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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/26563| Título: | Controle da temperatura de um biorreator com ordem fracionária utilizado na produção de álcool |
| Título(s) alternativo(s): | Temperature control of a fractional order bioreactor used in alcohol production |
| Autor(es): | Inacio, Danilo |
| Orientador(es): | Tusset, Angelo Marcelo |
| Palavras-chave: | Álcool Fermentação Energia - Fontes alternativas Automação Sistemas lineares de controle Alcohol Fermentation Renewable energy sources Automation Linear control systems |
| Data do documento: | 28-Out-2021 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Ponta Grossa |
| Citação: | INACIO, Danilo. Controle da temperatura de um biorreator com ordem fracionária utilizado na produção de álcool. 2021. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Ponta Grossa, 2021. |
| Resumo: | Diversos impactos ambientais estão associados ao alto consumo de combustíveis fósseis. A matriz energética mundial é composta em sua maioria por fontes não renováveis, essa dependência relacionada a utilização intensa e exploração desenfreada desses recursos naturais, faz com que os níveis dos reservatórios diminuam cada vez mais. Neste cenário, o álcool surge como uma fonte de energia alternativa sustentável, sendo visto como positivo nas questões ambientais, por se tratar de uma substância renovável. A forma principal utilizada na produção do álcool é fermentação pela levedura Saccharomyces cerevisiae em um biorreator de tanque continuamente agitado, CSTR - Continuous Stirred-Tank Reactor. Uma variável importante para esse microrganismo é a temperatura, sendo que seu ponto ótimo para produção de álcool é 32°C. A análise dinâmica do processo foi realizada para o sistema sem controle de temperatura do biorreator e com controle de temperatura por fluxo da água na jaqueta para o controle do fluxo do refrigerante. Além disso, propõe-se considerar a troca de calor entre o biorreator e a jaqueta por meio da condução de calor em ordem fracionária. Em malha aberta, o biorreator de fermentação demora para estabilizar seu processo, neste ponto, a temperatura de estabilização fica em aproximadamente 36°C. Dessa forma, se faz necessário um sistema de controle para manter o biorreator na temperatura ideal de fermentação. A estratégia escolhida foi o LQR - Regulador Linear Quadrático, por ser uma técnica de controle de simples construção e robusta. Após a realização das simulações do biorreator em malha fechada inserindo uma entrada oscilatória considerando uma função de temperatura variável no tempo Tin(t), foi possível verificar que o biorreator apresentou um desempenho operacional satisfatório, controlando de forma rápida e eficiente a temperatura dentro da faixa aceitável de 2% a 5% em relação ao valor de setpoint do controlador. |
| Abstract: | Several environmental impacts are associated with the high consumption of fossil fuels. The global energy matrix is composed mostly of non-renewable sources, this dependence related to the intense use and unbridled exploitation of these natural resources, causes the levels of reservoirs to decrease more and more. In this scenario, alcohol emerges as a sustainable alternative energy source, being seen as positive in environmental issues, as it is a renewable substance. The main form used in the production of alcohol is fermentation by the yeast Saccharomyces cerevisiae in a continuously stirred tank bioreactor, CSTR - Continuous Stirred-Tank Reactor. An important variable for this microorganism is temperature, and its optimum point for alcohol production is 32°C. The dynamic analysis of the process was performed for the system without temperature control of the bioreactor and with temperature control by water flow in the jacket to control the coolant flow. Furthermore, it is proposed to consider the heat exchange between the bioreactor and the jacket through heat conduction in fractional order. In open loop, the fermentation bioreactor takes time to stabilize its process, at this point, the stabilization temperature is approximately 36°C. Thus, a control system is needed to keep the bioreactor at the ideal fermentation temperature. The chosen strategy was the LQR - Quadratic Linear Regulator, as it is a simple and robust control technique. After performing the closed-loop bioreactor simulations by inserting an oscillatory input considering a time-varying temperature function Tin(t), it was possible to verify that the bioreactor had a satisfactory operational performance, quickly and efficiently controlling the temperature within the range acceptable from 2% to 5% of controller setpoint value. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/26563 |
| Aparece nas coleções: | PG - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica |
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