Monitoramento em tempo real de processos fermentativos por espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS)
| Ano de defesa: | 2012 |
|---|---|
| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
BR UFRN Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química Pesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias Regionais |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
|
| Departamento: |
Não Informado pela instituição
|
| País: |
Não Informado pela instituição
|
| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/15824 |
Resumo: | A chemical process optimization and control is strongly correlated with the quantity of information can be obtained from the system. In biotechnological processes, where the transforming agent is a cell, many variables can interfere in the process, leading to changes in the microorganism metabolism and affecting the quantity and quality of final product. Therefore, the continuously monitoring of the variables that interfere in the bioprocess, is crucial to be able to act on certain variables of the system, keeping it under desirable operational conditions and control. In general, during a fermentation process, the analysis of important parameters such as substrate, product and cells concentration, is done off-line, requiring sampling, pretreatment and analytical procedures. Therefore, this steps require a significant run time and the use of high purity chemical reagents to be done. In order to implement a real time monitoring system for a benchtop bioreactor, these study was conducted in two steps: (i) The development of a software that presents a communication interface between bioreactor and computer based on data acquisition and process variables data recording, that are pH, temperature, dissolved oxygen, level, foam level, agitation frequency and the input setpoints of the operational parameters of the bioreactor control unit; (ii) The development of an analytical method using near-infrared spectroscopy (NIRS) in order to enable substrate, products and cells concentration monitoring during a fermentation process for ethanol production using the yeast Saccharomyces cerevisiae. Three fermentation runs were conducted (F1, F2 and F3) that were monitored by NIRS and subsequent sampling for analytical characterization. The data obtained were used for calibration and validation, where pre-treatments combined or not with smoothing filters were applied to spectrum data. The most satisfactory results were obtained when the calibration models were constructed from real samples of culture medium removed from the fermentation assays F1, F2 and F3, showing that the analytical method based on NIRS can be used as a fast and effective method to quantify cells, substrate and products concentration what enables the implementation of insitu real time monitoring of fermentation processes |
| id |
UFRN_6d5fccec4b1989c7b994978de4c9a20c |
|---|---|
| oai_identifier_str |
oai:repositorio.ufrn.br:123456789/15824 |
| network_acronym_str |
UFRN |
| network_name_str |
Repositório Institucional da UFRN |
| repository_id_str |
|
| spelling |
Monitoramento em tempo real de processos fermentativos por espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS)Real-time monitoring of fermentation processes by near infrared spectroscopy (NIRS)monitoramento em tempo realNIRSprocessos biotecnológicosNIRSreal-time monitoringalcoholic fermentationCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAA chemical process optimization and control is strongly correlated with the quantity of information can be obtained from the system. In biotechnological processes, where the transforming agent is a cell, many variables can interfere in the process, leading to changes in the microorganism metabolism and affecting the quantity and quality of final product. Therefore, the continuously monitoring of the variables that interfere in the bioprocess, is crucial to be able to act on certain variables of the system, keeping it under desirable operational conditions and control. In general, during a fermentation process, the analysis of important parameters such as substrate, product and cells concentration, is done off-line, requiring sampling, pretreatment and analytical procedures. Therefore, this steps require a significant run time and the use of high purity chemical reagents to be done. In order to implement a real time monitoring system for a benchtop bioreactor, these study was conducted in two steps: (i) The development of a software that presents a communication interface between bioreactor and computer based on data acquisition and process variables data recording, that are pH, temperature, dissolved oxygen, level, foam level, agitation frequency and the input setpoints of the operational parameters of the bioreactor control unit; (ii) The development of an analytical method using near-infrared spectroscopy (NIRS) in order to enable substrate, products and cells concentration monitoring during a fermentation process for ethanol production using the yeast Saccharomyces cerevisiae. Three fermentation runs were conducted (F1, F2 and F3) that were monitored by NIRS and subsequent sampling for analytical characterization. The data obtained were used for calibration and validation, where pre-treatments combined or not with smoothing filters were applied to spectrum data. The most satisfactory results were obtained when the calibration models were constructed from real samples of culture medium removed from the fermentation assays F1, F2 and F3, showing that the analytical method based on NIRS can be used as a fast