Construção de modelos matemáticos para processos fermentativos – avaliação de efeitos das condições de cultivo
| Ano de defesa: | 2019 |
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| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
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| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal de Santa Maria
Brasil Engenharia Química UFSM Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química Centro de Tecnologia |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
|
| Departamento: |
Não Informado pela instituição
|
| País: |
Não Informado pela instituição
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | http://repositorio.ufsm.br/handle/1/19696 |
Resumo: | The mathematical modeling of fermentative processes is presented as a tool for improving and understanding of such processes, which has the main objective to predict predicting the dynamics of the process. Besides, the models allow organizing the information about the process in a simultaneously and organized way. However, there is a lack of specific models to describe and predict fermentations through the various modifications made to enhance the process performance. In the present work, the modeling and simulation of 4 case studies (3 of them from previous works) were developed and analyzed to predict the growth of microorganisms when culture conditions influence part of the process. For this purpose, the influence of the application of the magnetic field and the illuminance on the growth of the microalgae Spirulina sp. was evaluated. For the Saccharomyces cerevisae yeast, the influence of the application of magnetic field, agitation and aeration on its growth, substrate consumption and, glutathione yields were evaluated and, for yeast Phaffia rhodozyma cultivated without the influence from external factors, its growth, substrate consumption, and carotenoid yield was evaluated. The estimation of the parameters of the model equations was performed by a hybrid combination of the optimization particle swarm and the nonlinear least-squares algorithm. Experimental data were used to validate the models and demonstrate their accuracy and reliability. The growth model of Spirulina sp., which takes into account the influence of the magnetic field and illuminance, presented a higher predictive power when compared to the Verhulst model, presenting the best fit for the growth curve of this microorganism. The use of artificial neural networks to predict Saccharomyces cerevisae growth by application of the magnetic field, the agitation and the aeration showed a high capacity of predicting the experimental data, being able to entirely evaluate the influence of these variables in the process. The proposed model to evaluate the interaction between the microorganism and the substrate proved to be effective to predict and describe the substrate consumption for submerged fermentation, when compared to the Pirt equation, demonstrating that the microorganism/substrate interaction needs investigation. Phaffia rhodozyma yeast growth as well as substrate consumption were better described and predicted using the Contois equation and the proposed model for substrate consumption, respectively. Models for bioproducts such as carotenoids produced by Phaffia rhodozyma need further study to improve their predictive capacity. Further, the results also demonstrated that the development of models that consider the effects of culture conditions is of utmost importance to describe more accurately the real processes. |
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Construção de modelos matemáticos para processos fermentativos – avaliação de efeitos das condições de cultivoConstruction of mathematical models for fermentative processes - evaluation of culture conditions effectsModelagemMicroalgaLeveduraCarotenoidesCondições de cultivoEstimação de parâmetrosModelingMicroalgaeYeastCarotenoidsCulture conditionsParameter estimationCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICAThe mathematical modeling of fermentative processes is presented as a tool for improving and understanding of such processes, which has the main objective to predict predicting the dynamics of the process. Besides, the models allow organizing the information about the process in a simultaneously and organized way. However, there is a lack of specific models to describe and predict fermentations through the various modifications made to enhance the process performance. In the present work, the modeling and simulation of 4 case studies (3 of them from previous works) were developed and analyzed to predict the growth of microorganisms when culture conditions influence part of the process. For this purpose, the influence of the application of the magnetic field and the illuminance on the growth of the microalgae Spirulina sp. was evaluated. For the Saccharomyces cerevisae yeast, the influence of the application of magnetic field, agitation and aeration on its growth, substrate consumption and, glutathione yields were evaluated and, for yeast Phaffia rhodozyma cultivated without the influence from external factors, its growth, substrate consumption, and carotenoid yield was evaluated. The estimation of the parameters of the model equations was performed by a hybrid combination of the optimization particle swarm and the nonlinear least-squares algorithm. Experimental