Análise exergética e o uso eficiente de recursos em processos biotecnológicos : modelagem e otimização de variáveis de processo

• Autor(a) principal: Suzimara Reis da Silva
• Data de Publicação: 2021
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/44979
• topic: Análise exergética; Processos biotecnológicos; Otimização; Engenharia química; Biotecnologia; Exergia (Termodinâmica); Otimização matemática

A análise exergética é uma ferramenta útil para avaliar a sustentabilidade de processos biotecnológicos. A aplicação da análise exergética como estratégia para o estudo e seleção das variáveis de processo é ainda pouco explorada no campo da biotecnologia. O conhecimento da exergia química padrão dos compostos envolvidos no sistema estudado é, normalmente, necessário para a análise. No entanto, o cálculo desta propriedade termodinâmica, em muitos casos, não é trivial, uma vez que ainda existe um número limitado de dados disponíveis na literatura para biocompostos. Diante disso, esta tese apresenta uma proposta para tomada de decisão de condições operacionais de biorreatores baseada em exergia. Inicialmente, foi realizada uma análise dos modelos de predição de exergia química padrão comumente aplicados em estudos de análise exergética. Esta análise foi dividida em três etapas. A primeira etapa teve como objetivo realizar um levantamento bibliográfico sobre as metodologias de predição das propriedades comumente empregadas para compostos de relevância biotecnológica. Com base no levantamento bibliográfico, foi identificado a carência de metodologias específicas para estimativa de exergia química padrão, levando ao uso de métodos alternativos de cálculo. Na segunda etapa, os modelos mais promissores de predição aplicados à biocompostos foram investigados mais detalhadamente. O desempenho da predição foi avaliado para modelos baseados no método de contribuição de grupo (CG) e para uma correlação semi-empírica que considera a combustão completa do composto em questão e banco de dados empíricos. Na terceira etapa, foram propostos modelos para predição de exergia química específica para compostos orgânicos puros e macromoléculas de relevância biotecnológica. Finalmente, foi realizada a análise exergética do processo de produção de xilitol como estratégia para a tomada de decisão de condições operacionais do biorreator mais produtivas e sustentáveis. Os resultados obtidos mostraram que o método baseado em CG apresentou melhor desempenho estatístico, apresentando um ajuste de R² igual a 0,98, erro absoluto médio de 0,56 MJ/kg e erro relativo médio de 4,21%. O modelo proposto para a estimativa da propriedade apresentou valores de R² e erro relativo médio de 99,41% e 2,30%, respectivamente. Com relação à análise exergética, a metodologia proposta mostrou ser uma ferramenta útil para o desenvolvimento de sistemas fermentativos para a produção de xilitol sob o ponto de sustentabilidade.