Desenvolvimento de modelos estruturados alternativos para o processo de produção de etanol

Comparado com o estudo de crescimento de populacoes de microorganismo, poucos avancos tem ate entao aparecido sobre o desenvolvimento de modelos estruturados para a formacao de produtos. O objetivo do presente trabalho e o desenvolvimento de modelos estruturados alternativos a partir da adaptacao de modelos estruturados de crescimento para o processo de fermentacao etanolica realizado em um biorreator do tipo torre com celulas imobilizadas de alta produtividade. A metodologia do trabalho envolveu a adaptacao de modelos estruturados de crescimento de Saccharomyces cerevisae, os quais incluem cinetica complexa para as rotas metabolicas fermentativa e respiratoria. Neste procedimento aplicou-se o metodo de Plackett e Burman, que possibilitou analisar um grande numero de parâmetros e selecionar aqueles mais importantes. As equacoes diferenciais parciais descrevendo os fenomenos intraparticulares e ao longo do biorreator foram resolvidas utilizando o metodo de colocacao ortogonal e o sistema de equacoes diferenciais ordinarias resultante foi integrado com respeito ao tempo pela "subrotina lsodaroo. Comparou-se os resultados simulados com dados experimentais, possibilitando escolher a cinetica estruturada mais adequada. Tecnicas de reducao foram aplicadas na direcao radial particular e o modelo reduzido foi simulado sob perturbacoes em malha aberta para definicoes dos pontos de controle e variaveis manipuladas. Devido a dinâmica ser lenta, foi necessario estabelecer atraves de planejamento experimental, uma relacao entre a variavel manipulada, a concentracao de substrato de entrada e o objetivo de controle (modelo feedforward). O projeto do controlador envolveu, na forma SISO, os algoritmos do tipo classico (PID), avancados do tipo preditivo (DMC) e preditivo adaptativo (STDMC) avaliados isolados e acoplados ao modelo feedforward obtido com procedimentos estatisticos. Em conclusao, considerar a celula como um unico componente e insuficiente para descrever a dinâmica do metabolismo, principalmente em culturas que sofrem mudancas drasticas nas condicoes operacionais. Resultados mostraram que o modelo de Rotboll adaptado foi superior, principalmente quanto na representacao da variavel celular. Comparou-se os resultados obtidos com os modelos reduzidos para diferentes tecnicas de reducao, frente aos modelos bidimensionais(nao reduzidos) e dados experimentais. A aplicacao de diferentes tecnicas de reducao foi util na obtencao de um modelo estruturado para aplicacoes em simulacao e controle. O estudo de controle de processo mostrou que uma acao antecipada que relacione a variavel manipulada e o set-point acoplada a algoritmos de controle feedback e a melhor forma de estabilizar o processo rapidamente Abstract