data were used to validate the models and demonstrate their accuracy and reliability. The growth model of Spirulina sp., which takes into account the influence of the magnetic field and illuminance, presented a higher predictive power when compared to the Verhulst model, presenting the best fit for the growth curve of this microorganism. The use of artificial neural networks to predict Saccharomyces cerevisae growth by application of the magnetic field, the agitation and the aeration showed a high capacity of predicting the experimental data, being able to entirely evaluate the influence of these variables in the process. The proposed model to evaluate the interaction between the microorganism and the substrate proved to be effective to predict and describe the substrate consumption for submerged fermentation, when compared to the Pirt equation, demonstrating that the microorganism/substrate interaction needs investigation. Phaffia rhodozyma yeast growth as well as substrate consumption were better described and predicted using the Contois equation and the proposed model for substrate consumption, respectively. Models for bioproducts such as carotenoids produced by Phaffia rhodozyma need further study to improve their predictive capacity. Further, the results also demonstrated that the development of models that consider the effects of culture conditions is of utmost importance to describe more accurately the real processes.A modelagem matemática de processos fermentativos apresenta-se como uma ferramenta de melhoria e auxílio no entendimento de tais processos, tendo por objetivo fundamental a predição da dinâmica do processo. Além disso, os modelos permitem organizar as informações a respeito do processo em conjunto e de forma coerente. Entretanto, há uma escassez de modelos específicos para descrever e predizer fermentações mediante as diversas modificações realizadas para melhorar a performance do processo. No presente trabalho, a modelagem e a simulação de 4 estudos de caso (sendo 3 de trabalhos anteriores) foram desenvolvidas e analisadas para predizer o crescimento de microrganismos quando as condições de cultivo influenciaram parte do processo. Para isso, avaliou-se a influência da aplicação de campo magnético e iluminância no crescimento da microalga Spirulina sp., para a levedura Saccharomyces cerevisae avaliou-se a influência da aplicação de campo magnético, agitação e aeração em seu crescimento, consumo de substrato e obtenção de glutationa e, para a levedura Phaffia rhodozyma cultivada sem influência de fatores externos, avaliou-se seu crescimento, consumo de substrato e obtenção de carotenoides. A estimação dos parâmetros das equações dos modelos foi realizada por meio de combinação híbrida de otimização por enxame de partículas e algoritmo de mínimos quadrados não-lineares. Foram utilizados dados experimentais para validar os modelos e demonstrar sua precisão e confiabilidade. Os resultados demonstraram que os modelos propostos apresentam maior poder de predição para os processos estudados, quando comparados com aqueles encontrados na literatura. O modelo para crescimento da Spirulina sp. que leva em consideração a influência de campo magnético e iluminância apresentou um maior poder de predição quando comparado ao modelo de Verhulst, apresentando os melhores ajustes para a curva de crescimento desse microrganismo. O uso de redes neuronais artificiais para a predição de crescimento de Saccharomyces cerevisae mediante aplicação de campo magnético, agitação e aeração, apresentou uma elevada capacidade para a predição dos dados experimentais, sendo capaz de avaliar a influência dessas variáveis no processo como um todo. O modelo proposto para avaliar a interação entre o microrganismo e o substrato mostrou-se mais eficaz para prever e descrever o consumo de substrato para fermentações submersas, quando comparado à equação de Pirt, demonstrando que a interação microrganismo/substrato necessita de investigação. O crescimento da levedura Phaffia rhodozyma, assim como o consumo de substrato, foram melhores descritos e preditos por meio da equação de Contois e do modelo proposto para o consumo de substrato, respectivamente. Modelos para obtenção de bioprodutos, como os carotenoides produzidos pela Phaffia rhodozyma necessitam de estudos mais aprofundados para melhorar a sua capacidade de predição. Além disso, demonstraram que o desenvolvimento de modelos que considerem os efeitos das condições de cultivo torna-se extremamente importante para descrever com maior fidelidade os processos reais.Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia QuímicaUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaCentro de TecnologiaSalau, Nina Paula Gonçalveshttp://lattes.cnpq.br/4234840503539989Kuhn, Raquel Cristinehttp://lattes.cnpq.br/1479407050883691Santos, Lucielen Oliveira doshttp://lattes.cnpq.br/6271055569087816Silveira, Christian Luiz dahttp://lattes.cnpq.br/4510031949451493Piazzi, Ana Carolina Ferreira2020-03-02T16:07:56Z2020-03-02T16:07:56Z2019-10-04info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/19696ark:/26339/001300000dpmmporAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2020-03-03T06:01:53Zoai:repositorio.ufsm.br:1/19696Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2020-03-03T06:01:53Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false |
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