Kişilerarası Duyarlılık

O desenvolvimento de soluções computacionais envolvendo o projeto da biorefinaria do soro de queijo, uma planta multipropósito, foi o tema central dos estudos desenvolvidos ao longo desta tese de doutorado.

Na concepção da biorefinaria apresentada, os reatores enzimáticos constituem as etapas primordiais para agregação de valor ao principal resíduo da indústria queijeira: são nos reatores que, com auxílio de enzimas imobilizadas em suporte inerte, são processadas as proteólises que, de forma controlada, conduzem a uma distribuição de hidrolisados com faixas molares, produtos de maior valor agregado.

Foram propostos modelos cinéticos para o acompanhamento dinâmico da concentração molar de ligações hidrolisadas ao longo das reações com quimotripsina e CPA, ambas imobilizadas em suporte glioxil-agarose. Apesar de se tratar de uma aproximação, a predição precisa desse pseudoproduto é importante para o projeto dos reatores e desenvolvimento de seus algoritmos de controle e otimização. Embora comum nesse tipo de modelagem, o emprego de equações do tipo Michaelis-Menten se mostrou incapaz de descrever com eficácia as velocidades de reação durante ensaios de batelada para ambas as hidrólises. Somente com o relaxamento da hipótese pseudo-estacionária – originária das equações de Michaelis-Menten – e utilização do sistema completo de equações diferenciais ordinárias oriundas dos balanços materiais para os pseudocomponentes foi possível representar com precisão o perfil do pseudoproduto no curso das reações.

Com característica não-linear, a modelagem do sistema completo de equações diferenciais motivou o emprego de diferentes técnicas de otimização à guisa de se evitar estimativas locais dos parâmetros cinéticos constituintes do modelo. Como técnicas de busca clássicas baseadas no cálculo do gradiente da função-objetivo apresentaram problemas de convergência, foram utilizados os algoritmos estocásticos Recozimento Simulado, Enxame de Partículas e Evolução Diferencial. O emprego das abordagens estocásticas, que se caracterizam por múltiplas avaliações da função-objetivo, também permitiu a construção das regiões de confiança paramétricas e, conseqüentemente, uma análise estatística dos parâmetros cinéticos pós-ajuste.

Para um acompanhamento detalhado da composição dos produtos reacionais, cinco pseudocomponentes foram pré-definidos de acordo com faixas de massas molares das

proteínas e peptídeos presentes ao longo das reações com Alcalase e quimotripsina. No caso da reação com CPA, foi possível mensurar as concentrações molares dos aminoácidos liberados durante a hidrólise com a exoprotease. Em ambos os casos, as concentrações eram determinadas por cromatografia líquida de alto desempenho e, portanto, inviáveis para o monitoramento em tempo real dos reatores.

O detalhamento dos reatores em tempo real foi obtido com o auxílio de modelos híbridos fenomenológico-neuronais. Os pesos de redes neuronais do tipo multilayer

perceptrons (MLP) foram ajustados para mapear as velocidades da reação com base no estado

atual do reator (concentrações dos pseudocomponentes ou aminoácidos). Os valores preditos pelas redes MLP eram então utilizados nos balanços materiais dos componentes presentes em cada reator enzimático. Os pesos de cada rede MLP foram ajustados para uma combinação fixa de pH e temperatura da reação, e suas predições eram linearmente interpoladas para situações intermediárias dessas variáveis em ensaios de validação. Como o substrato das reações – soro de queijo – está sujeito a variações em sua composição, tal abordagem se mostrou pertinente: com um modelo simplificado, uma nova estimativa do conjunto de pesos de cada rede MLP para um substrato de composição diferente se torna menos intensiva do ponto de vista do processamento computacional requerido.

Alternativamente, fica como opção também a modelagem híbrida baseada em coeficientes de rendimento. Tal proposta foi utilizada para o acompanhamento dos principais aminoácidos liberados durante a hidrólise com CPA e forneceu resultados coerentes com aqueles determinados via análise em cromatografia líquida de alto desempenho.

Com os modelos dos reatores elaborados, procedeu-se à simulação da biorefinaria do soro de queijo em estado estacionário. A abordagem seqüencial-modular foi utilizada para a simulação do processo, o que facilita a futura inserção de novos módulos no diagrama da planta, por exemplo, para agregar maior valor à corrente de lactose permeada da ultrafiltração. Em uma concepção multipropósito, algoritmos de busca não-linear foram disponibilizados para determinar o estado estacionário ótimo para uma dada vazão de soro de queijo.

Finalmente, os modelos cinéticos e de simulação estacionária foram implementados em um ambiente integrado de operação em tempo real. Tendo a Internet como plataforma, foi possível em um único aplicativo a realização remota de operações em tempo real (monitoramento e controle dos reatores enzimáticos) e de simulações da biorefinaria do soro de queijo (balanços materiais e dimensionamento dos principais equipamentos, seus custos fixos e operacionais, análise econômica do processo e módulo de otimização estacionária).

Acredita-se que o ambiente integrado desenvolvido pode se tornar uma ferramenta importante de análise em diferentes cenários de produção e de mercado. O conceito remoto é viável para grandes corporações com unidades de produção geograficamente dispersas. Como o aplicativo emprega a Internet como plataforma, os algoritmos também se tornam acessíveis para médias e pequenas empresas do setor queijeiro. Em resumo, a proposta do ambiente integrado, aliada à disponibilidade de enzimas imobilizadas e estabilizadas com custo acessível, é importante para que a biorefinaria do soro de queijo se torne factível em escala industrial.

Além de estudos que objetivem agregar valor à corrente de lactose refinada da biorefinaria, outro tema decorrente desta tese seria a padronização do ambiente integrado e sua aplicação na análise econômica de outros processos de interesse (incluindo sintonia e análise de desempenho dos algoritmos estocásticos de busca na otimização estacionária da planta).