Inteligência computacional aplicada à modelagem matemática da produção de biossurfactantes por esterificação de ácidos graxos com açúcares
| Ano de defesa: | 2024 |
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| Tipo de documento: | Dissertação |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
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Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos |
| Programa de Pós-Graduação: |
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
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| Link de acesso: | https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/19903 |
Resumo: | Because of increasing demand of biosurfactants, which are more environmentally friendly than to surfactants derived from non-renewable raw materials, there is a growing need for studies proposing new processes for their production or aiming at the optimization of existing processes. In this context, the mathematical modeling of enzymatic reactors for the esterification of fatty acids with sugars in the production of biosurfactants has been a useful tool for studying and optimizing the process. In particular, artificial neural networks and fuzzy systems emerge as promising methods for developing models for those process. Thus, this work aimed at the development of hybrid-neural models and a fuzzy model for enzymatic esterification reactors associated with biosurfactant production. In the case of artificial neural networks application, the coupling of networks to reactor mass balances was considered in hybrid models to infer reactant concentrations over time. To achieve this, the classical Runge-Kutta method was employed for the integration of the material balance differential equations. Computationally, an algorithm was constructed incorporating material balances, neural reaction rates, and step-by-step numerical integration. In the case of applying fuzzy logic for modeling and optimizing the conversion of fatty acid esterification with sugars, in function of operational process parameters (such as time, temperature, molar ratio of substrates), a study was conducted based on an available set of experimental data. The aim was to compare the prediction of optimal operational conditions provided by the fuzzy model with those derived from the classical response surface methodology. All computational development was carried out using the Matlab software. In the application of hybrid-neural models, neural networks were able to predict the kinetic behavior of the xylose esterification process in biosurfactant synthesis by applying them to reactor mass balances, obtaining R2 values above 0.94, indicating a good predictive capacity. The trained fuzzy models were able to simulate the relationships between input variables and the output variable, enabling the construction of various response surface combinations and estimating the optimal operational condition at 55°C, RMS of 0:0.2, enzyme loading of 37.5 U/g, and 60 hours of reaction. The same condition was obtained when applying the particle swarm optimization algorithm, consistent with results from similar studies. Thus, this study demonstrated the capability of computational intelligence in modeling, simulation, and optimization of biosurfactant synthesis. |
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Tonetti, Lorenzo GiovanniSousa Júnior, Ruy dehttp://lattes.cnpq.br/1983482879541203http://lattes.cnpq.br/31849212906901652024-07-11T16:55:05Z2024-07-11T16:55:05Z2024-02-16TONETTI, Lorenzo Giovanni. Inteligência computacional aplicada à modelagem matemática da produção de biossurfactantes por esterificação de ácidos graxos com açúcares. 2024. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2024. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/19903.https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/19903Because of increasing demand of biosurfactants, which are more environmentally friendly than to surfactants derived from non-renewable raw materials, there is a growing need for studies proposing new processes for their production or aiming at the optimization of existing processes. In this context, the mathematical modeling of enzymatic reactors for the esterification of fatty acids with sugars in the production of biosurfactants has been a useful tool for studying and optimizing the process. In particular, artificial neural networks and fuzzy systems emerge as promising methods for developing models for those process. Thus, this work aimed at the development of hybrid-neural models and a fuzzy model for enzymatic esterification reactors associated with biosurfactant production. In the case of artificial neural networks application, the coupling of networks to reactor mass balances was considered in hybrid models to infer reactant concentrations over time. To achieve this, the classical Runge-Kutta method was employed for the integration of the material balance differential equations. Computationally, an algorithm was constructed incorporating material balances, neural reaction rates, and step-by-step numerical integration. In the case of applying fuzzy logic for modeling and optimizing the conversion of fatty acid esterification with sugars, in function of operational process parameters (such as time, temperature, molar ratio of substrates), a study was conducted based on an available set of experimental data. The aim was to compare the prediction of optimal operational conditions provided by the fuzzy model with those derived from the classical response surface methodology. All computational development was carried out using the Matlab software. In the application of hybrid-neural models, neural networks were able to predict the kinetic behavior of the xylose esterification process in biosurfactant synthesis by applying them to reactor mass balances, obtaining R2 values above 0.94, indicating a good predictive capacity. The trained fuzzy models were able to simulate the relationships between input variables and the output variable, enabling the construction