Modelo de inferência para a determinação da umidade do leito de um biorreator piloto de fermentação no estado sólido
| Ano de defesa: | 2007 |
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Luz Junior, Luiz Fernando de Lima, 1966-Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPEMitchell, David Alexander, 1952-Barga, Marcelo Calide2025-01-20T14:07:54Z2025-01-20T14:07:54Z2007https://hdl.handle.net/1884/15782Orientador: David Alexander MitchellCoorientador: Luiz Fernando Lima Luz JrDissertaçao (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduaçao em Engenharia - PIPE. Defesa: Curitiba, 2007Inclui bibliografia e anexosÁrea de concentração: Engenharia de Processos Térmicos e QuímicosResumo: O processo de fermentação no estado sólido (FES) tem sido usado como uma técnica em potencial para produzir alguns compostos microbianos com mais eficiência do que a fermentação submersa (FS). Por exemplo, em FES, a produção de esporos é mais elevada, os esporos são também mais infecciosos do que os esporos produzidos por FS e podem ser usados como biopesticidas. Entretanto, poucos processos foram estudados e aplicados industrialmente devido a problemas de otimização e controle. Este processo apresenta muitos problemas do controle tais como a dificuldade de controlar a temperatura e a umidade do leito de um biorreator piloto de FES. Conseqüentemente, para superar o aumento da temperatura em biorreatores em grande escala, pode ser aplicado o resfriamento evaporativo devido à remoção limitada do calor o que resulta em grandes perdas de umidade. Para manter a umidade necessária no leito, a umidade dos sólidos deve ser monitorada continuamente on-line para a adição de uma quantidade de água necessária para fornecer condições ótimas de crescimento. Embora, é difícil e caro ter uma medida on-line da umidade do leito. Então, este trabalho consistiu desenvolver um modelo dinâmico indireto que usasse a equação de balanço de massa e de energia para estimar a umidade do leito de um biorreator de escala piloto com aeração forçada e agitação intermitente a partir das temperaturas monitoradas on-line da fase sólida e da fase gasosa. Para utilização deste modelo, foi necessário determinar as propriedades dos substratos, consistindo em soja ou trigo moído, os quais foram utilizados em cada experimento de cultivo do fungo Rhizopus oryzae. As isotermas dos substratos usados nos experimentos foram ajustadas para diferentes temperaturas e a influência do conteúdo de biomassa não foi considerada. O modelo considera que ocorre equilíbrio da atividade de água e temperatura entre o ar interpartícula e as partículas do substrato dentro do leito, com a saturação da fase gasosa. Para os experimentos de cultivo do microrganismo em soja, foram obtidas correlações em relação as umidades previstas pelo modelo de aproximadamente 0,19 para a base do leito, 0,85 para o meio do leito. Nos experimentos utilizando trigo moído como substrato, a correlação entre as umidades experimentais e as obtidas a partir do modelo foi próxima a 0,40 para a base e topo do leito e de 0,82 para o meio do leito. Para os experimentos, o modelo superestimou as perdas de água. Durante as fases iniciais de cultivo o erro em relação às estimativas era menor e com erros maiores nos últimos estágios da fermentação, geralmente após misturar o leito. A suposição da saturação da fase gasosa ao longo do leito assumida pelo modelo não está completamente correta. Finalmente, este modelo pode ser utilizado na estimativa indireta da umidade do leito, mas deve ser validado com outros experimentos através do monitoramento das variáveis respirométricas que também são previstas pelo modelo. Algumas considerações feitas pelo modelo proposto devem ser revistas, como a saturação do leito, mas o método de inferência para a umidade do leito deve ser considerado como uma forma de estimar as variáveis-chaves do processo que não possuem sensores para um monitoramento on-line confiáveis.Abstract: Solid state fermentation (SSF) process has been used as a potential technique to produce some microbial compounds with more efficiency than submerged fermentation (SF). For example, the production in SSF is higher and the spores are also more virulent than SF and can be used as biopesticides. However, few processes have been studied and applied industrially because of optimization and control problems. Actually, this process has many control problems such as the difficulty of controlling the bed temperature and the moisture content of a pilot solid state bioreactor. Therefore, to overcome the increase of the temperature in large-scale solid state bioreactors, evaporative cooling has to be applied due to the limited heat removal andresults in large moisture losses. To maintain the necessary water in the bed, the moisture content of the solids must be monitored continuously on-line for the addition of an amount of necessary water to give optimal conditions of growth. Although, it is difficult and expensive to measure the bed moisture content on-line. So, this work consisted to develop an indirect dynamic measurement model that used equation of mass and energy balances to estimate the moisture content of the bed of a pilot-scale bioreactor with forced aeration and intermittent agitation by the on-line monitored temperatures of solid and gas phase. In order to use this model, was necessary to determine the properties of the substrates, consisting by soybeans or grinded wheat grains, which were used in each experiment of cultivation of the fungi Rhizopus oryzae. The isotherms of the substrates used in the experiments were adjusted for different temperatures and didn't include the influence of biomass content. The model assumed the water activity and thermal equilibrium between the inter-particle air and the solid substrate particles within the bed, with the saturation of the gas phase. For the experimentswhich consisted the growth of the microorganism on soybeans, was obtained a correlation of 0,19 for the bottom of the bed and 0,85 for the middle of the bed, between the moisture content of the bed and the moisture content predicted by the model. For the experiments which used wheat grains as substrate, the correlation between the moisture content of the bed and the moisture predicted by the model was 0,40 for the bottom of the bed and 0,82 for the middle of the bed. For these experiments, the model overestimated the water losses. During latter phases the estimation error was smaller and increased in the earlier stages of the fermentation, generally after the mixing event. The assumption of the saturation of the gas phase along the bed was not completely correct. Finally, this model cam be used in the indirect estimation of bed moisture, but the model must be validated with other experiments and by monitoring the respirometric variables that is also predicted by the model. Some considerations used by the model must be revised, as the saturation of the bed, but the method of indirect measurement of the bed moisture must be considered as an alternative to estimate the key variables of the process that don’t have sensors for adequate on-line measurement.xiii, 145f. : il. [algumas color.], grafs., tabs ; 30cm.application/pdfDisponível em formato digitalBioreatoresFermentaçãoEngenharia de Materiais e MetalurgiaFermentação no estado sólidoModelo de inferência para a determinação da umidade do leito de um biorreator piloto de fermentação no estado sólidoinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALDISSERTAÇÃO COMPLETA_FINAL.pdfapplication/pdf1774635https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/15782/1/DISSERTA%c3%87%c3%83O%20COMPLETA_FINAL.pdfa4215a08b0cf312946b924b5549bd074MD51open accessTEXTDISSERTAÇÃO COMPLETA_FINAL.pdf.txtExtracted Texttext/plain252036https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/15782/2/DISSERTA%c3%87%c3%83O%20COMPLETA_FINAL.pdf.txt0f44d65fc31187b267160f94172e1f49MD52open accessTHUMBNAILDISSERTAÇÃO COMPLETA_FINAL.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1274https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/15782/3/DISSERTA%c3%87%c3%83O%20COMPLETA_FINAL.pdf.jpgdc420be046f47c3ed844a5fd7b0c801aMD53open access1884/157822025-01-20 11:07:54.608open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/15782Repositório InstitucionalPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestinformacaodigital@ufpr.bropendoar:3082025-01-20T14:07:54Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false |
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