Modelagem e simulação da fermentação alcoólica em batelada e contínua com múltiplos reatores em série

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Zanardi, Mayara dos Santos
Data de Publicação: 2016
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)
Texto Completo: http://repositorio.ufes.br/handle/10/7826
Resumo: Ethanol stands out, compared to fossil fuels, because of its economic and environmental benefits. In Brazil, the second largest world producer, practically all ethanol production is obtained from the fermentation of saccharose (present in sugarcane). Improvements in the fermentation process for ethanol production could make it more competitive. In this context, this study has for objective develop a model for batch fermentation process of literature and a real industrial process that operates in a continuous mode with multiple reactors in series, using kinetic models from literature. The model for each component of interest was developed through transient mass balance on the reactor. The system of ordinary differential equations, resulting from the dynamic model, was integrated by the Runge-Kutta method of 4th order in Matlab® software. The estimation of kinetics parameters was performed by nonlinear optimization of an objective function by Nelder and Mead Simplex method. Two optimization strategies were adopted for the batch process: in the first strategy the µmax parameter is kept fixed and in the second this parameter is estimated. Six different kinetic models were tested. The estimated parameters were sensitive to small changes in experimental data set, moreover, the estimation of the parameter µmax had a strong positive influence on some models. The models Ghose and Tyagi (1979), Jin et al. (1981) and Tosetto (2002) showed the best performance in predicting the behavior of the concentration of the components in the reactor. The parameters of five kinetic models were estimated in the continuous process. The models that consider inhibition by product were better than those without this type of inhibition.
id UFES_f6ed3c792c56565792f0b5070415a858
oai_identifier_str oai:repositorio.ufes.br:10/7826
network_acronym_str UFES
network_name_str Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)
repository_id_str 2108
spelling Costa Junior, Esly Ferreira daZanardi, Mayara dos SantosCarvalho, Raquel Vieira deCosta, Andréa Oliveira Souza da2018-08-01T22:57:14Z2018-08-012018-08-01T22:57:14Z2016-02-26Ethanol stands out, compared to fossil fuels, because of its economic and environmental benefits. In Brazil, the second largest world producer, practically all ethanol production is obtained from the fermentation of saccharose (present in sugarcane). Improvements in the fermentation process for ethanol production could make it more competitive. In this context, this study has for objective develop a model for batch fermentation process of literature and a real industrial process that operates in a continuous mode with multiple reactors in series, using kinetic models from literature. The model for each component of interest was developed through transient mass balance on the reactor. The system of ordinary differential equations, resulting from the dynamic model, was integrated by the Runge-Kutta method of 4th order in Matlab® software. The estimation of kinetics parameters was performed by nonlinear optimization of an objective function by Nelder and Mead Simplex method. Two optimization strategies were adopted for the batch process: in the first strategy the µmax parameter is kept fixed and in the second this parameter is estimated. Six different kinetic models were tested. The estimated parameters were sensitive to small changes in experimental data set, moreover, the estimation of the parameter µmax had a strong positive influence on some models. The models Ghose and Tyagi (1979), Jin et al. (1981) and Tosetto (2002) showed the best performance in predicting the behavior of the concentration of the components in the reactor. The parameters of five kinetic models were estimated in the continuous process. The models that consider inhibition by product were better than those without this type of inhibition.O etanol se destaca, em relação aos combustíveis fósseis, devido aos seus benefícios econômicos e ambientais. No Brasil, segundo maior produtor mundial, praticamente toda a produção de etanol é proveniente da fermentação da sacarose (presente na cana-de-açúcar). Melhorias no processo de fermentação para a produção do etanol poderiam torná-lo ainda mais competitivo. Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo desenvolver um modelo para um processo de fermentação em batelada da literatura e um processo industrial real, que opera de modo contínuo com múltiplos reatores em série, utilizando modelos cinéticos já apresentados na literatura. A equação para cada componente de interesse em cada reator foi desenvolvido por meio do balanço de massa em estado transiente. O sistema de equações diferenciais ordinárias, resultante do modelo dinâmico foi integrado pelo método de Runge-Kutta de 4ª ordem do software Matlab® . A estimação dos parâmetros cinéticos foi realizada por meio da otimização não linear de uma função objetivo pelo método Simplex Nelder e Mead. No processo em batelada duas estratégias de otimização foram adotadas: na primeira estratégia o parâmetro µmax é mantido fixo e na segunda o parâmetro é estimado. Seis diferentes modelos cinéticos foram testados. A estimativa dos parâmetros foi sensível a pequenas alterações no conjunto de dados experimentais, além disso, a estimação do parâmetro µmax teve uma forte influência positiva sobre alguns modelos. Os modelos Ghose e Tyagi (1979), Jin et al. (1981) e Tosetto (2002) foram os que apresentaram um melhor desempenho em predizer o comportamento da concentração dos componentes no reator. No processo contínuo foram estimados os parâmetros de cinco modelos cinéticos. Os modelos que consideram inibição por produto tiveram um desempenho superior aos que não consideram esse tipo de inibição.Texthttp://repositorio.ufes.br/handle/10/7826porUniversidade Federal do