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Orientadores: Rubens Maciel Filho, Laercio Ender Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo:0 objetivo deste trabalho foi desenvolver e avaliar diferentes algoritmos de controle para o processo extrativo de fermentação alcoólica contínua. Para isto foram comparados controladores do tipo preditivo e adaptativo. Para o controle preditivo, foi avaliado o Controle por Matriz Dinâmica (DMC) e foi desenvolvido um algoritmo de controle preditivo baseado em modelo usando redes neurais artificiais (MPC Neural) com aprendizagem em tempo real das redes. Para o controle adaptativo, foi proposto o aperfeiçoamento do algoritmo de controle CONDEG (Controle Neural Direto Baseado no Erro Global) Modificado, desenvolvido por Duarte (2004), O algoritmo está baseado em redes neurais artificiais, com aprendizagem em tempo real, de acordo com as alterações que ocorrem no processo. Os parâmetros de penalização das ações de controle, que são parâmetros de projeto do controlador, foram ajustados ao longo do tempo através da aplicação de um algoritmo do Filtro de Kalman. Para o procedimento de investigação foi utilizada a simulação computacional para o qual todos os algoritmos de controle estudados foram implementados em linguagem de programação Fortran 90 e aplicados a um processo extrativo de fermentação alcoólica contínua para produção de etanol desenvolvido por Silva (1999). O modelo matemático utilizado foi desenvolvido por Costa et al(2001). As simulações em malha fechada realizadas utilizando os algoritmos propostos mostraram melhores resultados para os algoritmos de controle usando redes com aprendizagem ao longo do tempo e que o algoritmo de controle CONDEG Modificado usando filtro de Kalman com fator de velocidade associado foi eficiente e robusto, pois apresentou bons resultados em problemas dos tipos servos e regulador. Abstract: The objective of the present work is to develop and to evaluate the performance of predictive and adaptive controllers, applied to an extractive fermentative process. As predictive controllers the Dynamical Matrix Control (DMC) and a model predictive control based on artificial neural networks with on-line learning were considered. The adaptive controller is an improvement of the Modified Condeg strategy control (Direct Neural Control based on Global Error), developed by Duarte (2004). The strategy is based on artificial neural networks, with on-line learning, according to modifications that occur in the process. The control actions penalization parameters, that are in fact controller design parameters, are on-line adjusted through an algorithm based on Kalman filter. The performance evaluation was carried out through computer simulation with all algorithms implemented in Fortran 90,.As a case study, an extractive fermentation alcoholic process developed by Silva (1999) was taken into account with the mathematical model developed by Costa et. al (2001). The results obtained from closed-loop simulations using the proposed algorithms showed better results for the neural networks with on-line learning. The Modified Condeg wsth Kalman Filter plus velocity factor is efficient and robust for servo and regulatory applications. Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Brazil is the second largest producer of soybean, with the projection of becoming the largest producer in 2019/2020. All Brazilian soybean oil is produced by the extraction process with hexane, an oil derivative. One way to make the extraction process more sustainable would be to replace hexane by ethanol, a renewable solvent widely produced in Brazil. Thereby, the objective of this work was to perform the techno-economic-environmental analysis, together with the modeling and simulation, of the soybean oil extraction process and biodiesel manufacturing. The net present value (NPV) was adopted as the economic metric. For the environmental analysis the life cycle analysis (LCA) of the process was carried out. The soybean oil preparation, extraction, refining and transesterification processes were simulated in EMSO (Environment for Modeling, Simulation and Optimization) software. The products considered in the process were: refined soybean oil, soybean meal, soybean lecithin, pelleted soybean hulls, glycerol and biodiesel. The thermodynamic parameters were