Controle Ótimo da Fermentação Alcoólica em Reator Batelada Alimentada usando Computação Bio-Inspirada

Authors

  • Fran Sergio Lobato Universidade Federal de Uberlândia

DOI:

https://doi.org/10.5540/tema.2015.016.01.0003

Abstract

O modo de operação batelada alimentada é reconhecido por amenizar os efeitos de inibição causados pelo produto e pelo substrato no processo de fermentação alcoólica. A otimização dinâmica deste processo para fins de maximização da sua produtividade, através do controle da vazão de alimentação do substrato, caracteriza um problema de controle ótimo singular de difícil solução devido a flutuação do índice diferencial. Neste trabalho, este problema de otimização é resolvido usando o Algoritmo de Colônia de Morcegos, técnica bio-inspirada na natureza que se fundamenta no comportamento social de colônias de morcegos. Os resultados obtidos com este algoritmo são comparados a uma estratégia utilizada para a transformação do problema original em um de identificação de fases de índice diferencial flutuante e de tempos de transição entre elas. Na aplicação proposta são consideradas restrições na produtividade, na variável de controle e no volume do fermentador, para operação com tempo livre. São analisadas o efeito das restrições operacionais e das condições iniciais sobre os perfis ótimos.

References

S. Aiba, M. Shoda and M. Nagatani, Kinetics of product inhibition in alcohol

fermentation, Biotechnology and Bioengineering, X (6), 845-864, (1968).

K. E. Brenan, S. L. Campbell and L. R. Petzold, Numerical Solution of Ini-

tial Value Problems in Di®erential Algebraic Equations", Classics in Applied

Mathematics, SIAM Philadelphia, 1996.

A. E. Bryson and Y. C. Ho, Applied Optimal Control", Hemisphere Publish-

ing,Washington, 1975.

C. Chen and C. Hwang, Optimal on-o® control for fed-batch fermentation

processes, Ind. Eng. Chem. Research, 29, 1869-1875, (1990).

J. Cordeiro, R. S. Parpinelli, H. S. Lopes, Análise de Sensibilidade dos Parâmetros do Bat Algorithm

e Comparação de Desempenho. Encontro Nacional de Inteligência Artificial (ENIA), 1, 1-9, (2012).

W. F. Feehery, Dynamic Optimization with Path Constraints", Thesis, Mas-

sachusetts Institute of Technology, 1998.

P. C. Fu and J. P. Barford, Non-singular optimal control for fed-batch fermen-

tation processes with a di®erential-algebraic system model, J. Proc. Control,

, 211-218, (1993).

J. Hong, Optimal substrate feeding policy for a fed batch fermentation with

substrate and product inhibition kinetics. Biotechnology and Bioengineering,

XXVIII, 1421-1431, (1986).

J.-H. Lin, C.-W. Chou, C.-H. Yang and H.-L. Tsai, A Chaotic Levy Flight Bat

Algorithm for Parameter Estimation in Nonlinear Dynamic Biological Systems,

Journal of Computer and Information Technology, 2 (2), (2012).

J. Xie, Y. Zhou and Huan Chen, A Novel Bat Algorithm Based on Di®er-

ential Operator and Lévy Flights Trajectory, Computational Intelligence and

Neuroscience, 2013, 1-13, (2013).

F. S. Lobato, Abordagem Mista para Problemas de Otimização Dinâamica,

Dissertação de Mestrado, Faculdade de Engenharia Química, Universidade Fed-

eral de Uberlândia, 2004.

F. S. Lobato, Determinação do Perfil Ótimo de Alimentação de Substrato no

Processo de Fermentação ao Alcoólica - Influência da Condição Inicial, TEMA.

Tend^encias em Matemática Aplicada e Computacional, 12, 1-10, (2011).

F. S. Lobato, K. G., Santos and V. V. Murata, Controle on-off de um Fermen-

tador Batelada Alimentada para Altas Concentra»c~oes de Substrato, 6 Con-

gresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica (COBEQ-IC)

(2005).

F. S. Lobato, K. G., Santos, L. C. Oliveira-Lopes and V. V. Murata, Controle

Ótimo da Fermentação Alcoólica com Altas Concentrações Iniciais de Substrato

em Reator Batelada Alimentada, XV Simp¶osio Nacional de Bioprocessos -

SINAFERM, Recife - PE. (2005).

J. S. Logsdon and L. T. Biegler, Accurate Solution of Diferential-Algebraic

Optimization Problems, Ind. Eng. Chem. Res., 28, 89-101, (1989).

S. Mishra, K. Shaw and D. Mishra, A New Meta-heuristic Bat Inspired Classi-

¯cation Approach for Microarray Data, Procedia Technology, 4, 802-806, 2012.

J. M. Modak, H. C. Lim and Y. J. Tayeb, General characteristics of optimal

feed rate pro¯les for various fed-batch fermentation processes, Biotechnology

and Bioengineering, XXVIII, 1396-1407, (1986).

J. M. Modak and H. C. Lim, Simple nonsingular control approach to fed-

batch fermentation optimization, Biotechnology and Bioengineering, 33, 11-15,

(1989).

P. Musikapun and P. Pongcharoen, Solving Multi-Stage Multi-Machine Multi-

Product Scheduling Problem Using Bat Algorithm, 2nd International Confer-

ence on Management and Artificial Intelligence, 35, (2012).

R. Vanga, M. K. Gupta and J. Venkateswaran, Performance Evaluation of

Bat Algorithm to Solve Deterministic and Stochastic Optimization Problems,

International Simulation Conference of India, (2013).

F. S. Wang and Shyu C. H., Optimal feed policy for fed-batch fermentation

of ethanol production by Zymomous mobilis. Bioprocess Engineering, X 63-68,

(1997).

Z. Xiong and J. Zhang, Modelling and optimal control of fed-batch processes

using a novel control a±ne feedforward neural network, Proceedings of the 2002

American Control Conference, 2, 5025-5030, (2002).

X.-S. Yang, A New Metaheuristic Bat-inspired Algorithm", in: Nature In-

spired Cooperative Strategies for Optimization (NISCO 2010) (Eds. J. R.

Gonzalez et al.), Studies in Computational Intelligence, Springer, 284, 65-74,

(2010).

X.-S. Yang, Nature-Inspired Metaheuristic Algorithms", Second Edition, Lu-

niver Presss, Frome, UK. (2010).

X.-S. Yang, Bat Algorithm for Multiobjective Optimization, Int. J. Bio-

Inspired Computation, 3 (5), 267-274, (2011).

X.-S. Yang and A. H. Gandomi, Bat algorithm: A novel approach for global

engineering optimization, Engineering Computations, 29 (5), 464-483, (2012).

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Published

2015-05-29

How to Cite

Lobato, F. S. (2015). Controle Ótimo da Fermentação Alcoólica em Reator Batelada Alimentada usando Computação Bio-Inspirada. Trends in Computational and Applied Mathematics, 16(1), 3–15. https://doi.org/10.5540/tema.2015.016.01.0003

Issue

Vol. 16 No. 1 (2015)

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