Publicação: Modelagem, simulação e ajuste de condições operacionais da etapa de crescimento celular do bioprocesso industrial de produção de farneseno
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Data
2020-06-30
Autores
Orientador
Oliveira, Samuel Conceição de
Coorientador
Pós-graduação
Engenharia de Biomateriais e Bioprocessos (Mestrado Profissional) - FCF
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Dissertação de mestrado
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (inglês)
SOUZA, F. A. Modeling, simulation and adjustment of operational conditions of the cell growth stage of the industrial bioprocess of farnesene production (Master in Biomaterials and Bioprocess Engineering) - School of Pharmaceutical Sciences, Araraquara, São Paulo State University (UNESP), Araraquara, 2020. Currently, an increasing number of industries have used bioprocesses to convert sugars into different products. Based on the demand for bioproducts, it is essential to achieve high production volumes and, in this context, any losses or delays have a negative impact on the productivity of the bioprocess. Since the identification and control of scale-dependent fermentation parameters are essential to achieve a high-performance operation at an industrial level, the optimization of the intervening variables in the fermentation process becomes a necessary task that can be facilitated by the use of process modeling and simulation techniques. In this sense, the objective of this study was to model, simulate and adjust the operational conditions of the second phase of the cell multiplication stage of the industrial bioprocess for producing farnesene. Based on a non-segregated and unstructured approach to microbial cells, the proposed mathematical model consisted of two ordinary differential equations representative of cell mass and substrate balances in the IF (Initial Fermenter). For the numerical integration of the differential equations, the 4th-order Runge-Kutta-Gill method was used and for the adjustment of the model's kinetic parameters, the least squares method was used together with the Marquardt algorithm. The results obtained showed that the proposed mathematical model satisfactorily described the behavioral trend of the modeled state variables (substrate concentration and optical density) for two sets of batches performed at pressures of 1.0 and 0.5 bar applied in the IF, validating the model for studies of simulation, optimization and control of the bioprocess. From simulations taking into account various aspects of the bioprocess such as inoculum size, supplementation of the culture medium with growth enhancing substrates, the possibility of occurrence of inhibition phenomena and cultivation mode (batch or batch fed), it was possible to adjust the operational conditions of the cell growth stage in the IF aiming to reach the target values of optical density and cell growth time specified for this stage of the industrial bioprocess of farnesene production.
Resumo (português)
SOUZA, F. A. Modelagem, simulação e ajuste de condições operacionais da etapa de crescimento celular do bioprocesso industrial de produção de farneseno. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Biomateriais e Bioprocessos) - Faculdade de Ciências Farmacêuticas, Universidade Estadual Paulista (UNESP). Araraquara, 2020. Atualmente um número crescente de indústrias tem utilizado bioprocessos para converter açúcares em diferentes produtos. Baseando-se na demanda de bioprodutos é imprescindível atingir elevados volumes de produção e nesse contexto, quaisquer perdas ou atrasos impactam negativamente na produtividade do bioprocesso. Desde que a identificação e o controle dos parâmetros de fermentação dependentes de escala são fundamentais para alcançar uma operação de alto desempenho em escala industrial, a otimização das variáveis intervenientes no processo de fermentação torna-se uma tarefa necessária que pode ser facilitada pelo uso de técnicas de modelagem e simulação de processos. Neste sentido, objetivou-se neste estudo modelar, simular e ajustar as condições operacionais da segunda fase da etapa de multiplicação celular do bioprocesso industrial de produção de farneseno. Baseado numa abordagem não segregada e não estruturada das células microbianas, o modelo matemático proposto consistiu de duas equações diferencias ordinárias representativas dos balanços de massa de células e substrato no IF (Initial Fermenter). Para a integração numérica das equações diferenciais utilizou-se o método de Runge-Kutta-Gill de 4a ordem e para o ajuste dos parâmetros cinéticos do modelo, utilizou-se o método dos mínimos quadrados em conjunto com o algoritmo de Marquardt. Os resultados obtidos mostraram que o modelo matemático proposto descreveu satisfatoriamente a tendência de comportamento das variáveis de estado modeladas (concentração de substrato e densidade ótica) para dois conjuntos de bateladas realizadas em pressões de 1.0 e 0.5 bar aplicadas no IF, validando o modelo para estudos de simulação, otimização e controle do bioprocesso. A partir de simulações levando em conta vários aspectos do bioprocesso tais como tamanho do inóculo, suplementação do meio de cultura com substratos melhoradores do crescimento, possibilidade de ocorrência de fenômenos de inibição e modo de cultivo (batelada ou batelada alimentada), foi possível ajustar as condições operacionais da etapa de crescimento celular no IF visando atingir os valores alvos de densidade ótica e de tempo de crescimento celular especificados para esta etapa do bioprocesso industrial de produção de farneseno.
Descrição
Idioma
Português