estimated by group contribution methods for each element that composes the raw material and the products. The extraction processes using hexane, hydrated ethanol and anhydrous ethanol were simulated. The minimum attractive rate of return (MARR) was 11%. The NPV values calculated for a period of 20 years of operation were positive for all cases analyzed, indicating that all the evaluated processes are economically viable. However, the process employing hexane had a NPV approximately 10.2% higher than the best process employing ethanol (hydrate). On the other hand, the replacement of hexane by ethanol resulted in lower Global Warming Potential (GWP). The substitution of hexane by hydrous ethanol would avoid the emission of approximately 10,600 t of CO2eq per year in an industry that crushes 125 t/h of soybean. Atualmente, o Brasil é o segundo maior produtor de soja, com a projeção de se tornar o maior produtor em 2019/2020. Todo o óleo de soja brasileiro é produzido pelo processo de extração com hexano, um derivado de petróleo. Uma maneira de tornar o processo de extração mais sustentável seria substituir o hexano pelo etanol, um solvente renovável amplamente produzido no Brasil. Assim, o objetivo deste trabalho foi realizar a análise técnico-econômico-ambiental, juntamente com a modelagem e simulação, do processo de extração do óleo de soja e da fabricação do biodiesel. O valor presente líquido (VPL) foi adotado como métrica econômica. Para a análise ambiental realizou-se a análise do ciclo de vida (ACV) do processo. Os processos de preparação, extração, refino e transesterificação do óleo de soja foram simulados no software EMSO (Environment for Modeling, Simulation and Optimization). Os produtos considerados no processo foram: óleo de soja refinado, farelo de soja, lecitina de soja, casca de soja peletizada, glicerol e biodiesel. Os parâmetros termodinâmicos foram estimados por métodos de contribuição de grupos para cada elemento que compõe a matéria-prima e os produtos. Os processos de extração utilizando hexano, etanol hidratado e etanol anidro foram simulados. A taxa mínima de atratividade (TMA) foi de 11%. Os valores do VPL calculados para um período de 20 anos de operação foram positivos para todos os casos analisados, indicando que todos os processos avaliados são economicamente viáveis. Contudo, o processo empregando o hexano apresentou um VPL aproximadamente 10,2% maior que o melhor processo empregando etanol (hidratado). Por outro lado, a substituição do hexano pelo etanol resultou em menor Potencial de Aquecimento Global (Global Warming Potential, GWP). A substituição do hexano por etanol hidratado evitaria a emissão de aproximadamente 10,6 mil toneladas de CO2eq por ano em uma indústria que esmaga 125 t/h de soja. CNPq: 142222/2016-0

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work presents an experimental and theoretical study of the dynamic optimization of the alcoholic fermentation in fed-batch mode utilizing the Saccharomyces cerevisiae yeast in a bioreactor of 5 L. Twelve experiments were carried out, three them in batch and nine in fed-batch mode, with initial sucrose concentrations between 154 and 195.6 g/L for the experiments in batch and between 217 and 285 g/L for the experiments in fed-batch. The filling times for the bioreactor varied from 3 to 5 hours. The inoculum volume corresponded to 30% of the bioreactor volume with alcohol concentration like 4%, typical of the industrial processes. The results about the influence of the filling time and of the fed sucrose concentration about the substrate, product and cells concentration profiles and about the yields and productivities in the fed-batch fermentation are presented. The estimation of the parameters of the non structured kinetic model proposed by Tosetto (2002, Dissertation in Chemical Engineering Campinas Estadual University, Campinas-SP. 82p), using the experimental results of the batch and fed-batch fermentation, was obtained through the algorithm of differential evolution by Storn and Price (1995, available in http://www.ICSI. Berkeley.edu/~storn/code.html, access: november 13 2007). The analysis of parametric sensitivity and the estimate of the rank correlation between the parameters through the sensitivity matrix of the models were realized through the code DDASPK (Petzold et al., 2000, Code DDASPK. Copyright. University