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Técnicas de programação matemática para a análise e projeto de sistemas biotecnológicos (2005)

  • Authors:
  • Autor USP: RIASCOS, CARLOS ARTURO MARTINEZ - EP
  • Unidade: EP
  • Sigla do Departamento: PQI
  • Subjects: PROGRAMAÇÃO MATEMÁTICA; OTIMIZAÇÃO GLOBAL
  • Language: Português
  • Abstract: A complexidade de alguns sistemas biotecnológicos impossibilita seu estudo sem o uso de técnicas de programação matemática avançadas. A quantificação de fluxos metabólicos e a síntese e projeto ótimos de plantas multiproduto são problemas com esta característica, abordados na presente tese. A quantificação de fluxos metabólicos empregando balanços de marcações é representada como um problema de otimização não-linear, o qual se resolve através da minimização da diferença entre as medidas experimentais e as predições do modelo da rede metabólica. Este problema surge da necessidade de se caracterizar o metabolismo mediante a estimação das velocidades das reações bioquímicas. O modelo matemático para problemas deste tipo é composto basicamente por balanços de metabólitos e de isótopos; os primeiros são lineares, enquanto os segundos introduzem não-linearidades ao problema e, neste trabalho, são modelados mediante uma modificação da técnica de matrizes de mapeamento de átomos. Para quantificar os fluxos metabólicos considerando a existência de ótimos locais, desenvolveu-se um algoritmo branch & bound espacial, no qual a busca global é feita mediante a divisão da região de busca (branching) e a geração de seqüências de limites (bounding) que convergem para a solução global. Como estudo de caso, estimaram-se os fluxos no metabolismo central de S. cerevisiae. Os resultados confirmam a existência de soluções locais e a necessidade de desenvolver uma estratégia debusca global; a solução global obtida apresenta semelhanças, nos fluxos centrais, com a melhor solução obtida por um algoritmo evolucionário. ) As abordagens mais empregadas para resolver problemas de síntese e projeto de sistemas biotecnológicos multiproduto são a definição e dimensionamento seqüencial das operações unitárias, e a fixação dos parâmetros de dimensionamento e de estimação do tempo de operação (com valores obtidos em laboratório ou planta piloto); porém ambas abordagens fornecem soluções subótimas. Por outro lado, a solução simultânea da síntese e projeto de sistemas biotecnológicos multiproduto gera modelos misto-inteiros não-lineares (MINLP) de grande porte, devido à combinação das decisões, ligadas à existência de alternativas no processo, com as restrições não-lineares geradas dos modelos das operações. Como estudo de caso considera-se uma planta para produção de insulina, vacina para hepatite B, ativador de plasminogênio tecidual (tissue plasminogen activator) e superóxido dismutase, mediante três hospedeiros diferentes: levedura (S. cerevisiae) com expressão extra ou intracelular, E. coli e células de mamíferos. O projeto deve satisfazer a meta de produção para cada produto, minimizando os custos de capital e selecionando os hospedeiros, as operações e o arranjo dos equipamentos em cada estágio. Os resultados obtidos mostram que a formulação das decisões por abordagem big-M permite resolver o modelo MINLP gerado e que a consideração demúltiplos produtos com seqüências e condições de processamento diferentes gera grande ociosidade nos equipamentos e aumenta o custo total do projeto. Para o estudo de caso observou-se que a alocação de tanques intermediários tem um efeito limitado na diminuição do custo do projeto, porém a implementação simultânea da flexibilização do scheduling, do projeto de equipamentos auxiliares e tanques intermediários permite obter projetos satisfatórios
  • Imprenta:
  • Data da defesa: 02.09.2005
  • Acesso à fonte
    How to cite
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    • ABNT

      MARTÍNEZ RÍASCOS, Carlos Arturo; PINTO, José Maurício. Técnicas de programação matemática para a análise e projeto de sistemas biotecnológicos. 2005.Universidade de São Paulo, São Paulo, 2005. Disponível em: < http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-28102005-174637/ >.
    • APA

      Martínez Ríascos, C. A., & Pinto, J. M. (2005). Técnicas de programação matemática para a análise e projeto de sistemas biotecnológicos. Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-28102005-174637/
    • NLM

      Martínez Ríascos CA, Pinto JM. Técnicas de programação matemática para a análise e projeto de sistemas biotecnológicos [Internet]. 2005 ;Available from: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-28102005-174637/
    • Vancouver

      Martínez Ríascos CA, Pinto JM. Técnicas de programação matemática para a análise e projeto de sistemas biotecnológicos [Internet]. 2005 ;Available from: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-28102005-174637/


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