and effective method to quantify cells, substrate and products concentration what enables the implementation of insitu real time monitoring of fermentation processesCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorA realização de otimização e controle de um processo químico está fortemente correlacionada ao quanto de informação é possível se obter dinamicamente do sistema. No caso particular dos processos biotecnológicos, como o agente transformador é um ser vivo, diversas variáveis podem interferir sobre o processo, conduzindo a mudanças no metabolismo dos microorganismos e, consequentemente, afetando a quantidade e qualidade do produto final. Desta forma, monitorar continuamente as variáveis que interferem nos processos biotecnológicos é de fundamental importância para que se possa atuar sobre certas variáveis do sistema, mantendo-o sob controle operacional e em condições desejadas. Em geral, durante um processo de fermentação, a análise de parâmetros importantes, tais como concentração de substrato, produtos e células, é feita de forma off-line, necessitando de amostragens, pré-tratamentos e procedimentos analíticos. Portanto, tais etapas demandam um tempo significativo para execução, além do uso de reagentes químicos com elevado grau de pureza. Com o objetivo de implementar um sistema de monitoramento em tempo real (on-line) para um biorreator em escala laboratorial, o presente trabalho foi realizado em duas etapas: (i) o desenvolvimento de um programa computacional com interface de comunicação entre o biorreator e o computador visando realizar a aquisição e registro de dados das variáveis monitoradas no processo, tais como: pH, temperatura, oxigênio dissolvido, nível de espuma e rotação do agitador, além da entrada de set-points dos parâmetros operacionais da unidade de controle do biorreator; (ii) o desenvolvimento de um método analítico quimiométrico utilizando espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS), visando promover o monitoramento em tempo real da concentração de substrato, produtos e células durante um processo fermentativo para produção de etanol, usando como microrganismo a levedura Saccharomyces cerevisae. Foram realizados três cultivos (F1, F2 e F3) nas mesmas condições de fermentação em biorreator, sendo as mesmas monitoradas utilizando o NIRS e realizando-se amostragem para posterior caracterização analítica. A partir dos dados obtidos, foram feitos testes para calibração e validação das informações obtidas com o NIRS, utilizando-se vários pré-tratamentos com a aplicação ou não de filtros de suavização de ruídos dos espectros. Os resultados mais satisfatórios foram obtidos quando os modelos de calibração foram construídos a partir de amostras reais do meio de cultivo retiradas dos ensaios de fermentação F1, F2 e F3, apresentando correlação linear superiores a 0,97 e reduzidos erros de predição quando comparados aos outros modelos de calibração obtidos. Os resultados mostram que o método analítico baseado no NIRS pode ser utilizado como um método rápido e eficaz para quantificar concentrações de células, substrato e produtos, permitindo a implementação do monitoramento em tempo real e in situ de processos fermentativosUniversidade Federal do Rio Grande do NorteBRUFRNPrograma de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaPesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias RegionaisOliveira, Jackson Araújo dehttp://lattes.cnpq.br/9261029993364342http://lattes.cnpq.br/5058617634570704Santos, Everaldo Silvino doshttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4799564Y2Macedo, Gorete Ribeiro dehttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4788057U7Santos, Alexandre FerreiraNascimento, Ruthinéia Jéssica Alves do2014-12-17T15:01:28Z2012-10-022014-12-17T15:01:28Z2012-02-08info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfapplication/pdfNASCIMENTO, Ruthinéia Jéssica Alves do. Real-time monitoring of fermentation processes by near infrared spectroscopy (NIRS). 2012. 145 f. Dissertação (Mestrado em Pesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias Regionais) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2012.https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/15824porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFRNinstname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)instacron:UFRN2017-11-02T07:17:50Zoai:repositorio.ufrn.br:123456789/15824Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufrn.br/oai/repositorio@bczm.ufrn.bropendoar:2017-11-02T07:17:50Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)false |
| dc.title.none.fl_str_mv |
Monitoramento em tempo real de processos fermentativos por espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) Real-time monitoring of fermentation processes by near infrared spectroscopy (NIRS) |
| title |
Monitoramento em tempo real de processos fermentativos por espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) |
| spellingShingle |
Monitoramento em tempo real de processos fermentativos por espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) Nascimento, Ruthinéia Jéssica Alves do monitoramento em tempo real NIRS processos biotecnológicos NIRS real-time monitoring alcoholic fermentation CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA |
| title_short |
Monitoramento em tempo real de processos fermentativos por espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) |
| title_full |
Monitoramento em tempo real de processos fermentativos por espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) |
| title_fullStr |
