Monitoramento em tempo real de processos fermentativos por espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS)

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A chemical process optimization and control is strongly correlated with the quantity of information can be obtained from the system. In biotechnological processes, where the transforming agent is a cell, many variables can interfere in the process, leading to changes in the microorganism metabolism...

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Detalhes bibliográficos
Autor principal: Nascimento, Ruthinéia Jéssica Alves do
Outros Autores: Oliveira, Jackson Araújo de
Formato: Dissertação
Idioma:por
Publicado em: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Assuntos:
monitoramento em tempo real
NIRS
processos biotecnológicos
real-time monitoring
alcoholic fermentation
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Endereço do item:https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/15824
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Monitoramento em tempo real de processos fermentativos por espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS)
description A chemical process optimization and control is strongly correlated with the quantity of information can be obtained from the system. In biotechnological processes, where the transforming agent is a cell, many variables can interfere in the process, leading to changes in the microorganism metabolism and affecting the quantity and quality of final product. Therefore, the continuously monitoring of the variables that interfere in the bioprocess, is crucial to be able to act on certain variables of the system, keeping it under desirable operational conditions and control. In general, during a fermentation process, the analysis of important parameters such as substrate, product and cells concentration, is done off-line, requiring sampling, pretreatment and analytical procedures. Therefore, this steps require a significant run time and the use of high purity chemical reagents to be done. In order to implement a real time monitoring system for a benchtop bioreactor, these study was conducted in two steps: (i) The development of a software that presents a communication interface between bioreactor and computer based on data acquisition and process variables data recording, that are pH, temperature, dissolved oxygen, level, foam level, agitation frequency and the input setpoints of the operational parameters of the bioreactor control unit; (ii) The development of an analytical method using near-infrared spectroscopy (NIRS) in order to enable substrate, products and cells concentration monitoring during a fermentation process for ethanol production using the yeast Saccharomyces cerevisiae. Three fermentation runs were conducted (F1, F2 and F3) that were monitored by NIRS and subsequent sampling for analytical characterization. The data obtained were used for calibration and validation, where pre-treatments combined or not with smoothing filters were applied to spectrum data. The most satisfactory results were obtained when the calibration models were constructed from real samples of culture medium removed from the fermentation assays F1, F2 and F3, showing that the analytical method based on NIRS can be used as a fast and effective method to quantify cells, substrate and products concentration what enables the implementation of insitu real time monitoring of fermentation processes
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In biotechnological processes, where the transforming agent is a cell, many variables can interfere in the process, leading to changes in the microorganism metabolism and affecting the quantity and quality of final product. Therefore, the continuously monitoring of the variables that interfere in the bioprocess, is crucial to be able to act on certain variables of the system, keeping it under desirable operational conditions and control. In general, during a fermentation process, the analysis of important parameters such as substrate, product and cells concentration, is done off-line, requiring sampling, pretreatment and analytical procedures. Therefore, this steps require a significant run time and the use of high purity chemical reagents to be done. In order to implement a real time monitoring system for a benchtop bioreactor, these study was conducted in two steps: (i) The development of a software that presents a communication interface between bioreactor and computer based on data acquisition and process variables data recording, that are pH, temperature, dissolved oxygen, level, foam level, agitation frequency and the input setpoints of the operational parameters of the bioreactor control unit; (ii) The development of an analytical method using near-infrared spectroscopy (NIRS) in order to enable substrate, products and cells concentration monitoring during a fermentation process for ethanol production using the yeast Saccharomyces cerevisiae. Three fermentation runs were conducted (F1, F2 and F3) that were monitored by NIRS and subsequent sampling for analytical characterization. The data obtained were used for calibration and validation, where pre-treatments combined or not with smoothing filters were applied to spectrum data. The most satisfactory results were obtained when the calibration models were constructed from real samples of culture medium removed from the fermentation assays F1, F2 and F3, showing that the analytical method based on NIRS can be used as a fast and effective method to quantify cells, substrate and products concentration what enables the implementation of insitu real time monitoring of fermentation processes Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior A realização de otimização e controle de um processo químico está fortemente correlacionada ao quanto de informação é possível se obter dinamicamente do sistema. No caso particular dos processos biotecnológicos, como o agente transformador é um ser vivo, diversas variáveis podem interferir sobre o processo, conduzindo a mudanças no metabolismo dos microorganismos e, consequentemente, afetando a quantidade e qualidade do produto final. Desta forma, monitorar continuamente as variáveis que interferem nos processos biotecnológicos é de fundamental importância para que se possa atuar sobre certas variáveis do sistema, mantendo-o sob controle operacional e em condições desejadas. Em geral, durante um processo de fermentação, a análise de parâmetros importantes, tais como concentração de substrato, produtos e células, é feita de forma off-line, necessitando de amostragens, pré-tratamentos e procedimentos analíticos. Portanto, tais etapas demandam um tempo significativo para execução, além do uso de reagentes químicos com elevado grau de pureza. Com o objetivo de implementar um sistema de monitoramento em tempo real (on-line) para um biorreator em escala laboratorial, o presente trabalho foi realizado em duas etapas: (i) o desenvolvimento de um programa computacional com interface de comunicação entre o biorreator e o computador visando realizar a aquisição e registro de dados das variáveis monitoradas no processo, tais como: pH, temperatura, oxigênio dissolvido, nível de espuma e rotação do agitador, além da entrada de set-points dos parâmetros operacionais da unidade de controle do biorreator; (ii) o desenvolvimento de um método analítico quimiométrico utilizando espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS), visando promover o monitoramento em tempo real da concentração de substrato, produtos e células durante um processo fermentativo para produção de etanol, usando como microrganismo a levedura Saccharomyces cerevisae. Foram realizados três cultivos (F1, F2 e F3) nas mesmas condições de fermentação em biorreator, sendo as mesmas monitoradas utilizando o NIRS e realizando-se amostragem para posterior caracterização analítica. A partir dos dados obtidos, foram feitos testes para calibração e validação das informações obtidas com o NIRS, utilizando-se vários pré-tratamentos com a aplicação ou não de filtros de suavização de ruídos dos espectros. Os resultados mais satisfatórios foram obtidos quando os modelos de calibração foram construídos a partir de amostras reais do meio de cultivo retiradas dos ensaios de fermentação F1, F2 e F3, apresentando correlação linear superiores a 0,97 e reduzidos erros de predição quando comparados aos outros modelos de calibração obtidos. Os resultados mostram que o método analítico baseado no NIRS pode ser utilizado como um método rápido e eficaz para quantificar concentrações de células, substrato e produtos, permitindo a implementação do monitoramento em tempo real e in situ de processos fermentativos 2014-12-17T15:01:28Z 2012-10-02 2014-12-17T15:01:28Z 2012-02-08 masterThesis NASCIMENTO, Ruthinéia Jéssica Alves do. Real-time monitoring of fermentation processes by near infrared spectroscopy (NIRS). 2012. 145 f. Dissertação (Mestrado em Pesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias Regionais) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2012. https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/15824 por Acesso Aberto application/pdf application/pdf Universidade Federal do Rio Grande do Norte BR UFRN Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química Pesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias Regionais

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