00 CAMPUS ARISTÓTELES CALAZANS SIMÕES (CAMPUS A. C. SIMÕES) CTEC - CENTRO DE TECNOLOGIA TRABALHOS DE CONCLUSÃO DE CURSO (TCC) - GRADUAÇÃO - CTEC Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) - Bacharelado - ENGENHARIA QUÍMICA - CTEC
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Tipo: Trabalho de Conclusão de Curso
Título: Aplicação de aprendizado de máquina na predição do rendimento da fermentação de alginase
Autor(es): Costa, Giselly Yanara Silva Canuto Mendes
Primeiro Orientador: Silva, Carlos Eduardo de Farias
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Carvalho, Frede de Oliveira
metadata.dc.contributor.referee1: Alencar, Soraya Lira
metadata.dc.contributor.referee2: Ribeiro, Livia Maria de Oliveira
Resumo: Técnicas de inteligência artificial são ferramentas importantes para modelar e otimizar as variáveis que exercem influência em processos fermentativos. O desempenho dos processos de fermentação é afetado por vários fatores, incluindo temperatura, teor de umidade, agitação, nível de inóculo, fontes de carbono e nitrogênio, etc. Para alcançar o melhor desempenho dos processos de fermentação, várias estratégias de otimização de processo foram desenvolvidas. Este trabalho objetiva a aplicação de técnicas de aprendizagem de máquina para predizer o rendimento da fermentação semi-sólida usando fungo filamentoso para a produção de alginase utilizando macroalga marrom como substrato. A macroalga escolhida foi do gênero Sargassum, e a cepa fúngica o Cunninghamella echinulata. No total foram obtidos cerca de 115 dados experimentais independentes a partir da variação dos fatores: tempo de cultivo (1-7 dias), umidade (65-85% m/m), concentração de inóculo (2.106 -1.107 esporos/gbiomassa), % de alginato de sódio (indutor, 0-33,33% m/m) e pH da solução nutriente (2,5-8,5), sendo as variáveis de entrada e apenas a atividade enzimática da alginase como variável de saída. Neste trabalho, para a execução dos modelos, simulação e otimização, se utilizou a linguagem de programação em Python utilizando o SciPylibrary. A identificação de relação não linear entre fermentação, fatores e objetivos almejados foi realizado, primeiro, usando as capacidades de aprendizagem de Redes Neurais Artificiais (RNA) e em seguida por Support Vector Macchine (SVM), avaliando-se a capacidade preditiva através do coeficiente de determinação (R2 ). Para o RNA, com 15 neurônios e utilizando-se uma função de ativação logística foi possível fixar um modelo com R2 = 0,877 enquanto para o SVM com uma função Kernel polinomial obteve-se um modelo com R2 = 0,821, que embora um pouco inferior apresentou regressão semelhante. Em ambos os modelos, as variáveis que exerceram influência foram o tempo de cultivo, umidade, % de alginato de sódio (indutor) e pH da solução nutriente, sendo a concentração de inóculo no intervalo estudado não exercendo influência significativa. Em ambos os métodos, o R2 máximo encontrado foi considerado satisfatório visto a não-linearidade da fermentação semi-sólida fúngica para excreção enzimática.
Abstract: Artificial intelligence techniques are important tools to model and optimize the variables that influence fermentation processes. The performance of fermentation processes is affected by many factors, including temperature, moisture content, agitation, inoculum level, carbon and nitrogen sources, etc. To achieve the best performance of fermentation processes, several process optimization strategies have been developed. This work aims to apply machine learning techniques to predict the yield of semi-solid fermentation using filamentous fungus for alginase production using brown macroalgae as substrate. The macroalgae chosen was the genus Sargassum, and the fungal strain was Cunninghamella echinulata. In total, about 115 independent experimental data were obtained from the variation of factors: cultivation time (1-7 days), humidity (65-85% m/m), inoculum concentration (2,106-1,107 spores/gbiomass), % of sodium alginate (inducer, 0-33.33% m/m) and pH of the nutrient solution (2.5-8.5), being the input variables and only the alginase enzymatic activity as the output variable. In this work, for the execution of the models, simulation and optimization, the programming language in Python was used using SciPylibrary. The identification of a non-linear relationship between fermentation, factors and desired objectives was carried out, first, using the learning capabilities of Artificial Neural Networks (ANN) and then by Support Vector Macchine (SVM), evaluating the predictive capacity through the coefficient of determination (R2). For the RNA, with 15 neurons and using a logistic activation function, it was possible to fix a model with R2 = 0.877, while for the SVM with a polynomial Kernel function, a model with R2 = 0.821 was obtained, which, although a little lower, presented similar regression. In both models, the variables that exerted influence were the cultivation time, humidity, % of sodium alginate (inducer) and pH of the nutrient solution, with the inoculum concentration in the studied interval not having a significant influence. In both methods, the maximum R2 found was considered satisfactory given the non-linearity of the fungal semi-solid fermentation for enzymatic excretion.
Palavras-chave: Python (Linguagem de programação de computador)
Simulação (Computadores)
Enzima
Fermentação semi-sólida
Python
Simulation
Enzyme
Semi-solid fermentation
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Alagoas
Sigla da Instituição: UFAL
metadata.dc.publisher.department: Curso de Engenharia Química
Citação: COSTA, Giselly Yanara Silva Canuto Mendes. Aplicação de aprendizado de máquina na predição do rendimento da fermentação de alginase. 2023. 41 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2021.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/10340
Data do documento: 11-dez-2021
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