Monitoramento em tempo real de processos fermentativos por espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) |
| title_full_unstemmed |
Monitoramento em tempo real de processos fermentativos por espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) |
| title_sort |
Monitoramento em tempo real de processos fermentativos por espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) |
| author |
Nascimento, Ruthinéia Jéssica Alves do |
| author_facet |
Nascimento, Ruthinéia Jéssica Alves do |
| author_role |
author |
| dc.contributor.none.fl_str_mv |
Oliveira, Jackson Araújo de http://lattes.cnpq.br/9261029993364342 http://lattes.cnpq.br/5058617634570704 Santos, Everaldo Silvino dos http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4799564Y2 Macedo, Gorete Ribeiro de http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4788057U7 Santos, Alexandre Ferreira |
| dc.contributor.author.fl_str_mv |
Nascimento, Ruthinéia Jéssica Alves do |
| dc.subject.por.fl_str_mv |
monitoramento em tempo real NIRS processos biotecnológicos NIRS real-time monitoring alcoholic fermentation CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA |
| topic |
monitoramento em tempo real NIRS processos biotecnológicos NIRS real-time monitoring alcoholic fermentation CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA |
| description |
A chemical process optimization and control is strongly correlated with the quantity of information can be obtained from the system. In biotechnological processes, where the transforming agent is a cell, many variables can interfere in the process, leading to changes in the microorganism metabolism and affecting the quantity and quality of final product. Therefore, the continuously monitoring of the variables that interfere in the bioprocess, is crucial to be able to act on certain variables of the system, keeping it under desirable operational conditions and control. In general, during a fermentation process, the analysis of important parameters such as substrate, product and cells concentration, is done off-line, requiring sampling, pretreatment and analytical procedures. Therefore, this steps require a significant run time and the use of high purity chemical reagents to be done. In order to implement a real time monitoring system for a benchtop bioreactor, these study was conducted in two steps: (i) The development of a software that presents a communication interface between bioreactor and computer based on data acquisition and process variables data recording, that are pH, temperature, dissolved oxygen, level, foam level, agitation frequency and the input setpoints of the operational parameters of the bioreactor control unit; (ii) The development of an analytical method using near-infrared spectroscopy (NIRS) in order to enable substrate, products and cells concentration monitoring during a fermentation process for ethanol production using the yeast Saccharomyces cerevisiae. Three fermentation runs were conducted (F1, F2 and F3) that were monitored by NIRS and subsequent sampling for analytical characterization. The data obtained were used for calibration and validation, where pre-treatments combined or not with smoothing filters were applied to spectrum data. The most satisfactory results were obtained when the calibration models were constructed from real samples of culture medium removed from the fermentation assays F1, F2 and F3, showing that the analytical method based on NIRS can be used as a fast and effective method to quantify cells, substrate and products concentration what enables the implementation of insitu real time monitoring of fermentation processes |
| publishDate |
2012 |
| dc.date.none.fl_str_mv |
2012-10-02 2012-02-08 2014-12-17T15:01:28Z 2014-12-17T15:01:28Z |
| 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 |
NASCIMENTO, Ruthinéia Jéssica Alves do. Real-time monitoring of fermentation processes by near infrared spectroscopy (NIRS). 2012. 145 f. Dissertação (Mestrado em Pesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias Regionais) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2012. https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/15824 |
| identifier_str_mv |
NASCIMENTO, Ruthinéia Jéssica Alves do. Real-time monitoring of fermentation processes by near infrared spectroscopy (NIRS). 2012. 145 f. Dissertação (Mestrado em Pesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias Regionais) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2012. |
| url |
https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/15824 |
| 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 |
application/pdf application/pdf |
| dc.publisher.none.fl_str_mv |
Universidade Federal do Rio Grande do Norte BR UFRN Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química Pesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias Regionais |
| publisher.none.fl_str_mv |
Universidade Federal do Rio Grande do Norte BR UFRN Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química Pesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias Regionais |
| dc.source.none.fl_str_mv |
reponame:Repositório Institucional da UFRN instname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) instacron:UFRN |
| instname_str |
Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) |
| instacron_str |
UFRN |
| institution |
UFRN |
| reponame_str |
Repositório Institucional da UFRN |
| collection |
Repositório Institucional da UFRN |
| repository.name.fl_str_mv |
Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) |
| repository.mail.fl_str_mv |
repositorio@bczm.ufrn.br |
| _version_ |
1855758812417359872 |