Construção de modelos matemáticos para processos fermentativos – avaliação de efeitos das condições de cultivo

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2019
Autor(a) principal: Piazzi, Ana Carolina Ferreira
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
dARK ID: ark:/26339/001300000dpmm
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
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.
id UFSM_246f95a734e1aa4168f5bb8ce156eff3
oai_identifier_str oai:repositorio.ufsm.br:1/19696
network_acronym_str UFSM
network_name_str Manancial - Repositório Digital da UFSM
repository_id_str
spelling 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
dc.title.none.fl_str_mv Construção de modelos matemáticos para processos fermentativos – avaliação de efeitos das condições de cultivo
Construction of mathematical models for fermentative processes - evaluation of culture conditions effects
title Construção de modelos matemáticos para processos fermentativos – avaliação de efeitos das condições de cultivo
spellingShingle Construção de modelos matemáticos para processos fermentativos – avaliação de efeitos das condições de cultivo
Piazzi, Ana Carolina Ferreira
Modelagem
Microalga
Levedura
Carotenoides
Condições de cultivo
Estimação de parâmetros
Modeling
Microalgae
Yeast
Carotenoids
Culture conditions
Parameter estimation
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
title_short Construção de modelos matemáticos para processos fermentativos – avaliação de efeitos das condições de cultivo
title_full Construção de modelos matemáticos para processos fermentativos – avaliação de efeitos das condições de cultivo
title_fullStr Construção de modelos matemáticos para processos fermentativos – avaliação de efeitos das condições de cultivo
title_full_unstemmed Construção de modelos matemáticos para processos fermentativos – avaliação de efeitos das condições de cultivo
title_sort Construção de modelos matemáticos para processos fermentativos – avaliação de efeitos das condições de cultivo
author Piazzi, Ana Carolina Ferreira
author_facet Piazzi, Ana Carolina Ferreira
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Salau, Nina Paula Gonçalves
http://lattes.cnpq.br/4234840503539989
Kuhn, Raquel Cristine
http://lattes.cnpq.br/1479407050883691
Santos, Lucielen Oliveira dos
http://lattes.cnpq.br/6271055569087816
Silveira, Christian Luiz da
http://lattes.cnpq.br/4510031949451493
dc.contributor.author.fl_str_mv Piazzi, Ana Carolina Ferreira
dc.subject.por.fl_str_mv Modelagem
Microalga
Levedura
Carotenoides
Condições de cultivo
Estimação de parâmetros
Modeling
Microalgae
Yeast
Carotenoids
Culture conditions
Parameter estimation
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
topic Modelagem
Microalga
Levedura
Carotenoides
Condições de cultivo
Estimação de parâmetros
Modeling
Microalgae
Yeast
Carotenoids
Culture conditions
Parameter estimation
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
description 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.
publishDate 2019
dc.date.none.fl_str_mv 2019-10-04
2020-03-02T16:07:56Z
2020-03-02T16:07:56Z
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 http://repositorio.ufsm.br/handle/1/19696
dc.identifier.dark.fl_str_mv ark:/26339/001300000dpmm
url http://repositorio.ufsm.br/handle/1/19696
identifier_str_mv ark:/26339/001300000dpmm
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Santa Maria
Brasil
Engenharia Química
UFSM
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Centro de Tecnologia
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Santa Maria
Brasil
Engenharia Química
UFSM
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Centro de Tecnologia
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Manancial - Repositório Digital da UFSM
instname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)
instacron:UFSM
instname_str Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)
instacron_str UFSM
institution UFSM
reponame_str Manancial - Repositório Digital da UFSM
collection Manancial - Repositório Digital da UFSM
repository.name.fl_str_mv Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)
repository.mail.fl_str_mv atendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.br
_version_ 1847153388475645952