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: Deep learning autoencoder no desenvolvimento de soft-sensor para processos de fermentação alcoólica em batelada
Autor(es): Monteiro, Vitor Marcel de Mendonça
Primeiro Orientador: Silva, Jorge José de Brito
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Carvalho, Frede de Oliveira
metadata.dc.contributor.referee1: Rocha Neto, João Batista Maia
metadata.dc.contributor.referee2: Alencar, Soraya Lira
Resumo: Fermentação alcoólica é um processo bioquímico no qual há conversão de açúcares simples em compostos de interesse comercial, como, por exemplo, o etanol. A indústria brasileira de etanol chegou a produzir 35,6 bilhões de litros na safra de 2019/2020. O processo produtivo é influenciado por diversas variáveis, tais como o tipo de levedura, contaminação bacteriana, concentração de açúcares no meio reacional, tempo de alimentação das dornas, temperatura, pH, entre outras, e isso torna o controle e otimização do processo complexo, principalmente quando essas variáveis devem ser medidas diretamente por sensores físicos convencionais ou por análises em laboratório. Ao contrário das medições convencionais, os soft-sensors utilizam algoritmos matemáticos, técnicas de inteligência artificial ou modelos estatísticos para inferir ou prever essas variáveis com base em informações indiretas, como medidas disponíveis, histórico de dados ou correlações entre variáveis no qual modelos clássicos não conseguem explicar. Processos em batelada, diferentemente de processos contínuos, apresentam dificuldades em relação à utilização de técnicas para elaboração de modelos empíricos para inferência, que é como a variável tempo é considerada e incorporada ao modelo. Autoencoder (AE) é uma rede de aprendizado profundo não supervisionado composta por um codificador e um decodificador que pode ser utilizada para reduzir a dimensionalidade dos dados e facilitar o treinamento de um modelo, a mesma vem sendo muito utilizada como classificadora na detecção e diagnóstico de falha, porém a sua utilização como soft-sensor ainda é relativamente nova. Com base nisso, o trabalho teve como objetivo explorar a utilização do AE, assim como algumas técnicas já bastante utilizadas na elaboração dos soft-sensors como as redes neurais artificiais (RNAs) e as long short term memory (LSTM) focando a problemática da incorporação da variável tempo aos modelos. Todas as três redes apresentaram bons resultados para prever a concentração de etanol, com valores de R² acima de 0,9 e erros abaixo de 2,5, entretanto a rede LSTM se destacou como a mais eficaz pois apresentou os melhores valores nas métricas avaliadas (R² = 0,9973, RMSE = 0,4336 e MAE = 0,3055). Já o modelo LSTM-Autoencoder mostrou-se uma alternativa promissora, capaz de manter boa precisão mesmo utilizando uma quantidade menor de informação (R² = 0,9551, RMSE = 1,7722 e MAE = 1,5142), se mostrando relevante para aplicações onde a eficiência computacional é um ponto crítico.
Abstract: Alcoholic fermentation is a biochemical process in which simple sugars are converted into commercially interesting compounds, such as ethanol, for example. The Brazilian ethanol industry reached a production of 35.6 billion liters in the 2019/2020 harvest. The production process is influenced by various variables, such as the type of yeast, bacterial contamination, sugar concentration in the reaction medium, feeding time of the fermenters, temperature, pH, among others, and this makes the control and optimization of the process complex, especially when these variables must be measured directly by conventional physical sensors or laboratory analyses. Unlike conventional measurements, soft sensors use mathematical algorithms, artificial intelligence techniques, or statistical models to infer or predict these variables based on indirect information, such as available measurements, historical data, or correlations between variables that classical models cannot explain. Batch processes, unlike continuous processes, present a difficulty regarding the use of techniques for the development of empirical models for inference, which is how the time variable is considered and incorporated into the model. An Autoencoder (AE) is an unsupervised deep learning network composed of an encoder and a decoder that can be used to reduce data dimensionality and facilitate model training. It has been widely used as a classifier in fault detection and diagnosis; however, its use as a soft-sensor is still relatively new. Based on this, the work aimed to explore the use of AE, as well as some techniques already widely used in the development of soft sensors such as artificial neural networks (ANNs) and long short-term memory (LSTM), focusing on the issue of incorporating the time variable into the models. All three networks showed good results in predicting ethanol concentration, with R² values above 0,9 and errors below 2,5. However, the LSTM network stood out as the most effective, presenting better metrics for the evaluated variables (R² = 0.9973, RMSE = 0.4336 and MAE = 0.3055). The LSTM-Autoencoder model, on the other hand, proved to be a promising alternative, capable of maintaining good accuracy even when using a smaller amount of information (R² = 0.9551, RMSE = 1.7722 and MAE = 1.5142), making it relevant for applications where computational efficiency is a critical point.
Palavras-chave: Fermentação
Fermentação alcoólica
Redes neurais
Soft-Sensor
Autoencoder (Rede neural)
Deep learning
Fermentation
Alcoholic fermentation
Neural networks
Autoencoder (Neural network)
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- Bacharelado
Citação: MONTEIRO, Vitor Marcel de Mendonça. Deep learning autoencoder no desenvolvimento de soft-sensor para processos de fermentação alcoólica em batelada. 2026. 45 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Química) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2025.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/17615
Data do documento: 25-fev-2025
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