de uma série de métodos de otimização, interpolação e para EDOs, dos quais o usuário pode fazer uso. Esta tese também se propôs a realizar dois estudos de caso envolvendo otimização de processos de fermentação em batelada alimentada, que empregam o algoritmo e ferramenta desenvolvidos nela. O primeiro estudo de caso envolveu a otimização de um processo de geração de L-lisina por meio da resolução de problemas propostos em outro trabalho, cujos os resultados obtidos foram analisados, discutidos e comparados aos logrados neste último. Os resultados deste estudo mostraram que soluções que apresentam maior produtividade mostram menor rendimento e menor tempo de operação; e vice-versa, além de mostrarem a confiabilidade do algoritmo, uma vez que os resultados aqui obtidos assemelham-se aos obtidos no trabalho que propôs os problemas. O segundo estudo de caso envolveu a otimização de um processo de produção alcoólica de uma planta industrial real por meio da proposição e resolução de problemas relevantes para ao processo em questão, dos quais os resultados obtidos foram analisados e discutidos. Os resultados deste estudo mostraram que soluções que geram mais etanol preservam menos levedura e vice-versa, além de apresentar soluções que fornecem relevante ganho de tempo e de preservação de levedura sem prejuízo na geração de etanol, quando comparadas à solução em uso na planta.
Abstract: Mathematical models allow the simulation of sundry processes, within distinct shapes, providing estimation of their results, before being experimentally executed. In this sense, the processes modeled by ordinary differential equations are of great importance for several knowledge areas. There are countless situations in which it is want to optimize such processes, in order to minimize costs and maximize performance. In this scenario, the absence of comprehensive methodologies capable of optimizing these processes leads to the creation of numberless different methodologies aimed at optimizing only one particular case of these processes. Such methodologies commonly employ the use of different tools that operate together through an integration algorithms, factors that cause slowness in the optimization process. The processes of fermentation are found in this context, which have considerable relevance for the industrial and academic environments. For this reason, there is great interest in optimizing such processes, in order to make them cheaper and more productive. In this work, an algorithm for optimization of processes modeled by ordinary differential equations was proposed, which allows the modeling of single and multiobjective optimization problems on this type of process and its solution by different methods of optimization, interpolation and for ODEs. In addition to the proposition of the algorithm, a software library was developed that implements it, built entirely on a single programming platform, avoiding the computational and time costs present in methodologies that involve the integration between more than one tool, in addition to have a series of optimization, interpolation and ODE methods available to the user. This thesis also proposed to carry out two case studies involving optimization of fed-batch fermentation processes, which employ the algorithm and tool developed therein. The first case study involved the optimization of an L-lysine generation process by solving problems proposed in another work, whose results were analyzed, discussed and compared to those achieved in the latter. The results of this study showed that solutions that have higher productivity show lower performance and shorter operating time; and vice versa, in addition to showing the reliability of the algorithm, since the results obtained here are similar to those obtained in the work that proposed the problems. The second case study involved the optimization of an alcoholic production process in a real industrial plant through the proposition and resolution of problems relevant to the process in question, from which the results obtained were analyzed and discussed. The results of this study showed that solutions that generate more ethanol preserve less yeast and vice versa, in addition to presenting solutions that provide significant gain in time and yeast preservation without prejudice to ethanol generation, when compared to the solution in use in the plant.
Palavras-chave: Optimization
Fermentation
Ordinary differential equations
Algorithms
Otimização
Fermentação
Equações diferenciais ordinárias
Algoritmos
Otimização matemática
Área(s) do CNPq: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição: UERJ
Departamento: Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto Politécnico
Programa: Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional
Citação: AGUIAR, Octavio Vieira de. Algoritmo de otimização de sistemas modelados por equações diferenciais ordinárias aplicado a processos de fermentação em batelada alimentada. 2023. 340 f. Tese (Doutorado em Modelagem Computacional) - Instituto Politécnico, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Nova Friburgo, 2023.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/20339
Data de defesa: 28-Ago-2023
Aparece nas coleções:Doutorado em Modelagem Computacional

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