of various response surface combinations and estimating the optimal operational condition at 55°C, RMS of 0:0.2, enzyme loading of 37.5 U/g, and 60 hours of reaction. The same condition was obtained when applying the particle swarm optimization algorithm, consistent with results from similar studies. Thus, this study demonstrated the capability of computational intelligence in modeling, simulation, and optimization of biosurfactant synthesis.Devido à crescente demanda por biossurfactantes, os quais são alternativas ecologicamente mais corretas em relação aos surfactantes oriundos de matérias-primas não-renováveis, há uma crescente necessidade por estudos que proponham novos processos para a produção dos mesmos ou que visem à otimização dos processos já existentes. Nesse contexto, a modelagem matemática dos reatores enzimáticos de esterificação de ácidos graxos com açúcares para a produção de biossurfactantes tem se mostrado uma ferramenta útil para o estudo e a otimização do processo. Em particular, as redes neurais artificiais e sistemas nebulosos (ou fuzzy) surgem como métodos promissores para o desenvolvimento de modelos para o processo citado. Assim, este trabalho visou ao desenvolvimento de modelos híbridos-neurais e de um modelo fuzzy para reatores enzimáticos de esterificação associados à produção de biossurfactantes. No caso da aplicação de redes neurais artificiais, foi considerado o acoplamento das redes a balanços de massa de reator, em modelos híbridos, para inferir as concentrações dos reagentes ao longo do tempo. Para isso, o método clássico de Runge-Kutta pôde ser usado para a integração das equações diferenciaisdos balanços materiais. Computacionalmente, construiu-se um algoritmo incorporando balanços materiais, velocidades de reação neurais e integração numérica passo a passo. Já no caso da aplicação da lógica fuzzy para modelagem e otimização da conversão da esterificação de ácidos graxos com açúcares, em função de parâmetros operacionais de processo (como tempo, temperatura, razão molar de substratos), procedeu-se a um estudo embasado em um conjunto de dados experimentais, já disponíveis, visando à comparação da previsão de condições operacionais ótimas fornecidas pelo modelo fuzzy com aquelas provenientes da metodologia clássica de superfícies de respostas obtidas por modelos de regressões não-lineares. Todo o desenvolvimento computacional foi realizado no software Matlab. Na aplicação dos modelos híbridos-neurais, as redes neurais foram capazes de prever o comportamento do processo de esterificação de xilose em síntese de biossurfactantes, ao aplicá-las em balanços de massa de reatores, obtendo valores de R2 acima de 0,94, indicando boa capacidade de predição. Os modelos fuzzy treinados foram capazes de simular as relações entre as variáveis de entrada sobre a variável de saída, permitindo a construção de diversas combinações de superfícies de respostas e a estimativa da condição operacional ótima de 55oC, RMS de 0:0,2, carga enzimática de 37,5 U/g e com tempo de reação maior ou igual a 60 horas, sendo que a mesma condição foi obtida ao aplicar o algoritmo particle swarm optimization, estando condizente com resultados obtidos por estudos prévios. Dessa forma, o presente trabalho demonstrou a eficácia do uso de inteligência computacional na modelagem, simulação e otimização da síntese de biossurfactantes.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessBiossurfactantesRedes neurais artificiaisLógica fuzzyANFISBiosurfactantArtificial neural networksFuzzy logicENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICAInteligência computacional aplicada à modelagem matemática da produção de biossurfactantes por esterificação de ácidos graxos com açúcaresComputacional intelligence applied to mathematical modeling of biosurfactant production by esterification of fatty acids with sugarsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARTEXTInteligência Computacional Aplicada à Modelagem Matemática da Produção de Biossurfactantes por Esterficação de Ácidos Graxos com Açúcares - Lorenzo Tonetti.pdf.txtInteligência Computacional Aplicada à Modelagem Matemática da Produção de Biossurfactantes por Esterficação de Ácidos Graxos com Açúcares - Lorenzo Tonetti.pdf.txtExtracted texttext/plain103190https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/7a028953-37a2-4f4e-b5fb-cdb6492d8a2e/download1c098058843042126a5728dd5823d859MD53falseAnonymousREADTHUMBNAILInteligência Computacional Aplicada à Modelagem Matemática da Produção de Biossurfactantes por Esterficação de Ácidos Graxos com Açúcares - Lorenzo Tonetti.pdf.jpgInteligência Computacional Aplicada à Modelagem Matemática da Produção de Biossurfactantes por Esterficação de Ácidos Graxos com Açúcares - Lorenzo Tonetti.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg5030https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/b518eced-67d7-4e53-a039-6a595782803a/download84f076f393b5f946faffd8cd2dc4991dMD54falseAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8913https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/8f438d6b-4743-4e3f-a48d-71bd8583098a/download3185b4de2190c2d366d1d324db01f8b8MD52falseAnonymousREADORIGINALInteligência Computacional Aplicada à Modelagem Matemática da Produção de Biossurfactantes por Esterficação de Ácidos Graxos com Açúcares - Lorenzo Tonetti.pdfInteligência Computacional Aplicada à Modelagem Matemática da Produção de Biossurfactantes por Esterficação de Ácidos Graxos com Açúcares - Lorenzo Tonetti.pdfDissertação de mestradoapplication/pdf3921215https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/c22b0e6b-c574-42fe-9057-94a40276ee02/downloada668c85d575ccf08c19e1721a46cececMD51trueAnonymousREAD20.500.14289/199032025-02-06 02:16:51.279http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/Attribution 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/19903https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T05:16:51Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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