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Title: Estratégia de otimização em tempo real do processo de fermentação alcóolica usando metamodelagem.
Other Titles: Real-time optimization strategy for the alcoholic fermentation process using metamodeling.
???metadata.dc.creator???: MORAIS, Maria Suenia Nunes de.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: ARAÚJO, Antonio Carlos Brandão de.
???metadata.dc.contributor.referee1???: NUNES , Bruno Rafael Pereira.
???metadata.dc.contributor.referee2???: RAMOS, Wagner Brandão.
Keywords: Fermentação;Otimização;Metamodelagem;Processo;Fermentation;Optimization;Metamodeling;Process;Fermentación;Mejoramiento;Metamodelado;Proceso;Fermentation;Optimisation;Métamodélisation;Processus
Issue Date: 13-Mar-2023
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: MORAIS, Maria Suenia Nunes de. Estratégia de otimização em tempo real do processo de fermentação alcóolica usando metamodelagem. 2023. 105 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Centro de Ciências e Tecnologia, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2023.
???metadata.dc.description.resumo???: Em um mundo em constante crescimento, os processos produtivos em que a humanidade consegue obter seus bens e produtos de consumo vem passando por avanços a cada dia, nisso a otimização em tempo real de processos vem para agregar e inovar esse avanço, a fim de tornar os processos mais versáteis e capazes de suprir as necessidades das unidades fabris para atender um mercado cada vez mais exigente e com um comportamento tão variante, da forma mais atrativa do ponto de vista econômico. A otimização em tempo real é uma técnica de otimização de desempenho que se fundamenta em modelos matemáticos para aderir a mais assertiva condição de operação de um processo e expandir a rentabilidade de uma planta industrial, permitindo que as instalações operacionais respondam com eficiência e eficácia às condições em constante mudança de taxas de alimentação e composição, equipamentos e economia de processamento dinâmico. Um software fica responsável por cruzar as variáveis, executar os cálculos e realizar as simulações de desempenho para induzir novos setpoints aos sistemas de automação, contudo cabe aos operadores da planta deliberar se as sugestões do software serão utilizadas ou não. Por meio disto, este projeto tem como finalidade o desenvolvimento de estratégias de otimização do processo de fermentação alcóolica explorando a metamodelagem, incluindo Multiple Linear Regression e Kriging, com Real Time Optimization para aplicação industrial, proporcionando a operação ótima do processo em tempo real. O processo foi simulado no SIMULINK® e metamodelado no MATLAB®, sempre no ponto ótimo. A proposta deste trabalho inicialmente almeja a obtenção de um algoritmo (por meio da metamodelagem), que permita um aumento na velocidade de resolução e eficiência de problemas propostos por meio de um estudo de caso, mediante a aplicação de um otimizador em tempo real com uma frequência de execução alta o suficiente para permitir a sua aplicação. A simulação foi realizada de acordo com dados apresentados na tese de Andrietta (1994), que se tratava de um processo industrial de fermentação alcoólica, com o sistema equipado com o reator de mistura perfeita. E tendo como base o programa desenvolvido na tese de Fernandes (2022), programa este capaz de construir modelos substitutos ou metamodelos de forma automática, onde não é necessário informar os dados de amostras ou metamodelo, pois o algoritmo fornece ao usuário o número de amostras necessárias para a construção do modelo, as transformações das variáveis respostas e o melhor modelo que representa os dados. A modelagem inserida ao software MATLAB® possibilitou o acompanhamento do comportamento estacionário das variáveis de concentração de produto, celular e substrato, além de uma forma rápida, pode-se obter comportamento previsível para o processo fermentativo ao alterar parâmetros adotados, onde os valores das modificações serviram apenas como estudo comparativo em relação às considerações iniciais. E a aplicação da metodologia ao sistema estudado permite concluir dentre os sete solvers estudados que o “Nomad”, se tornou o melhor otimizador desse processo, pois apresentou bons resultados de rendimento com um Q²<0,97, e com um tempo de processamento rápido em comparação aos demais.
Abstract: In a world in constant growth, the production processes in which mankind can obtain their goods and consumer products are going through advances every day, in this the real-time optimization of processes comes to add and innovate this advance, in order to make processes more versatile and able to meet the needs of manufacturing units to meet an increasingly demanding market and with a behavior so variant, in the most attractive way from the economic point of view. Real-time optimization is a performance optimization technique that relies on mathematical models to adhere to the most assertive operating condition of a process and expand the profitability of an industrial plant, allowing operating facilities to respond efficiently and effectively to changing conditions of feed rates and composition, equipment, and dynamic processing economics. Software is responsible for cross-referencing the variables, performing the calculations, and running the performance simulations to induce new setpoints for the automation systems, but it is up to the plant operators to deliberate whether the software's suggestions will be used or not. Through this, this project aims to develop optimization strategies for the alcoholic fermentation process exploring metamodeling, including Multiple Linear Regression and Kriging, with Real Time Optimization for industrial application, providing the optimal operation of the process in real time. The process was simulated in SIMULINK® and metamodeled in MATLAB®, always at the optimal point. The proposal of this work initially aims to obtain an algorithm (through metamodeling), which allows an increase in the speed of resolution and efficiency of problems proposed through a case study, by applying a real-time optimizer with a high enough execution frequency to allow its application. The simulation was performed according to data presented in the thesis of Andrietta (1994), which dealt with an industrial process of alcoholic fermentation, with the system equipped with the perfect-mix reactor. And having as base the program developed in the thesis of Fernandes (2022), this program is capable of building substitute models or metamodels in an automatic way, where it is not necessary to inform the sample or metamodel data, because the algorithm provides the user with the number of samples necessary for the construction of the model, the transformations of the response variables and the best model that represents the data. The modeling inserted into the MATLAB® software made it possible to follow the stationary behavior of the variables of product, cell and substrate concentration, besides a fast way, it can be obtained predictable behavior for the fermentative process when changing adopted parameters, where the values of the modifications served only as a comparative study in relation to the initial considerations. And the application of the methodology to the system studied allows us to conclude among the seven solvers studied that the "Nomad", became the best optimizer of this process, because it showed good yield results with a Q²<0.97, and with a fast processing time compared to the others.
Keywords: Fermentação
Otimização
Metamodelagem
Processo
Fermentation
Optimization
Metamodeling
Process
Fermentación
Mejoramiento
Metamodelado
Proceso
Fermentation
Optimisation
Métamodélisation
Processus
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia química.
URI: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/32120
Appears in Collections:Mestrado em Engenharia Química

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