Espírito SantoMestrado em Engenharia QuímicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaUFESBRFermentationParameter estimationNonlinear optimizationEstimação de parâmetrosOtimização não linearFermentaçãoÁlcoolEngenharia Química66.0Modelagem e simulação da fermentação alcoólica em batelada e contínua com múltiplos reatores em sérieinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)instname:Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)instacron:UFESORIGINALtese_8855_DISSERTAÇÃO.pdfapplication/pdf3443982http://repositorio.ufes.br/bitstreams/1f4b06e2-005d-4709-b282-39300cb43ae0/download08ffd91def38d9dca30ed76cdade8957MD5110/78262024-06-24 08:59:46.761oai:repositorio.ufes.br:10/7826http://repositorio.ufes.brRepositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufes.br/oai/requestopendoar:21082024-07-11T14:37:43.842169Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes) - Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)false
dc.title.none.fl_str_mv Modelagem e simulação da fermentação alcoólica em batelada e contínua com múltiplos reatores em série
title Modelagem e simulação da fermentação alcoólica em batelada e contínua com múltiplos reatores em série
spellingShingle Modelagem e simulação da fermentação alcoólica em batelada e contínua com múltiplos reatores em série
Zanardi, Mayara dos Santos
Fermentation
Parameter estimation
Nonlinear optimization
Estimação de parâmetros
Otimização não linear
Engenharia Química
Fermentação
Álcool
66.0
title_short Modelagem e simulação da fermentação alcoólica em batelada e contínua com múltiplos reatores em série
title_full Modelagem e simulação da fermentação alcoólica em batelada e contínua com múltiplos reatores em série
title_fullStr Modelagem e simulação da fermentação alcoólica em batelada e contínua com múltiplos reatores em série
title_full_unstemmed Modelagem e simulação da fermentação alcoólica em batelada e contínua com múltiplos reatores em série
title_sort Modelagem e simulação da fermentação alcoólica em batelada e contínua com múltiplos reatores em série
author Zanardi, Mayara dos Santos
author_facet Zanardi, Mayara dos Santos
author_role author
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Costa Junior, Esly Ferreira da
dc.contributor.author.fl_str_mv Zanardi, Mayara dos Santos
dc.contributor.referee1.fl_str_mv Carvalho, Raquel Vieira de
dc.contributor.referee2.fl_str_mv Costa, Andréa Oliveira Souza da
contributor_str_mv Costa Junior, Esly Ferreira da
Carvalho, Raquel Vieira de
Costa, Andréa Oliveira Souza da
dc.subject.eng.fl_str_mv Fermentation
Parameter estimation
Nonlinear optimization
topic Fermentation
Parameter estimation
Nonlinear optimization
Estimação de parâmetros
Otimização não linear
Engenharia Química
Fermentação
Álcool
66.0
dc.subject.por.fl_str_mv Estimação de parâmetros
Otimização não linear
dc.subject.cnpq.fl_str_mv Engenharia Química
dc.subject.br-rjbn.none.fl_str_mv Fermentação
Álcool
dc.subject.udc.none.fl_str_mv 66.0
description Ethanol stands out, compared to fossil fuels, because of its economic and environmental benefits. In Brazil, the second largest world producer, practically all ethanol production is obtained from the fermentation of saccharose (present in sugarcane). Improvements in the fermentation process for ethanol production could make it more competitive. In this context, this study has for objective develop a model for batch fermentation process of literature and a real industrial process that operates in a continuous mode with multiple reactors in series, using kinetic models from literature. The model for each component of interest was developed through transient mass balance on the reactor. The system of ordinary differential equations, resulting from the dynamic model, was integrated by the Runge-Kutta method of 4th order in Matlab® software. The estimation of kinetics parameters was performed by nonlinear optimization of an objective function by Nelder and Mead Simplex method. Two optimization strategies were adopted for the batch process: in the first strategy the µmax parameter is kept fixed and in the second this parameter is estimated. Six different kinetic models were tested. The estimated parameters were sensitive to small changes in experimental data set, moreover, the estimation of the parameter µmax had a strong positive influence on some models. The models Ghose and Tyagi (1979), Jin et al. (1981) and Tosetto (2002) showed the best performance in predicting the behavior of the concentration of the components in the reactor. The parameters of five kinetic models were estimated in the continuous process. The models that consider inhibition by product were better than those without this type of inhibition.
publishDate 2016
dc.date.issued.fl_str_mv 2016-02-26
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2018-08-01T22:57:14Z
dc.date.available.fl_str_mv 2018-08-01
2018-08-01T22:57:14Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://repositorio.ufes.br/handle/10/7826
url http://repositorio.ufes.br/handle/10/7826
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv Text
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal do Espírito Santo
Mestrado em Engenharia Química
dc.publisher.program.fl_str_mv Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
dc.publisher.initials.fl_str_mv UFES
dc.publisher.country.fl_str_mv BR
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal do Espírito Santo
Mestrado em Engenharia Química
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)
instname:Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)
instacron:UFES
instname_str Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)
instacron_str UFES
institution UFES
reponame_str Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)
collection Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)
bitstream.url.fl_str_mv http://repositorio.ufes.br/bitstreams/1f4b06e2-005d-4709-b282-39300cb43ae0/download
bitstream.checksum.fl_str_mv 08ffd91def38d9dca30ed76cdade8957
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes) - Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1813022622355554304