of Califórnia, 1-206) and by using the methodology proposed by Sanz e Voss (2006, Advances in Water Resources, 29, 439-457) respectively. The kinetic model proposed represented satisfactorily the fermentation in fed-batch despite of the high correlation between the parameters, and the Dynamic Optimization Problem was formulated for a specific experimental case that resulted in the biggest ethanol production (fed substract concentration = 285 g/L and filling time = 5 h). The simulated optimal profile of the fed substract rate that maximizes the ethanol production, subject to constraints in the volume, in the feed rate and in the yield, was obtained by the methodology proposed by Lobato et al. (2006, XXII IACChE (CIIQ) 2006 / V CAIQ AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos IACChe - Interamerican Confederation of Chemical Engineering), which utilizes the Switching Function to define the sequence of singular and non singular arcs and the switching times. The optimal profile is formed by the following sequence: minimum feed rate-singular feed rate-maximum feed rate, with time of fermentation of 5.11 h, defined on the basis of the analysis of the operational conditions that favored the cellular growth in the initial phase and the formation of product in the final phase, as indicated by Modak et al. (1986, Biotechnol. Bioeng., 28, 1396-1407 ). Este trabalho apresenta um estudo teórico e experimental da otimização dinâmica da fermentação alcoólica em batelada alimentada utilizando a levedura Saccharomyces cerevisiae num fermentador de 5 L. Foram realizados doze experimentos, três em batelada e nove em batelada alimentada, com concentrações iniciais de sacarose na faixa de 154 a 195,6 g/L para os experimentos em batelada e na faixa de 217 a 285 g/L para os experimentos em batelada alimentada. Os tempos de enchimento do fermentador variaram de 3 a 5 horas. O volume do inóculo correspondeu a 30% do volume do fermentador com concentração de álcool igual a 4%, típica dos processos industriais. São apresentados resultados sobre a influência do tempo de enchimento e da concentração de sacarose alimentada sobre os perfis de concentração de células, substrato e produto e sobre os rendimentos e produtividades na fermentação em batelada alimentada. A estimação dos parâmetros do modelo cinético não estruturado proposto por Tosetto (2002, Dissertação de Mestrado em Engenharia Química Universidade Estadual de Campinas, Campinas-SP. 82p) usando os resultados experimentais da fermentação em batelada e da fermentação em batelada alimentada, foi obtida pelo algoritmo de evolução diferencial de Storn e Price (1995, disponível em http://www.ICSI. Berkeley.edu/~storn/code.html, acesso: 13 novembro 2007). A análise de sensibilidade paramétrica e a estimativa do grau de correlação entre os parâmetros por meio da matriz de sensibilidade dos modelos foram feitas com o código DDASPK (Petzold et al., 2000, Code DDASPK. Copyright. University of Califórnia, 1-206) e com a metodologia proposta por (Sanz e Voss, 2006, Advances in Water Resources, 29, 439-457) respectivamente. O modelo cinético proposto representou satisfatoriamente a fermentação em batelada alimentada apesar da alta correlação entre os parâmetros, e o Problema de Otimização Dinâmica foi formulado para um caso experimental específico que resultou na maior produção de etanol (concentração de substrato alimentado = 285 g/L e tempo de enchimento = 5 h). O perfil ótimo simulado da vazão de substrato alimentado que maximiza a produção de etanol, sujeito a restrições no volume, na vazão de alimentação e no rendimento, foi obtido pela metodologia proposta por Lobato et al. (2006, XXII IACChE (CIIQ) 2006 / V CAIQ AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos IACChe - Interamerican Confederation of Chemical Engineering), que utiliza a Função Identificadora de Fases para determinar a seqüência de arcos não singulares e singulares e os tempos de transição entre as fases. O perfil ótimo é formado por uma seqüência: vazão máxima-vazão singular-vazão mínima, com tempo de fermentação de 5,11 h, definida com base na análise das condições operacionais que favoreciam o crescimento celular na fase inicial e a formação de produto na fase final, conforme indicado por Modak et al. (1986, Biotechnol. Bioeng., 28, 1396-1407). Mestre em Engenharia Química